PCBN刀具技術(shù)的進展

/PCBN刀具技術(shù)的進展1．引言隨著制造技術(shù)的進展，切削加工作為制造技術(shù)的重要基礎(chǔ)工藝，進入了以進展高速切削、開發(fā)新的切削工藝和加工方法、供給成套技術(shù)為特征的進展新階段。與此同時，刀具技術(shù)也向著高硬度、高速度、高精度和干式加工方向進展，在汽車、航空航天、能源、軍事、模具等領(lǐng)域發(fā)揮側(cè)緊要作用。PCBN刀具、陶瓷刀具、涂層刀具等均具有很高的硬度、耐磨性和化學(xué)穩(wěn)定性，適于高速切削、干式切削、硬態(tài)切削等綠色制造的要求。由于PCBN刀具在加工精度、切削效率、刀具壽命等各個方面具有無可比擬的優(yōu)越性，因此，PCBN刀具的推廣應(yīng)用可制造巨大的經(jīng)濟效益。2．PCBN刀具的性能立方氮化硼（CBN）是氮化硼（BN）的同素異構(gòu)體之一，其結(jié)構(gòu)與金剛石相像，化學(xué)鍵類型相同，晶格常數(shù)相近，因此具有與金剛石相近的硬度和強度。聚晶立方氮化硼（PCBN）是由CBN作為重要成分與結(jié)合劑在高溫高壓下燒結(jié)而成的聚晶體，結(jié)合劑重要有金屬型（以Co、Ni為代表）或陶瓷型（以TiC、TiN、Al2O3為代表）。2.1PCBN刀具的特性（1）具有較高的硬度和耐磨性CBN微粉的顯微硬度為8000～9000HV，其燒結(jié)體PCBN的硬度一般為3000～5000HV。在切削耐磨材料時其耐磨性是硬質(zhì)合金刀具的50倍、涂層硬質(zhì)合金刀具的30倍、陶瓷刀具的25倍。（2）具有很高的熱穩(wěn)定性PCBN的耐熱性可達1400℃～1500℃，PCBN在800℃時的硬度還高于陶瓷和硬質(zhì)合金的常溫硬度。因此PCBN刀具適于加工淬硬鋼、鑄鐵、高溫合金鋼等高硬度耐磨材料。（3）具有優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性PCBN的化學(xué)惰性特別大，在1200℃～1300℃時也不與鐵系材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，與碳在2000℃時才發(fā)生反應(yīng)；在中性、還原性的氣體中，對酸、堿都是穩(wěn)定的；其對各種材料的粘結(jié)、擴散作用比硬質(zhì)合金小得多，因此PCBN刀具特別適合加工鋼鐵材料。（4）具有較好的導(dǎo)熱性在各類刀具材料中，PCBN的導(dǎo)熱性僅次于金剛石，導(dǎo)熱系數(shù)為1300W/（m℃），而且隨著溫度的上升，PCBN的導(dǎo)熱系數(shù)是加添的。（4）具有較低的摩擦系數(shù)CBN的摩擦系數(shù)為0.1～0.3，隨著切削速度的提高，摩擦系數(shù)減小。這一特性導(dǎo)致切削時刀屑間摩擦減小，切削變形減小，切削力降低，加工表面質(zhì)量提高。2.2PCBN刀具的應(yīng)用制造技術(shù)和難加工材料的進展推動著刀具技術(shù)的進展。PCBN刀具的紅硬性、耐磨性在硬態(tài)干式切削難加工材料中具有很大的優(yōu)勢。PCBN刀具比陶瓷刀具有較高的沖擊強度和抗碎裂性能，通常用來加工硬度高于50HRC的材料，在切削溫度高達2000℃時仍具有很高的硬度，而在同樣條件下金剛石可能會溶解并轉(zhuǎn)化成石墨。因此，在切削淬硬金屬時，機床剛性可以稍差。此外，一些特制的PCBN刀具能防范高功率粗加工的切削負荷、間斷切削的沖擊以及精加工時的磨損和切削熱。早期的PCBN刀具堅硬但缺乏充足的韌性，隨著刀具材料技術(shù)的進展和制造工藝的日益先進，使PCBN刀具的材料和韌性發(fā)生了很大的變化。目前PCBN刀具能夠更加廣泛地充足特別工件材料加工過程的要求，已廣泛應(yīng)用于車削、銑削和鏜削等加工領(lǐng)域。如汽車工業(yè)運用新的大顆粒整體PCBN刀片高效切削難加工合金鑄鐵而取代原先的磨削加工；模具行業(yè)采納PCBN刀具高速精銑淬硬鋼模具完成型面精加工已成為模具制造行業(yè)的新工藝。3．PCBN刀具的設(shè)計PCBN刀具作為21世紀更新?lián)Q代的新型刀具材料，已顯示出巨大的經(jīng)濟效益，引起了世界各工業(yè)國家的緊密關(guān)注。PCBN刀具在設(shè)計和制造使用方面取得了很大的進展。3.1修光刃（Wiper）技術(shù)由于修光刃技術(shù)更改了刀尖圓角半徑，進給率提高一倍，可實現(xiàn)高進給切削；假如切削參數(shù)不變，則表面質(zhì)量提高一倍。因此SandvikCoromant公司將Wiper技術(shù)引入PCBN刀片的范圍，用于高生產(chǎn)率和高表面質(zhì)量外圓和內(nèi)圓切削工序，在精加工以及半精加工和粗加工車削中都取得了巨大的成功。在越來越多淬硬材料的加工方法中，利用Wiper技術(shù)，車削已經(jīng)加強了對磨削的競爭優(yōu)勢。東芝公司采納Wiper技術(shù)研制出4種新型PCBN刀片BX310、BX330型刀片適于連續(xù)或斷續(xù)切削硬度為50～60HRC的淬硬鋼。這種刀片由中等CBN顆粒與耐熱陶瓷粘結(jié)劑燒結(jié)而成，可提高刀具的表面質(zhì)量，加強刀具的抗磨損性能；BX930、BX950型刀片適于高速精加工耐熱合金鋼、鑄鐵、鐵系物質(zhì)。這種刀片是由高含量的CBN顆粒與Co及碳化物燒結(jié)而成，加強了刀具橫向抗斷裂的性能。3.2PCBN刀片的斷屑槽設(shè)計對整體PCBN刀片進行斷屑槽設(shè)計是切削刀具設(shè)計的新進展。斷屑槽可加添切削刃前角并改善切屑在刀片上的流出，降低切削力和切削區(qū)溫度，從而延長刀具使用壽命。較低的切削力還可提高刀具的精度并且優(yōu)化切屑的流出，使表面粗糙度更好。Seco公司開發(fā)的SecomaxCBN300刀片如是在CBN30基礎(chǔ)上用粗顆粒粉末和新工藝燒結(jié)成的，具有很高的抗沖擊性能，通過使用特別技術(shù)，將經(jīng)濟性好的多切削刃整體PCBN刀片和切削刃剪切角增大的優(yōu)點結(jié)合起來，制造出帶斷屑槽的切削刃，使PCBN刀具能從傳統(tǒng)的車削淬硬鋼和冷硬鑄鐵等硬材料、以車代磨等加工領(lǐng)域跨入銑削加工的應(yīng)用領(lǐng)域。該刀具已在上海通用汽車公司新建的一條發(fā)動機柔性生產(chǎn)線上使用，取得了良好效果。用其銑削發(fā)動機缸體平面，切削速度高達2000m/min，刀具壽命為一般PCBN刀具的4倍。PCBN的斷屑槽對精加工珠光體灰鑄鐵來說是一種理想的刀片，尤其是鏜孔加工。用這種刀片進行汽車發(fā)動機缸體鏜孔加工的試驗顯示，刀具壽命比同等的負前角刀片加添50%。日本京瓷（Kyocera）公司于2023年4月開發(fā)出適于加工淬硬鋼的三維槽型BB型PCBN刀片。BB型刀片采納新型三維槽型設(shè)計，在整個加工過程中可通過一次裝夾完成零件各的加工而不需要更換刀具，在切削過程中可對不同硬度的淬硬鋼進行有效的斷屑掌控，從而提高加工效率，獲得更好的加工表面質(zhì)量。3.3PCBN刀片涂層刀具表面涂層是提高刀具壽命、提高被加工零件的精度和表面質(zhì)量、降低切削成本的有效手段。涂層PCBN刀片在車削硬材料時表現(xiàn)出很大的優(yōu)勢。Seco已經(jīng)開發(fā)出SecomaxCBN100PVD涂層刀片。這些新涂層的設(shè)計用于保證涂層和PCBN基體結(jié)合面之間具有極佳的黏著性能。它由總厚度2～4m的Ti（C,N）+（Ti,Al）N+TiN構(gòu)成，適用于珠光體灰鑄鐵和硬鋼、硬鑄鐵的粗精加工。在SecomaxCBN100刀片與SecomaxCBN100PVD涂層刀片硬車62HRC的軸承鋼精加工試驗對比中發(fā)覺，當(dāng)切削速度達到130m/min時，刀具壽命從不涂層刀片的24min加添到涂層刀片的33min；在更高的速度下也察看到相像的加添。在工業(yè)發(fā)達國家，涂層刀具已占所用全部刀具的80%以上，估計近年超硬涂層工具的市場將達到每年20億美元，并且應(yīng)用領(lǐng)域重要集中在汽車工業(yè)，而我國這一比例尚不及20%。因此推廣涂層刀具的應(yīng)用、開發(fā)新的涂層刀具材料具有重點意義。另一種討論趨勢是將CBN薄膜作為刀具的耐磨涂層，可以成倍乃至幾十倍地提高刀具的使用壽命。由于形成CBN涂層時總是伴隨著很大的內(nèi)應(yīng)力，因此CBN涂層極易從基體上脫落。目前最大的難題是要解決CBN涂層與硬質(zhì)合金基體之間的結(jié)合力。較為有效的方法是在基體與涂層之間加添過渡層，如氮化鈦、氮化硅、富硼梯度層等。工業(yè)發(fā)達國家在此方面進行了大量投資，以充分開發(fā)CBN材料的潛在優(yōu)勢，要制備應(yīng)用的CBN刀具涂層已為時不遠。3.4新型Self—Lock（安全鎖）結(jié)構(gòu)刀片SandvikCoromant公司推出的具有新型Self—Lock（安全鎖）結(jié)構(gòu)的CB7015系列刀片重要是針對淬硬鋼零件加工時的高質(zhì)量表面以及高生產(chǎn)率加工而開發(fā)的。SelfLock（安全鎖）多角技術(shù)采納機械鎖定PCBN刀片并使其闊別高溫切削區(qū)域，因此供給了優(yōu)于常規(guī)刀尖結(jié)構(gòu)的強度和安全性。在連續(xù)和細小斷續(xù)條件下的精加工可以采納高速切削；在切削臺階、退刀槽和其它仿形切削時，較大的PCBN切削刃供給了更好的切削性能。4．結(jié)語PCBN刀具在節(jié)省資源、削減環(huán)境污染、降低制造成本方面具有明顯優(yōu)勢，PCBN刀具的設(shè)計和使用為不同的制造行業(yè)供給