信息概要: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等领域.
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
1. 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。
2. 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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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