性價比最高的超硬刀具

1、 超硬材料 超硬材料刀具的研究和應(yīng)用超硬材料刀具的研究和應(yīng)用北京沃爾德超硬工具有限公司北京沃爾德超硬工具有限公司 刀具售后工程師刀具售后工程師-彭飛彭飛1.引言超硬材料刀具的應(yīng)用不但節(jié)約一些貴重的金屬原材料、而且超硬材料刀具的使用壽命是硬質(zhì)合金刀具的75倍,形成的高速切削等新工藝使零件加工效率提高數(shù)倍到十幾倍;產(chǎn)品質(zhì)量顯著提高。 近年來,超硬材料在品種、質(zhì)量方面向高品級單晶方向發(fā)展。隨著金剛石合成設(shè)備的兩面頂與六面頂壓機的大型化,鐵基粉末觸媒與金屬包膜的深入研究和相關(guān)技術(shù)的推廣應(yīng)用,高強度金剛石所占比例逐年提高。金剛石集力學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)、化學(xué)惰性等眾多優(yōu)異性能于一體,是制造刀具的理想材料。高效

2、率加工的方向超硬刀具材料替代普通刀具進(jìn)行切削,不但實現(xiàn)了鑄、鍛毛坯件的高速、高效加工,一次性完成粗、精加工。而且適用于成形、仿形及定尺寸的精密車削,并使車削質(zhì)量顯著提高、車削效率得到數(shù)倍乃至數(shù)十倍的提高。高速精密和自動化加工,用超硬材料刀具能以車代磨、以銑代磨;硬質(zhì)合金制品及難磨材料,用超硬材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)碳化硅和剛玉磨料進(jìn)行加工,不但能防止工件表面燒傷、微裂紋、缺口、變質(zhì)層過深等缺陷,且能提高工效、降低消耗和磨削成本。超硬材料的展望超硬材料刀具主要包括金剛石刀具和立方氮化硼刀具,其中以人造金剛石復(fù)合片(PCD)刀具及立方氮化硼復(fù)合片(PCBN)刀具占主導(dǎo)地位。隨著現(xiàn)代制造業(yè)的快速發(fā)展,超硬材料刀

3、具的生產(chǎn)及應(yīng)用也逐年快速增長。2.超硬材料刀具的制造方法目前超硬材料刀具包括金剛石刀具和立方氮化硼刀具兩種,金剛石刀具的主要加工方法有薄膜涂層刀具、厚膜金剛石焊接刀具、金剛石燒結(jié)體刀具和單晶金剛石刀具四種。其中PCD刀具占大多數(shù);其次是PCBN金屬切削刀具。PCBN刀具專業(yè)加工一些黑色金屬;例如：一體CBN刀具和CBN機卡片、CBN或涂層刀具。2.1薄膜涂層刀具薄膜涂層刀具是在鋼性及高溫特性好的基體材料上通過化學(xué)氣相沉積法(CVD),沉積金剛石薄膜制成的刀具。由于Si3N4系陶瓷、WC-Co系硬質(zhì)合金以及金屬W的熱膨脹系與金剛石接近,制膜時產(chǎn)生的熱應(yīng)力小,因此可作為刀體的基體材料。金剛石薄膜的

4、優(yōu)點是可應(yīng)用于各種幾何形狀復(fù)雜的刀具,如帶有斷屑槽的刀片、端銑刀、鉸刀等;我公司已經(jīng)克服了一下幾種缺點：金剛石薄膜與基體的粘接力較差,薄膜涂層刀具無重磨性。2.2金剛石厚膜焊接刀具 金剛石厚膜焊接刀具的制作過程一般包括:大面積的金剛石膜的制備;將金剛石膜切成刀具需要的形狀尺寸;金剛石厚膜與刀具基體材料的焊接;金剛石厚膜刀具切削刃的研磨與拋光。金剛石厚膜的制備工藝方法是直流等離子體射流CVD法,將金剛石沉積到表面進(jìn)行過鏡面加工的WC-Co合金上,沉積速度最高可達(dá)930m/h,晶格間結(jié)合緊密,但生長表面比較粗糙?？稍诳諝?、氧氣和氬氣的環(huán)境中利用激光切割成所需形狀和尺寸,激光切割可切出刀具的后角等。

5、通過在銅銀合金焊料中添加強碳化物形成元素或通過對金剛石高質(zhì)量加工的追求 表面進(jìn)行金屬化處理,來提高金剛石與金屬之間的可焊性。焊料用含Ti的銅銀合金(Ag=68.8wf% , Cu=26. 7wf% ,Ti=4.5wf% ),不加助熔劑在惰性氣體或真空中焊接,或用表面處理技術(shù)在金剛石表面鍍覆金屬鈦,使其表面具有金屬或類金屬的性能。2.3金剛石燒結(jié)體刀具將金剛石厚膜用滾壓研磨破壞的方法加工成平均粒度為3237m的金剛石晶粒,或直接利用高溫高壓法制得金剛石晶粒粉末,堆放到WC-16% Co合金上,然后用Ta箔將其隔離,在5. 5 GPa、1500條件下燒結(jié)60 min,制成金剛石燒結(jié)體,該方法制成的

6、車刀具有很高的耐磨性.2.4 單晶金剛石刀具 單晶金剛石刀具通常是將金剛石單晶固定在小刀頭上,小刀頭用螺釘或壓板固定在車刀刀桿上。金剛石在小刀頭上的固定方法主要有:機械加固法、粉末冶金法、粘結(jié)和釬焊法。針對金剛石與基體的熱膨脹系數(shù)相差懸殊,可采用彈性夾緊法和恒溫切削等方法防止金剛石松動,脫落。2.5CBN刀具 PCBN金屬切削刀具有焊接式PCBN刀具和可轉(zhuǎn)位式PCBN刀片兩類:焊接式PCBN刀具是將PCBN刀坯焊接在鋼基體上經(jīng)刃磨而成,主要有車刀、鏜刀、鉸刀等。多用于耐磨黑色金屬的加工,轉(zhuǎn)位結(jié)構(gòu)的PCBN機卡刀片和銑刀片,是在硬質(zhì)合金可轉(zhuǎn)位刀片的一角鑲焊一塊PCBN刀坯,經(jīng)刃磨而成。用于鈦合金

7、、不銹鋼、淬硬鋼等的高速車削與高速銑削。3.超硬材料刀具的應(yīng)用切削加工技術(shù)進(jìn)入以高速切削,形成新的切削工藝和加工方法、提供成套加工技術(shù)為特征的發(fā)展新階段。這一階段的主要特征和技術(shù)特點是高的切削速度(表1),為超硬刀具的應(yīng)用提供了廣闊的市場。高質(zhì)量刀具做出高的效率 表一現(xiàn)階段高速切削實例表格表一現(xiàn)階段高速切削實例表格加工方式刀具材質(zhì)工件材料切削速度V/（m/min）銑削PCBN銑削灰鑄鐵1000-2000PCD銑削鋁合金3000-7500車削PCBN車削淬火鋼100-200PCBN車灰鑄鐵剎車盤650-2200滾齒硬質(zhì)合金刀加工16MnCr5350PCBN刀具精加工16MnCr57003.1高速

8、切削、高穩(wěn)定性加工高速切削作為一種現(xiàn)代先進(jìn)加工工藝,切削效率顯著的提高,以轎車發(fā)動機的5大件加工為例,在近10年左右的時間里,生產(chǎn)效率提高了約12倍,如加工鋁合金缸蓋的PCD面銑刀,銑削速度已達(dá)4021 m /min,進(jìn)給速度5670 m /min,是我國90年代初引進(jìn)的生產(chǎn)線效率的二倍;又如精加工灰鑄鐵缸體的CBN面銑刀,銑削速度已達(dá)2000 m /min,是傳統(tǒng)的硬質(zhì)合金面銑刀銑速的10倍。新開發(fā)的干切削、硬切削新工藝,不僅提高了加工效率,打破了傳統(tǒng)切削加工的界限,而且開創(chuàng)了切削加工“綠色制造”的新時代。硬切削技術(shù)已成為汽車齒輪內(nèi)孔精加工、淬硬模具加工實用的高效新工藝。并出現(xiàn)了高速進(jìn)給、高

9、生產(chǎn)率(HPM、HSM)加工新工藝。如灰鑄鐵缸體的缸孔精加工,要求缸孔加工尺寸精度高、表面粗糙度小定性好;由于生產(chǎn)線加工節(jié)拍高效率生產(chǎn)的秘密 快,要求切削速度高(通常V500 m /min),刀具壽命長(加工孔數(shù)1000),且倒角、止口、粗、精鏜等多個工位的刀片壽命均應(yīng)滿足耐用度要求。采用PCBN刀具實現(xiàn)發(fā)動機缸孔的高速、高穩(wěn)定性加工;其典型切削參數(shù)為: V=500m /min, f=0. 20. 4 mm /r, ap= 0. 20. 7 mm;加工表面粗糙度Ra1. 6m,刀具壽命1000件。3.2PCD、CBN超硬刀具材料韌性和制造工藝的改進(jìn)用CBN制造的缸孔鏜刀已在自動生產(chǎn)線上、鑄鐵、

10、淬硬件、石墨、合成材料等的加工中廣泛使用,并從精加工領(lǐng)域擴大到半精加工領(lǐng)域,加工效率大幅提高。高效加工鋁合金是航空和汽車工業(yè)的一項關(guān)鍵技術(shù),用PCD制造的各種高性能刀具已從車刀、面銑刀擴展到立銑刀、鉆頭、鉸刀、成形刀具等;例如一汽公司用PCD刀具精鏜硅鋁合金材料的活塞銷孔(V =160 m /min, f=0. 080. 10 mm /r, a=0. 05 mm。),刀具耐用度達(dá)42500件,是原來硬質(zhì)合金刀具的90倍,加工表面粗糙度Ra值由原來的1. 12m降為0. 15m,每班可減少裝調(diào)刀具等輔助時間30 min,分?jǐn)偟矫總€工件的刀具成本比硬質(zhì)合金刀具下降了約85%。其中PCBN刀具的耐磨

11、性比未涂層的硬質(zhì)合金刀具高50倍,比涂層的硬質(zhì)合金刀具高數(shù)倍,比陶瓷刀具高25倍,僅為提高生產(chǎn)率努力 是金剛石刀具的一半,是非金屬材料唯一的高效刀具。最高的切削速度已達(dá)7000 m /min,效率進(jìn)一步提高。隨著CBN、PCD刀具的推廣,超硬刀具將在高速、高效切削加工中起到領(lǐng)先的作用。3.3涂層成為提高刀具性能的關(guān)鍵技術(shù) 化學(xué)涂層(CVD)仍是可轉(zhuǎn)位刀片的主要涂層工藝,在基體材料改善后,中溫CVD等新工藝,使其耐磨性和韌性都得到提高;CVD金剛石涂層也取得了進(jìn)展,減少了涂層表面粗糙度,已進(jìn)入實用。國外硬質(zhì)合金可轉(zhuǎn)位刀片的涂層比例占70%以上。物理涂層(PVD)在爐子結(jié)構(gòu)、工藝、控制等方面都取得

12、了重大進(jìn)展,開發(fā)了適應(yīng)高速切削、干切削、硬切削的耐熱性更好的涂層,如超級TiN,及綜合性能更好的TiAlN通用涂層。且創(chuàng)新開發(fā)了納米、多層結(jié)構(gòu),大幅提高涂層的硬韌性?？茖W(xué)管理追求最高峰3.4超硬材料刀坯的發(fā)展特點特點之一是產(chǎn)品系列化:不同規(guī)格品種不斷增加。例如,英國De Beers公司新推出的PD204牌號PCD刀坯是為加工高耐磨材料而增加的牌號;美國通用電氣公司的Compax1700也屬同類產(chǎn)品,是一種粒度更粗的PCD復(fù)合片;而新推出的PN406則是一種純CBN燒結(jié)體,具有優(yōu)良的導(dǎo)熱性和抗沖擊性,特別適合高硬度材料粗加工及鑄鐵的高速切削加工; PCBN刀坯適用于淬硬鋼的斷續(xù)切削,它通過細(xì)化C

13、BN粒度(1m),使切削力分散并增強了CBN粒子間的粘結(jié)力;日本住友電工的PN109-B及英國De Beers公司的PN200等牌號同屬這一品種。特點之二是刀坯尺寸不斷增大;目前國外超硬刀坯的供貨規(guī)格一般為50 mm以上,74 mm的復(fù)合片也能批量供貨, PCBN刀坯的最大規(guī)格可達(dá)101 mm,小尺寸刀坯則是從大刀坯上切割下來接受新材料刀具得到高的回報 的。大規(guī)格超硬刀坯成本更低,更適合于大批量使用。目前國內(nèi)只有20 mm以下的刀坯供貨,這是因為兩面頂與六面頂兩種超高壓高溫設(shè)備腔體尺寸差異所致。3.5超硬刀具的典型應(yīng)用及發(fā)展以車代磨的硬切削;有色金屬的高速、高穩(wěn)定性、低粗糙度的精加工;干切削,

14、清潔化加工。采用PCBN刀具加工含硼鑄鐵缸套,切削參數(shù):V=200 m /min, f=0. 1 mm /r, ap=0. 21 mm,加工表面粗糙度Ra1. 6m,精度IT6,兩次刃磨之間,刀具壽命100件,可實現(xiàn)“以車代磨”。由于采用干式切削,避免了切削液及砂輪灰塵對環(huán)境的污染,切屑也可回收再利用,符合清潔化生產(chǎn)要求。不敢嘗試沒有進(jìn)取(1)隨著新粉末觸媒研究、開發(fā)、應(yīng)用及氫在金剛石合成中作用的研究和應(yīng)用、大型壓機的投入使用、鍍膜技術(shù)的不斷發(fā)展,制造、加工技術(shù)的不斷完善,制造超硬材料品質(zhì)的技術(shù)水平和超硬材料涂層技術(shù)將會大幅度提高,新品種將不斷涌現(xiàn),由超硬材料制作的工具進(jìn)行的高速切削加工,帶來

15、的高速度、高厚度、超薄、復(fù)雜型面等特點的產(chǎn)品將會朝更高水平繼續(xù)發(fā)展,產(chǎn)品質(zhì)量將明顯提高。懂得嘗試得到無限(2)超硬材料制品將朝系列化、標(biāo)準(zhǔn)化、專業(yè)化、高品質(zhì)、多元化方向發(fā)展,各生產(chǎn)企業(yè)將形成自己的產(chǎn)品特色和市場定位。(3)超硬材料制品的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒃谄囍圃臁⒂嬎銠C與微電子元件、光電子元件、通訊器材、家電制造行業(yè)、新型陶瓷加工、礦物鉆探與開采、航空航天等產(chǎn)業(yè)獲得更多的應(yīng)用, CBN制品也會得到更大的普及和發(fā)展。沃爾德超硬刀具是您邁向成功的第一步(4)我國超硬材料制品的研制與生產(chǎn)、制造與應(yīng)用,在未來10年中將會得到迅速發(fā)展,不但產(chǎn)量將躍居世界前列,而且技術(shù)水平也將向世界強國邁進(jìn)。4.2目前我國金剛

16、石的產(chǎn)業(yè)化中還存在一些待解決的問題高速大面積的金剛石厚膜沉積工藝、控制金剛石膜的晶界密度和缺陷密度、金剛石膜的低溫生長技術(shù),金剛石薄膜與基體結(jié)合力弱等。金剛石刀具優(yōu)異的性能和廣泛的發(fā)展前途,吸引國內(nèi)外無數(shù)的專家進(jìn)行研究,有些已經(jīng)取得了突破性進(jìn)展;但是高品質(zhì)超硬材料制成品及復(fù)合材料的研究與生產(chǎn)的產(chǎn)業(yè)化問題更加突出,我國每年花大量資金進(jìn)口加工用超硬刀具、鉆探用鉆頭、超硬拉絲模等超硬材料制成品還沒有得到根本解決,優(yōu)質(zhì)超硬材料及復(fù)合材料的深加工產(chǎn)業(yè)化應(yīng)引起我們高度重視。4.3目前我公司金剛石的生產(chǎn)和應(yīng)用還需要一些時間試用和推廣。此文件只供參考和學(xué)習(xí)應(yīng)用。本資料只是為了推廣PCBN和PCD刀具和材料為目的，讓大家對超硬刀具有一個認(rèn)識或了解。給大家介紹一下刀具應(yīng)用和刀具材料的選擇。能夠