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立方氮化硼CBN(Cubic Boron Nitride)是20世紀(jì)50年代首先由美國(guó)通用電氣(GE)公司利用人工方法在高溫高壓條件下合成的,其硬度僅次于金剛石而遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其它材料,因此它與金剛石統(tǒng)稱為超硬材料。 : _! T9 n$ Q! r6 ~) W. S6 _
5 m$ n+ E5 U3 o# B; t& }0 iCBN具有較高的硬度、化學(xué)惰性及高溫下的熱穩(wěn)定性,因此作為磨料CBN砂輪廣泛用于磨削加工中。由于CBN具有優(yōu)于其它刀具材料的特性,因此人們一開始就試圖將其應(yīng)用于切削加工,但單晶CBN的顆粒較小,很難制成刀具,且CBN燒結(jié)性很差,難于制成較大的CBN燒結(jié)體,直到20世紀(jì)70年代,前蘇聯(lián)、中國(guó)、美國(guó)、英國(guó)等國(guó)家才相繼研制成功作為切削刀具的CBN燒結(jié)體——聚晶立方氮化硼PCBN(Polycrystalline Cubic Boron Nitride)。從此,PCBN以它優(yōu)越的切削性能應(yīng)用于切削加工的各個(gè)領(lǐng)域,尤其在高硬度材料、難加工材料的切削加工中更是獨(dú)樹一幟。經(jīng)過(guò)30多年的開發(fā)應(yīng)用,現(xiàn)在已出現(xiàn)了用以加工不同材料的PCBN刀具材質(zhì)。 3 k7 ^; J" [5 I7 z3 Z0 X/ m
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1 PCBN刀具材料及其切削性能
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# L5 n$ s& Z- ^, c1.1 PCBN刀具材料的種類
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按添加成分分:有直接由CBN單晶燒結(jié)而成的PCBN和添加一定比例粘結(jié)劑的PCBN燒結(jié)體兩大類;按制造復(fù)合方式分:有整體PCBN燒結(jié)塊和與硬質(zhì)合金復(fù)合燒結(jié)的PCBN復(fù)合片兩類。目前應(yīng)用較廣的是帶粘結(jié)劑的PCBN復(fù)合片,根據(jù)添加的粘結(jié)劑比例不同則PCBN硬度也不同,粘結(jié)劑含量越多則硬度越低、韌性越好;粘結(jié)劑種類不同,則PCBN的用途也不同,如表1所示為常見粘結(jié)劑的PCBN刀具及其用途。 % O5 w4 [& j& }. k* x- c6 i
表1 常見粘結(jié)劑的PCBN刀具及其用途
4 ?8 k1 j6 o3 X `/ E6 z( q vCBN含量(%) | 粘結(jié)劑種類 | 主要用途 | ~60 | TiN | 淬火鋼 | ~70 | TiC | 鑄鐵 | ~70 | Al2O3 | 鑄鐵 | ~90 | AlN | 高強(qiáng)度鑄鐵 | ~80 | Co | 耐熱合金鋼鑄鐵 |
1.2 PCBN刀具的切削性能 4 r5 y2 A& o4 r) t# L9 H
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由于CBN晶體與金剛石晶體都屬閃鋅礦型,且晶格常數(shù)相近,化學(xué)鍵類型相同,因而CBN具有接近金剛石的硬度和抗壓強(qiáng)度,又因?yàn)槠涫怯蒒、B原子所組成,因此具有比金剛石更高的熱穩(wěn)定性和化學(xué)惰性。PCBN刀具材料主要性能如下: 2 P5 G( E1 `" t) I! D5 `) k
) N S! j4 X2 C/ D; E9 {: j, S1) 具有很高的硬度和耐磨性。CBN單晶的顯微硬度為HV8000~9000,是目前已知的第二高硬度的物質(zhì),PCBN復(fù)合片的硬度一般為HV3000~5000。因此用于加工高硬度材料時(shí)具有比硬質(zhì)合金及陶瓷更高的耐磨性,能減少大型零件加工中的尺寸偏差或尺寸分散性,尤其適用于自動(dòng)化程度高的設(shè)備中,可以減少換刀調(diào)刀輔助時(shí)間,使其效能得到充分發(fā)揮。 5 m. I& N. D0 [$ P
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2) 具有很高的熱穩(wěn)定性和高溫硬度。CBN的耐熱性可達(dá)1400~1500℃,在800℃時(shí)的硬度為Al2O3/TiC陶瓷的常溫硬度,因此,當(dāng)切削溫度較高時(shí),會(huì)使被加工材料軟化,與刀具間硬度差增大,有利于切削加工進(jìn)行,而對(duì)刀具壽命影響不大。 4 Q; a/ F7 {& V# v" M
* h/ l, K$ w: h- Q3) 具有較高的化學(xué)穩(wěn)定性。CBN具有很高的抗氧化能力,在1000℃時(shí)也不產(chǎn)生氧化現(xiàn)象,與鐵系材料在1200~1300℃時(shí)也不發(fā)生化學(xué)反應(yīng),但在1000℃左右時(shí)會(huì)與水產(chǎn)生水解作用,造成大量CBN被磨耗,因此用PCBN刀具濕式切削時(shí)需注意選擇切削液種類。一般情況下,濕切對(duì)PCBN刀具壽命無(wú)明顯提高,所以使用PCBN刀具時(shí)往往采用干切方式。
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4) 具有良好的導(dǎo)熱性。CBN材料的導(dǎo)熱系數(shù)低于金剛石但大大高于硬質(zhì)合金,并且隨著切削溫度的提高,PCBN刀具的導(dǎo)熱系數(shù)不斷增大,因此可使刀尖處熱量很快傳出,有利于工件加工精度的提高。 - [5 P, n8 c) M* @8 S
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5) 具有較低的摩擦系數(shù)。CBN與不同材料的摩擦系數(shù)在0.1~0.3之間,大大低于硬質(zhì)合金的摩擦系數(shù)(0.4~0.6),而且隨摩擦速度及正壓力的增大而略有減小。因此低的摩擦系數(shù)及優(yōu)良的抗粘結(jié)能力,使CBN刀具切削時(shí)不易形成滯留層或積屑瘤,有利于加工表面質(zhì)量的提高。 ' R" P) \6 n' ^+ O3 J2 ]+ i
f8 X# h# F* ~' o9 ^' q: p, A2 PCBN刀具應(yīng)用于先進(jìn)切削加工工藝
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2.1 適用于高速及超高速切削加工技術(shù)
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PCBN刀具最適合于鑄鐵、淬硬鋼等材料的高速切削加工。圖1示為PCBN刀具切削鑄鐵及淬硬鋼時(shí)刀具后刀面磨損與切削距離的關(guān)系,可以看出:當(dāng)切削速度超過(guò)一定限度后,切削速度越高,PCBN刀具后刀面磨損速度反而越小,即高速切削下刀具的壽命反而高,這一特點(diǎn)尤其適合現(xiàn)代高速切削加工。 5 s% H- B5 l& Z% B, s
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2.2 硬態(tài)切削加工技術(shù)的最佳刀具材料 , e5 g, C3 q) @: G, ^& t
0 p' R0 S$ i. J8 _& f" s對(duì)淬硬件(硬度HRC55以上)的精加工,通常采用磨削加工方法來(lái)完成,然而隨著刀具材料發(fā)展及車床(尤其是數(shù)控車床)加工精度的提高,以硬態(tài)切削代替磨削來(lái)完成零件的最終加工已成為一個(gè)新的精加工途徑,這種以車代磨的工藝方法有以下優(yōu)點(diǎn): ; f1 I" G0 |. m& }
9 `! b. @: K% N# f1) 可提高加工柔性,突破了砂輪磨削的限制,通過(guò)改變切削刃及走刀方式可以加工出幾何形狀各異的工件; 7 ?4 o9 ?% e, e c
2) 切削加工中的環(huán)保問(wèn)題日益嚴(yán)峻,磨削加工產(chǎn)生的廢液和廢棄物越來(lái)越難以處理和清除,而且對(duì)人體有害,而硬態(tài)切削無(wú)須加冷卻液,意義重大; - P1 v( ^* A( p$ _: Y# D# X: H
3) 切削效率高,加工時(shí)間短,設(shè)備投資費(fèi)用小,可降低加工成本; : R: ~6 u8 q h' z1 C& e7 z+ Z4 v
4) 切除相同體積所消耗的能量?jī)H為磨削的20%,因此產(chǎn)生的切削熱較少,加工表面不易引起燒傷和微小裂紋,易于保持工件表面性能的完整性; " A& H A( v- i# G$ Y# w
5) 同樣金屬去除率情況下,硬態(tài)切削較磨削節(jié)省能源。 + ?) d) O2 x4 S- N
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通常用于硬態(tài)切削的刀具材料有陶瓷、TiC涂層刀片及PCBN刀具材料,但要在較高速度(1000m/min以上)下進(jìn)行硬態(tài)車削,PCBN是最佳刀具材料品種。如在汽車變速箱同步器套撥叉(材料為20CrMnTi,硬度為HRC58~62)加工采用以車代磨后,效率提高4倍以上,加工成本降低為原來(lái)磨削工藝的1/3~1/2。 ( n9 e1 b5 W2 G3 \
3 Q. K% D' p5 T/ D$ C% t* y2.3 進(jìn)行干切削加工工藝的理想刀具材料
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$ [0 A3 V9 d G9 u) [* l由于經(jīng)濟(jì)與環(huán)保方面的原因,近幾年干切削加工方法已成為機(jī)械制造領(lǐng)域中的重點(diǎn)研究課題。我們首先來(lái)看一下濕切工藝由于使用切削液帶來(lái)的問(wèn)題: 8 z9 D F- B( I
2 [$ {# }) o1 T) O6 R7 E7 D1) 長(zhǎng)期暴露在空氣中或切削加工中由切削熱造成的切削液霧狀揮發(fā),容易污染環(huán)境、危害操作者健康,切削液中的硫、氯等添加劑危害更大,影響加工表面質(zhì)量;
: e+ V) @- i& O8 n5 a2) 切削液的使用影響加工成本,據(jù)統(tǒng)計(jì),切削液占生產(chǎn)成本的15%,而刀具費(fèi)用僅占3%~4%; # \0 b- H0 T/ J5 f' e, m, w( O
3) 切削液的滲漏、溢出會(huì)污染環(huán)境,易發(fā)生安全、質(zhì)量事故; . g, ?; X. `! l# L; H/ H/ m
4) 切削液的傳輸、回收、過(guò)濾等裝置及其維護(hù)費(fèi)用較高,增加了生產(chǎn)成本。
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由于以上原因,干切削加工工藝已在西方工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家有了相當(dāng)?shù)膽?yīng)用。由美國(guó)Makino公司推薦的“紅月牙”(Red Crescent)干切工藝,既可以充分發(fā)揮刀具的切削性能,與濕切相比又能大大提高生產(chǎn)率。其機(jī)理是由于切削速度很高,產(chǎn)生的熱量聚集于刀具前部,使切削區(qū)附近材料達(dá)到紅熱狀態(tài),屈服強(qiáng)度下降,進(jìn)而達(dá)到提高切削效率的效果。采用紅月牙干切削工藝的前提條件是在較高切削溫度下,被切材料強(qiáng)度有明顯下降,變得易切削,而刀具材料的強(qiáng)度在同樣狀態(tài)下要有較好的紅硬性及熱穩(wěn)定性,還要有較好的耐磨性和抗粘結(jié)性。
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! k* U) g, ^, @% O/ Y6 U3 a$ ~& |& c適用于干切工藝的刀具材料有陶瓷、金屬陶瓷、涂層硬質(zhì)合金及PCBN刀具材料等等 ,但就紅硬性和熱穩(wěn)定性來(lái)說(shuō),PCBN材料是最適合干切工藝的刀具材料,且由于PCBN刀具材料具有上述優(yōu)點(diǎn),更適于高速條件下的干式切削加工,圖2為用PCBN刀具切削灰口鑄鐵干切削和濕切削兩種情況下的對(duì)比,可以看出:PCBN在高速干切情況下,比濕切削具有更高的刀具壽命。 6 ?3 p! \1 i! ?, d4 T' n0 M% W. U
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2.4 適應(yīng)于自動(dòng)化加工及難加工材料加工 5 M# d& N l# g, v/ H
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PCBN刀具有很高的硬度及耐磨性,能在高切削速度下長(zhǎng)時(shí)間地加工出高精度零件(尺寸分散性小),大大減少換刀次數(shù)和刀具磨損補(bǔ)償停機(jī)所花費(fèi)的時(shí)間。因此,很適合于數(shù)控機(jī)床及自動(dòng)化程度較高的加工設(shè)備,并且能使設(shè)備的高效能得到充分發(fā)揮。 ' D" I0 L, v( p1 x" w% R. ?
6 Z6 w9 h# s! p8 d- a在難加工材料應(yīng)用方面,PCBN刀具也顯示了其卓越的性能,如表面噴焊(涂)材料的加工,用其它材料刀具加工,刀具壽命極低,也無(wú)法采用磨削方法加工,而PCBN是惟一適合的刀具材料;又如,在石油電站設(shè)備中使用的高合金耐磨鑄鐵,采用PCBN刀具較硬質(zhì)合金刀具提高切削效率4倍以上,單件刀具成本下降為原來(lái)的1/5。另外在硬質(zhì)合金等燒結(jié)材料的切削加工方面,PCBN刀具也顯示了很好的切削性能。 5 }4 B) o" Q) w: r& [* g% F
! J8 J5 c8 R9 S- I2.5 PCBN刀具的應(yīng)用事例 + X R/ f; Q, ~) a" t8 R6 B
) K/ k' g: ~4 ]; a+ n% {8 I6 P2 q由于PCBN具有較高的硬度和耐磨性,在高溫下不與鐵族金屬起反應(yīng)的化學(xué)惰性,因此主要用于高硬度材料及難加工材料的切削加工,如淬硬鋼、高合金耐磨鑄鐵、高溫合金、高速鋼、表面噴焊材料、燒結(jié)金屬材料等難加工材料的切削加工。 6 J' i" c- v# h7 a( O: o: m
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1) 加工淬硬鋼,可起到以車代磨的效果,由于切削深度比磨削深度大十幾倍以上,因此加工效率高,表面不產(chǎn)生燒傷。如以車代磨加工變速滑動(dòng)齒輪(20CrMnTi,硬度為HRC 58~62)時(shí),切削比原磨削加工效率提高4倍以上。
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2) 加工高合金(含鎢或鉻18%)耐磨鑄鐵,切削速度較硬質(zhì)合金刀具提高10倍以上,切削效率提高4倍以上。
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3) 加工高鈷鉻鉬耐蝕耐熱合金,PCBN刀具切削速度為160m/min,是硬質(zhì)合金刀具的8倍。
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4) 加工熱噴涂(噴焊)材料,表面噴焊件無(wú)法用磨削加工,而用硬質(zhì)合金刀具切削效率極低,改用PCBN刀具后可提高加工效率,節(jié)省加工費(fèi)用50%以上。PCBN刀具還可用于有色金屬的精密切削及燒結(jié)金屬的切削加工等等。 5 x6 b: m9 C+ g- V
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3 PCBN刀具使用上的注意點(diǎn) & r; G2 r+ S4 Z) g
* |; h4 t2 \, z! I8 |! c) A6 T: F如果正確選擇切削用量、刀具幾何參數(shù)及其他加工條件,則PCBN是一種高效長(zhǎng)壽命刀具,能創(chuàng)造很高的經(jīng)濟(jì)效益,但如果使用方法不當(dāng),則會(huì)造成很大的浪費(fèi)。
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( c- \* k. p: e9 i) }1) 合理選擇切削用量:切削速度要根據(jù)被加工材料進(jìn)行選擇,一般要大大高于硬質(zhì)合金刀具。切削硬度HRC55~65的淬硬鋼可選切削速度為80~120m/min,由于PCBN切削硬材料是將切削區(qū)內(nèi)微小區(qū)域的金屬軟化而進(jìn)行的,因此切削速度過(guò)低時(shí),就不能發(fā)揮PCBN刀具的切削性能。進(jìn)給量一般不能大于0.2mm/r,背吃刀量一般選擇小于0.3mm。
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+ E3 A2 l1 }3 D- i8 e2) 合理選擇刀具幾何參數(shù):由于PCBN刀具的韌性高于陶瓷,低于硬質(zhì)合金,因此刀具幾何參數(shù)的選擇主要考慮的就是保證刃口強(qiáng)度,刀具前角一般選擇(0°~-10°),后角選擇較小,為10°左右。除特殊要求外,為保證刀尖強(qiáng)度,刀尖角一般不要小于90°;刃口要磨出負(fù)倒棱,一般取為0.2mm×(-15°~-30°),使用前要用30~50倍放大鏡對(duì)刀具進(jìn)行檢查,確保刃口無(wú)崩刃。
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3) 冷卻與潤(rùn)滑:對(duì)其他材料刀具,采用冷卻潤(rùn)滑液有利于提高加工表面和延長(zhǎng)刀具壽命,但對(duì)PCBN刀具除極特殊情況下,不加冷卻液同樣可達(dá)到理想的加工質(zhì)量和較長(zhǎng)的刀具壽命,對(duì)PCBN刀具來(lái)說(shuō)是怕軟不怕硬。若使用冷卻液,則不能使用水溶性冷卻液,因?yàn)镃BN易在1000℃產(chǎn)生水解作用,造成刀具嚴(yán)重磨損。 + N1 ~! D' Z6 H! k
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4) 對(duì)機(jī)床的工藝系統(tǒng):由于PCBN刀具多用于淬硬鋼及耐磨鑄鐵等難加工材料的切削加工,且刀具有負(fù)倒棱,因而徑向力較大。這就要求機(jī)床剛度和精度要好,系統(tǒng)振動(dòng)要小,刀具安裝時(shí)懸臂要小,PCBN刀具不宜用于荒面加工。
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目前,雖然PCBN刀具材料的價(jià)格相對(duì)硬質(zhì)合金及陶瓷刀具的價(jià)格還偏高,但均攤到每個(gè)工件上的刀具成本卻低于其他材料刀具,采用先進(jìn)切削加工工藝時(shí),若將磨削機(jī)床等設(shè)備投資攤?cè)肷a(chǎn)成本,則PCBN刀具的使用會(huì)帶來(lái)更大經(jīng)濟(jì)效益。對(duì)一般中小企業(yè)來(lái)說(shuō),精加工工序的磨削加工始終是制造過(guò)程的瓶頸,若購(gòu)置性能好的車床,采用PCBN刀具,應(yīng)用以車代磨等先進(jìn)切削加工工藝,即可節(jié)省設(shè)備投資、提高生產(chǎn)率,又可大大增加加工過(guò)程的柔性。另外,目前由于人員費(fèi)用的增大及環(huán)境保護(hù)方面的要求,大力推廣使用PCBN刀具,充分發(fā)揮其潛在效能,提高切削加工技術(shù)水平也是具有重要意義的 |
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