国外PCBN切削刀具应用技术
时间:2011-05-30 08:39:44 来源:未知
立方氮化硼(CBN)是纯人工合成材料，是继人造金刚石之后，美国GE公司于1957年首先宣布利用高温超高压装置合成的另一种新型超硬材料。聚晶立方氮化硼(PCBN)是由CBN微粉与少量结合剂烧结而成的多晶体，PCBN自1973年研制成功以来，经过众多材料专家及刀具专家的努力，PCBN材料及其刀具已完全进入实用阶段，在工业发达国家PCBN刀具已应用于汽车、重型机械等机械加工行业，据资料介绍1995年全世界PCBN刀具的销售额达1.35亿美元，而我国由于对CBN材料及其应用技术的研究不够，PCBN刀具的年产量仅数百万元人民币，年消耗也仅千万元左右，且绝大部分PCBN刀坯或刀具是从国外进口。
一、PCBN材料的性能
- CBN的主要特性
- 氮化硼有多种同分异构体。CBN是氮化硼的致密相，具有很高的硬度，其Knoop硬度47000N/mm2,，仅次于金刚石。同时，CBN具有良好的热导性，其热导率是硬质合金的13倍、铜的3倍。另外，CBN还具有远优于金刚石的热稳定性和化学稳定性，可耐1300～1500℃的高温，并且与Fe族元素有很大的化学惰性。可见CBN是制作切削黑色金属的理想刀具材料。
- PCBN的特性
- 由于受CBN本身特性及其制造技术的限制，生产直接用于切削刀具的大颗粒CBN单晶目前仍很困难。为此，通过结合剂使CBN烧结而成的PCBN多晶材料得到较快发展，其尺寸大小基本不受限制。PCBN组织中各微小晶粒呈无序排序，硬度均匀、没有方向性，具有一致的耐磨性和抗冲击性，克服了单晶CBN易解理和各向异性等不足。
- PCBN属CBN的聚集体，除具有CBN的特点外，PCBN还与CBN的含量、粒径大小及结合剂的种类等因素有关。CBN含量主要影响PCBN的硬度和热导率，含量高，PCBN的硬度和热导率就高。CBN粒径大小是影响PCBN韧性的重要因素，粒径越大，其抗破损性就越弱，用此制作的刀具切削刃锋利性就差。PCBN中的结合剂主要有以Co、Ni为代表的金属型，以TiC、TiN、Al2O3为主的陶瓷型和金属陶瓷混合型。金属材料作结合剂时，PCBN有较好的韧性和导电性；陶瓷材料作结合剂，则有较优的热稳定性。PCBN除具有以上优良的性能外，为进一步提高其强度，目前各PCBN制造商多将0.5mm左右的PCBN层直接烧结或焊接在硬质合金基体上，使之形成一个复合整体(也称PCBN复合片)。这样PCBN材料的高硬度、高热稳定性和高化学稳定性与硬质合金基体的强度优、可焊性好等一起，使PCBN刀具不仅可切削各种硬度的工件，而且也易于生产制造。
表1是PCBN材料与其它刀具材料的性能比较。
表1 PCBN与其它刀具材料的性能比较
主要性能
PCBN
PCD
Al2O3
WC(K20)
Knoop硬度(GPa)
30～45
80～120
16～24
17
抗弯强度(GPa)
0.8～1.54
1.1～2.8
0.4～1.0
1.7
弹性模量(GPa)
680～815
560～840
420
593
断裂韧性(MPa√m)
3.7～6.4
7.0～9.0
2.3～3.1
10.5
热导率(W/(m•K))
44～100
200～560
20.9
100
#p#分页标题#e#二、PCBN刀具切削特点——硬态切削
硬态切削是指在铁族零件淬硬热处理后的切削加工，而过去磨削仍是其唯一的加工方法。随着陶瓷刀具，特别是PCBN刀具(PCBN材料有优良的红硬性。在1000℃下的硬度仍高于硬质合金在室温下的硬度)的研制成功，硬态切削得到飞速飞展。
PCBN刀具进行硬态切削时，由于PCBN不粘刀、磨损小，可获得极高的加工精度和表面质量( Ra0.2～2.0µm)，实现以车代磨。据日本切削协会对本国53个大公司的调查表明，日本PCBN刀具的应用有55%是替代原来的磨削和珩磨。
PCBN刀具主要适用于切削45HRC以上的淬硬钢、耐磨铸铁，35HRC以上的耐热合金或其它刀具很难加工的特殊铸铁。如果被加工材料硬度过低，则PCBN刀具的优势将不大明显。
表2 国外主要PCBN的型号及特点
型号
特点
公司
AMBORITE
DBA80
AMB90
DBC50
高含量、粗粒度、陶瓷相、整体式
80%CBN、中等粒度
90%CBN、Al/AlB2相
50%CBN、细粒度、陶瓷相
英国De Beers
BZN6000
BZN7000S
BZN8100
BZN8200
90%CBN、0.3µm、金属相
82%CBN、陶瓷相、整体式
65CBN、0.3µm、TiN相
65%CBN、TiN相
美国GE
BN600
BN100
BN300
BNX20
高含量
80%CBN
<1.0µm、陶瓷相
陶瓷相
日本住友电工Sumitomo
MB710
MB710
MB810
MB810
陶瓷相
高含量、金属相
粗粒度
细粒度
日本三菱マテリアル
JBN500
JBN300
JBN330
JBN20
80%～90%CBN、2～3、金属相
55%～65%CBN、4～5µm、TiN相
45%～55%CBN、3～4µm、TiN相
40%～00%CBN、2～3µm、Al2O3相
日本黛杰工业Dijet
KBN30S
KBN30B
KBN10B
重、中切削用
中、轻切削用
精切削用
日本京瓷会社Kyocera
KB90
KB80
KB60
KB50
90%CBN
80%CBN
60%CBN
50%CBN
韩国Korea Tungstem
CBN10
CBN20
CBN10
90%CBN、粗粒度、整体式
80%CBN、中等粒度
00%CBN、细粒度
瑞典seco Tools
CB7050
瑞典Sandvik Coromant
Kusopum-p
乌克兰超硬材料所
三、国外主要PCBN刀坯的种类和型号
国外主要PCBN刀坯的种类和型号，大致可分为两大类，即高含量PCBN和低含量陶瓷结合剂PCBN(也称陶瓷CBN)。高含量PCBN(一般CBN含量80%～90%)是以CBN之间直接结合为主，具有高硬度、高热导性和良好韧性，这类PCBN刀具适合于加工高硬度合金和组织中含有高硬质点的材料，如冷硬铸铁、硬质合金、耐热合金等。目前此类PCBN刀坯主要有GE公司的BZN6000，De Beers公司的Amborite、DBC80，住友电工的BN100、BN600等。
#p#分页标题#e#在切削淬硬钢(合金钢、轴承钢、模具钢、碳钢等)时，由于切削温度较高，要求PCBN刀具不仅有高的硬度，还要求有较高抗氧化能力和抗扩散磨损的能力，对此应采用陶瓷作结合剂的低含量PCBN刀坯。尽管此类PCBN较高含量PCBN的硬度、热导率和韧性稍低，但是正因为陶瓷材料的耐热性好与热导性差的特点，使切削区形成热滞留温度升高，工件局部迅速形成塑性变形而易于切削，可获得较好的效果(也称软化效应)。目前此类刀坯主要有GE公司的BZN8100、BZN8200，De Beers公司的DBC50，住友电工的BN300、BN220 等。
表2 为国外主要PCBN刀坯的型号及特点。
四、PCBN刀具的应用范围
- 按行业来分，汽车工业占50.37%、重型机械～20.74%、泵业8.89%、轴承齿轮5.93%、轧滚5.19%、航空航天2.90%，其它5.93%。
- 按加工材料来分，淬火钢占65%、铸铁28%、耐热钢7%。
- 按加工工序来分，车削占60%、镗削32.5%、端铣7.5%。
- 按替代原加工来分，50%为替代磨削、30%替代硬质合金刀具、10%替代金属陶瓷刀具、5%替代陶瓷刀具、5%替代珩磨加工。
表3 PCBN刀具的经济切削速度
工件材料
切削速度(m/min)
进给量(mm/r)
切削深度(mm)
淬硬钢
50～160
0.02～0.2
≤0.3
灰口铸铁
200～1500
0.1～0.5
≤1.0
灰口铸铁(铣削)
800～1500
0.1～0.1
≤0.5
合金铸铁
200～800
0.1～0.4
≤0.5
球墨铸铁
100～350
0.1～0.4
≤0.5
铁基烧结材料
50～250
0.03～0.2
0.1～1.0
冷硬铸铁
40～130
0.1～0.5
0.2～3.0
高速钢
20～80
0.1～0.4
0.1～3.0
Ni基耐热合金
110～160
0.05～0.2
0.1～1.0
Co基耐热合金
50～100
0.05～0.2
0.1～1.0
五、PCBN刀具应用技术
硬态切削时，径向力很大，机床和系统的刚性必须很好、功率足够大。装夹PCBN刀具时，刀具的悬伸长度要尽可能短，以防止刀杆的颤振和变形，使PCBN刀具保持良好的状态。
PCBN刀具比硬质合金刀具韧性差，因此在切削时，一般都采用负前角(0°～-10°)、较小的后角(6°～8°)和负倒棱[(0.1～0.2)×(10°～30°)]。若进一步对切削刃适当钝化处理，则会更好。另外，在可能的情况下，尽可能采用小主偏角和大的刀尖圆弧半径，这有助于保护切削刃、延长刀具使用寿命。
合理使用PCBN刀具，准确判断PCBN刀具的耐用度是关键。建议PCBN刀具后刀面磨损标准达0.3～0.5mm(精车时取小值)，进行定期重磨为好。但是重磨需要一定的设备和技巧，大多数工厂的机床不具备适合的条件，PCBN刀具重磨应由专业厂商来完成。确定切削速度、进给量及切削深度要综合考虑生产效率和加工成本。通常情况下其切削速度可比硬质合金刀具高2 倍左右，高的切削速度产生大的切削热，使被加工材料的塑性增大，有利于降低切削力。表3是PCBN刀具的经济切削速度。
#p#分页标题#e#PCBN刀具在使用时以干切削为好，如果需要切削液时，一定要冷却充分，禁用水溶性切削液。
随着技术的进步，PCBN刀坯系列越来越多，专用性越来越强，对于不同材质和要求的工件应选用相应的PCBN材料，以取得满意的加工效果。