2013年PCBN刀具技术工艺探析

      随着制造技术的发展,切削加工作为制造技术的主要基础工艺,进入了以发展高速切削开发新的切削工艺和加工方法提供成套技术为特征的发展新阶段与此同时,刀具技术也向着高硬度高速度高精度和干式加工方向发展,在汽车航空航天能源军事模具等领域发挥着重要作用

      PCBN刀具陶瓷刀具涂层刀具等均具有很高的硬度耐磨性和化学稳定性,适于高速切削干式切削硬态切削等绿色制造的要求由于PCBN刀具在加工精度切削效率刀具寿命等各个方面具有无可比拟的优越性,因此,PCBN刀具的推广应用可创造巨大的经济效益

      日本京瓷(Kyocera)公司于2004年4月开发出适于加工淬硬钢的三维槽型BB 型PCBN刀片如图3所示BB型与普通刀片加工时的切屑对比,刀片采用新型三维槽型设计,在整个加工过程中可通过一次装夹完成零件各部分的加工而不需要更换刀具,在切削过程中可对不同硬度的淬硬钢进行有效的断屑控制,从而提高加工效率,获得更好的加工表面质量

      PCBN刀片涂层

      刀具表面涂层是提高刀具寿命提高被加工零件的精度和表面质量降低切削成本的有效手段

      涂层PCBN刀片在车削硬材料时表现出很大的优势Seco已经开发出Secomax CBN100 PVD涂层刀片这些新涂层的设计用于保证涂层和PCBN基体结合面之间具有极佳的黏着性能它由总厚度2~4µm 的Ti(C, N)+(Ti, Al)N+TiN组成,适用于珠光体灰铸铁和硬钢硬铸铁的粗精加工在Secomax CBN100 刀片与Secomax CBN100 PVD涂层刀片硬车62HRC的轴承钢精加工试验对比中发现,当切削速度达到130m/min时,刀具寿命从不涂层刀片的24min增加到涂层刀片的33min;在更高的速度下也观察到相似的增加(见图4)在工业发达国家,涂层刀具已占所用全部刀具的80%以上,预计近年超硬涂层工具的市场将达到每年20亿美元,并且应用领域主要集中在汽车工业,而我国这一比例尚不及20%因此推广涂层刀具的应用开发新的涂层刀具材料具有重大意义

      另一种研究趋势是将CBN薄膜作为刀具的耐磨涂层,可以成倍乃至几十倍地提高刀具的使用寿命由于形成CBN涂层时总是伴随着很大的内应力,因此CBN涂层极易从基体上脱落目前最大的难题是要解决CBN涂层与硬质合金基体之间的结合力较为有效的方法是在基体与涂层之间增加过渡层,如氮化钛氮化硅富硼梯度层等工业发达国家在此方面进行了大量投资,以充分开发CBN材料的潜在优势,要制备实用的BCN刀具涂层已为时不远

      Sandvik Coromant公司推出的具有新型Safe-Lock(安全锁)结构的CB7015刀片此系列刀片主要是针对淬硬钢零件加工时的高质量表面以及高生产率加工而开发的Safe -Lock(安全锁)多角技术采用机械锁定PCBN刀片并使其远离高温切削区域,因此提供了优于常规刀尖结构的强度和安全性在连续和轻微断续条件下的精加工可以采用高速切削;在切削台阶退刀槽和其它仿形切削时,较大的PCBN切削刃提供了更好的切削性能

      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

      PCBN刀具在节省资源减少环境污染降低制造成本方面具有明显优势,PCBN刀具的设计和使用为不同的制造行业提供了提高生产率的新动力在工业发达国家,PCBN刀具已取得广泛应用,虽然上海大众汽车有限公司长春一汽集团公司和东风汽车集团公司已在生产中广泛使用PCBN刀具,但我国PCBN刀具的制造和使用还处于发展阶段,因此应加强PCBN刀具制造技术和应用技术的研究,加强PCBN刀具的宣传和推广,引导用户正确合理使用PCBN刀具,使难加工材料的切削加工技术步入新阶段