聚晶立方氮化硼刀具的特点及切削应用

发布时间: 2020-06-20 发布者: 富耐克应用研究中心

1。聚晶立方氮化硼(PCBN)刀具的特点

PCBN刀具是以CBN颗粒为原料,在有粘结剂或无粘结剂的情况下,经高温、高压烧结而成,其结构形式有整体烧结式和带硬质合金基体的复合片。由于PCBN是以CBN为主要制成的,因此PCBN刀具具有CBN的各种优异性能,其性能指标见表1,其主要特点有:

表1各种刀具材料的力学性能

材料性能

硬质合金(K10)

陶瓷

PCBN

PCD

机 械 性 能

硬度HV

1500~1700

1800~2500

3000-5000

4000~6000

杨氏模量GPa

590~630

300~400

580~680

680~810

断裂韧性MPa

10。8

2.0~3.0

3.7~6.3

6.8~8.8

热 力 特 性

耐热性℃

800~1000

>1200

1400-1500

700-800

导热系数W/(K·M)

17-125

20-29

40~100

500-2000

热膨胀系数10-6J/℃

4-9

6.3-9

2.1-4.8

0.9-4.8

(1)高强度和耐磨性

聚晶立方氮化硼与金刚石的晶体结构类似,具有接近金刚石的硬度和抗压强度,使用PCBN刀具进行切削加工时,其耐磨性也远高于硬质合金刀具与陶瓷刀具;可用于加工强硬的铸铁以及强度大、硬度高及热敏性高的钢件或其他合金材料。

(2)优异的化学稳定性

CBN具有较高的化学稳定性,与铁系材料在温度达到1200-1300℃时不会发生反应,且在1000°C高温时CBN不会被氧化,抗氧化能力强,所以PCBN刀具在进行切削加工时发生化学磨损比其他刀具材料都小,可以用来切削加工多种材料。

(3)良好的导热性和低的摩察系数

CBN的导热性大大高于高速钢、陶瓷和硬质合金,且PCBN刀具的导热系数会随温度的升高而增大。这就使得在切削加工时,刀尖温度不会太高,有利于提高刀具耐用度和延长刀具的使用寿命。CBN与其他材料相互作用时,其摩擦系数约为0。1-0。3,相比硬质合金与其他材料间的摩擦系数(0。4-0。6)要小很多从而使切削力减小,切削温度降低,减少切削加工时的粘刀现象,有效避免积屑的产生,进而提高工件的表面加工质量。

2。聚晶立方氮化硼(PCBN)刀具的应用

PCBN刀具主要用于加工难加工材料和高硬度材料(>HRC35),如工具钢、高速钢、淬硬钢、奥氏体软铁等;耐磨材料如灰口铸铁、烧结铁等;难加工材料如表面涂覆材料、表面硬化合金、球墨铸铁等,且PCBN刀具可代替传统的磨削工艺,加工后的精度可高达IT5-IT6,表面粗糙度可达到Ra0。8~0。2μm,可以达到磨削加工的精度。

2.1加工灰铸铁

高速切削高速切削灰铸铁材料是PCBN刀具典型应用之一,PCBN刀具高速切削灰铸铁时,刀具寿命可以达到陶瓷刀具的20-30倍。对于不同牌号的PCBN刀具来说,CBN含量越高,PCBN刀具的硬度、耐磨性和导热率就越高。当灰铸铁材料中的铁素体含量低于10%时,更适合PCBN刀具的切削加工,这时的PCBN刀具的寿命较长,因为当铁素体过多时,会与CBN中的硼元素在切削时的高温下发生化学反应,从而使PCBN刀具的化学磨损增大,导致降低刀具的使用寿命。而在切削加工灰铸铁时,需要额外注意的一个方面是时效性,即工件铸造完毕之后直至使用PCBN刀具切削加工的时间,这是由于灰铸铁铸造时,会产生大量的氧和氮,这些会有害于PCBN刀具的耐用度,所以需要一段时间让氧和氮挥发,保证刀具的正常使用寿命,一般时效天数10天。

2.2加工淬硬钢

淬硬钢是典型的难加工和耐磨材料,以前一直采用磨削来完成淬硬钢零件的精加工,使用PCBN刀具加工淬硬钢时,加工效率比磨削更快,更适合于切削加工不同形状的零件,比磨削更灵活。由于PCBN刀具常使用干式切削,还可以避免切削废液的污染和节省能源。而加工表面质量和磨削相当,甚至高于磨削。PCBN刀具在高速切削淬硬钢过程中,产生的高热量不断地对工件材料切削区域软化,从而进行切削加工,与硬质合金刀具相比,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难加工材料

相对而言,PCBN刀具在加工球墨或蠕墨铸铁的应用及优势相对较小。加工球墨或蠕墨铸铁过程PCBN刀具易产生严重的化学磨损,刀具寿命降低。所以,为了保证零件尺寸精度和形位公差而不得不使用PCBN刀具时,通常加以涂层来保护PCBN刀具,增加其耐用度。除了上述典型应用外,PCBN刀具还可以用于切削镍基高温合金、表面硬化合金、硬质合金、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优势,得到广泛的应用。

3。结语

PCBN刀具加工效率高,刀具寿命长,加工成本低,在灰铸铁、淬硬钢类的黑色金属加工领域已得到了广泛应用,同时又可以进行高温合金、 热喷涂材料、 硬质合金及其他难加工材料的高速切削加工,可实现以车代磨,大幅度提高了加工效率。PCBN刀具的应用解决了黑色金属硬态切削的加工难题,对于推动高速切削加工技术有十分重要的意义。

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