刀具材料--PCBN和PCD進(jìn)展

    PCBN(聚晶立方氮化硼)和PCD(聚晶金剛石)切削刀具的最近進(jìn)展給不同的行業(yè)制造商提供強(qiáng)有力的提高生產(chǎn)率的新動(dòng)力。如汽車工業(yè)運(yùn)用新的大顆粒整體PCBN刀片使得高效切削難加工合金鑄鐵成為可能，原先它們只能由磨削完成。 

    “在最新的整體PCBN材質(zhì)等級(jí)增加顆粒度已經(jīng)顯著改善性能，”底特律山高Carboloy先進(jìn)材料產(chǎn)品經(jīng)理David Huddle說，“較大的PCBN顆粒大小改進(jìn)耐磨性和抗沖擊性，這對(duì)于大量加工象鐵素體含量低于10%的鑄鐵材料很關(guān)鍵�！盚uddle解釋道，粗加工這些零件時(shí)良好的抗沖擊韌性對(duì)承受裂紋、砂眼和其它鑄造過程留下的缺陷來說很重要。精加工時(shí)需要非常好的耐磨性，因?yàn)榱慵�含鉻量達(dá)28~30%而且硬度在洛氏68~72之間。 

    最新的PCBN刀片還具有更好的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。刀片厚度從傳統(tǒng)的3.18毫米加厚到4.76毫米，能安全地安裝在有刀墊座的標(biāo)準(zhǔn)硬質(zhì)合金刀片刀桿上。另外，整體式PCBN結(jié)構(gòu)在雙面提供多個(gè)切削刃，從而降低分?jǐn)偟缴�產(chǎn)每個(gè)零件的刀片成本。 

    除了這種新型的整體式厚刀片，如今的PCBN刀片還有“表面燒結(jié)”型和“鑲齒”型。表面燒結(jié)型是在硬質(zhì)合金基體上燒結(jié)一個(gè)完整的PCBN表面。目前使用最多的PCBN刀片是價(jià)格比較低廉的鑲齒型。這種型式的刀片是在硬質(zhì)合金刀片的一角鑲焊一小片PCBN，一般提供一至兩個(gè)切削刃。表面燒結(jié)型和鑲齒型都符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格。和最新的整體式刀片一樣，它們可以安裝在標(biāo)準(zhǔn)硬質(zhì)合金刀桿和銑刀盤的刀座上。 


    切削條件和參數(shù) 

    根據(jù)Carboloy的Huddle，用PCBN切削硬零件最適于合洛氏硬度值45以上的零件�！�那是業(yè)內(nèi)大多數(shù)人認(rèn)可的實(shí)際操作中的下限，’他說�！�我們不去說你不能用PCBN加工較低硬度的零件，但在那些應(yīng)用里前刀面月牙洼磨損是個(gè)問題�！� 

    PCBN粗加工時(shí)，使用刀片的最大切深范圍是：白口鑄鐵和其它硬的高鉻鑄鐵約4.76毫米，不含鉻的‘清潔’鑄鐵最多為6.35毫米。精加工的線速度范圍從加工高鉻鑄鐵的每分鐘105~120米高到加工灰鑄鐵的每分鐘2100米。Huddle強(qiáng)調(diào)，對(duì)于所有的PCBN加工一定要有堅(jiān)固的配置。‘通常包括刀具本身、工夾具、機(jī)床主軸和機(jī)床本身。’ 

    Huddle說，合適的PCBN精加工速度會(huì)依工件材料、材料硬度和零件尺寸形狀不同而有戲劇性地變化�！�加工洛氏硬度范圍60~62的淬硬鋼時(shí)，在切深為0.5毫米條件下線速度可達(dá)每分鐘180米’他建議�！�在進(jìn)給量從每轉(zhuǎn)0.05到0.1毫米范圍時(shí)，通常能得到小于的0.3微米的很好的光潔度。在加工稍硬的材料時(shí)，可以切得更快些，但即使那樣，上限大約是線速度每分鐘200米。高于這個(gè)速度磨損會(huì)加劇。顯然，加工普通鑄鐵時(shí)的切削速度能快很多。 



    選用正確的刀片類型 

    Huddle說，PCBN加工的另外一個(gè)重要事項(xiàng)是關(guān)于整體式、表面燒結(jié)式、鑲齒式刀片的正確選擇�！甈CBN鑲齒刀片在很寬范圍的粗精加工應(yīng)用中既經(jīng)濟(jì)又可靠，但有一些應(yīng)用領(lǐng)域肯定用整體式或表面燒結(jié)式更好。’ 

    Huddle說，粗鏜中間部位有鑄造飛邊的汽缸套就是一個(gè)例子�！�如果在這里使用鑲齒刀片，即使切削深度完全正確，飛邊很可能不可避免偏離PCBN部分。而采用更結(jié)實(shí)的整體式或表面燒結(jié)式PCBN刀片一般不會(huì)發(fā)生這樣的事�！�整體式和表面燒結(jié)式刀片還有可重磨的好處，延續(xù)的使用能抵消最初投資的高成本。 

    Huddle強(qiáng)調(diào)，整體式或表面燒結(jié)PCBN刀片都能很好用于帶飛邊的汽缸套加工，并增加防止誤解的說明，‘整體式刀片的初始成本較高。為了經(jīng)濟(jì)有效地使用，你要確保應(yīng)用場(chǎng)合允許你使用兩面切削刃�！� 

    目前PCBN刀片應(yīng)用增長最大的是硬車削，尤其是諸如硬度在洛氏60~65之間的齒輪、軸、軸承等合金鋼材料的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)零件精車�！�這些零件傳統(tǒng)磨削加工到很高的尺寸精度和很高的光潔度，’Huddle注釋道。‘現(xiàn)在可以用CNC車床達(dá)到相同的效果，而CNC車床的成本大概只有CNC磨床的一半，維護(hù)費(fèi)用也遠(yuǎn)低于CNC磨床。 

    價(jià)格較低的PCBN鑲齒刀片能用于這些硬車削加工，因?yàn)榍邢魃疃容^淺，在0.3到0.38毫米之間。Carboloy自己用鑲齒刀片試驗(yàn)時(shí)，洛氏硬度60~62之間的淬硬鋼零件加工出的表面光潔度一致保持在0.3微米或更低。 

    優(yōu)化PCBN應(yīng)用 

    通常講，PCBN加工應(yīng)該干切削�！甈CBN材料硬到足夠抵抗加工產(chǎn)生熱量引起的變形，但它也脆到冷卻液的熱沖擊就產(chǎn)生裂紋，’Huddle說�！�尤其是在斷續(xù)切削的場(chǎng)合。有斷續(xù)切削的PCBN加工決不能使用冷卻液�！� 

    刀片刃口修磨是另一個(gè)強(qiáng)烈影響到PCBN加工成功與否的加工條件。Huddle解釋道：‘記住PCBN刀片是一小片硬且很脆的將用于加工工件材料洛氏硬度可能達(dá)到62的切削材料。’ 

    為了達(dá)到理想的刀具壽命，PCBN刀片的切削刃必須通過正確的刃口修磨得到加強(qiáng)。對(duì)于精加工鑄鐵只需很小的珩磨，對(duì)于白口鑄鐵的重載粗加工要有15度角的寬3.8毫米的負(fù)倒棱。也可能會(huì)用到負(fù)倒棱和珩磨的組合。‘通過刀片上增加負(fù)倒棱，切削刃得到增加和強(qiáng)化，’Huddle解釋道�！�譬如，刀尖角的起始值90度加上20度的負(fù)倒棱，現(xiàn)在刀尖角變?yōu)?10度。刀尖角越大，切削刃將越強(qiáng)�！� 

    合理修磨PCBN刀片的一般原則是保持負(fù)倒棱的角度同工件材料的硬度成比例，因?yàn)榍邢魅械募訌?qiáng)會(huì)使切削力改變方向。因此，在加工鑄鐵時(shí)輕微的珩磨對(duì)精加工是合適的，20度角寬0.02毫米的負(fù)倒棱對(duì)粗加工是恰當(dāng)?shù)摹��?duì)加工硬度高到洛氏65度的鋼件，合理的負(fù)倒棱范圍是0.01~0.02毫米寬X20度。 

    用PCD粗精加工鋁 

    同PCBN的情況一樣，PCD(聚晶金剛石)刀片的應(yīng)用也在增長--雖然不是因?yàn)榍邢鞑牧媳旧淼陌l(fā)展�！�人們已經(jīng)超越了5到10年前粘屑的困擾，’Huddle說�！�今天，他們期望PCD刀片和硬質(zhì)合金相比在經(jīng)濟(jì)性方面勝出，因?yàn)樗麄冎�道這些刀片在大多數(shù)有色金屬應(yīng)用場(chǎng)合戲劇性地超過硬質(zhì)合金的表現(xiàn)。 

    今天使用的大部分PCD刀片是‘鑲齒’型的，它的意思指它們包含一小塊焊接在硬質(zhì)合金刀片一角的聚晶金剛石。鑲齒刀片符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格，所以它們可以安裝在標(biāo)準(zhǔn)硬質(zhì)合金刀桿和銑刀盤的刀座上。但是不象硬質(zhì)合金刀片，鑲齒PCD刀片是不可轉(zhuǎn)位的。它們只提供一個(gè)切削刃。 

    PCD刀片也有標(biāo)準(zhǔn)化的‘表面燒結(jié)’型，它是將一個(gè)整面的聚晶金剛石燒結(jié)到硬質(zhì)合金基體上。表面燒結(jié)型的初期成本更高，但單面上可轉(zhuǎn)位，提供多個(gè)切削刃。通常買到的這種刀片是圓形的以求得最多的有效切削刃，并且主要用于特殊場(chǎng)合。 

    Huddle說，使用PCD刀片的一個(gè)重要進(jìn)展是更安全的刀片保持性--尤其對(duì)回轉(zhuǎn)刀具�！�今天，你有提高刀片保持性的楔塊和螺釘?shù)慕M合--即使是錐度的刀片和楔塊。你也可得到傳統(tǒng)螺釘或夾緊設(shè)計(jì)，或者PCD小片直接焊接在卡座體上的直接安裝卡座式刀盤。剛性更好的工夾具配備給用戶使用PCD更可靠的結(jié)果，也幫助他們充分利用PCD帶來的生產(chǎn)率潛力。 

    Huddle說，更安全的零件夾持和更好的機(jī)床及主軸剛性有相近的作用，注意到如今的CNC車床和加工中心能提供成功應(yīng)用PCD或PCBN切削刀具所有的剛性需求。他進(jìn)一步指出，隨著經(jīng)濟(jì)的增長，新機(jī)床的數(shù)量增長迅速，為使用高性能的PCD和PCBN切削刀具提供更友好的環(huán)境。 

    當(dāng)今PCD應(yīng)用中的一個(gè)有趣的例子是精銑鋁合金汽車進(jìn)氣管。據(jù)Huddle講，在這些應(yīng)用里刀盤通常組合PCD鑲齒刀片和普通硬質(zhì)合金刀片來抵抗在刀片吃刀線上碰到鑄造飛邊。飛邊有把PCD刀頭和硬質(zhì)合金載體相交處分離的趨勢(shì)，形成最終造成PCD刀頭的移位的風(fēng)險(xiǎn)。  

    PCD鑲齒刀片設(shè)計(jì)用于銑削的最大切深大約是PCD刀頭長度的60%，’Huddle解釋道�！�你也許加工的切深達(dá)到PCD刀頭的全長或稍少一些，但在有飛邊的場(chǎng)合你仍舊有PCD刀頭從刀片上移位的風(fēng)險(xiǎn)�！疕uddle說，補(bǔ)救辦法是調(diào)節(jié)銑刀盤把某些普通硬質(zhì)合金刀片在軸向和徑向輕微地上下偏移。硬質(zhì)合金刀片將在緊接著的精加工PCD鑲齒刀片之前切掉飛邊。 

    另外一個(gè)主要使用PCD鑲齒刀片的場(chǎng)合是工藝叫做‘制�！�的汽車零件粗加工�！疄榱斯�(jié)約運(yùn)輸成本和回收鋁合金切屑，這一點(diǎn)提供象鋁合金汽缸蓋的鑄造廠做得很好，’Huddle說�！�在機(jī)加工現(xiàn)場(chǎng)，用PCD對(duì)鑄造零件以很高的金屬切除率進(jìn)行頂面、底面、側(cè)面的半精加工。所有這一切做得非常快。然后，切屑回收到鑄造廠--加工零件是矩形的使得它們易于處理和包裝。零件也很小，所以它們占較少的空間并能以較低的成本運(yùn)輸。 

    事實(shí)上PCD鑲齒刀片越來越多用于加工很多種高硅鋁合金零件，’Huddle說。在汽車工業(yè)里，它們包括汽缸蓋、汽缸體、進(jìn)氣管、傳動(dòng)箱和大量的各種型式的鋁輪。應(yīng)用還擴(kuò)展到其它行業(yè)，如家用設(shè)施、醫(yī)療設(shè)備和航空等。Huddle解釋道，零件覆蓋的范圍是日常生活熟悉的從洗衣機(jī)零件到用于家庭園藝工業(yè)的‘割草機(jī)’機(jī)身都有。 

    Huddle說，為了在這些應(yīng)用里用PCD替代硬質(zhì)合金，制造商在尋找更高的生產(chǎn)率，還有能消除經(jīng)常換刀所需的更長的刀具壽命和保證零件光潔度要求。他指出，要取得這些好處，良好的排屑是一個(gè)關(guān)鍵條件。 

    用PCD后切屑生成很快以致于你不得不需要一個(gè)有效的方法來使它們連續(xù)地排出工作區(qū)，’Huddle說。‘你能使用冷卻液、空氣、油霧、冷卻空氣或任何一種組合。在采用任何一種辦法之前，你需要確保良好的零件質(zhì)量和刀片的壽命前提下排屑。 

    Huddle說，有了有效的排屑和剛性好的夾具和機(jī)床，用PCD的切削速度高達(dá)每分鐘3000米。‘今天的CNC加工中心和車削中心很容易產(chǎn)生必要的主軸轉(zhuǎn)速�！癁榱饲逦�明了，Huddle引用汽車廠生產(chǎn)線上整個(gè)都是由CNC機(jī)床構(gòu)成�！�終有一天他們將用PCBN和硬質(zhì)合金刀具加工鑄鐵汽缸體，并且用另一套裝備PCD和硬質(zhì)合金的刀具加工鋁合金汽缸體。 

    尋找在同一臺(tái)機(jī)床使用不同的刀具技術(shù)是不簡單的。這些天，越來越多的制造商正同時(shí)使用傳統(tǒng)和先進(jìn)切削材料，以使得在應(yīng)用的每個(gè)對(duì)象上他們做得最好最經(jīng)濟(jì)。