整體PCBN刀片特性及其銑削應(yīng)用

發(fā)布日期：2012-08-29    蘭生客服中心    瀏覽：2296

切削刀具材料的不斷進(jìn)步在機(jī)械加工技術(shù)的發(fā)展中扮演重要角色。使用新刀具材料帶來的性能提高及刀具壽命的增加使得按嚴(yán)格的尺寸精度和表面粗糙度要求來確保大量生產(chǎn)零件的互換性成為可能。

PCBN(立方氮化硼)是自然界中硬度僅次于金剛石的礦物質(zhì)(顯微硬度達(dá)8000～9000HV)。用PCBN材料制造的刀片是加工黑色金屬硬度最高的刀片。它的良好的熱硬性(耐熱達(dá)1400～1500℃)、抗氧化性(在1200～1300℃也不與鐵系材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng))和抗斷裂韌性賦予PCBN系列刀片在實(shí)際切削中表現(xiàn)出極其優(yōu)秀的特性。目前60%PCBN刀具用于汽車制造業(yè)，包括用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)箱體、剎車盤、傳動(dòng)軸、氣缸孔、發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)出氣閥座等。另外，20%的 PCBN刀具用于重型設(shè)備(如軋輥等)的加工。PCBN刀具在許多需要提高加工效率的加工中也很受歡迎。隨著現(xiàn)代制造業(yè)的快速發(fā)展，尤其是汽車制造業(yè)中柔性生產(chǎn)線(FMS)的大量應(yīng)用為PCBN新牌號(hào)材料的應(yīng)用提供很好的契機(jī)。

1 SECOMAX 系列CBN 刀片技術(shù)性能指標(biāo)























































表1 SECOMAX 系列CBN 刀片的技術(shù)性能指標(biāo)
刀片種類 CBN含量

(%)

 晶粒尺寸 粘結(jié)劑 型式
CBN10 50 2 TiC 硬質(zhì)合金基體
CBN20 80 6 Ti&Al 硬質(zhì)合金基體
CBN30 90 8 Al 整體
CBN100 50 2 TiC 整體
CBN150 45 0.5 TiN 硬質(zhì)合金基體
CBN300 90 22 Al 整體

從表1可以看出PCBN的發(fā)展歷程:從原先只有一個(gè)刃口的釬焊式刀片發(fā)展到整體式刀片(多至8個(gè)刃口)。SECO公司的CBN100整體刀片是CBN10的改進(jìn)型，CBN100是細(xì)顆粒的整體PCBN刀片，PCBN含量(50%)較少，其低熱傳導(dǎo)性的特性可使切削熱集中在切削區(qū)域，可大大改善淬硬鋼精加工時(shí)的效果。CBN100可用于淬硬鋼，硬化處理過的合金及燒結(jié)鋼等一些高硬度材料的精加工，CBN150中的PCBN含量(45%)也較低，是將PCBN材料焊接在硬質(zhì)合金基體上的一種刀片，具有非常出色的抗沖擊韌性，可用于切削狀況比較惡劣甚至斷續(xù)切削的較高硬度工件的加工。
CBN300 是在CBN30基礎(chǔ)上用特殊工藝改變顆粒度尺寸大小得到的抗沖擊牌號(hào)，可用于斷續(xù)切削。CBN300是一種純CBN燒結(jié)體，含PCBN量(90%)較高。具有很好的耐磨性、優(yōu)良的導(dǎo)熱性和抗沖擊性，同已有的PCBN產(chǎn)品相比，是一種新的更成熟的PCBN產(chǎn)品�？捎糜谥楣怏w灰口鑄鐵的粗精加工、淬硬鋼粗加工、冷硬鑄鐵的加工、錳鋼的加工甚至硬質(zhì)合金等材料的加工。由于其良好的抗沖擊性，CBN300不僅可用于車削硬材料(HRC>45)，同時(shí)在銑削工件上也表現(xiàn)卓越，完成了PCBN刀片從車削應(yīng)用到銑削應(yīng)用的飛躍。

2 CBN300在銑削加工中的應(yīng)用
















    圖1 端銑時(shí)的切削關(guān)系

    圖2 單個(gè)銑刀刀齒的切削力變化過程

    圖3 不同溫度下刀具材料硬度比較

  1. 銑削加工切削力的變化規(guī)律 根據(jù)Weilenmann推導(dǎo)端銑時(shí)切削力的途徑可得出計(jì)算公式，單個(gè)銑刀齒的切削力為:
    FSZ=bhks，kgf
    b=ap/sinK，mm
    h=SssinK，mm式中：b——切削寬度
    ap——切削深度
    h——切削厚度
    K——主偏角
    SS——進(jìn)給量
    ks——單位切削力
    如圖1所示
    sS≈sZsinf
    式中f——刀尖銑削點(diǎn)的進(jìn)給方向角。
    根據(jù)以上公式可以得出單個(gè)銑刀齒的切削力隨f角的變化曲線，如圖2所示。單個(gè)銑刀齒的平均切削力為


















    FSMZ= 1 ∫ f1 FSZdf， kgf
     
    f^s f2

    式中：f1——切削開始處的進(jìn)給方向角
    f2——切削終止處的進(jìn)給方向角
    fS——端銑時(shí)的接觸角

  2. 不同溫度下刀具材料的硬度比較 CBN300同陶瓷、硬質(zhì)合金比較具有優(yōu)良的導(dǎo)熱性和抗沖擊性。圖3是CM、TP200、CBN300三種刀具材料在不同溫度下硬度的比較，顯示了CBN300良好的熱硬性。
















    表2 CBN300與硬質(zhì)合金切削參數(shù)對(duì)比
    粗加工 精加工
    硬質(zhì)合金:

    vc=150m/min

    ap=2～3mm vf=300mm/min

    刀具壽命=70件

    		 硬質(zhì)合金:

    vc=180m/min

    ap=0.2mm vf=500mm/min

    刀具壽命=100件
    CBN300:

    vc=2000m/min

    ap=2～3mm

    vf=3000mm/min

    刀具壽命=150件

    		 CBN300:

    vc=2000m/min

    ap=0.2mm

    vf=5000mm/min

    刀具壽命=600件


  3. 硬質(zhì)合金與CBN300切削參數(shù)對(duì)比 加工工件：真空泵鑄蓋：材料:HT200。刀具材料分別選用硬質(zhì)合金和CBN300，其切削參數(shù)和刀具使用壽命如表2所示。


3 CBN300銑削加工實(shí)例


CBN300 在銑削加工灰鑄鐵時(shí)效果最好，刀具壽命為一般PCBN刀片的4倍。而對(duì)于正在使用陶瓷刀片的工廠來說，CBN300可以提高50倍刀具壽命，切削線速度可達(dá)2000m/min。近年來，PCBN在珠光體灰口鑄鐵發(fā)動(dòng)機(jī)的平面銑削加工上表現(xiàn)了不凡的特性，我們已成功地將CBN300運(yùn)用于上海通用汽車公司 (SGM)新建成的發(fā)動(dòng)機(jī)柔性生產(chǎn)線上銑削發(fā)動(dòng)機(jī)缸體平面，銑削線速度vc達(dá)1600m/min，甚至高達(dá)2000m/min這不僅大大提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的加工效率，縮短了加工時(shí)間，從而也提升了發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)線的適應(yīng)能力。表3為CBN300與硬質(zhì)合金銑削灰鑄鐵發(fā)動(dòng)機(jī)缸體平面切削參數(shù)的對(duì)比。展現(xiàn)了PCBN銑刀提高加工效率的優(yōu)秀品質(zhì)。












表3 CBN300與硬質(zhì)合金銑削灰鑄鐵平面切削參數(shù)對(duì)比
CBN300 D=160，Z=5，SNMN090312S

ae=120mm，ap=5mm，fz=0.15mm，vc=1600m/min
硬質(zhì)合金 D=160，Z=20，SPKT1504AZN

ae=120mm，ap=5mm：fz=0.21mm，vc=160m/min

4 結(jié)束語(yǔ)


21 世紀(jì)是高科技時(shí)代，產(chǎn)品必須具有高性能、高質(zhì)量才有市場(chǎng)，企業(yè)才有生命力。為此，應(yīng)盡快提高制造技術(shù)水平。對(duì)金屬加工業(yè)而言，推廣使用PCBN刀具來提高制造技術(shù)是一種有力的措施，而推廣應(yīng)用新技術(shù)、新產(chǎn)品不僅需要有關(guān)主管部門的有力資助和支持，有組織、有計(jì)劃地逐步推廣PCBN刀具的技術(shù)配套與使用，同時(shí)也要求用戶勇于接受新材料、新技術(shù)，改變過去陳舊的生產(chǎn)觀念與管理方法。目前刀具平均消耗費(fèi)用指標(biāo)很低，只占產(chǎn)品成本的1/100左右。如果不以提高生產(chǎn)效率和保證產(chǎn)品質(zhì)量為準(zhǔn)，便會(huì)限制優(yōu)質(zhì)高效的刀具應(yīng)用與先進(jìn)設(shè)備生產(chǎn)能力的發(fā)揮。實(shí)踐證明，PCBN刀具的成效不僅可提高產(chǎn)品的加工質(zhì)量，而且也可提高經(jīng)濟(jì)效益。

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