高性能超硬切削材料刀具的應(yīng)用

發(fā)布日期:2012-11-18    蘭生客服中心    瀏覽:4877

超硬切削材料刀具主要是指金剛石和立方氮化硼(PCBN)刀具,而金剛石刀具中又以人造聚晶金剛石(PCD)刀具的應(yīng)用最為廣泛。隨著全球汽車、航空和模具等機(jī)械制造業(yè)的高速發(fā)展,過去首選用于加工傳統(tǒng)“難加工”材料(如有色金屬、增強(qiáng)塑料、陶瓷、淬硬鋼、鑄鐵和高溫合金等)的硬質(zhì)合金刀具,正越來越受到上述超硬切削材料刀具的沖擊。隨著超硬刀具制造技術(shù)的發(fā)展和提高,其加工范圍也越來越廣,已成為某些機(jī)加工領(lǐng)域的首選刀具。







圖1 不同材料的硬度值


1 超硬切削材料刀具的特點



  1. PCD刀具的特點

  2. PCB刀具的特點



    • 極高的硬度及壽命 如圖1所示,人造聚晶金剛石(PCD)的硬度可達(dá)68GPa,僅次于天然金剛石,是目前世界上人工合成的最硬物質(zhì),人造聚晶金剛石的硬度是目前被廣泛應(yīng)用于汽車加工領(lǐng)域的硬質(zhì)合金材料硬度的3~4倍;在加工鋁硅合金時,人造聚晶金剛石刀具的使用壽命是硬質(zhì)合金刀具的20~100倍。

    • 很低的摩擦系數(shù) PCD 金剛石刀具非常適合加工鋁合金、鎂合金等有色金屬,它與有色金屬的摩擦系數(shù)低于0.3(約為硬質(zhì)合金的一半),這對切屑的順利排出、杜絕積屑瘤的產(chǎn)生、降低切削力和切削熱非常有利。

    • 非常鋒利的刀刃 根據(jù)不同的工藝要求,PCD金剛石刀具的刃面粗糙度一般在Rz3.4~6.0µm左右,如有特殊要求,可經(jīng)過表面拋光研磨處理至Rz1.7~2.1µm,刀刃鈍圓半徑可達(dá)0.01µm 以下。

    • 優(yōu)異的導(dǎo)熱性 PCD刀具的導(dǎo)熱性略低于天然金剛石,約為硬質(zhì)合金的3~5倍,這有利于降低刀尖部分的溫度,提高刀具的使用壽命。

    • 低的熱膨脹系數(shù) PCD刀具的熱膨脹系數(shù)約為硬質(zhì)合金的1/4。因此,PCD 金剛石刀具的熱穩(wěn)定性非常好,能長時間保持刀具的尺寸精度和鋒利性。



    • 很高的硬度及耐磨性能 如圖2所示,聚晶立方氮化硼(CBN)是利用高溫高壓人工合成的另一種超硬刀具材料,其硬度略低于聚晶金剛石(PCD)。在加工淬硬鋼時,其耐用度是硬質(zhì)合金的10~50倍左右,切削速率可提高. 倍以上。

    • 優(yōu)良的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性 CBN的耐熱溫度可達(dá)1400℃左右,比金剛石的耐熱溫度400℃高一倍,在1000℃以下不會出現(xiàn)氧化現(xiàn)象,在1200℃時也不與鐵基材料起化學(xué)反應(yīng)。

    • 良好的導(dǎo)熱性 CBN的導(dǎo)熱性低于金剛石,但比硬質(zhì)合金高很多,并且隨著切削溫度的提高,它的導(dǎo)熱系數(shù)還會提高。

    • 較低的摩擦系數(shù) CBN與淬硬鋼之間的摩擦系數(shù)約為硬質(zhì)合金與淬硬鋼之間摩擦系數(shù)的1/2。



2 超硬切削材料刀具的應(yīng)用



  1. 超硬刀具的種類

  2. CBN 刀具的應(yīng)用

  3. PCB刀具的應(yīng)用

  4. 人造聚晶金剛石(PCD)復(fù)合刀片通常是由含量為80~90%的粒度為2µm、10µm或25µm 的金剛石顆粒為原料,并以鈷作為催化劑,在大約1400℃的高溫和60kBar的高壓下燒結(jié)在圓盤形硬質(zhì)合金基體上(見圖2)。聚晶立方氮化硼(CBN)刀片一般也是經(jīng)高溫、高壓燒結(jié)在硬質(zhì)合金基體上做成復(fù)合刀片形式。







    圖2 人造聚晶超硬復(fù)合刀片


    根據(jù)對不同刀具的不同要求,在高功率、高精度的EDM線切割機(jī)床上采用特殊設(shè)計的軟件對其進(jìn)行優(yōu)化、精密分割,制作成各類刀具。鈷領(lǐng)公司的超硬刀具產(chǎn)品基本可覆蓋整個切削類刀具,從車刀、機(jī)夾刀片到旋轉(zhuǎn)類刀具(包括PCD 鉆頭、銑刀、鉸刀及可調(diào)式精密鏜刀等),其中PCD 鉆頭、立銑刀已形成系列并批量投入生產(chǎn)。對于有特殊要求的刀具,鈷領(lǐng)公司的專家會專門為客戶設(shè)計、制作,幫助您更高效的完成加工任務(wù)。
    由于CBN 刀具在加工鐵系金屬時會產(chǎn)生化學(xué)滲透,因此不適合加工鋼和鑄鐵,但在加工有色金屬和非金屬材料(如鋁、鎂、銅及其合金,木材、增強(qiáng)塑料、石墨和陶瓷等)時能表現(xiàn)出超群的切削能力,能非常輕松地以高于硬質(zhì)合金10倍以上的切削效率進(jìn)行加工(見表1)。通常通過切削試驗來選擇最佳的切削參數(shù),在切削加工時最好使用冷卻液。在加工硅鋁合金時刀具壽命常常能達(dá)到硬質(zhì)合金的100倍以上,如此高的切削速率減少了積屑瘤在刀具刃口生成的可能性。
    CBN 刀具特別適合于高質(zhì)量的精加工工序,甚至在較大的切削深度和切削速度下也能獲得杰出的表面質(zhì)量,這有利于減少加工工序,縮短工件的加工周期。












































































































    表1 CBN刀具的切削參數(shù)
    工件材料 鉆、鉸加工 銑加工 車加工
    切削速度Vc

    (m/min)

    進(jìn)給量f*

    (mm/r)

    切削速度Vc

    (m/min)

    進(jìn)給量f

    (mm/r)

    切削速度Vc

    (m/min)

    進(jìn)給量f

    (mm/r)

    硅鋁合金(含Si<12%) 800 0.1-0.25 3500 0.04-0.2 8500 0.01-0.25
    硅鋁合金(含Si>12%) 600 0.1-0.25 2900 0.02-0.2 4700 0.01-0.25
    鍛鋁合金 1000 0.1-0.25 4700 0.04-0.2 16000 0.05-0.3
    鎂合金 800 0.12-0.32 5500 0.04-0.25 - -
    銅合金 380 0.1-0.25 5500 0.05-0.35 3200 0.01-0.3
    增強(qiáng)塑料 1500 0.05-0.5 3600 0.1-1.0 1200 0.05-0.3
    黃銅合金 1200 0.05-0.35 4500 0.05-0.35 5100 0.01-0.25
    硬質(zhì)合金

    (含Co10%-17%)

    150 0.05-0.4 200 0.02-0.25 200 0.1-0.5
    陶瓷 450 <0.2 600 <0.2 600 <0.2
    石墨1200 1200 0.01 2000 0.04-0.2 - -

    用于直徑f3~12mm
    PCB刀具主要用于加工硬度在45HRC以上的各種淬硬鋼(彈簧鋼、軸承鋼、高速鋼等)、鑄鐵(冷硬鑄鐵、灰鑄鐵等)、高溫合金(鈷基合金、鎳基合金等)、硬質(zhì)合金及粉末噴涂金屬等難加工材料。
    PCB刀具能在很大范圍內(nèi)有效代替磨削進(jìn)行高精度加工。與磨削加工相比,對于同等加工精度,PCB刀具的加工效率更高,綜合效益更好,可滿足現(xiàn)代汽車制造業(yè)對刀具的高效、高穩(wěn)定性、高壽命的要求。表2為PCB刀具的切削參數(shù)推薦表(最佳的切削速度取決于表面質(zhì)量的要求和刀尖部分的形式)。





















































































    表2 PCB刀具的切削參數(shù)
    工件材料 銑加工 車加工
    切削速度Vc

    (m/min)

    進(jìn)給速率f

    (mm/z)

    切削速度Vc

    (m/min)

    進(jìn)給速率f

    (mm/r)

    灰鑄鐵(180-240HB) 1500 0.25-0.4 1000 0.1-0.4
    合金鑄鐵 380 0.3-0.5 500 0.1-0.4
    冷硬鑄鐵(60HRC) 200 0.1-0.4 100 0.4-0.85
    表面硬化鋼(56HRC,16MnCr5) 250 0.05-0.2 140 0.1-0.3
    軸承鋼(61~63HRC,100Cr6) 220 0.05-0.2 180 0.08-0.2
    冷作鋼(59HRC,X210Cr13) 320 0.05-0.2 130 0.05-0.2
    鎳硬化鋼(60HRC) 220 0.1-0.3 80 0.25-0.4
    鎢鉻鈷合金 240 0.1-0.3 250 0.2-0.4
    高速鋼(64~65HRC) - - 130 0.05-0.2
    硬質(zhì)合金(含Co>17%) - - 30 0.05-0.2


3 超硬切削材料刀具加工實例



  • 實例1

  • 實例2

  • 實例3

  • 工作內(nèi)容:銑削空調(diào)壓縮機(jī)部件上的渦旋槽;工件材料:鋁硅合金(AlSi10Mg)。
    加工難點:雖然工件直徑僅100mm,但實際銑削長度達(dá)800mm,渦旋槽窄而深,且壁很;要求被加工底面與側(cè)面垂直,被銑削的槽內(nèi)壁粗糙度要求Rz2µm。因原用刀具切削壽命短導(dǎo)致每只工件的刀具成本太高。
    解決方案:(1)刀具選擇:采用一體化短錐柄焊接式PCD銑刀,該銑刀設(shè)計有特殊的軸向角。(2)切削參數(shù):n=40,000r/min,Vc=1760m/min,f=0.25mm/r,Vf=1,000mm/min。
    應(yīng)用效果:工件被加工表面的表面粗糙度達(dá)Rz1.5µm;平均每把刀可加工97,400只工件,相當(dāng)于每把刀的壽命為77,920米;刀具成本從過去的7.15美元/件降至1.21美元/件。







    圖3 空調(diào)壓縮機(jī)部件

    圖4 CBN 銑刀


    工作內(nèi)容:汽車剎車塊上鉆孔并銑制螺紋;工件材料:最新研制的陶瓷(含有60%碳化硅纖維)。
    加工難點:工件材料的加工性能差,采用硬質(zhì)合金刀具試切削失敗,采用涂層金剛石鉆頭勉強(qiáng)鉆削90只孔,每孔鉆削時間30秒,效率低,刀具壽命短;無法銑制螺紋。
    解決方案:改用鈷領(lǐng)公司生產(chǎn)的編號為No.1265的標(biāo)準(zhǔn)PCD鉆頭。為了加工螺紋,鈷領(lǐng)刀具專家特別研制了PCD螺紋銑刀,該銑刀耐磨性能好,不易破裂。
    切削參數(shù):在相同的進(jìn)給量(f=0.02mm/r)下,鉆孔速度由過去的Vc=25m/min提高到Vc=100m/min;PCD螺紋銑刀Vc=60m/min,f=0.025mm/r。
    應(yīng)用效果:平均每支鉆頭可加工110只孔,每孔鉆削時間僅1.5秒,每孔減少加工時間95%。同時新研制的PCD螺紋銑刀解決了螺紋的加工難題。










    (a)

    (b)

    圖5 柴油發(fā)動機(jī)缸蓋的加工


    工作內(nèi)容:V6柴油發(fā)動機(jī)缸蓋孔的加工,工件材料AlSi10Mg(Cu)。
    加工難點:斷續(xù)切削,孔徑公差小,圓度、表面質(zhì)量要求高。
    解決方案:采用焊接式PCD階梯鉸刀。切削參數(shù):n=10,000r/min,vc=377m/min,f=0.2mm/r,Vf=2,000mm/min。應(yīng)用效果:每把鉸刀加工10,000只缸蓋,即加工120,000只孔。

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