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绿色制造的首选刀具之材PCBN

日期:2021/11/30
来源:中国研磨网

   郑州磨料磨具磨削研究所 王光祖 卫凤午

  河南工业大学 机电学院 崔仲鸣

  作为21世纪更新换代的新型刀具——聚晶立方氮化硼(polycrystalline cubic boron nitride, PCBN)刀具的使用已产生了巨大的经济效益,引起世界各工业国家的重视。

  1957年,美国通用电气公司首先成功合成出立方氮化硼(CBN)。虽然CBN具有优异的物理化学性能,但是由于CBN单晶颗粒尺寸小,并且容易沿解理面劈裂,不能直接用来制造切削刀具,因此在制造业中所用的切削刀具大多是采用PCBN制造的。

  1PCBN超硬刀具性能

  用具有超硬效应的结合剂在高压高温作用下与CBN单晶充分反应来合成超硬烧结体是目前制备PCBN最普遍的制造工艺。虽然单晶CBN颗粒细小无规则、各向异性、脆性大,生长和解理破损现象都极易在[111]晶面上进行。但是通过聚合CBN单晶形成PCBN聚晶可以有效克服上述缺点,使PCBN超硬刀具表现出无可比拟的优异性能,与传统切削刀具相比PCBN超硬刀具具有很多优点:

  (1)高硬度和高耐磨性,不同粘结剂含量的PCBN材料的硬度在40-60GPa之间。

  (2)良好的热稳定性和高温硬度保持性。可以稳定工作在1400-1500℃,可软化工件,更加有利于切削进行,而且几乎不影响刀具寿命。

  (3)可高效切削铁基合金材料,具有高的精度保持性,特别适合机械制造加工工业大规模自动化生产使用。

  (4)高导热性,有利于切削热的疏导,CBN的导热系数仅次于金刚石,而远大于质合金,在加中工过程中,其传导效率随着温度的升高而提高。

  (5)摩擦系数低,有利于减小切削力,减少刀屑粘附现象,PCBN与不同材料间的摩擦系数远低于硬质合金,而且摩擦系数随切削速度的提高而减小。

  (6)高速切削特性和高加工精度,可以用非常锋利的刃口在主轴转速2000r/min以上的条件下连续干切削,达到抛光级的表面粗糙度。

  总之,高强度、高耐磨性、高导热性、良好的高温力学稳定性以及高温化学稳定性等优良性能,使PCBN超硬刀具成为最能满足当前严苛切削要求的首选工具。

  2PCBN刀具应用现状

  由于PCBN在切削中具有锋利性、红硬性、耐磨性等优势力,所以能够广泛应用于车削、铣削和镗削等加工领域。根据制造业的统计PCBN刀具在制造业中的应用情况如图1所示。

  图1 国内外PCBN刀具的应用情况

  由图1可以看出,PCBN刀具主要应用于汽车、机床制造、轴承、航空等行业的车削和加工淬火钢等领域,这也从侧面反映了PCBN刀具的良好切削性能。

  不同CBN含量的PCBN刀具适合不同的切削领域,HALPIN等对不同CBN含量的PCBN的切削领域进行了总结,如表1所示。

  表1 同CBN含量的PCBN的切削领域

  目前国内PCBN刀具市场的发展还并未达到饱和的状态,其发展空间依旧很大。高速硬态干切削将成为未来刀具切削加工的主流发展方向,这种高速硬态干切削将是一种集高效率、低能耗、节约资源、减少污染等特点于一身的绿色切削技术。随着人类社会的不断进步,工业化和智能化的不断发展,PCBN超硬刀具材料将不断改进,将会在机械制造业中发挥巨大作用。

  3PCBN刀具切削技术应用

  3.1高速及超高速切削

  高速切削可提高切削效率、减少加工时间、降低加工成本。日本住友生产的BN7000PCBN刀具加工灰铸铁的最高速度可达2000m/min,日本三菱生产的MBC010PCBN刀具切削淬硬钢的最高速度可达400m/min,这是硬质合金刀具和陶瓷刀具等所无法达到的高速度。

  3.2硬态切削加工

  硬态切削是指单刃或多刃刀具对淬硬零件速进行加工,是一种“以车代磨”的新工艺,也是高速切削技术的一个新的领域。与传统磨削加工相比,高速硬态切削具有效率高、柔性好、无切削液对环境污染,工序少、投资省等优点。

  PCBN通常用来加工硬度(HRX)高于50的材料,实现以硬态切削代替磨削来完成材料的高效加工。这种“以车代磨”的高效加工方式具有以下优点:j可提高柔性,通过改变切削刃及走刀方式可以灵活的加工出几何形状各异的工件;k切削效率高,加工时间短,可降低加工成本;l加工过程中产生的切削热相对较少,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; m硬态切削过程中不需要使用冷却液,避免了加工产生的废液对环境造成的污染。

  3.3干式切削加工

  在湿切工艺中,由于使用切削液会带来诸多问题,如切削液的使用、传输、回收、过滤等环节增加了生产成本;切削加工中由切削热造成的切削液的雾状挥发,对操者健康的危害和加工表面质量的影响;切削液的渗漏、溢出会污染环境,易发生安全、质量事故。

  干式切削技术是为适应全球日益高涨的环境要求和可持续发展战略而发展起来的一项绿色切削加工技术,对节省资源、保护环境和降低成本都具有重要意义。近几年,干式切削加工方法已成为机械制造领域中的重要研究课题。

  3.4自动化加工

  PCBN具有很高的硬度和耐磨性,能够在高切削速度下长时间加工出高精度零件(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,很适合于数控机床和自动化程度较高加工设备上应用,并且能使设备的高效性能得到充分发挥。

  3.5难加工材料加工

  对于高温合金、不锈钢、钛合金等难加工材料,其他刀具材料加工寿命很低,而由于PCBN具有优异的物理化学性能,表现出突出的优势。如在石油电站设备中使用的高温合金耐磨铸铁,采用PCBN刀具切削,较硬质合金刀具切削效率提高4倍以上,单件成本下降到原来的1/5。因此,PCBN材料刀具成为难加工材料的首造选材料。

  4绿色低碳经济与PCBN刀具

  高生产率和高质量是先进制造技术追求的两大目标。代表现代机械加工主流方向的高速切削顺应了21世纪机械加工高效率、高精度、柔性与绿色化的要求而得到迅速发展。

  高速切削的特点:

  (1)切削速度提高,使单位切削时间材料的切除率增加;同时切削区温度更高,被切削材料塑性增加,进给速度也可相应提高,从而可以成倍提高切削效率、降低能耗、降低成本。

  (2)当切削速度超过某一临界值时,95%以上的切削热来不及传给工件,就被切屑飞速带走,而工件基本上保持冷却。

  (3)高速切削时,产生的激振频率很高,远远超过了机床-刀具-工件系统的固有频率范围,使切削过程平稳、振动小,可获得较高的加工质量。

  高速切削对刀具材料的要求:

  (1)高的可靠性;

  (2)高的耐热性、抗冲击和高温力学,性能;

  (3)适应难加工材料和新型材料加工的需要。

  实践表明,在高速切削时,随着切削速度的提高,切削力减小、切削温度增加很慢、生产效率和加工质量提高,从而降低制造成本。高速切削大致可使切削力减小15%-20%,制造成本降低10%-15%。

  5结语

  低碳经济和绿色制造技术发展和应用,是我国当下机械工具行业的发展方向,根据绿色制造“节约能源、节约资源、污染小、有利环境”的指导思想,为了消除切削液的不良影响,最理想有效的加工式就是干切削。与湿切削相比,干切削能大大提高生产率,其机理是由干切削速度很高时,产生的热聚集于刀具前部,使切削区附近材料达到红热状态,屈服强度下降,进而获得提高切削效率的效果。采用干切削工艺的前提条件是在较高切削温度下,被切削材料强度有明显下降,变得易切削,而刀具材料在同样状态下既要在有较好的红硬性,又要有较好的耐磨性和抗黏粘性。PCBN材料刀具正好适应了上面这些要求,目前已在高速切削、硬态切削、难加工材料切削等方面取得了可喜的成绩,随着相关的切削技术和应用的深入研究和进一步发展,相信未来PCBN刀具切削技术会对“绿色制造”做出更大的贡献。

关键字:PCBN
[责任编辑:小娜]
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