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超硬刀具的發展與應用
文:網絡轉載 來源:網絡 時間:2008-11-25 點擊:5074

一、概述

超硬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合片(PCD)刀具及立方氮化硼復合片(PCBN)刀具占主導地位。隨著現代制造業(尤其是汽車制造業)的快速發展,超硬刀具的生產及應用也逐年快速增長。超硬刀具大部分用于汽車零部件的切削加工。

近年來,隨著CNC加工技術的迅猛發展以及數控機床的普遍使用,可實現高效率、高穩定性、長壽命加工的超硬刀具的應用也日漸普及,同時引入了許多先進的切削加工概念,如高速切削、硬態加工、高穩定性加工、以車代磨、干式切削等。超硬刀具已成為現代切削加工中不可缺少的重要手段。

二、超硬刀具的主要品種及特點

1.PCD金屬切削刀具

PCD金屬切削刀具可利用PCD材料的高硬度、高耐磨性、高導熱性及低摩擦系數實現有色金屬及耐磨非金屬材料的高精度、高效率、高穩定性和高表面光潔度加工。此類刀具從結構上主要可分為焊接式PCD刀具和可轉位式PCD刀片。

近年來焊接式PCD刀具中發展較快的品種是帶標準刀柄的PCD刀具,如帶柄PCD銑刀、PCD鏜刀、PCD鉸刀等,刀柄型式主要為圓柱柄、錐柄和HSK柄。這種刀具(尤其是多齒刀具)的特點是切削刃對刀柄的跳動小(如刃長為30mm的HSK柄PCD銑刀的切削刃跳動僅為0.002mm),尤其適合于對各種有色金屬零件的成形面、孔、階梯孔等進行大批量高速加工。例如,采用鋁基體刀盤的PCD高速銑刀(六刃,直徑100mm),最高轉速可達20,000R/MIN,以上,切削速度可達7,000M/MIN,適合于汽車零部件的成形面加工。

可轉位式PCD刀片是在硬質合金可轉位刀片上鑲裝一塊PCD刀坯再經刃磨而成,可裝夾在各種數控機床的刀桿、刀夾或刀盤上,用于高可靠性的大批量加工。隨著數控機床、加工中心及自動生產線的日益普及,可轉位式PCD刀片的使用越來越多,其刀具耐用度較硬質合金刀具可提高幾十倍。

2.PCD木工刀具

PCD木工刀具主要可分為PCD鋸片和PCD成形木工銑刀兩大類。PCD鋸片是將PCD刀坯焊接在鋸片基體上再經刃磨后形成,其結構與硬質合金鋸片類似,不同之處是PCD鋸片的前角較硬質合金鋸片小,一般為5°~10°,楔角為65°~75°,鋸片規格一般為?100-450mm,鋸齒數可多達72齒。

PCD成形木工銑刀的主要品種有用于加工強化木地板Al2O3層的修邊刀、PCD槽形刀、PCD家具成形刀等,其加工方式是將PCD刀具的形狀一次性復印(或組合)到被加工木材上。PCD成形木工銑刀的切削速度可達3,000m/min,,走刀量可達每分鐘數米,刀具耐用度是硬質合金刀具的幾十倍甚至幾百倍,由于具有高效率、高耐用度等特點,尤其適合于大批量加工。

3.PCBN金屬切削刀具

PCBN金屬切削刀具也可分為焊接式PCBN刀具和可轉位式PCBN刀片兩類。

(1)焊接式PCBN刀具是將PCBN刀坯焊接在鋼基體上經刃磨而成,主要有車刀、鏜刀、鉸刀等。PCBN刀具大多用于耐磨黑色金屬的加工,因此其刀尖角不能太小,刀具前角一般為-5°~5°,后角一般為3°~10°,斷續切削時一般采用負倒棱。

(2)轉位結構的PCBN刀片(主要為車刀片和銑刀片)一般是在可轉位硬質合金刀片的一個角上鑲焊一塊PCBN刀坯,經刃磨而成。考慮到刀坯較貴及重磨等原因,一般只做成一個刀尖。隨著焊接工藝質量的提高,其剪切強度可達0.78kg/m2。隨著PCBN刀坯尺寸越做越小,不重磨PCBN刀片的價格也隨之降低。

三、超硬刀坯的發展特點

超硬刀坯材料的開發是發展超硬刀具的基礎。超硬刀坯材料的發展特點之一是產品系列化,適用于不同加工對象的規格品種不斷增加。例如,英國DeBeers公司新推出的CTH025牌號(由Syndite025發展而來)PCD刀坯是為加工高耐磨材料而增加的牌號,其耐磨性進一步提高;美國通用電氣公司(GE)的Compax1700也屬同類產品,是一種粒度更粗的PCD復合片;PCBN刀坯中的BZN6100是BZN6000的換代產品,BZN8200是BZN8100的換代產品,而新推出的BZN7000則是一種純CBN燒結體,具有優良的導熱性和抗沖擊性,特別適合高硬度材料粗加工及鑄鐵的高速切削加工;類似產品還有瑞典Seco公司的CBN300、美國Kenametal公司的KD420、日本京瓷公司的KBN30S等;日本三菱公司MB835牌號的PCBN刀坯適用于淬硬鋼的斷續切削,它通過細化CBN粒度(≤1μm)使切削力分散并增強了CBN粒子間的粘結力;日本住友電工的BNX25及英國DeBeers公司的DBC45等牌號同屬這一品種。

超硬刀坯的另一發展特點是刀坯尺寸不斷增大。目前國外超硬刀坯的供貨規格一般為?50mm以上,?74mm的復合片也能批量供貨,PCBN刀坯的最大規格可達?101mm,小尺寸刀坯則是從大刀坯上切割下來的。大規格超硬刀坯成本更低,更適合于大批量使用。目前國內只有?20mm以下的刀坯供貨(國外七十年代即有此種規格刀坯),這是因為兩面頂與六面頂兩種超高壓高溫設備腔體尺寸差異所致。

超硬刀坯材料發展的第三個特點是CVD金剛石膜已由研制階段進入商業化供貨階段。較典型的CVD金剛石薄膜刀具產品有美國Kenametal公司的KD100涂層刀片、KDF300牌號CVD金剛石薄膜硬質合金立銑刀等。北京天地金剛石公司的CVD金剛石厚膜刀具也可批量供貨。據報道,英國Debeers公司已成功推出了?250mm的CVD金剛石厚膜,而且有刀坯厚膜、光學厚膜、可線切割厚膜、曲面厚膜、透明厚膜等系列產品。

四、超硬刀具專用機床的類型及特點

用于加工超硬刀具的專用機床主要有以下三類:

1.PCD刀具刃磨機床此類機床以瑞士Ewag公司的RS系列磨刀機為代表,該刃磨機床可利用陶瓷結合劑金剛石砂輪的鋒利性和一定的磨削壓力實現對PCD、PCBN及天然金剛石刀具的刃磨,其特點是機床剛性好,帶有投影測量裝置,是目前國外應用最廣泛的超硬刀具專用刃磨設備。與此類似的產品還有日本大阪金剛石公司、英國CoBom公司等制造的PCD刀具刃磨機。目前,PCD刀具刃磨技術不斷改進,如將以彈簧產生的恒壓力改為氣動壓力,并可在0~300N范圍內調整,以適應不同的磨削對象。為便于控制磨削尺寸,刃磨機上的刻度均帶有數顯裝置。臺灣遠山公司將原刃磨機上的投影屏等光學裝置改為高精密攝像系統,配以精密的測量刻度,可在監視器上顯示、控制磨削尺寸,可實現不停機在線測量,攝像機放大倍數從15~120倍可調,可研磨出R0.05mm的刃尖圓弧。

2.數控電火花PCB刀具成形機床此類設備以德國Vollmer公司的QWD系列機床為代表。該機床采用電火花線切割加工PCD、PCBN刀具,由于采用了先進的數控系統,加工出的多刃刀具的跳動可控制在0.001mm,刀具表面粗糙度可達Ra0.4μm。該機床有六個數控軸、兩個手動軸,特別適合帶柄階梯鉆、銑刀、鋸片等多刃刀具的加工,一次輸入程序即可切割出階梯刀具、曲線刀具的刃、背、內折線等幾何形狀,自動化程度及加工精度均很高。不足之處是切割表面粗糙度稍遜于磨削表面,此外機床價格較為昂貴。

3.超精金剛石刀具研磨機該設備可對航空航天、軍工等行業用的超精加工直線刃金剛石刀具進行研磨,刀具表面粗糙度Ra≤0.01μm,刀具刃口半徑r≤0.1μm。該設備采用空氣靜壓主軸,精度0.1~0.2μm,研磨盤端面跳動0.1~0.2μm/?300mm。

五、超硬刀具的典型應用

1.硬態加工,以車代磨

由于PCBN刀具具有極高的硬度及紅硬性,可使被加工的高硬度零件獲得良好的表面粗糙度,所以采用PCBN刀具車削淬硬鋼可實現“以車代磨”。應用實例如汽車、摩托車齒輪孔的加工,此類零件材料一般為20CrMnTi,滲碳淬火,表面硬度為60~62HRC,齒輪孔精度為IT6,表面粗糙度Ra≤0.8μm。傳統加工工藝為:機加工->熱處理->磨削。采用超硬刀具“以車代磨”的加工工藝為:粗加工->熱處理->精加工。新工藝可大幅度提高加工效率,降低加工成本,原采用磨削工藝一班僅能加工100個小齒輪,現采用PCBN刀具車削(切削參數V=60~120m/min,f≤0.12mm/r,ap≤0.1mm,一班能加工400個小齒輪,此外,分攤到每個齒輪的加工成本也有所下降。

2.高速切削,高穩定性加工

在汽車發動機生產線上,灰鑄鐵缸體的缸孔精加工是關鍵工序之一,要求缸孔加工尺寸精度高、表面粗糙度值小、穩定性好;由于生產線加工節拍快,要求切削速度高(通常V≥500m/min),刀具壽命長(加工孔數≥1000),且倒角、止口、粗精鏜等多個工位的刀片壽命均應滿足耐用度要求。采用PCBN刀具即可實現發動機缸孔的高速切削及高穩定性加工,其典型切削參數為:V=500m/min,f=0.2~0.4mm/r,ap=0.2~0.7mm;加工表面粗糙度Ra≤1.6μm,刀具壽命>1,000件。

3.有色金屬的高速、高穩定性、低粗糙度加工及鏡面加工

采用PCD刀具加工有色金屬時,由于金剛石硬度高,表面與金屬親合力小,且刀具一般拋光成鏡面,不易產生積屑瘤,因此加工尺寸穩定性及表面質量都很好,刀具壽命也較長。

例如,采用PCD刀具加工電機整流子的紫銅換向器,典型切削參數為:V=300m/min,f=0.08mm/r,ap≤0.15mm,加工表面粗糙度Ra0.1~0.2μm,刀具壽命>5,000件,而采用硬質合金刀具則只能加工幾件。

采用PCD刀具加工各種硅鋁合金零件,表面粗糙度Ra≤0.1μm,刀具壽命可達幾千~幾萬件,尤其適合汽車、摩托車零件的大規模生產。

采用單晶金剛石刀具,在超精密車床上可實現鏡面球形加工。機床采用超精密氣體靜壓主軸及回轉工作臺,跳動量≤0.3μm,工件采用高精度氣動卡盤,可實現快速高精度定位。加工無氧銅材料時,表面粗糙度Ra≤0.025μm,圓度≤0.3μm;加工鋁件時,表面粗糙度Ra≤0.025μm。

4.干式切削,清潔化加工

采用PCBN刀具加工含硼鑄鐵缸套,切削參數:V=200m/min,f=0.1mm/r,ap=0.2~1mm,加工表面粗糙度Ra≤1.6μm,精度IT6,兩次刃磨間刀具壽命>100件,可實現“以車代磨”。由于采用干式切削,避免了切(磨)削液及砂輪灰對環境的污染,切屑也可回收再利用,符合清潔化生產要求。


 
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