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作为21世纪更新换代的新型刀具——聚晶立方氮化硼(polycrystallinecubicboronnitride,PCBN)刀具,它的使用已产生巨大的经济效益,引起世界各工业国家的重视。超硬材料刀具的开发利用,是美国等先进工业国家保持技术和经济优势的关键之一。部分工业发达国家已经大规模投入使用PCBN超硬刀具,有的已经占到刀具市场份额的30%,这与国外高速数控机床在近20年来的快速发展是分不开的。近年来随着我国大力提倡超硬材料国产化,我国以华菱超硬为代表的超硬刀具品牌也相继在众多领域做出了突破,如华菱超硬车削风电轴承专项PCBN刀片:BN-H已经占据风电轴承刀具市场近七成。PCBN刀具以其高硬度、高耐磨性、良好的导热性和低摩擦系数等优异性能,非常适合在汽车工业等数控自动加工流水线上应用。

PCBN超硬刀具应用

制造技术和材料技术的发展推动刀具技术的发展。由于PCBN在切削中有着红硬性、耐磨性等优势,所以能够广泛地应用于车削、铣削和镗削等加工领域。根据制造行业的统计,PCBN超硬刀具在制造业中的应用情况如下图所示。

图中可以看出:PCBN超硬刀具主要用于汽车行业、车削和加工淬火钢等领域,也从侧面反映了PCBN超硬刀具良好的切削性能。

PCBN不仅适用于普通切削,也适合高速加工,如铣刀切削高温合金的速度可达到80~m/min,每齿进给量0.1~0.2mm/z;在切削高温合金时切削速度可以达到60~80m/min。此外,PCBN在加工过程中可以省去切削液,实现硬态干切削。这样有利于保护环境和工人身体健康,实现绿色切削,同时可以充分发挥刀具的切削性能和金属软化效应,可明显提高经济效益。

目前,国内PCBN超硬刀具市场的发展并未达到饱和状态,其发展空间依旧很大。高速硬态干切削将成为未来刀具切削加工的主流发展方向,这种高速硬态干切削将是一种集高效率、低能耗、节约资源、减少污染等特点于一身的绿色切削。随着人类社会的不断进步,工业化和智能化的不断发展,PCBN超硬刀具材料将会不断改进,将会在机械制造业中发挥出巨大作用。不同CBN含量的PCBN刀具适合不同的切削领域如下图:

PCBN超硬刀具的制造

PCBN复合片是直接在高温高压下把CBN层与硬质合金衬底复合在一起,经过切割、焊接和刃磨工艺做成各种焊接成型切削刀具或刀片。整体PCBN烧结块是不带合金基体直接烧结成为整体PCBN刀胚,经过刃磨制成PCBN刀具。

述(最PCBN超硬刀具的生产流程

1、原材料处理:

由于CBN微粉中残留有WBN、HBN、叶蜡石、石墨、镁、铁等杂质;另外它和结合剂粉末中均含有吸附氧、水汽等,对烧结不利。因此原材料的净化处理方法是确保合成聚晶性能的重要环节之一。研制时我们采用下列方法对CBN微粉和结合剂材料进行净化处理:首先在℃左右用NaOH处理CBN微粉,去除其中的叶蜡石和HBN;然后煮高氯酸去除石墨;最后用HCl在电热板上煮沸除去金属,并用蒸馏水洗至中性。结合剂用的Co、Ni、Al等采用氢还原处理。然后将CBN和结合剂按一定配比混合均匀并掺入石墨模具中,送入压力小于1E2的真空炉内,加热~°C处理1h,除去其表面的污垢、吸附氧及水汽等,使CBN晶粒表面很洁净。

结合剂材料的选择及加入量方面,总的结合剂加入量应充足但不能过多。实验结果表明,聚晶耐磨性和抗弯强度等与平均自由程(粘结相层厚度)关系密切,当平均自由程为0.8~1.2μm时,聚晶磨耗比值最高,此时结合剂掺入量为10%~15%(质量比)。

除了结合剂的选择之外,CBN粒度及粒度配比的确定也至关重要,根据加工精度和表面质量要求,制造切削工具用的CBN粒度大约分为:粗粒度20~30μm;中粒度3~10微米;细粒度2微米。用粗粒度做成的聚晶难以做成精度要求高的刀具,但其耐磨性、抗冲击性较高,细粒度做成的聚晶制成刀具可满足精加工和超精加工的要求。

2、胚体合成

PCBN复合片是直接在高温高压下把CBN层与硬质合金衬底复合在一起,经过切割、焊接工艺做成各种焊接成型切削刀具或刀片。

3、PCBN刀具的磨加工流程

生产出的PCBN刀具胚体需要刃磨才能用于切削,刃磨刀具获得正确的几何形状和表面粗糙度。一般分粗磨、精磨和研磨工序。粗磨采用~号树脂结合剂金刚石砂轮,进刀量为0.01mm/双行程;精磨用wlo~W14树脂结合剂砂轮,进刀量为0.mm/双行程;研磨用W5~W3的金刚石砂轮或研磨膏,研磨刃磨中应特别注意金刚石砂轮的开刃修整对刃磨的影响。尽管刃磨过程中刀具在砂轮的整个端面来回摆动以使砂轮表面消耗一致,但实际上砂轮表面仍容易产生凹凸不平,须经常修整。

4、PCBN刀具的几何参数

PCBN刀具的寿命与其几何参数密切相关,合适的前后角可提高刀具的抗冲击性能。排屑能力及散热能力。前角的大小直接影响切削刃的受力情况和刀片的内应力状态。为了避免刀尖承受机械冲击所造成的拉应力过大,一般采用负前角(-5°~-10°),同时为减少后角磨损,主副后角为6°,刀尖半径为0.4–1.2mm的圆角,并倒棱研磨光滑。

5、PCBN刀具的检验

除检测硬度指标,抗弯强度,抗拉强度等物理性能外,更需要用高倍电子显微镜检查PCBN刀具的表面和刃口处理精度。然后是尺寸检验,精度检测,M值,以及形位公差,粗糙度,然后包装入库(华菱超硬包装过程中落地即重检)。




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