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聚晶立方氮化硼刀具的特點(diǎn)及切削應(yīng)用

發(fā)布時(shí)間: 2023-10-10 發(fā)布者:  曼德希

1.聚晶立方氮化硼(PCBN)刀具的特點(diǎn)

PCBN刀具是以CBN顆粒為原料,在有粘結(jié)劑或無粘結(jié)劑的情況下,經(jīng)高溫、高壓燒結(jié)而成,其結(jié)構(gòu)形式有整體燒結(jié)式和帶硬質(zhì)合金基體的復(fù)合片。由于PCBN是以CBN為主要制成的,因此PCBN刀具具有CBN的各種優(yōu)異性能,其性能指標(biāo)見表1,其主要特點(diǎn)有:

表1各種刀具材料的力學(xué)性能


材料性能

硬質(zhì)合金(K10)

陶瓷

PCBN

PCD

機(jī) 械 性 能

硬度HV

1500~1700

1800~2500

3000-5000

4000~6000

楊氏模量GPa

590~630

300~400

580~680

680~810

斷裂韌性MPa

10.8

2.0~3.0

3.7~6.3

6.8~8.8

熱 力 特 性

耐熱性℃

800~1000

>1200

1400-1500

700-800

導(dǎo)熱系數(shù)W/(K·M)

17-125

20-29

40~100

500-2000

熱膨脹系數(shù)10-6J/℃

4-9

6.3-9

2.1-4.8

0.9-4.8

(1)高強(qiáng)度和耐磨性

聚晶立方氮化硼與金剛石的晶體結(jié)構(gòu)類似,具有接近金剛石的硬度和抗壓強(qiáng)度,使用PCBN刀具進(jìn)行切削加工時(shí),其耐磨性也遠(yuǎn)高于硬質(zhì)合金刀具與陶瓷刀具;可用于加工強(qiáng)硬的鑄鐵以及強(qiáng)度大、硬度高及熱敏性高的鋼件或其他合金材料。

(2)優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性

CBN具有較高的化學(xué)穩(wěn)定性,與鐵系材料在溫度達(dá)到1200-1300℃時(shí)不會(huì)發(fā)生反應(yīng),且在1000°C高溫時(shí)CBN不會(huì)被氧化,抗氧化能力強(qiáng),所以PCBN刀具在進(jìn)行切削加工時(shí)發(fā)生化學(xué)磨損比其他刀具材料都小,可以用來切削加工多種材料。

(3)良好的導(dǎo)熱性和低的摩察系數(shù)

CBN的導(dǎo)熱性大大高于高速鋼、陶瓷和硬質(zhì)合金,且PCBN刀具的導(dǎo)熱系數(shù)會(huì)隨溫度的升高而增大。這就使得在切削加工時(shí),刀尖溫度不會(huì)太高,有利于提高刀具耐用度和延長(zhǎng)刀具的使用壽命。CBN與其他材料相互作用時(shí),其摩擦系數(shù)約為0.1-0.3,相比硬質(zhì)合金與其他材料間的摩擦系數(shù)(0.4-0.6)要小很多從而使切削力減小,切削溫度降低,減少切削加工時(shí)的粘刀現(xiàn)象,有效避免積屑的產(chǎn)生,進(jìn)而提高工件的表面加工質(zhì)量。

2.聚晶立方氮化硼(PCBN)刀具的應(yīng)用

PCBN刀具主要用于加工難加工材料和高硬度材料(>HRC35),如工具鋼、高速鋼、淬硬鋼、奧氏體軟鐵等;耐磨材料如灰口鑄鐵、燒結(jié)鐵等;難加工材料如表面涂覆材料、表面硬化合金、球墨鑄鐵等,且PCBN刀具可代替?zhèn)鹘y(tǒng)的磨削工藝,加工后的精度可高達(dá)IT5-IT6,表面粗糙度可達(dá)到Ra0.8~0.2μm,可以達(dá)到磨削加工的精度。

2.1加工灰鑄鐵

高速切削高速切削灰鑄鐵材料是PCBN刀具典型應(yīng)用之一,PCBN刀具高速切削灰鑄鐵時(shí),刀具壽命可以達(dá)到陶瓷刀具的20-30倍。對(duì)于不同牌號(hào)的PCBN刀具來說,CBN含量越高,PCBN刀具的硬度、耐磨性和導(dǎo)熱率就越高。當(dāng)灰鑄鐵材料中的鐵素體含量低于10%時(shí),更適合PCBN刀具的切削加工,這時(shí)的PCBN刀具的壽命較長(zhǎng),因?yàn)楫?dāng)鐵素體過多時(shí),會(huì)與CBN中的硼元素在切削時(shí)的高溫下發(fā)生化學(xué)反應(yīng),從而使PCBN刀具的化學(xué)磨損增大,導(dǎo)致降低刀具的使用壽命。而在切削加工灰鑄鐵時(shí),需要額外注意的一個(gè)方面是時(shí)效性,即工件鑄造完畢之后直至使用PCBN刀具切削加工的時(shí)間,這是由于灰鑄鐵鑄造時(shí),會(huì)產(chǎn)生大量的氧和氮,這些會(huì)有害于PCBN刀具的耐用度,所以需要一段時(shí)間讓氧和氮揮發(fā),保證刀具的正常使用壽命,一般時(shí)效天數(shù)10天。

2.2加工淬硬鋼

淬硬鋼是典型的難加工和耐磨材料,以前一直采用磨削來完成淬硬鋼零件的精加工,使用PCBN刀具加工淬硬鋼時(shí),加工效率比磨削更快,更適合于切削加工不同形狀的零件,比磨削更靈活。由于PCBN刀具常使用干式切削,還可以避免切削廢液的污染和節(jié)省能源。而加工表面質(zhì)量和磨削相當(dāng),甚至高于磨削。PCBN刀具在高速切削淬硬鋼過程中,產(chǎn)生的高熱量不斷地對(duì)工件材料切削區(qū)域軟化,從而進(jìn)行切削加工,與硬質(zhì)合金刀具相比,效率大大提高,并且可以改善工件表面粗糙度、提高加工精度。

2.3難加工材料

相對(duì)而言,PCBN刀具在加工球墨或蠕墨鑄鐵的應(yīng)用及優(yōu)勢(shì)相對(duì)較小。加工球墨或蠕墨鑄鐵過程PCBN刀具易產(chǎn)生嚴(yán)重的化學(xué)磨損,刀具壽命降低。所以,為了保證零件尺寸精度和形位公差而不得不使用PCBN刀具時(shí),通常加以涂層來保護(hù)PCBN刀具,增加其耐用度。除了上述典型應(yīng)用外,PCBN刀具還可以用于切削鎳基高溫合金、表面硬化合金、硬質(zhì)合金、陶瓷、粉末冶金等材料。在加工效率、工件尺寸精度、表面粗糙度以及刀具耐用度上具有良好的優(yōu)勢(shì),得到廣泛的應(yīng)用。

3.結(jié)語

PCBN刀具加工效率高,刀具壽命長(zhǎng),加工成本低,在灰鑄鐵、淬硬鋼類的黑色金屬加工領(lǐng)域已得到了廣泛應(yīng)用,同時(shí)又可以進(jìn)行高溫合金、 熱噴涂材料、 硬質(zhì)合金及其他難加工材料的高速切削加工,可實(shí)現(xiàn)以車代磨,大幅度提高了加工效率。PCBN刀具的應(yīng)用解決了黑色金屬硬態(tài)切削的加工難題,對(duì)于推動(dòng)高速切削加工技術(shù)有十分重要的意義。

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