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              PCBN刀具材料的發展及其在銑削加工中的應用

              關鍵詞 PCBN , 刀具|2018-12-25 09:03:58
              摘要   1引言  切削刀具材料的不斷進步在制造技術的發展中具有非常重要的作用。新材料帶來刀具性能的提高和刀具壽命的增加,使得按照嚴格的尺寸精度和表面粗糙度要求確保大批量生產零件的互換性...

                1 引言
                切削刀具材料的不斷進步在制造技術的發展中具有非常重要的作用。新材料帶來刀具性能的提高和刀具壽命的增加,使得按照嚴格的尺寸精度和表面粗糙度要求確保大批量生產零件的互換性成為可能。
                PCBN(聚晶立方氮化硼)是自然界中硬度僅次于金剛石的礦物質(顯微硬度達HV8000~9000)。對加工黑色金屬而言,PCBN材料制造的刀片是硬度最高的。PCBN系列刀片良好的熱硬性(耐熱性達1400~1500℃)、抗氧化性(在1200~1300℃也不與鐵系材料發生化學反應)和抗斷裂韌性使其在切削加工中表現出極其優秀的特性,目前已廣泛地應用于超硬材料(HRC > 45)的加工中。此外,PCBN在許多需要提高加工效率的應用中也很受歡迎。
                隨著現代制造業尤其是汽車制造業的快速發展,對高速切削、硬態加工、高穩定性加工及干式切削等先進切削加工理念研究的不斷深入,推動了CNC 加工技術的迅猛發展和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生產及應用也日漸普及。汽車行業大量柔性生產線(FMS)為PCBN刀具新牌號材料的應用提供了很好的契機。據統計,約60%的PCBN刀具用于汽車制造業,20%的PCBN刀具用于重型設備(軋輥等)的加工。
                2 SECOMAX系列PCBN刀片的發展
                SECOMAX系列PCBN刀片的各項技術性能見表1。

                從表1可見SECO公司PCBN刀片從釬焊式刀片(僅一個刃口)到整體式刀片(多至8個刃口)的發展過程:CBN100 刀片是CBN10 的改進,它是細顆粒的整體PCBN刀片,PCBN含量較低(50%),其具有的低熱傳導特性可使切削熱集中在切削區域,大大改善淬硬鋼的精加工效果。CBN150 中的PCBN含量也較低(40%),由于其結構是將PCBN材料焊接在硬質合金基體上,因此具有非常出色的抗沖擊韌性,可用于切削狀況比較惡劣甚至斷續切削時對較高硬度工件的加工。CBN300 是一種純CBN 燒結體,PCBN含量較高(達90%),是在CBN30 基礎上采用粗顆粒(22µm)粉末和特殊的燒結工藝得到的抗沖擊牌號,具有很好的耐磨性、導熱性和抗沖擊韌性,可用于斷續切削。與已有的PCBN產品相比,CBN300 是一種新的更成熟的PCBN產品。CBN300刀片可用于珠光體灰口鑄鐵的粗精加工、淬硬鋼粗加工、冷硬鑄鐵的加工、錳鋼的加工甚至硬質合金等材料的加工。由于其良好的抗沖擊性,CBN300 不僅可用于車削加工,同時在銑削工件時也表現卓越,解決了超硬材料不能用于銑削加工的難題,實現了PCBN刀片從車削應用到銑削應用的飛躍。CBN300在銑削加工灰鑄鐵時的刀具壽命可達到普通PCBN刀片的4 倍;與陶瓷刀片比較,采用CBN300 刀片可以提高刀具壽命50 倍,切削速度可達2000m/min。

                端銑時切削力的變化規律
                圖1為端銑時的切削關系示意圖。根據Weilenmann的推導,端銑時切削力的計算公式如下:
                單個銑刀齒的切削力 Fsz=bhks (1)
                式中:b ——切削寬度,b=a/sink(mm)
                ks——單位切削力
                h——切削厚度,h=Sssink(mm);其中k為主偏角,Ss為進給量,圖1 中,Ss≈Szsinf,f為刀尖銑削點的進給方向角根據式(1)可得到單個銑刀刀齒的切削力隨f角的變化曲線(如圖2 所示)。單個銑刀齒的平均切削力為
                
                式中:f1——切削開始處的進給方向角
                f2——切削終止處的進給方向角
                face=symbol>f3——端銑時的接觸角
                CBN300 刀片的特性
                良好的熱硬性:圖3是CM、TP200、CBN300等三種不同的刀具材料在不同溫度下的硬度變化曲線。圖3 所示曲線顯示了CBN300 具有良好的熱硬性。因此,與陶瓷、硬質合金比較,CBN300 具有優良的導熱性和抗沖擊性。
                極高的壽命與生產效率
                分別采用硬質合金刀片和CBN300 銑削真空泵鑄蓋,工件材料為HT200,粗、精加工所用切削參數及刀具壽命見表2。

                由表中數據可見,無論是粗加工還是精加工,采用CBN300 的生產效率都非常高:在ap不變的情況下,Vc比采用硬質合金刀具時高出10 倍以上,Vf為硬質合金刀具的10倍;粗加工時CBN300的刀具壽命比硬質合金刀具高1倍,而精加工時則為硬質合金刀具壽命的6倍。
                適合安裝CBN 刀片的銑刀盤
                山高刀具公司曾首創世界上第一把八面刃銑刀,使銑刀刀片的有效切削刃增長顯著。目前山高公司開發的銑刀種類很多,銑刀的結構設計保證了切削輕快同時刀片壽命長。適合安裝CBN 刀片的銑刀盤主要有如下幾類:
                圓形刀片銑刀盤:R220.70(直徑f63~200mm),最大轉速12800~7200,齒數6~12,適合粗、精加工;刀片型號:RNMN090300E,CBN300
                四方形刀片銑刀盤:R220.74(直徑63~200mm),主偏角75 度,適于粗、精加工;刀片型號:SNEN0903ENE,CBN300。
                八角形刀片銑刀盤:R220.43(直徑63~500mm),主偏角45 度,適用于粗加工;刀片型號:OFEN070405TN - MD16,CBN300。
                銑刀盤R220.30(80~355mm),用于精加工;刀片型號:SEEX1203AFTN - MD13,CBN300。
                4 銑削加工實例
                分別用CBN300(刀片型號SNMN090312S 用于粗加工、刀片型號SNMN0903ENS 用于精加工)和硬質合金刀具(刀片型號SPKT1504AZN)銑削灰鑄鐵缸體平面,加工用切削參數與刀具壽命對比見表3。

                從表3中可知:采用CBN300銑削灰鑄鐵缸體平面時,不僅完全滿足加工要求,而且其生產效率和刀具壽命均比硬質合金刀具高出數倍。
                5 結語
                PCBN刀具具備了高效率、高耐磨性、加工后工件表面粗糙度低、刀具壽命長等優良的特性,在銑削加工中應用PCBN刀具不僅可提高產品的加工質量,而且可大幅度提高加工生產效率,滿足現代工業高效生產的需要,具有很好的推廣價值。


               


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