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机械加工中刀具的超硬材料介绍

文字:[大][中][小] 发布时间:2013-9-5  浏览次数:868

  超硬材料刀具目前主要有单晶金刚石刀具,聚晶金刚石(PCD)刀具,化学气相沉积(CVD)的金刚石刀具,聚晶立方氮化硼(PCBN)刀具等。它不仅是加工高硬度材料的理想刀具,而且用超硬材料刀具替代普通刀具进行切削,可以实现铸、锻毛坯件的高速、高效加工和/或一次性完成粗、精加工。超硬材料刀具是完全适用于高速、精密和自动化加工的。尤其是在以车代磨、以铣代磨方面,它适用于成形、仿形及定尺寸的精密磨削,并使磨削质量显著提高、磨削效率得到数倍乃至数十倍的提高。它不但能防止工件表面烧伤、微裂纹、缺口、变质层过深等缺陷,而且能提高工效、降低消耗和磨削成本。它具有高效、低耗、适应性强、制造周期短等优点。目前已在汽车、摩托车、航空、矿山、电子、玻璃等行业机械加工中得到广泛应用。  1.在机械加工中的的应用
  1.1在车削加工中的的应用
  1.1.1车削钢件
  加工淬硬钢时,超硬材料刀具能以车代磨。由于切削的深度比磨削高十几倍,可提高效率4倍以上,加工成本下降到原来的1/5。
  用PCBN刀具精车硬度高于45HRC的淬硬钢效果最好,切削速度一般为80~120m/min。高硬度工件切削速度宜取低值,如硬度为70HRC的工件,切削速度宜选60~80m/min。精车的切削深度在0.1~0.3mm,进给量在0.05~0.025mm/r,加工表面粗糙度为Ra0.3~0.6μm,尺寸精度可达0.013mm。若采用刚性好的标准数控车床,且PCBN刀具的刚性好、刃口锋利,则精车表面粗糙度可达Ra0.3μm,尺寸精度0.01mm,可达到数控磨床加工的水平。
  某厂原采用磨削工艺加工小齿轮,一班仅能加工100个;现采用PCBN刀具车削,切削参数采用:v=60~120mm/min,f≤0.12mm/r,ap≤0.1mm,一班能加工400个小齿轮。此外,分摊到每个齿轮的加工成本也有所下降。
  如用PCBN刀具加工渗碳淬火的20CrMnTi汽车变速箱同步器套拨叉(HRC58~62),切削速度V=150mm/min,进给量?=0.1mm/r,ap=0.2~0.3mm,刀具切削行程达到9.58km。以车代磨后,效率提高4倍以上,加工成本降低为原来磨削工艺的1/3~1/2。
  荷兰Hembrug公司在MikroturnCNC系列超精车床上采用PCBN刀具精车淬硬EN21轴承钢(HRC62)、美国国家标准工艺研究院Y.KevinChou和ChrisJ.Evans采用SumitomoBN系列PCBN刀具加工AISIM50钢(HRC62~64)、英国DeBeers工业金刚石公司M.A.Fleming在DeltaTurn40车床上采用AMBORITEDBN45刀具车削EN31轴承钢等,都实现了纳米切削。
  超硬材料刀具加工钢件的例子还有使用长城机床厂的CK7820数控车床加工重型汽车变速器中的二轴的20CrMnTiHA3多档花键沉割槽(HRc58~63)、使用1A616机床加工矿山机械的45号钢Φ48h6传动轴(HRc42~45)、在可无级变速的CA6140车床上使用PCBN刀具精密车削GCr15淬硬轴承钢工件(分别为30HRc、40HRc、50HRc、60HRc和64HRc)等。
  将经过特殊磨削的PCBN刀具用于超精密车床上,在切削深度为15~20?m、进给量为0.608?m/r转的条件下,切削加工表面光洁度可达Rmax=0.0254?m。在一般精密数控车床上切削不锈钢,可获得Rmax=0.2?m以内的表面粗糙度。
  1.1.2车削铸铁件
  加工硬铸铁时,只要硬度达到中等硬度水平(HRc45),采用超硬材料刀具刀具就会取得良好的加工效果,非常适合于大批量生产线上高速加工,在汽车行业得到广泛应用。
  发动机缸盖上的排气阀座,采用铜、钼高铬合金铸铁(HRC44)材料,其加工方法一般有铣、车两种工艺,大多在自动线上,与拉铰导管孔一道加工,v=71.6m/min,?=26.5mm/min,ap=1.0mm,采用PCBN整体刀片加工,平均耐用度为1,200个阀座,加工表面粗糙度Ra0.4μm,锥面摆差≤0.05mm,刀具寿命高,质量稳定。
  在汽车发动机生产线上,灰铸铁缸体的缸孔精加工要求缸孔加工尺寸精度高、表面粗糙度小、稳定性好;由于生产线加工节拍快,要求切削速度高(通常V≥500m/min),刀具寿命长(加工孔数≥1000),且倒角、止口、粗精镗等多个工位的刀片寿命均应满足耐用度要求。采用PCBN刀具即可实现发动机缸孔的高速切削及高稳定性加工;其典型切削参数为:V=500m/min,f=0.2~0.4mm/r,ap=0.2~0.7mm;加工表面粗糙度Ra≤1.6?m,刀具寿命>1,000件。
  采用PCBN刀具加工含硼铸铁缸套,切削参数:V=200m/min,f=0.1mm/r,ap=0.2~1mm,加工表面粗糙度Ra≤1.6?m,精度IT6,两次刃磨之间,刀具寿命>100件,可实现“以车代磨”。由于采用干式切削,避免了切削液及砂轮灰尘对环境的污染,切屑也可回收再利用,符合清洁化生产要求。
  用PCBN刀具车削灰铸铁刹车盘,切削速度一般700~2,000m/min,如上海通用汽车公司采用Seco刀具公司PCBN300型刀片,切削速度可以达到2,000m/min。
  1.1.3车削合金工件
  采用PCD刀具车削铝合金轮毂,切削速度可为V=500~1000m/min,?推荐0.05~0.5mm/r,ap一般为0.5mm~3mm。
  PCBN刀具车削高钴铬钼耐蚀耐热合金,切削速度达160m/min,是硬质合金刀具的8倍。
  一般含硅量低于10%的铝合金,用硬质合金切削工具即可。但含硅量超过10%,就只能借助PCD。当前采用的高硅铝合金含硅量均在12%以上,有些已超过18%,因此车削高硅铝合金汽车发动机活塞等非PCD莫属。
  车削粉末高温合金FGH95也使用PCBN刀片。
  1.1.4车削其它材料
  氧化铝陶瓷密度3.9g/cm3,硬度HV2100~2300,抗弯强度300MPa,抗压强度300MPa,用PCD刀具采用湿式切削,V=20~70m/min,?=0.025~0.10mm/r,ap=0.2mm;加工效率明显提高,是金刚石砂轮磨削的3~5倍,刀具寿命可达10~30min。
  用PCD刀具车削电动机整流子的紫铜换向器,典型切削参数为:V=300m/min,?=0.08mm/r,ap≤0.15mm;加工表面粗糙度Ra0.1~0.2?m,刀具寿命>5,000件。而采用硬质合金刀具只能加工几件。
  1.2在铣削加工中的的应用
  用PCBN刀具铣削灰铸铁,切削速度达1,000~000m/min;用PCD刀具铣削铝合金,速度可达3,000~4,000m/min。
  加工铝合金缸盖的PCD面铣刀,铣削速度已达4,021m/min,进给速度5,670mm/min,效率是我国20世纪90年代初引进生产线的两倍。
  精加工灰铸铁缸体的CBN面铣刀,铣削速度达2,000m/min,是硬质合金面铣刀的10倍。
  铣削玻璃的PCD螺旋内排液面铣刀,直径有10mm、12mm、16mm、20mm多种规格,在玻璃深加工中得到广泛应用。
  在X53K立式铣床上,用PCBN立铣刀铣削Cr12MoV(HRc59~61)和45钢(HRc50~53)材料的研究,为该类刀具的实际应用提供了有益的参考数据。
  PCD刀具在铣削石墨时有很高的耐磨性,很多专家已将PCD铣刀用在瑞士MikronNidau高速切削铣床上。一次装夹刀具加工20件牙刷电极,仍可达到形位公差小于0.01mm的要求。PCBN刀具硬铣淋浴器喷嘴柄钢模,精度高,铣削后只需略作手工抛光即可。
  1.3在镗削加工中的的应用
  目前国内已有较多发动机制造厂用PCBN刀具对气缸缸V套精加工,如上海大众和一汽集团的发动机厂,缸孔精镗均采用PCBN刀片,且可自动补偿(V=500m/min,?=0.2mm/r,ap=0.1mm)。刀具寿命长,加工精度高、尺寸稳定,生产效率高。
  一汽公司用PCD刀具精镗硅铝合金活塞销孔(V=160m/min,?=0.08~0.10mm/r,ap=0.05mm。),耐用度达42,500件,是硬质合金刀具的90倍;加工表面粗糙度Ra值由原来的1.12降为0.15;每班可减少装调刀具等辅助时间30min,成本比硬质合金刀具下降约85%。
  PCBN刀具耐磨性比硬质合金刀具高50倍,比涂层的硬质合金刀具高数倍,比陶瓷刀具高25倍,是加工非金属材料唯一的高效刀具。最高切削速度达7,000m/min;效率显著提高。
  CVD刀具用于镗削钨硬质合金(含25%Co)的汽缸(内径20mm、长40mm),加冷却液,切削速度0.5m/s、切削深度0.12mm,一次装夹刀具可加工8个零件。
  用PCD刀具对铸造硅铝合金SAE327(Si7~8.6%,Cu1~2%,Mg0.25%~0.6%,Mn0.5%~0.8%;抗拉强度>230MPa,硬度110~130HB,延伸率>1%)制冷压缩机连杆进行高速干式镗削孔,切削速度140~180m/min,Ra0.02~0.32?m,精度可达5~7级。
  1.4在拉削加工中的的应用
  用复合式渐开线跳齿内孔超硬材料拉刀加工工件孔,优点为:(1)由于能够可靠保证工件内孔各形面间的同轴度,因而可以后续加工工序中统一用小径圆面作为定位基准,大大方便了后序定位心轴和检验心轴的制作,并可靠保证所有加工表面的位置精度;(2)由于采用了合理的跳齿排布方式和花键刃开侧隙的刀齿结构,保证了拉刀的制造质量,且制造方便,成本几乎和普通复合式渐开线拉刀相同。
  1.5在铰削加工中的的应用
  PCBN电镀铰刀在淬硬钢或硬铸件小孔的铰削加工中已发挥作用。此类铰刀以硬度为42HRc的45钢或9CrSi钢作基体,具有前后导向和切削部分。其基体制造精度要高,设计要合理,前导向部分直径要比切削刃部分直径小0.04mm,切削区长度要大于工件孔深;后导向长度要大于切削区长度,直径应比切削刃部直径小0.02mm。为了在铰削中用切削液冲洗切屑、冷却润滑加工表面,基体上开有两条较深的螺旋槽。
  如某厂加工淬火钢工件孔φ12.06±0.05mm,硬度45HRc,底孔尺寸φ12±0.01mm,要求孔圆柱度0.005mm,表面粗糙度Ra0.2μm。采用一组五把电镀CBN铰刀加工,取得较好经济效果。
  有的发动机制造厂用PCD或PCBN电镀铰刀对气缸体的主轴承孔进行珩铰,代替珩磨,加工效率提高了数倍,且质量稳定。
  现代汽车变速箱因减轻重量和多功能化的要求,越来越多地采用压铸铝合金来制造,其上设置有许多阶梯状的成型孔,这些孔对表面粗糙度、圆度、圆柱度、同心度、无毛刺等质量要求非常严格。为满足高效、高精度加工成型孔的需要,日本公司开发了一种PCD成型阶梯铰刀。选用优质PCD刀片材料,用高精度成形磨削技术来保证切削刃形状,获得优良一致的尺寸精度和表面粗糙度,使所有切削刃在不同加工负荷下具有优良的切削性能。该刀具可获得满意的加工质量,消除了粘刀弊病,延长了刀具寿命,加工成本可降低一半。
  1.6在钻削加工中的的应用
  用PCD钻头来加工玻璃、工程陶瓷和石材,已屡见不鲜。许多玻璃深加工企业和玻璃店大都使用PCD钻头来钻削玻璃和镜子的孔。市场上金刚石钻头的直径从3~130mm。玻璃钻头有镶嵌金刚石的,也有树脂金刚石的。用PCD钻头来加工工程陶瓷和石材,效率高,加工质量好。
  金刚石电解钻削可用来成形各种难加工导电材料(大多为烧结硬质合金)上的圆柱孔(通孔和盲孔)、圆锥孔和特形孔。可在一台机床上用同一工具进行加工,无需重调工具和毛坯。
  最值得一提的是在Z5125立式钻床上用钎焊金刚石套料钻钻削“凯芙拉复合材料-特种陶瓷-铝合金”复合层板通孔。该材料是近几年出现的一种新型轻质复合材料,既具有凯芙拉复合材料的高强度、高断裂韧性、高吸能缓冲防护能力,又具有陶瓷的高硬度、高模量、高抗压、耐磨损、耐腐蚀、耐高温等优良性能,同时兼具铝板的防锈、防渗透、高韧性等优点。用钎焊金刚石套料钻,连续钻削10个孔,切削部位无明显变化。
  PCD刀具使用寿命一般高于硬质合金刀具10~500倍。PCBN刀具耐用度为硬质合金刀具的10~100倍。传统的金属刀具在加工某些工件时存在崩口、起层、毛刺、烧伤等缺陷,采用超硬材料刀具加工不仅可消除上述缺陷,而且高速高效、综合成本低。随着国家综合实力的增强,随着国家对大飞机、神舟系列飞船、交通能源等重大项目的投入,随着与之相适应的装备制造业制造、加工技术的不断完善,制造超硬材料刀具的技术水平将会大幅度提高,新品种将不断涌现,超硬材料刀具将朝系列化、标准化、专业化、高品质、多元化方向发展,各生产企业将形成自己的产品特色和市场定位。超硬材料刀具的应用领域将在汽车制造、计算机与微电子元件、光电子元件、通讯器材、家电制造行业、新型陶瓷加工、矿物钻探与开采、航空航天等产业获得更多的拓展。