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超硬刀具材料的发展与应用

浏览数:35 发布于:2021-10-05

随着社会各种研究新型加工工件进行材料和涂层的应用和发展,传统的刀具选择材料,如高速钢、硬质合金、陶瓷等。往往不能满足难加工材料的加工要求。超硬刀具材料,天然和人造单晶金刚石(pcd)、立方氮化硼(cbn)和聚晶立方氮化硼(pcbn)等具有高硬度、耐磨性和热化学稳定性的材料,为切削高硬度材料提供了最基本的前提条件,在生产中,本文研究主要通过介绍超硬刀具进行材料(PCD和PCBN)的发展、性能以及特点和应用。
  1.超硬工具材料的发展及研究现状


  一千多年来,人们一直使用天然钻石制造刀具。人们已经掌握了人造单晶金刚石和金刚石粉末的技术,并将其制成聚晶金刚石(PCD)。发明了化学气相沉积(CVD)技术,使金刚石涂层和隔膜成为切削工具材料。目前,世界著名的人造金刚石复合片制造商主要有英国的德比尔斯公司、美国的通用电气公司、日本的住友电气公司等。PCD刀具的应用范围从车削扩大到钻铣。日本联合公司和朝日金刚石公司开发了一种金刚石涂层硬质合金立铣刀,其耐磨性是该公司原始产品的20倍。金刚石进行复合片的合成信息技术也得到了一个很大的发展。德比尔斯公司推出了直径74毫米、层厚0.3毫米的聚晶金刚石复合片,随着刀具技术的发展,国内PCD刀具市场正在扩大。目前,中国一汽集团已有100多台PCD车刀在试运行,不少人造地板企业也使用PCD车刀加工木制品。PCD刀具的应用进行进一步推动了其设计和制造企业技术的研究。PCD工具的加工范围已从传统的金属切割扩展到石材加工、木材加工、金属复合材料、玻璃、工程陶瓷等材料。PCBN是一种用于加工硬质铁合金的材料,它是在20世纪70年代末随着PCD而发展起来的。它具有一个良好的耐化学腐蚀性,在高达1200的温度通过下表体现现出学生良好的热稳定性。所以刀头处相对较高的温度不会对其产生任何不利影响,在切削硬质铁合金时还能起到加速切削的作用;与研磨相比,PCBN在技术和经济上都更有效。在大多数这种情况下,PCBN表现出比传统教学工具进行材料如碳化钨和陶瓷企业更好的性能。
  2.超硬工具材料的性能特点
  1)更高的硬度和耐磨性
  金刚石刀具发展具有一定硬度高、抗压能力强度高、导热性好、耐磨性好的特点,在高速切削中可以通过实现企业较高的加工技术精度和效率。由于聚晶金刚石(PCD)的结构是不同取向的细晶金刚石烧结体,尽管加入了粘结剂,但其硬度和耐磨性仍低于单晶金刚石。表1给出了各种工具的硬度值。PCD的硬度最高可达8000HV,是硬质材料合金的8~12倍;CBN晶体内部结构与金刚石具有相似,所以对于硬度和强度与金刚石进行相似;立方氮化硼微粉的显微组织硬度为8000~9000HV,烧结PCBN的硬度以及一般为3000~5000HV。根据材料的耐磨性和强度,给出了各种刀具材料的分选结果,如图1所示。可以明显看出,金刚石,尤其是纯单晶结构形式的金刚石,耐磨性以及最高。但由于其解理面的原因,冲击时易脆易破坏,强度在所有材料中最低。PcBN具有比陶瓷等传统工具材料更好的性能,其耐磨性仅次于金刚石材料,其强度接近陶瓷,但耐磨性比PCD差。PCBN切削耐磨复合材料的耐磨性是硬质合金进行刀具的50倍,涂层使用硬质合金以及刀具的30倍,陶瓷作为刀具的25倍。
  2)更好的导热性
在各种工具材料,钻石的热导率是最高的,金刚石的导热系数是700 w /可,是1.5 ~ 9倍的硬质合金,甚至高于PCBN和铜,所以PCD工具传热快,CBN的导热性仅次于钻石,3.2倍比硬质合金铜和高20倍。CBN与陶瓷的导热系数为37.1,热扩散系数为65.5。随着温度的升高,PCBN的热导率增加,而氧化铝的热导率降低。Pcbn 刀具热导率高,可降低刀尖温度,减少刀具磨损,提高加工精度
  3)良好的化学稳定性
  由于碳对铁有亲和力,特别是在高温下,金刚石研究可以与铁发生发展化学物质反应,所以对于金刚石通常不适合进行加工铁及其影响合金工件,这在一个很大程度上也是制约了金刚石的应用。CBN化学惰性极强,1200~1300不与铁基材料反应,2000只与碳反应。在中性和还原性气体中,对酸和碱稳定,对各种材料的附着力和扩散性比硬质合金小得多,因此PCBN工具特别适合加工钢铁材料。
  4)低摩擦影响系数PCD和CBN与不同学习材料的摩擦相关系数进行一般企业只有0.1~0.3(硬质合金的摩擦系数为0.4~1),随着研究切削加工速度的增加而减小。因此,该超硬刀具可以显著降低切削力,减小切削变形,提高加工表面质量。
  5)热稳定性好的PCD热膨胀影响系数为0.910.6~1.1810.6,仅为一个硬质材料合金的1/5,因此PCD刀具热变形小,加工方法精度高;800时的PCBN硬度明显高于中国陶瓷和硬质金属合金的室温进行硬度,可高速切削高温合金和淬硬钢,比硬质合金刀具高3~5倍。
  3.超硬工具材料的应用
超硬工具材料可用于汽车工业、航空航天和机械制造,用于高速高效的切割。根据我国近年来PCD工具的应用进行分析,PCD工具研究主要可以应用在以下两个重要方面:1)难加工有色金属材料的加工。普通刀具往往存在刀具磨损、效率低等缺陷,但 pcd 刀具具有良好的加工性能,能够实现铸锻坯的高速、高效加工,并能一次完成粗精磨削,特别适用于成形、仿形、定径的精密磨削,可以几倍甚至几十倍地提高磨削质量和效率
  2)难加工以及非金属复合材料的加工。PCD刀具非常适合加工耐火非金属材料,如石头、硬碳、碳纤维增强塑料(CFRP)和人造板材。硬质合金硬度高,耐磨性强。用超硬材料代替传统的碳化硅和刚玉磨料加工硬质合金工件,可以防止表面烧伤、微裂纹、缺口或深度变质层,提高加工效率,节约磨削成本。通过进行分析,CBN和PCBN工具的应用表现在存在以下几个问题方面:
  1)硬加工,以车削代替磨削。PCBN工具发展具有价值极高的硬度和红色硬度,并能通过获得一个良好的表面粗糙度。用PCBN刀具车削淬火钢可以实现车削而不是磨削。比如中国汽车、摩托车以及齿轮孔的加工,材料是20CrMnTi,渗碳温度淬火,硬度60~62HRC,精度IT6,表面进行粗糙度0.8m传统文化工艺是:机加工-热处理-磨。超硬工具以车代磨的过程是:粗加工-热处理-收尾。研磨技术每班只能加工100个小齿轮,而新技术每班可以使用 pcbn 工具加工400个小齿轮
  2)高速进行切削,高稳定性以及加工。在汽车发动机生产线上,灰铸铁缸体的缸孔加工是关键工序之一,要求尺寸精度高、表面粗糙度小、稳定性好。因为生产线加工速度快,所以要求切削速度高,刀具寿命长。利用PCBN刀具我们可以通过实现汽车发动机气缸孔的高速切削和高稳定性以及加工。典型切削参数为:拱顶500mpmin,进给量0.2~0.4 mm,切削深度Ap=0.2~0.7 mm,已加工表面粗糙度Ra1000片。
  3)干式切削和清洁生产加工。PCBN 工具用于机床含铸铁缸衬里,通过切割参数 v±200m/min 即可实现转弯而不是研磨:由于企业采用干式切削,避免了切削(磨削)液和砂轮灰对环境的污染,切屑可以进行回收有效利用,符合中国清洁发展生产的要求。
  4.结论
目前,超硬刀具以其良好的加工质量在制造业中得到了有效的应用。随着刀具理论分析研究的深入发展及其相关应用信息技术的进一步普及,PCD和PCBN刀具将在超硬刀具领域发挥学生越来越具有重要的作用,应用能力范围将进一步扩大。可以预见,超硬工具的应用将迅速扩大。


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