PCBN刀具材料的發(fā)展及其在銑削加工中的應用

1 引言

切削刀具材料的不斷進步在制造技術的發(fā)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淀歇，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(chǎn)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(zhì)(顯微硬度達HV8000～9000)匈织。對加工黑色金屬而言浪默，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℃)圣掷、抗氧化性(在1200～1300℃也不與鐵系材料發(fā)生化學反應)和抗斷裂韌性使其在切削加工中表現(xiàn)出極其優(yōu)秀的特性薛淆，目前已廣泛地應用于超硬材料(HRC > 45)的加工中。此外匿贴，PCBN在許多需要提高加工效率的應用中也很受歡迎凑篇。

隨著現(xiàn)代制造業(yè)尤其是汽車制造業(yè)的快速發(fā)展，對高速切削耗述、硬態(tài)加工托蜡、高穩(wěn)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(fā)展和數(shù)控機床的普遍使用妒彭，可實現(xiàn)高效率谢燎、高穩(wěn)定性匙典、長壽命加工的超硬刀具的生產(chǎn)及應用也日漸普及。汽車行業(yè)大量柔性生產(chǎn)線(FMS)為PCBN刀具新牌號材料的應用提供了很好的契機钧椿。據(jù)統(tǒng)計宜箩，約60%的PCBN刀具用于汽車制造業(yè)，20%的PCBN刀具用于重型設備(軋輥等)的加工盹屠。

2 SECOMAX系列PCBN刀片的發(fā)展

SECOMAX系列PCBN刀片的各項技術性能見表1题禀。

表1 SECOMAX系列PCBN刀片的技術性能
刀片種類	CBN含量 (%)	晶粒尺寸 (μm)	粘結(jié)劑	結(jié)構型式
CBN10	50	2	TiC	硬質(zhì)合金基體
CBN20	80	6	Ti&Al	硬質(zhì)合金基體
CBN30	90	8	Al	整體
CBN100	50	2	TiC	整體
CBN150	45	0.5	TiN	硬質(zhì)合金基體
CBN300	90	22	Al	整體

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(fā)展過程：CBN100 刀片是CBN10 的改進，它是細顆粒的整體PCBN刀片琢岩，PCBN含量較低(50%)投剥，其具有的低熱傳導特性可使切削熱集中在切削區(qū)域，大大改善淬硬鋼的精加工效果担孔。CBN150 中的PCBN含量也較低(40%)江锨，由于其結(jié)構是將PCBN材料焊接在硬質(zhì)合金基體上，因此具有非常出色的抗沖擊韌性糕篇，可用于切削狀況比較惡劣甚至斷續(xù)切削時對較高硬度工件的加工啄育。CBN300 是一種純CBN 燒結(jié)體，PCBN含量較高(達90%)拌消，是在CBN30 基礎上采用粗顆粒(22μm)粉末和特殊的燒結(jié)工藝得到的抗沖擊牌號挑豌，具有很好的耐磨性、導熱性和抗沖擊韌性墩崩，可用于斷續(xù)切削氓英。與已有的PCBN產(chǎn)品相比，CBN300 是一種新的更成熟的PCBN產(chǎn)品鹦筹。CBN300刀片可用于珠光體灰口鑄鐵的粗精加工铝阐、淬硬鋼粗加工、冷硬鑄鐵的加工泌醋、錳鋼的加工甚至硬質(zhì)合金等材料的加工昂游。由于其良好的抗沖擊性，CBN300 不僅可用于車削加工赌拒，同時在銑削工件時也表現(xiàn)卓越跳窖，解決了超硬材料不能用于銑削加工的難題，實現(xiàn)了PCBN刀片從車削應用到銑削應用的飛躍贵郎。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 倍职靴；與陶瓷刀片比較，采用CBN300 刀片可以提高刀具壽命50 倍因饥，切削速度可達2000m/min抹欢。

圖1 端銑時的切削關系示意圖

圖2 端銑時單個銑刀刀齒切削力的變化

圖3 不同溫度下刀具材料硬度的比較

3 CBN300 刀片的特性

近年來，PCBN刀具在珠光體灰口鑄鐵發(fā)動機缸體的平面銑削加工中表現(xiàn)了不凡的特性请立。在上海通用汽車公司(SGM)新建成的發(fā)動機柔性生產(chǎn)線上脉织，已成功地將CBN300 運用于銑削發(fā)動機缸體平面，銑削線速度V_c高達1500m/min捐憔，不僅大大提高了發(fā)動機缸體的加工效率篙耗，而且節(jié)省了大量的設備投資，提升了發(fā)動機生產(chǎn)線的柔性度宪赶。

端銑時切削力的變化規(guī)律
圖1為端銑時的切削關系示意圖宗弯。根據(jù)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

F_sz=bhk_s (1)
式中：b ——切削寬度搂妻，b=a/sink(mm)
k_s——單位切削力
h——切削厚度蒙保，h=S_ssink(mm)；其中k為主偏角欲主，S_s為進給量邓厕，圖1 中，S_s≈S_zsinf扁瓢，f為刀尖銑削點的進給方向角根據(jù)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)详恼。單個銑刀齒的平均切削力為

(2)
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引几、CBN300等三種不同的刀具材料在不同溫度下的硬度變化曲線昧互。圖3 所示曲線顯示了CBN300 具有良好的熱硬性。因此伟桅，與陶瓷机凭、硬質(zhì)合金比較，CBN300 具有優(yōu)良的導熱性和抗沖擊性窖升。

極高的壽命與生產(chǎn)效率

分別采用硬質(zhì)合金刀片和CBN300 銑削真空泵鑄蓋级衅，工件材料為HT200，粗几垃、精加工所用切削參數(shù)及刀具壽命見表2鼓笨。

表2
刀具材料	硬質(zhì)合金刀片	CBN300
粗加工	V_c=150m/min a_p=2～3mm V_f=300mm/min 刀具壽命：70 件	V_c=2000m/min a_p=2～3mm V_f=3000m/min 刀具壽命：150 件
精加工	V_c=180m/min a_p=0.2mm V_f=500mm/min 刀具壽命：100 件	V_c=2000m/min a_p=0.2mm V_f=5000mm/min 刀具壽命：600 件

由表中數(shù)據(jù)可見，無論是粗加工還是精加工劈狼，采用CBN300 的生產(chǎn)效率都非常高：在a_p不變的情況下锰胀，V_c比采用硬質(zhì)合金刀具時高出10 倍以上，V_f為硬質(zhì)合金刀具的10倍艺崔；粗加工時CBN300的刀具壽命比硬質(zhì)合金刀具高1倍涣疑，而精加工時則為硬質(zhì)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(chuàng)世界上第一把八面刃銑刀藕壹，使銑刀刀片的有效切削刃增長顯著诞嗦。目前山高公司開發(fā)的銑刀種類很多，銑刀的結(jié)構設計保證了切削輕快同時刀片壽命長椿访。適合安裝CBN 刀片的銑刀盤主要有如下幾類：
1. 圓形刀片銑刀盤：R220.70(直徑f63～200mm)乌企，最大轉(zhuǎn)速12800～7200虑润，齒數(shù)6～12，適合粗加酵、精加工拳喻；刀片型號：RNMN090300E，CBN300
2. 四方形刀片銑刀盤：R220.74(直徑63～200mm)猪腕，主偏角75 度冗澈，適于粗、精加工陋葡；刀片型號：SNEN0903ENE亚亲，CBN300。
3. 八角形刀片銑刀盤：R220.43(直徑63～500mm)腐缤，主偏角45 度捌归，適用于粗加工；刀片型號：OFEN070405TN - MD16柴梆，CBN300陨溅。
4. 銑刀盤R220.30(80～355mm)，用于精加工沸根；刀片型號：SEEX1203AFTN - MD13健十，CBN300。

4 銑削加工實例

分別用CBN300(刀片型號SNMN090312S 用于粗加工瘟百、刀片型號SNMN0903ENS 用于精加工)和硬質(zhì)合金刀具(刀片型號SPKT1504AZN)銑削灰鑄鐵缸體平面织娶，加工用切削參數(shù)與刀具壽命對比見表3。

表3
刀具材料	硬質(zhì)合金	CBN300
粗加工	刀盤直徑D=160mm掺变，齒數(shù)Z=20 刀片型號SPKT1504AZN Ae=120mm掐赠，a_p=5mm， V_f=300mm/min帆骗， V_c=160m/min 刀具壽命：60 件	刀盤直徑D=160mm糯湃，齒數(shù)Z=5 刀片型號SNMN090312S a_e=120mm，a_p=5mm的席， V_f=5000mm/min捧擂， V_c=1600m/min 刀具壽命：170 件
精加工	刀盤直徑D=160mm，齒數(shù)Z=20 刀片型號SPKT1504AZN a_e=120mm赁至，a_p=0.2mm艾遗， V_f=500mm/min， V_c=180m/min 刀具壽命：100 件	刀盤直徑D=125mm瓣俯，齒數(shù)Z=6 刀片型號SNMN0903ENS Ae=100mm杰标，a_p=0.2mm， V_f=5000mm/min， V_c=1600m/min 刀具壽命：600 件

從表3中可知：采用CBN300銑削灰鑄鐵缸體平面時腔剂，不僅完全滿足加工要求媒区，而且其生產(chǎn)效率和刀具壽命均比硬質(zhì)合金刀具高出數(shù)倍。

5 結(jié)語

PCBN刀具具備了高效率桶蝎、高耐磨性驻仅、加工后工件表面粗糙度低谅畅、刀具壽命長等優(yōu)良的特性登渣，在銑削加工中應用PCBN刀具不僅可提高產(chǎn)品的加工質(zhì)量，而且可大幅度提高加工生產(chǎn)效率毡泻，滿足現(xiàn)代工業(yè)高效生產(chǎn)的需要胜茧，具有很好的推廣價值。

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