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浅谈超硬刀具材料的应用与前景

浅谈超硬刀具材料的应用与前景

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作者:
2015/02/05 15:53
  一、引言
 
  近年来,由于汽车和飞机制造业的大发展,大量应用轻型材料(A1―Si,A1―Mg合金)、复合材料等。目前这些材料常用硬质合金刀具来铣削,而当切削速度升高以后会导致硬质合金刀具的磨损加剧,为了保证刀具的耐用度,零件的铣削加工往往是在较低切速(粗加工30m/min,精加工100m/min)下进行的,加工效率低(材料去除率3~13cm3/min)。因此,在轻型材料零件的制造过程中切削加工性很差,具体表现为:
 
  (1)加工效率低;
 
  (2)刀具磨损严重;
 
  (3)加工精度和表面质量不稳定。
 
  毋庸置疑,寻求一种高速,高效、低成本的加工方法已成为目前关注的研究热点。
 
  随着超硬材料(聚晶金刚石和聚晶立方氮化硼)刀具进入到机械加工领域,逐渐显现出其优越的加工性能,其超长的使用寿命、极高的加工质量以及所带来的极高的生产效率是其它任何材料的刀具所无法比拟的。过去主要用于精加工,近几年来由于改进了人造超硬刀具材料的生产工艺,控制了原料纯度和晶粒尺寸,采用了复合材料和热压工艺等,应用范围不断扩大,除适于一般的精加工和半精加工外,还可用于粗加工,被国际上公认为是当代提高生产率最有希望的刀具材料之一。
 
  二、超硬刀具材料的性能特点
 
  1981年国际硬物质科学会议认为,硬度大于1000HV的物质均可称为硬物质,能加工诸如硬质合金(硬度1600―1800HV)、刚玉(2000HV)、碳化硅(2200HV)等这一类物质的材料称为超硬材料。通常所说的超硬材料是指与天然金刚石的硬度、性能相近的人造金刚石和CBN(立方氮化硼)2种材料,由于天然金刚石市场价格十分高,所以,目前我国生产超硬刀具时大多采用聚晶立方氮化硼(PCBN)、人造聚晶金刚石(PCD)以及它们之间的复合材料。超硬刀具材料具有以下性能特点:
 
  (1)高的硬度。刀具材料的硬度必须高于工件材料的硬度。PCD的硬度可达8000HV,为硬质合金的8~12倍;CBN晶体结构与金刚石类似,因此具有与金刚石相近的硬度和强度;CBN微粉的显微硬度为8000~9000HV,其烧结体PCBN的硬度一般为3000~5000HV.
 
  (2)高的耐磨性。刀具材料应有好的抵抗磨损的能力,它取决于材料的力学性能,化学成分和组织结构刀具耐磨性是刀具抵抗磨损能力。一般刀具硬度越高,耐磨性越好。刀具金相组织中硬质点(如碳化物、氮化物等)越多,颗粒越小,分布越均匀,则刀具耐磨性越好。刀具材料耐热性是衡量刀具切削性能的主要标志,通常用高温下保持高硬度的性能来衡量,也称热硬性。刀具材料高温硬度越高,则耐热性越好,在高温抗塑性变形能力、抗磨损能力越强。
 
  (3)足够的强度和韧性。刀具材料必须具有足够的强度和韧性以抵抗冲击与振动。如车削45钢,在背吃刀量ap=4mm,进给量f=0.5mm/r的条件下,刀片所承受的切削力达到4000N,可见,刀具材料必须具有较高的强度和较强的韧性。一般刀具材料的韧性用冲击韧度aK表示,反映刀具材料抗脆性和崩刃能力。
 
  (4)高的耐热性。在高温下保持较高的硬度、耐磨性、强度和韧性的能力。
 
  (5)良好的导热性和工艺性。热导率越大,越有利于提高刀具的使用寿命;线膨胀系数小,则可减小热变形;为了便于制造,须有较好的锻造性能、热处理性能、焊接性能、加工性能等,而且要追求高的性能价格比。
 
  (6)具有较低的摩擦系数。低的摩擦系数可以导致切削时切削力小,切削温度降低,加工表面质量提高。
 
  由于超硬刀具材料的超高硬度,要制造出像硬质合金刀片一样具有的断屑槽一直以来是个难题,尖端激光雕刻技术的出现让这一难题得到解决。下图为德国DiaCut金刚石刀具公司采用尖端激光加工技术制造的带断屑槽的PCD/CBN刀片。
 
  三、超硬刀具材料的应用
 
  (一)金刚石刀具
 
  金刚石作为一种超硬刀具材料应用于切削加工已有数百年历史。二十世纪七十年代,人们利用高压合成技术合成了聚晶金刚石(PCD),解决了天然金刚石数量稀少、价格昂贵的问题,使得人造金刚石发展加快,除用高温高压以石墨作原料烧结金刚石外,现在也有不少人开发常温常压用纯甲烷制造金刚石的新工艺。
 
  这种高硬的材料会在金属切削领域的应用主要体现在以下两方面:
 
  (1)难加工有色金属材料的加工:用普通刀具加工难加工有色金属材料时,往往产生刀具易磨损、加工效率低等缺陷,而PCD刀具则可表现出良好的加工性能。如用PCD刀具可有效加工新型发动机活塞材料――过共晶硅铝合金(对该材料加工机理的研究已取得突破)。
 
  (2)难加工非金属材料的加工:PCD刀具非常适合对石材、硬质碳、碳纤维增强塑料(CFRP)、人造板材等难加工非金属材料的加工。如华中理工大学1990年实现了用PCD刀具加工玻璃;目前强化复合地板及其它木基板材(如MDF)的应用日趋广泛,用PCD刀具加工这些材料可有效避免刀具易磨损等缺陷。如现代汽车变速箱因减轻重量和多功能化的要求,越来越多地采用压铸铝合金来制造,其上设置有许多阶梯状的成型孔,这些孔对表面粗糙度、圆度、圆柱度、同心度、无毛刺等质量要求非常严格。为满足高效、高精度加工成型孔的需要,日本公司开发了一种PCD成型阶梯铰刀。选用优质PCD刀片材料,用高精度成形磨削技术来保证切削刃形状,获得优良一致的尺寸精度和表面粗糙度,使所有切削刃在不同加工负荷下具有优良的切削性能。   但众所周知,金刚石在高温下和W、Ta、Ti、Zr、Fe、Ni、Co、Mn、Cr、Pt等会发生反应,与黑色金属(铁碳合金)在加工中会发生化学磨损,金刚石不用于加工黑色金属。
 
  (二)立方氮化硼(CBN)
 
  立方氮化硼是继人造金刚石之后出现的又一种超硬材料。它的特点是:硬度仅次于人造金刚石(可达8000HV~9000HV),耐磨性好、热稳定性高,可耐1300℃~1500℃的高温。此外,具有良好的导热性和较小的摩擦系数。目前CBN单晶的制备一般采用高温高压法。
 
  立方氮化硼刀具能以加工普通钢和铸铁的切削速度切削淬硬钢、冷硬铸铁、高温合金等,从而大大提高生产率。当精车淬硬零件时,其加工精度与表面质量足以代替磨削。据美国有关文章报导,以车代磨使工件光洁度始终保持16um.在正常条件下,光洁度能达到6~8um.目前,以车代磨这种新工艺正在许多工业部门采用,如汽车制造厂用这种方法对传动轴、各类轴传动链、发动机、制动盘和制动转子进行半精加工和精加工;飞机制造厂用这种方法制造副翼齿轮和起落架,从油田到钢厂到处可以看到以车代磨方法的应用。机床、工具、重型卡车、农业机具、医用设备、罐头模具、汽车零件都把以车代磨作为其生产过程的一个组成部份。
 
  (三)聚晶立方氮化硼(PCBN)
 
  目前,市场上聚晶立方氮化硼(PCBN)刀具按成分和制造方法可分为3种:整体聚晶立方氮化硼刀具、聚晶立方氮化硼复合片以及电镀立方氮化硼刀具。它的硬度高,耐磨性好,耐热性强,导热性好,化学惰性大,摩擦因数低,常用于淬硬钢车削和面铣时作刀具材料。
 
  目前PCBN的制备也通常采用高温高压法。
 
  目前50%的PCBN刀具用于汽车制造业,包括用于加工汽车发动机箱体、刹车盘、传动轴、气缸孔、发动机进出气阀座等,另外,约20%用于重型设备(如轧辊)的加工。近年来,随着计算机加工技术的迅猛发展以及数控机床普遍使用,可实现高效率、高稳定性、长寿命加工的PCBN刀具的应用也日益普及,同时还引入了许多先进的切削加工概念,如高速切削、硬态加工、以车代磨、干式切削等。PCBN刀具材料已成为现代切削加工中不可缺少的重要的刀具材料。
 
 
 
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