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PCBN刀具的新进展及趋势展望

文字:[大][中][小] 发布时间:2013-9-5  浏览次数:1019

  1.PCBN刀具材料的优势
  在机械加工制造领域,切削加工技术已经进入以高速铣削、CNC多功能切削、微细形状/超精切削等为代表的变革创新时期。与此同时,切削刀具的变革创新也有了新的进展。现阶段的刀具材料以涂层硬质合金为主导,最高切削速度范围300~600m/min。可以预测,今后切削高速化的发展会更加迅猛,当1000m/min以上的超高速切削时代到来时,PCBN将是最强有力的刀具材料,具有极大的优势。
  (1)与金刚石的对比优势
  CBN(立方氮化硼)的常温硬度仅次于金刚石,而它的热传导性和对铁系金属的热化学稳定性则优于金刚石。金刚石刀具仅适用于有色金属及其合金的切削加工,而PCBN刀具也适用于黑色金属及其合金的切削加工。
  (2)与硬质合金的对比优势
  PCBN(聚晶立方氮化硼)的高温化学稳定性和红硬性优于硬质合金,是高速切削高硬材料的最佳刀具材料。PCBN刀具的切削特性随CBN的含量、粒度以及结合剂种类的不同而变化。最近开发成功了无结合剂的单相PCBN,在切削高速化和提高刀具寿命方面可望获得更显著的效果。PCBN中CBN含量越高,耐磨性就越高,但韧性有所降低,特别是用于如立铣等断续切削加工时,在切削刃形状、切削条件(尤其是切深量)等方面应采取特殊对策,以确保切削刃的强度,充分发挥PCBN刀具的优势。例如,采用PCBN和硬质合金球头立铣刀高速铣削自硬钢时,由切削速度和刀具寿命的比较可知,PCBN刀具具有超群的寿命特性。用PCBN立铣刀高速铣削HRC60以上的高硬钢时,可实现超过2000m/min的超高速高精度切削。虽然尚未确认其后刀面发生快速磨损的切削速度,但由于PCBN刀具的高温硬度优异,因此可用于干式切削。在切削速度极限范围以内,可以发现切削速度越高,PCBN刀具寿命越长的现象,这是硬质合金等其它刀具所不具有的独特性能。PCBN刀具在铸铁的切削加工中也显示出很高的刀具寿命,在从较低切削速度直至高速切削的速度范围内,均能获得良好的加工效果。在汽车零件(如发动机缸体等)的镗孔加工中,PCBN刀具显示出高精度、高效率和长寿命的特点。由高速铣削灰口铸铁的刀具磨损特性实例可知,500~2000m/min是有利于发挥刀具寿命特性的切削速度范围。
  如今,切削加工正朝着微细化、精密化的方向快速发展,尤其在精加工刀具和长寿命刀具方面,PCBN刀具的技术动向令人关注。此外,用PCBN车刀实现高硬度钢的高效率、高精度车削已得到人们再次认可,可以说PCBN刀具无论现在还是将来都是大有希望的刀具。
  2.PCBN刀具的应用及注意事项
  在模具零件的加工中,用球头立铣刀高速铣削高硬度钢的切削方法出现以后,其高生产效率倍受关注。在铣削加工方面,已迎来了普遍使用主轴转速达每分钟数万转以上的加工中心的时代。高速铣削用刀具已有陶瓷类涂层硬质合金刀具,可以说广泛采用高速铣削加工的条件已经成熟。近年来,切削加工追求的精度越来越高,必然要求换刀判断标准——后刀面磨损宽度值减小(换刀周期时间缩短);同时要求不断提高切削速度和进给速度,以进一步提高切削加工效率;主轴转速超过4~5万转/分的高速铣削加工中心被大量使用,其结果是必须使用耐热性和耐磨性优良、最适合高速铣削的PCBN球头立铣刀,且使用量不断增加。
  但是,PCBN球头立铣刀的材料成本和磨削加工费用都比硬质合金高,而且还有加工时容易发生崩刃的缺点,因此需要开发新的适用技术。其中一项新的技术措施是在铣削高硬度钢时,为了提高韧性,抑制崩刃的发生,多采用CBN含量为50~60vol%的PCBN刀具。由CBN含量低的PCBN刀具的后刀面磨损形态、前刀面月牙洼磨损形态和切削刃部分发生崩刃时对应磨损形态的实例可知,这种磨损形态是在高速切削时产生高温及在此高温条件下发生热扩展而导致结合剂劣化造成的。
  作为解决结合剂劣化问题的技术措施,可考虑减少结合剂,提高CBN含量,以获得耐热性和耐磨性优良并适合刀具要求的PCBN刀具材料。但以往的实践证明,提高CBN含量意味着刀具韧性降低,容易发生刀尖崩刃。防止刀尖崩刃的最佳解决方案是采用负前角和对刀尖圆弧进行钝化处理,该方案能有效抑制切削时发生崩刃,是充分发挥PCBN刀具特长的关键技术措施之一。
  3.PCBN刀具的设计和应用实例
  在模具零件的精加工中,PCBN刀具在加工效率、加工精度和刀具寿命方面发挥出卓越的特殊性能。市售的球头立铣刀切削刃形状有两类,一类是轴向前角和径向前角均为0°、刀尖部分进行了负倒棱处理的切削刃;另一类是独特的负倒棱形状切削刃。
  对CBN含量高的PCBN刀具的切削刃刀尖部分进行倒棱,将刃口部分钝化成R圆弧形状,是解决切削时发生崩刃的重要措施。在平面铣削时,为超高速铣削加工设计的负前角、无中心切削刃球头立铣刀与有中心切削刃的球头立铣刀相比,能改善加工表面粗糙度。因此,设计PCBN刀具切削刃时,需要采用能充分发挥刀具材质特性的刀具形状。在铣削加工高韧性特殊铸铁时,与涂层硬质合金球头立铣刀相比,即使是CBN含量较低的PCBN刀具,其寿命也要长得多,磨损缓慢的PCBN刀具还能保持最高的加工表面精度。
  在微细形状、亚微米级超精切削加工中,刀具寿命的管理是重要的关键技术之一,要求使用具有高寿命特性的刀具。可以断言,在此加工领域,与其说对PCBN刀具的关注度最高,不如说它是唯一的适用刀具。
  可进行高硬度钢微细形状切削加工的机床是具有超高速精密切削功能的加工中心,它具有与原有加工中心不同的新型主轴结构,如在驱动轴上各配置有2台直线电机,能实现灵敏而无振动的切削进给动作;主轴采用了能将热影响限制到最小程度的空气透平/空气静压轴承,能承载转速高达每分钟12万转的主轴。
  用无结合剂PCBN刀具高速铣削高硬度钢的试验结果表明,该刀具在最佳加工条件(切削刃形状、切削条件、刀具夹持方式等)下使用时,与有结合剂的PCBN刀具比较,显示出超群的刀具寿命特性。
  4.越来越受关注的PCBN刀具技术
  在切削加工领域,高速铣削技术已实现了高附加值化,瞄准更高目标的技术进展仍在不断继续。PCBN刀具已从适用于特殊加工领域逐步发展为主流刀具之一。但如前所述,必须清醒地认识到,在技术方面还存在许多需要攻克的课题,为了PCBN刀具时代的真正到来,需要尽早解决存在的技术难题。