整體PCBN刀片特性及其銑削應用

發布日期：2012-08-29    蘭生客服中心    瀏覽：2352

切削刀具材料的不斷進步在機械加工技術的發展中扮演重要角色。使用新刀具材料帶來的性能提高及刀具壽命的增加使得按嚴格的尺寸精度和表面粗糙度要求來確保大量生產零件的互換性成為可能。

PCBN(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8000～9000HV)。用PCBN材料制造的刀片是加工黑色金屬硬度最高的刀片。它的良好的熱硬性(耐熱達1400～1500℃)、抗氧化性(在1200～1300℃也不與鐵系材料發生化學反應)和抗斷裂韌性賦予PCBN系列刀片在實際切削中表現出極其優秀的特性。目前60%PCBN刀具用于汽車制造業，包括用于汽車發動機箱體、剎車盤、傳動軸、氣缸孔、發動機進出氣閥座等。另外，20%的 PCBN刀具用于重型設備(如軋輥等)的加工。PCBN刀具在許多需要提高加工效率的加工中也很受歡迎。隨著現代制造業的快速發展，尤其是汽車制造業中柔性生產線(FMS)的大量應用為PCBN新牌號材料的應用提供很好的契機。

1 SECOMAX 系列CBN 刀片技術性能指標























































表1 SECOMAX 系列CBN 刀片的技術性能指標
刀片種類 CBN含量

(%)

 晶粒尺寸 粘結劑 型式
CBN10 50 2 TiC 硬質合金基體
CBN20 80 6 Ti&Al 硬質合金基體
CBN30 90 8 Al 整體
CBN100 50 2 TiC 整體
CBN150 45 0.5 TiN 硬質合金基體
CBN300 90 22 Al 整體

從表1可以看出PCBN的發展歷程:從原先只有一個刃口的釬焊式刀片發展到整體式刀片(多至8個刃口)。SECO公司的CBN100整體刀片是CBN10的改進型，CBN100是細顆粒的整體PCBN刀片，PCBN含量(50%)較少，其低熱傳導性的特性可使切削熱集中在切削區域，可大大改善淬硬鋼精加工時的效果。CBN100可用于淬硬鋼，硬化處理過的合金及燒結鋼等一些高硬度材料的精加工，CBN150中的PCBN含量(45%)也較低，是將PCBN材料焊接在硬質合金基體上的一種刀片，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的較高硬度工件的加工。
CBN300 是在CBN30基礎上用特殊工藝改變顆粒度尺寸大小得到的抗沖擊牌號，可用于斷續切削。CBN300是一種純CBN燒結體，含PCBN量(90%)較高。具有很好的耐磨性、優良的導熱性和抗沖擊性，同已有的PCBN產品相比，是一種新的更成熟的PCBN產品�？捎糜谥楣怏w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不僅可用于車削硬材料(HRC>45)，同時在銑削工件上也表現卓越，完成了PCBN刀片從車削應用到銑削應用的飛躍。

2 CBN300在銑削加工中的應用
















    圖1 端銑時的切削關系

    圖2 單個銑刀刀齒的切削力變化過程

    圖3 不同溫度下刀具材料硬度比較

  1. 銑削加工切削力的變化規律 根據Weilenmann推導端銑時切削力的途徑可得出計算公式，單個銑刀齒的切削力為:
    FSZ=bhks，kgf
    b=ap/sinK，mm
    h=SssinK，mm式中：b——切削寬度
    ap——切削深度
    h——切削厚度
    K——主偏角
    SS——進給量
    ks——單位切削力
    如圖1所示
    sS≈sZsinf
    式中f——刀尖銑削點的進給方向角。
    根據以上公式可以得出單個銑刀齒的切削力隨f角的變化曲線，如圖2所示。單個銑刀齒的平均切削力為


















    FSMZ= 1 ∫ f1 FSZdf， kgf
     
    f^s f2

    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
    fS——端銑時的接觸角

  2. 不同溫度下刀具材料的硬度比較 CBN300同陶瓷、硬質合金比較具有優良的導熱性和抗沖擊性。圖3是CM、TP200、CBN300三種刀具材料在不同溫度下硬度的比較，顯示了CBN300良好的熱硬性。
















    表2 CBN300與硬質合金切削參數對比
    粗加工 精加工
    硬質合金:

    vc=150m/min

    ap=2～3mm vf=300mm/min

    刀具壽命=70件

    		 硬質合金:

    vc=180m/min

    ap=0.2mm vf=500mm/min

    刀具壽命=100件
    CBN300:

    vc=2000m/min

    ap=2～3mm

    vf=3000mm/min

    刀具壽命=150件

    		 CBN300:

    vc=2000m/min

    ap=0.2mm

    vf=5000mm/min

    刀具壽命=600件


  3. 硬質合金與CBN300切削參數對比 加工工件：真空泵鑄蓋：材料:HT200。刀具材料分別選用硬質合金和CBN300，其切削參數和刀具使用壽命如表2所示。


3 CBN300銑削加工實例


CBN300 在銑削加工灰鑄鐵時效果最好，刀具壽命為一般PCBN刀片的4倍。而對于正在使用陶瓷刀片的工廠來說，CBN300可以提高50倍刀具壽命，切削線速度可達2000m/min。近年來，PCBN在珠光體灰口鑄鐵發動機的平面銑削加工上表現了不凡的特性，我們已成功地將CBN300運用于上海通用汽車公司 (SGM)新建成的發動機柔性生產線上銑削發動機缸體平面，銑削線速度vc達1600m/min，甚至高達2000m/min這不僅大大提高了發動機的加工效率，縮短了加工時間，從而也提升了發動機生產線的適應能力。表3為CBN300與硬質合金銑削灰鑄鐵發動機缸體平面切削參數的對比。展現了PCBN銑刀提高加工效率的優秀品質。












表3 CBN300與硬質合金銑削灰鑄鐵平面切削參數對比
CBN300 D=160，Z=5，SNMN090312S

ae=120mm，ap=5mm，fz=0.15mm，vc=1600m/min
硬質合金 D=160，Z=20，SPKT1504AZN

ae=120mm，ap=5mm：fz=0.21mm，vc=160m/min

4 結束語


21 世紀是高科技時代，產品必須具有高性能、高質量才有市場，企業才有生命力。為此，應盡快提高制造技術水平。對金屬加工業而言，推廣使用PCBN刀具來提高制造技術是一種有力的措施，而推廣應用新技術、新產品不僅需要有關主管部門的有力資助和支持，有組織、有計劃地逐步推廣PCBN刀具的技術配套與使用，同時也要求用戶勇于接受新材料、新技術，改變過去陳舊的生產觀念與管理方法。目前刀具平均消耗費用指標很低，只占產品成本的1/100左右。如果不以提高生產效率和保證產品質量為準，便會限制優質高效的刀具應用與先進設備生產能力的發揮。實踐證明，PCBN刀具的成效不僅可提高產品的加工質量，而且也可提高經濟效益。

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