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CBN刀具的性能及其用途
文: 來源: 時間:2008-11-18 點擊:5813
  當前,切削加工的工作量約占整個機械制造業的 40 %左右 ,刀具在金屬切削過程中起主導作用 ,刀具材料的性能和質量直接影響切削加工精度 ,我國刀具材料結構中高速鋼占有絕對優勢約 60 % ,硬質合金不到 40 % , TIN涂層刀具、陶瓷刀具、金剛石以及立方氮化硼(CBN)等先進刀具材料應用很少。近年來 ,數控機床及自動線的廣泛采用 ,要求刀具具有更大的尺寸、更高的耐用度和穩定性 ,而且機械零件也正朝著高強度、高硬度、高精度、耐腐蝕的方向發展 ,要求金屬切削刀具能夠加工高硬淬火鋼 (HRC60以上 )、陶瓷及其它難加工材料 ,CBN刀具就在這種情況下產生 ,它的出現使刀具耐用度成倍、十幾倍甚至幾十倍地提高 ,使以前生產率極低的切削加工或不能切削的材料可以進行高效率切削加工 ,切削加工表面質量達到以前用磨削加工才能達到的水平。實踐證明早先的刀具材料碳素工具鋼的耐熱度僅為 2 0 0°C,切削速度為 1 0 m/ min,硬質合金可耐熱 80 0 1 0 0 0°C,其相應的切削速度可達 1 0 0 m/ min。陶瓷刀具的耐熱溫度在 1 2 0 0°C以上 ,因此其切削速度可達 1 0 0 0 m/ min以上 ,立方氮化硼 (CBN )刀具耐熱度在 1 4 0 01 50 0°C,其切削速度可達 1 0 0 0 0 m/ min以上 ,故人們稱立方氮化硼為 2 1世紀的材料。1  CBN的性能立方氮化硼 (CBN)是繼人工合成金剛石后出現的利用超高溫、高壓技術獲得的第二種無機超硬材料 ,它是由軟的立方氮化硼在高溫高壓下加入催化劑合成的立方氮化硼單晶體和聚晶體。1 .1 高硬度和高耐磨性CBN的顯微硬度 HV80 0 0 90 0 0 ,僅次于人造金剛石 HV1 0 0 0 0 ,比氮化硅陶瓷 HV50 0 0高出近一倍 ,在加工淬火鋼及灰鑄鐵時 ,CBN刀具的耐磨性比硬質合金、陶瓷、金剛石刀具都高 (見圖 1、圖 2 ) ,因此 ,能保證高的加工精度和高的刀具耐用度。1- YT30硬質合金 ;  2 - Al2 O3 陶瓷 ;3-金剛石 ACB;  4 -立方氮化硼圖 1 加工 W18Cr4 V(HRC6 4)1 .2 高熱穩定性CBN耐熱性可達 1 4 0 0 1 50 0°C,比金剛石的耐熱性 (70 0 80 0°C)高得多 ,并具有抵抗周期性高溫作用的能力 ,由于這一特性可用它來高速加工高溫合金 ,其切削速度可為硬質合金刀具的 4 6倍。1- YT30硬質合金 ;  2 - Al2 O3 陶瓷 ;3-金剛石 ACB;  4 -立方氮化硼圖 2 加工灰鑄鐵 (HB70 )1 .3 高化學惰性CBN本身結構穩定 ,化學惰性大 ,與別種材料的親和力小 ,不易發生化學反應 ,它與金剛石不一樣 ,與鐵系材料直至 1 2 0 0 1 3 0 0°C時也不易起化學作用。因此在高溫高壓和高速運動的切削條件下 ,CBN刀具幾乎不發生因粘結和化學擴散而引起的磨損 ,試驗證明 ,CBN在空氣中加熱到 1 0 0 0°C ,其晶體氧化后在表面產生一層氧化硼薄膜 ,它可防止進一步氧化。不過 ,CBN在高溫下與水起化學反應 ,由于水解作用造成大量 CBN被磨耗 ,因此 ,切不可用水或水溶性合成潤滑劑作潤滑冷卻液 ,在高溫下切削最好是干切。1 .4 良好的導熱性CBN的導熱性大大高于硬質合金 ,但比金剛石低 ,隨著溫度的升高 ,CBN的導熱系數逐漸增大 ,這可導致入刀尖處切削溫度的降低 ,提高刀具的耐用度。1 .5 較低的磨擦系數CBN刀具與淬火鋼的磨擦系數約為 0 .20 .3 ,這樣可減小切削力和降低切削溫度。2  CBN適用范圍CBN適用于數控機床、自動線、專用高速機床 ,主要對淬火鋼、難加工材料進行高速車削、磨削等 ,CBN刀具使用后 ,改變了常規的多工序工藝 (粗加工 -熱處理 -精或半精加工 -磨加工 )為單工序工藝 (熱處理 -粗車 -半精車 -精車 ) ,CBN刀具主要用于粗車和精車。2 .1 加工淬火鋼(1 )淬火鋼軋輥 (HRC64-70 )的加工 ,一般都采用磨削的方法 ,現在則利用 CBN刀具進行加工 ,用圓形 CBN刀片 (r=-5°,α=5°)車削GCr1 5鉻鋼軋輥 HRC71 ,切削用量選用切削速度 v 84m/ minap 8.9mmf 1 .6mm/ r,用乳化液冷卻車削加工時只有磨削工時的四分之一 ,軋輥圓度及熱處理時表面產生的氧化皮對刀具并無不良影響 ,而且能穩定地加工出較高的表面粗糙度 Ra 0 .8 3 .2μm,故可縮短精磨工時 ,而且刀刃長期保持鋒利 ,切削功率小。(2 )以車代磨加工淬硬高速鋼。用 CBN刀具以車代磨加工淬硬高速鋼 W1 8Cr4V(HRC62 -65)切削用量為 ap 0 .2 mmf0 .0 8mm/ r、切削速度 v 3 4 84m/ min范圍內發現 v 54m/ min刀具磨損最小 ,連續切削2 0 min,刀具磨損量 Vb僅為 0 .1 5mm,被加工表面粗糙度可穩定在 Ra0 .4 1 .2 μm(3 )鏜孔。 CBN車刀在淬火的高速鋼插齒刀上精鏜孔時 ,精度可達一致 ,表面粗糙度Ra0 .8μm,在一次裝夾中同時加工插齒刀的內孔和端面 ,則不僅能獲得很高的生產率 ,而且可得到高的相互位置精度。(4)加工平面。用直徑為 50 0 mm端銑刀盤 ,其上采用機械夾固式固定 CBN復合刀片 3 5 ,加工 2 m2的大平面 ,以銑代磨 ,工效提高幾十倍 ,切削用量采用 ap 0 .1 5 0 .3 mmf 58 1 0 0 mm/rv 50 0 80 0 m/min,被加工表面粗糙度達到 Ra0 .8 1 .6μm,平面度小于0 .0 2 mm,達到二級板的水平。2 .2 加工鑄鐵用鋒刃 CBN銑刀銑削灰鑄鐵 HT2 0 0零件平面時 ,表面粗糙度 Ra0 .8 1 .6μm,而且由于刀具尺寸耐用度很高 , 2 .5 3 m長度上直線度偏差不超過 1 0 1 8μm,加工時切削速度應大于 40 0 m/minCBN可用于加工特殊鑄鐵 , :在硬度為HB1 87-2 55 ,不均勻的特殊高合金鑄件上鏜孔 ( 1 9H7) ,原硬質合金 YG8鏜刀 , v61 m/minap 0 .3 mmf 0 .0 4mm/r,后刀面磨損為 0 .1 mm ,可切削的總長度為1 0 0 0 m,改用立方氮化硼刀具 ,v 2 1 0 m/minap 0 .3 mmf 0 .0 4mm/r,后刀面磨損為 0 .1mm ,切削的總長度為 450 0 m,刀具耐用度顯著提高。(4) CBN車刀加工鑄鐵的切削速度一般為 40 0 60 0 m/min2 .3 加工高溫合金由于 CBN具有高的熱穩定性 ,故適于高速切削高溫合金 ,例如象鎳基金因鎳 71 8成分 :C0 .0 4% ,Cr 1 8.6% ,Mo 3 .1 % ,Nb 5% ,Ti0 .9% ,Al 0 .4% ,Fe 1 8.5% ,Mn 0 .2 % ,Si0 .3 % ,其余為 Ni,這樣的超級耐熱合金 ,粗加工時 ,在切削深度相同的條件下 ,采用的走刀量可為硬質合金的 8% ,金屬切除率可比硬質合金提高 5 ,加工表面粗糙度 Ra3 .2 0 .8μm,且硬質合金只能達到 Ra3 .2 μm。高速切削高溫合金實際是一種高溫切削加工 ,當切削溫度達到 1 0 0 0°C ,工件材料的強度會下降 , CBN仍能保持常溫下的硬度和強度 ,因此有利于切削加工 ,在粗車高溫合金時 ,常用的切削量 v 1 50 1 85m/minf0 .1 3 0 .1 5mm/rap最大可達到 3 mm2 .4 加工高鋁陶瓷高鋁陶瓷的主要化學成分 :Al2 O395.71 % ,Ca O2 .3 1 % ,Mg O0 .1 8% ,Si O2 1 .76% ,Fe2 O30 .0 4% ,由于高鋁陶瓷的化學成分決定了其切削性差 ,因為 Si O2 硬質點的硬度很高 ,對刀具有強烈的擦傷作用 ,加速刀具磨損 ,降低刀具的耐用度 ,高鋁陶瓷的熱膨脹系數低 ,在溫度發生劇烈變化時 ,陶瓷在熱應力下發生裂碎 ,而且高溫特性好 , 1 80 0°C高溫下仍能保持其強度和耐磨性 ,從而加劇刀具的磨損 ,顯然硬質合金刀具不適合加工高鋁陶瓷 ,而根據 CBN刀具的特性選用了 CBN刀具。CBN刀具切削高強度陶瓷的特點是吃刀拉力大 ,主切削力小 ,這是由于高鋁陶瓷硬度高 ,造成刀具切削切入困難 ,因此 CBN刀具車陶瓷的幾何角度和切削參數 :r0 -6°,α 8°,λs -8°,rε 0 .4,v 40 m/min,f 0 .1 mm/r,ap 0 .3 mm3  CBN的發展CBN刀具在今后的金屬切削中必將占有主導地位 ,并可部分代替人造金剛石 ,其發展方向為 :(1 ) CBN刀具切削已熱處理的毛坯原料以一次性切削代替常規的加工 -熱處理 -精加工 -磨削等多工序加工 ,這樣可減輕毛坯重量 ,節省加工時間 ,達到較好的經濟效果。(2 ) CBN磨具對鑄、鍛件毛坯進行一次性成形強力磨削來達到技術條件要求CBN刀具的性能及其用途.

 
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