立方氮化硼刀具.doc

立方氮化硼刀具一、 立方氮化硼介紹立方氮化硼（cubic boron nitride）：立方結(jié)構(gòu)的氮化硼,分子式為BN,其晶體結(jié)構(gòu)(圖1)類似金剛石,硬度略低于金剛石，為HV7200098000兆帕,常用作磨料和刀具材料。1957年,美國的R.H.溫托夫首先研制成立方氮化硼。但至今尚未發(fā)現(xiàn)天然的立方氮化硼。立方氮化硼有單晶體和多晶燒結(jié)體兩種。單晶體是把六方氮化硼和觸媒在壓力為30008000兆帕、溫度為8001900 范圍內(nèi)制得。典型的觸媒材料選自堿金屬、堿土金屬、錫、鉛、銻和它們的氮化物。立方氮化硼的晶形有四面體的截錐、八面體、歪晶和雙晶等。工業(yè)生產(chǎn)的立方氮化硼有黑色、琥珀色和表面鍍金屬的,顆粒尺寸通常在1毫米以下。它具有優(yōu)于金剛石的熱穩(wěn)定性和對鐵族金屬的化學(xué)惰性，用以制造的磨具，適于加工既硬又韌的材料，如高速鋼、工具鋼、模具鋼、軸承鋼、鎳和鈷基合金、冷硬鑄鐵等。用立方氮化硼磨具磨削鋼材時，大多可獲得高的磨削比和加工表面質(zhì)量。二、PCBN刀具的制造工藝PCBN刀具的制造主要通過CBN粉末和結(jié)合劑經(jīng)超高壓高溫?zé)Y(jié)而成.大致步驟有;混合粉末-模壓成型/與硬質(zhì)合金底層組裝成整體-超高壓高溫?zé)Y(jié)-深加工. 關(guān)鍵技術(shù)在于CBN與結(jié)合劑的選擇與配比,超高壓高溫?zé)Y(jié)工藝參數(shù)的確定. 三、PCBN刀具特點PCBN刀具是人造立方氮化硼刀具，在高溫的時候還能保持高硬度的特性，主要做加工鐵件之用。其硬度僅次于金剛石而遠遠高于其它材料，因此它與金剛石統(tǒng)稱為超硬材料。1、PCBN刀具材料的種類按添加成分分：有直接由CBN單晶燒結(jié)而成的PCBN和添加一定比例粘結(jié)劑的PCBN燒結(jié)體兩大類；按制造復(fù)合方式分：有整體PCBN燒結(jié)塊和與硬質(zhì)合金復(fù)合燒結(jié)的PCBN復(fù)合片兩類。目前應(yīng)用較廣的是帶粘結(jié)劑的PCBN復(fù)合片，根據(jù)添加的粘結(jié)劑比例不同則PCBN硬度也不同，粘結(jié)劑含量越多則硬度越低、韌性越好；粘結(jié)劑種類不同，則PCBN的用途也不同，表1所示為常見粘結(jié)劑的PCBN刀具及其用途。CBN含量(%)粘結(jié)劑種類主要用途60TiN淬火鋼70TiC鑄鐵70Al2O3鑄鐵90AlN高強度鑄鐵80Co耐熱合金鋼鑄鐵2、PCBN刀具的切削性能A、具有很高的硬度和耐磨性CBN單晶的顯微硬度為HV80009000，是目前已知的第二高硬度的物質(zhì)，PCBN復(fù)合片的硬度一般為HV30005000。因此用于加工高硬度材料時具有比硬質(zhì)合金及陶瓷更高的耐磨性，能減少大型零件加工中的尺寸偏差或尺寸分散性，尤其適用于自動化程度高的設(shè)備中，可以減少換刀調(diào)刀輔助時間，使其效能得到充分發(fā)揮。B、具有很高的熱穩(wěn)定性和高溫硬度CBN的耐熱性可達14001500，在800時的硬度為Al2O3/TiC陶瓷的常溫硬度，因此，當(dāng)切削溫度較高時，會使被加工材料軟化，與刀具間硬度差增大，有利于切削加工進行，而對刀具壽命影響不大。C、具有較高的化學(xué)穩(wěn)定性CBN具有很高的抗氧化能力，在1000時也不產(chǎn)生氧化現(xiàn)象，與鐵系材料在12001300時也不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，但在1000左右時會與水產(chǎn)生水解作用，造成大量CBN被磨耗，因此用PCBN刀具濕式切削時需注意選擇切削液種類。一般情況下，濕切對PCBN刀具壽命無明顯提高，所以使用PCBN刀具時往往采用干切方式。 D、具有良好的導(dǎo)熱性CBN材料的導(dǎo)熱系數(shù)低于金剛石但大大高于硬質(zhì)合金，并且隨著切削溫度的提高，PCBN刀具的導(dǎo)熱系數(shù)不斷增大，因此可使刀尖處熱量很快傳出，有利于工件加工精度的提高。E、具有較低的摩擦系數(shù)CBN與不同材料的摩擦系數(shù)在0.10.3之間，大大低于硬質(zhì)合金的摩擦系數(shù)(0.40.6)，而且隨摩擦速度及正壓力的增大而略有減小。因此低的摩擦系數(shù)及優(yōu)良的抗粘結(jié)能力，使CBN刀具切削時不易形成滯留層或積屑瘤，有利于加工表面質(zhì)量的提高。F、PCBN復(fù)合片顯微硬度與抗彎強度(TRS)溫度是影響PCBN復(fù)合片燒結(jié)好環(huán)的主要因素之一。測試發(fā)現(xiàn)，隨著溫度的升高TRS值明顯變大。當(dāng)CBN顆粒間結(jié)合能大于單晶的解理能時就表現(xiàn)為穿晶斷裂，反之為沿晶斷裂。通過電鏡觀測斷口的形貌發(fā)現(xiàn)，沿晶斷裂和穿晶斷裂共存。但隨著溫度的升高或顆粒粒度的增大，穿晶斷裂逐漸增多而且從PCBN層中心沿徑向到邊緣穿晶斷裂也逐漸增多。G、硬質(zhì)合金對PCBN硬度與導(dǎo)電性的影響 在合成PCBN的過程中，硬質(zhì)合金中的鈷掃越CBN層，盡管Co與CBN不反應(yīng)，少量的鈷還是殘留在PCBN中作為CBN顆粒間“孔隙”的填充劑。而Co的硬度與CBN顆粒的硬度相比要低得多，因而導(dǎo)致CBN層硬度的降低。H具有很高楊氏模量。PCBN楊氏模量約為750GPa，高于WC、TiC、Al2O3等材料。I具有很小熱膨脹。PCBN熱膨脹系數(shù)約為（2.12.3）10-6/K，而硬質(zhì)合金熱膨脹系數(shù)為（57）10-6/K。 J具有較小密度。PCBN密度為3.48g/cm3，與Al2O3、Si3N4密度相近.K具有較低斷裂韌性。PCBN斷裂韌性約為（3.55）Pa?m0.5，僅為陶瓷刀具材料一半。這PCBN唯一不足之處。3、PCBN刀具應(yīng)用于先進切削加工工藝A、適用于高速及超高速切削加工技術(shù)PCBN刀具最適合于鑄鐵、淬硬鋼等材料的高速切削加工。當(dāng)切削速度超過一定限度后，切削速度越高，PCBN刀具后刀面磨損速度反而越小，即高速切削下刀具的壽命反而高，這一特點尤其適合現(xiàn)代高速切削加工。B、硬態(tài)切削加工技術(shù)的最佳刀具材料對淬硬件(硬度HRC55以上)的精加工，通常采用磨削加工方法來完成，然而隨著刀具材料發(fā)展及車床(尤其是數(shù)控車床)加工精度的提高，以硬態(tài)切削代替磨削來完成零件的最終加工已成為一個新的精加工途徑，這種以車代磨的工藝方法有以下優(yōu)點： （1）可提高加工柔性，突破了砂輪磨削的限制，通過改變切削刃及走刀方式可以加工出幾何形狀各異的工件； （2）切削加工中的環(huán)保問題日益嚴峻，磨削加工產(chǎn)生的廢液和廢棄物越來越難以處理和清除，而且對人體有害，而硬態(tài)切削無須加冷卻液，意義重大； （3）切削效率高，加工時間短，設(shè)備投資費用小，可降低加工成本； （4）切除相同體積所消耗的能量僅為磨削的20%，因此產(chǎn)生的切削熱較少，加工表面不易引起燒傷和微小裂紋，易于保持工件表面性能的完整性； （5）同樣金屬去除率情況下，硬態(tài)切削較磨削節(jié)省能源。C、進行干切削加工工藝的理想刀具材料干切工藝：機理是由于切削速度很高，產(chǎn)生的熱量聚集于刀具前部，使切削區(qū)附近材料達到紅熱狀態(tài)，屈服強度下降，進而達到提高切削效率的效果。采用紅月牙干切削工藝的前提條件是在較高切削溫度下，被切材料強度有明顯下降，變得易切削，而刀具材料的強度在同樣狀態(tài)下要有較好的紅硬性及熱穩(wěn)定性，還要有較好的耐磨性和抗粘結(jié)性。 就紅硬性和熱穩(wěn)定性來說，PCBN材料是最適合干切工藝的刀具材料，且由于PCBN刀具材料具有上述優(yōu)點，更適于高速條件下的干式切削加工。D、適應(yīng)于自動化加工及難加工材料加工PCBN刀具有很高的硬度及耐磨性，能在高切削速度下長時間地加工出高精度零件（尺寸分散性?。蟠鬁p少換刀次數(shù)和刀具磨損補償停機所花費的時間。因此，很適合于數(shù)控機床及自動化程度較高的加工設(shè)備，并且能使設(shè)備的高效能得到充分發(fā)揮。 在難加工材料應(yīng)用方面，PCBN刀具也顯示了其卓越的性能，如表面噴焊(涂)材料的加工，用其它材料刀具加工，刀具壽命極低，也無法采用磨削方法加工，而PCBN是惟一適合的刀具材料；又如，在石油電站設(shè)備中使用的高合金耐磨鑄鐵，采用PCBN刀具較硬質(zhì)合金刀具提高切削效率4倍以上，單件刀具成本下降為原來的1/5。另外在硬質(zhì)合金等燒結(jié)材料的切削加工方面，PCBN刀具也顯示了很好的切削性能。4、PCBN 刀具的合理使用由于 PCBN 刀具材料具有優(yōu)良的切削性能，所以特別適合加工其硬度在 HRC45 以上的淬火鋼、耐磨鑄鐵、 HRC35 以上的耐熱合金以及 HRC30 以下而其它刀片很難加工的珠光體灰口鑄鐵。（1）硬態(tài)切削時，徑向力很大，這就要求機床功率要大，機床系統(tǒng)剛性要好，這既可保護 PCBN 刀具，又可獲得滿意的加工效果。PCBN 刀片常用切削用量工件材料 切削速度 (m/min) 進給量 (mm/r) 切削深度 (mm)灰鑄鐵 180 230HB 400 1000 0.15 0.5 0.12 2.0硬鑄鐵 400HB 70 150 0.15 0.5 0.12 2.0淬火鋼 45HRC 60 140 0.15 0.5 0.2 2.5耐熱合金 35HRC 100 240 0.05 0.3 0.1 2.5（2）PCBN 刀具的強度比硬質(zhì)合金刀具低，因此在硬態(tài)切削加工時，一般都采用負前角、較大的后角和負倒棱，這不僅有利于對切削刃進行補強，而且具有很好的耐磨性。（3）為很好地使用 PCBN 刀具，穩(wěn)定地控制工件質(zhì)量，準確判斷 PCBN 刀具的耐用度至關(guān)重要。（4）對于硬度高和不規(guī)則的工件，由于 PCBN 刀片較脆、怕沖擊。從工件端面切入、切出，尤其在表面有夾渣、砂眼、凹凸不平的時候，最易發(fā)生沖擊，使刃口破裂，造成耐用度降低。（5）PCBN 刀具不適于加工較軟的黑色金屬材料。 （6）確定切削速度、進給量及切削深度要綜合考慮生產(chǎn)效率和加工成本。（7）使用 PCBN 刀具時，可加冷卻液，也可不加，使用冷卻液時則一定要充分冷卻。PCBN 刀片的磨損形式、原因及預(yù)防措施 四、PCBN刀具的磨損形式 主要原因 預(yù)防措施月牙洼磨損 工件硬度太軟；切速太快；產(chǎn)生化學(xué)和擴散磨損 改用硬質(zhì)合金刀具或陶瓷刀具；降低切速 使用冷卻液。壓力面磨損 切削速度太快；進給量太大；刀具后角太小 增大切速和進給量；增大后角。邊界磨損 主偏角太大；進給量太大；切速太小 減小主偏角；減小進給量；增大切速。斷裂磨損 系統(tǒng)剛性差；刀尖角太??；進給量與切速太大；刀具刃口脆 提高系統(tǒng)剛性，增大刀尖角；降低進給量和切速并采用負倒棱刀具。PCBN 層破裂 系統(tǒng)剛性差；工件沖擊太大； PCBN 層太薄，刀具刃口過脆 提高工藝系統(tǒng)剛性；工件表面預(yù)加工和倒角；采用厚的 PCBN 層；采用負倒棱刀具。五、PCBN刀具的修磨陶瓷結(jié)合劑金剛石砂輪結(jié)合金剛石和陶瓷結(jié)合劑的共同特點，具有磨削力強，磨削時溫度比較低，磨具磨損比較?。豢梢赃m應(yīng)各種冷卻液的作用；磨削時磨具的形狀保持性好，磨出工件的精度高；磨具內(nèi)有較多的氣孔，磨削時有利于