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PCD和CBN刀具的区别

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PCD和CBN刀具的区别

发布日期:2019-06-01 作者: 点击:

PCD刀具的性能特点

  金刚石刀具具有硬度高、抗压强度高、导热性及耐磨性好等特性,可在高速切削中获得很高的加工精度和加工效率。金刚石刀具的上述特性是由金刚石晶体状态决定的。在金刚石晶体中,碳原子的四个价电子按四面体结构成键,每个碳原子与四个相邻原子形成共价键,进而组成金刚石结构,该结构的结合力和方向性很强,从而使金刚石具有极高硬度。由于聚晶金刚石(PCD)的结构是取向不一的细晶粒金刚石烧结体,虽然加入了结合剂,其硬度及耐磨性仍低于单晶金刚石。但由于PCD烧结体表现为各向同性,因此不易沿单一解理面裂开。

PCD刀具材料的主要性能指标

  ①PCD的硬度可达8000HV,为硬质合金的80~120倍;

  ②PCD的导热系数为700W/mK,为硬质合金的1.5~9倍,甚至高于PCBN和铜,因此PCD刀具热量传递迅速;

  ③PCD的摩擦系数一般仅为0.1~0.3(硬质合金的摩擦系数为0.4~1),因此PCD刀具可显著减小切削力;

  ④PCD的热膨胀系数仅为0.9×10^-6~1.18×10^-6,仅相当于硬质合金的1/5,因此PCD刀具热变形小,加工精度高;

  ⑤PCD刀具与有色金属和非金属材料间的亲和力很小,在加工过程中切屑不易粘结在刀尖上形成积屑瘤。

PCD刀具的应用

  工业发达国家对PCD刀具的研究开展较早,其应用已比较成熟。自1953年在瑞典首次合成人造金刚石以来,对PCD刀具切削性能的研究获得了大量成果,PCD刀具的应用范围及使用量迅速扩大。目前,国际上著名的人造金刚石复合片生产商主要有英国DeBeers公司、美国GE公司、日本住友电工株式会社等。据报道,1995年一季度仅日本的PCD刀具产量即达10.7万把。PCD刀具的应用范围已由初期的车削加工向钻削、铣削加工扩展。由日本一家组织进行的关于超硬刀具的调查表明:人们选用PCD刀具的主要考虑因素是基于PCD刀具加工后的表面精度、尺寸精度及刀具寿命等优势。金刚石复合片合成技术也得到了较大发展,DeBeers公司已推出了直径74mm、层厚0.3mm的聚晶金刚石复合片。

  国内PCD刀具市场随着刀具技术水平的发展也不断扩大。目前中国第一汽车集团已有一百多个PCD车刀使用点,许多人造板企业也采用PCD刀具进行木制品加工。PCD刀具的应用也进一步推动了对其设计与制造技术的研究。国内的清华大学、大连理工大学、华中理工大学、吉林工业大学、哈尔滨工业大学等均在积极开展这方面的研究。国内从事PCD刀具研发、生产的有上海舒伯哈特、郑州新亚、南京蓝帜、深圳润祥、成都工具研究所等几十家单位。目前,PCD刀具的加工范围已从传统的金属切削加工扩展到石材加工、木材加工、金属基复合材料、玻璃、工程陶瓷等材料的加工。通过对近年来PCD刀具应用的分析可见,PCD刀具主要应用于以下两方面:①难加工有色金属材料的加工:用普通刀具加工难加工有色金属材料时,往往产生刀具易磨损、加工效率低等缺陷,而PCD刀具则可表现出良好的加工性能。如用PCD刀具可有效加工新型发动机活塞材料——过共晶硅铝合金(对该材料加工机理的研究已取得突破)。②难加工非金属材料的加工:PCD刀具非常适合对石材、硬质碳、碳纤维增强塑料(CFRP)、人造板材等难加工非金属材料的加工。如华中理工大学1990年实现了用PCD刀具加工玻璃;目前强化复合地板及其它木基板材(如MDF)的应用日趋广泛,用PCD刀具加工这些材料可有效避免刀具易磨损等缺陷。

PCBN刀具的切削性能

  由于CBN晶体与金刚石晶体都属闪锌矿型,且晶格常数相近,化学键类型相同,因而CBN具有接近金刚石的硬度和抗压强度,又因为其是由N、B原子所组成,因此具有比金刚石更高的热稳定性和化学惰性。PCBN刀具材料主要性能如下:

具有很高的硬度和耐磨性

  CBN单晶的显微硬度为HV8000~9000,是目前已知的第二高硬度的物质,PCBN复合片的硬度一般为HV3000~5000。因此用于加工高硬度材料时具有比硬质合金及陶瓷更高的耐磨性,能减少大型零件加工中的尺寸偏差或尺寸分散性,尤其适用于自动化程度高的设备中,可以减少换刀调刀辅助时间,使其效能得到充分发挥。

具有很高的热稳定性和高温硬度

  CBN的耐热性可达1400~1500℃,在800℃时的硬度为Al2O3/TiC陶瓷的常温硬度,因此,当切削温度较高时,会使被加工材料软化,与刀具间硬度差增大,有利于切削加工进行,而对刀具寿命影响不大。

具有较高的化学稳定性

  CBN具有很高的抗氧化能力,在1000℃时也不产生氧化现象,与铁系材料在1200~1300℃时也不发生化学反应,但在1000℃左右时会与水产生水解作用,造成大量CBN被磨耗,因此用PCBN刀具湿式切削时需注意选择切削液种类。一般情况下,湿切对PCBN刀具寿命无明显提高,所以使用PCBN刀具时往往采用干切方式。

具有良好的导热性

  CBN材料的导热系数低于金刚石但大大高于硬质合金,并且随着切削温度的提高,PCBN刀具的导热系数不断增大,因此可使刀尖处热量很快传出,有利于工件加工精度的提高。

具有较低的摩擦系数

  CBN与不同材料的摩擦系数在0.1~0.3之间,大大低于硬质合金的摩擦系数(0.4~0.6),而且随摩擦速度及正压力的增大而略有减小。因此低的摩擦系数及优良的抗粘结能力,使CBN刀具切削时不易形成滞留层或积屑瘤,有利于加工表面质量的提高。

PCBN刀具应用于先进切削加工工艺

适用于高速及超高速切削加工技术

  PCBN刀具最适合于铸铁、淬硬钢等材料的高速切削加工。由PCBN刀具切削铸铁及淬硬钢时刀具后刀面磨损与切削距离的关系可以看出:当切削速度超过一定限度后,切削速度越高,PCBN刀具后刀面磨损速度反而越小,即高速切削下刀具的寿命反而高,这一特点尤其适合现代高速切削加工。

硬态切削加工技术的最佳刀具材料

  对淬硬件(硬度HRC55以上)的精加工,通常采用磨削加工方法来完成,然而随着刀具材料发展及车床(尤其是数控车床)加工精度的提高,以硬态切削代替磨削来完成零件的最终加工已成为一个新的精加工途径,这种以车代磨的工艺方法有以下优点:

  (1)可提高加工柔性,突破了砂轮磨削的限制,通过改变切削刃及走刀方式可以加工出几何形状各异的工件;

  (2)切削加工中的环保问题日益严峻,磨削加工产生的废液和废弃物越来越难以处理和清除,而且对人体有害,而硬态切削无须加冷却液,意义重大;

  (3)切削效率高,加工时间短,设备投资费用小,可降低加工成本;

  (4)切除相同体积所消耗的能量仅为磨削的20%,因此产生的切削热较少,加工表面不易引起烧伤和微小裂纹,易于保持工件表面性能的完整性;

  (5)同样金属去除率情况下,硬态切削较磨削节省能源。

  通常用于硬态切削的刀具材料有陶瓷、TiC涂层刀片及PCBN刀具材料,但要在较高速度(1000m/min以上)下进行硬态车削,PCBN是最佳刀具材料品种。如在汽车变速箱同步器套拨叉(材料为20CrMnTi,硬度为HRC58~62)加工采用以车代磨后,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。

进行干切削加工工艺的理想刀具材料

  由于经济与环保方面的原因,近几年干切削加工方法已成为机械制造领域中的重点研究课题。我们首先来看一下湿切工艺由于使用切削液带来的问题:

  (1)长期暴露在空气中或切削加工中由切削热造成的切削液雾状挥发,容易污染环境、危害操作者健康,切削液中的硫、氯等添加剂危害更大,影响加工表面质量;

  (2)切削液的使用影响加工成本,据统计,切削液占生产成本的15%,而刀具费用仅占3%~4%;

  (3)切削液的渗漏、溢出会污染环境,易发生安全、质量事故;

  (4)切削液的传输、回收、过滤等装置及其维护费用较高,增加了生产成本。

  由于以上原因,干切削加工工艺已在西方工业发达国家有了相当的应用。由美国Makino公司推荐的“红月牙”(Red Crescent)干切工艺,既可以充分发挥刀具的切削性能,与湿切相比又能大大提高生产率。其机理是由于切削速度很高,产生的热量聚集于刀具前部,使切削区附近材料达到红热状态,屈服强度下降,进而达到提高切削效率的效果。采用红月牙干切削工艺的前提条件是在较高切削温度下,被切材料强度有明显下降,变得易切削,而刀具材料的强度在同样状态下要有较好的红硬性及热稳定性,还要有较好的耐磨性和抗粘结性。

  适用于干切工艺的刀具材料有陶瓷、金属陶瓷、涂层硬质合金及PCBN刀具材料等等,但就红硬性和热稳定性来说,PCBN材料是最适合干切工艺的刀具材料,且由于PCBN刀具材料具有上述优点,更适于高速条件下的干式切削加工,用PCBN刀具切削灰口铸铁干切削和湿切削两种情况下的对比可以看出:PCBN在高速干切情况下,比湿切削具有更高的刀具寿命。

适应于自动化加工及难加工材料加工

  PCBN刀具有很高的硬度及耐磨性,能在高切削速度下长时间地加工出高精度零件(尺寸分散性小),大大减少换刀次数和刀具磨损补偿停机所花费的时间。因此,很适合于数控机床及自动化程度较高的加工设备,并且能使设备的高效能得到充分发挥。

  在难加工材料应用方面,PCBN刀具也显示了其卓越的性能,如表面喷焊(涂)材料的加工,用其它材料刀具加工,刀具寿命极低,也无法采用磨削方法加工,而PCBN是惟一适合的刀具材料;又如,在石油电站设备中使用的高合金耐磨铸铁,采用PCBN刀具较硬质合金刀具提高切削效率4倍以上,单件刀具成本下降为原来的1/5。另外在硬质合金等烧结材料的切削加工方面,PCBN刀具也显示了很好的切削性能。

PCBN刀具的应用事例

  由于PCBN具有较高的硬度和耐磨性,在高温下不与铁族金属起反应的化学惰性,因此主要用于高硬度材料及难加工材料的切削加工,如淬硬钢、高合金耐磨铸铁、高温合金、高速钢、表面喷焊材料、烧结金属材料等难加工材料的切削加工。

  (1)加工淬硬钢,可起到以车代磨的效果,由于切削深度比磨削深度大十几倍以上,因此加工效率高,表面不产生烧伤。如以车代磨加工变速滑动齿轮(20CrMnTi,硬度为HRC58~62)时,切削比原磨削加工效率提高4倍以上。

  (2)加工高合金(含钨或铬18%)耐磨铸铁,切削速度较硬质合金刀具提高10倍以上,切削效率提高4倍以上。

  (3)加工高钴铬钼耐蚀耐热合金,PCBN刀具切削速度为160m/min,是硬质合金刀具的8倍。

  (4)加工热喷涂(喷焊)材料,表面喷焊件无法用磨削加工,而用硬质合金刀具切削效率极低,改用PCBN刀具后可提高加工效率,节省加工费用50%以上。PCBN刀具还可用于有色金属的精密切削及烧结金属的切削加工等等。


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关键词:PCD铣刀,CBN铣刀

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