刀具材料--PCBN和PCD進展

    PCBN(聚晶立方氮化硼)和PCD(聚晶金剛石)切削刀具的最近進展給不同的行業(yè)制造商提供強有力的提高生產(chǎn)率的新動力。如汽車工業(yè)運用新的大顆粒整體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)等級增加顆粒度已經(jīng)顯著改善性能，”底特律山高Carboloy先進材料產(chǎn)品經(jīng)理David Huddle說，“較大的PCBN顆粒大小改進耐磨性和抗沖擊性，這對于大量加工象鐵素體含量低于10%的鑄鐵材料很關(guān)鍵。”Huddle解釋道，粗加工這些零件時良好的抗沖擊韌性對承受裂紋、砂眼和其它鑄造過程留下的缺陷來說很重要。精加工時需要非常好的耐磨性，因為零件含鉻量達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準硬質(zhì)合金刀片刀桿上。另外，整體式PCBN結(jié)構(gòu)在雙面提供多個切削刃，從而降低分攤到生產(chǎn)每個零件的刀片成本。 

    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)一個完整的PCBN表面。目前使用最多的PCBN刀片是價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，一般提供一至兩個切削刃。表面燒結(jié)型和鑲齒型都符合工業(yè)標準規(guī)格。和最新的整體式刀片一樣，它們可以安裝在標準硬質(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)人認可的實際操作中的下限，’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問題。’ 

    PCBN粗加工時，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強調(diào)，對于所有的PCBN加工一定要有堅固的配置。‘通常包括刀具本身、工夾具、機床主軸和機床本身。’ 

    Huddle說，合適的PCBN精加工速度會依工件材料、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，在切深為0.5毫米條件下線速度可達每分鐘180米’他建議�！�在進給量從每轉(zhuǎn)0.05到0.1毫米范圍時，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，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。高于這個速度磨損會加劇。顯然，加工普通鑄鐵時的切削速度能快很多。 



    選用正確的刀片類型 

    Huddle說，PCBN加工的另外一個重要事項是關(guān)于整體式、表面燒結(jié)式、鑲齒式刀片的正確選擇。‘PCBN鑲齒刀片在很寬范圍的粗精加工應(yīng)用中既經(jīng)濟又可靠，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)實的整體式或表面燒結(jié)式PCBN刀片一般不會發(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)濟有效地使用，你要確保應(yīng)用場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)動機零件精車�！�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，維護費用也遠低于CNC磨床。 

    價格較低的PCBN鑲齒刀片能用于這些硬車削加工，因為切削深度較淺，在0.3到0.38毫米之間。Carboloy自己用鑲齒刀片試驗時，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強烈影響到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到62的切削材料�！� 

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

    合理修磨PCBN刀片的一般原則是保持負倒棱的角度同工件材料的硬度成比例，因為切削刃的加強會使切削力改變方向。因此，在加工鑄鐵時輕微的珩磨對精加工是合適的，20度角寬0.02毫米的負倒棱對粗加工是恰當?shù)�。對加工硬度高到洛�?5度的鋼件，合理的負倒棱范圍是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--雖然不是因為切削材料本身的發(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)濟性方面勝出，因為他們知道這些刀片在大多數(shù)有色金屬應(yīng)用場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)標準規(guī)格，所以它們可以安裝在標準硬質(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。它們只提供一個切削刃。 

    PCD刀片也有標準化的‘表面燒結(jié)’型，它是將一個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合。 

    Huddle說，使用PCD刀片的一個重要進展是更安全的刀片保持性--尤其對回轉(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，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。他進一步指出，隨著經(jīng)濟的增長，新機床的數(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。 

    當今PCD應(yīng)用中的一個有趣的例子是精銑鋁合金汽車進氣管。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，形成最終造成PCD刀頭的移位的風險。  

    PCD鑲齒刀片設(shè)計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到PCD刀頭的全長或稍少一些，但在有飛邊的場合你仍舊有PCD刀頭從刀片上移位的風險�！疕uddle說，補救辦法是調(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。 

    另外一個主要使用PCD鑲齒刀片的場合是工藝叫做‘制粒’的汽車零件粗加工�！疄榱斯�(jié)約運輸成本和回收鋁合金切屑，這一點提供象鋁合金汽缸蓋的鑄造廠做得很好，’Huddle說。‘在機加工現(xiàn)場，用PCD對鑄造零件以很高的金屬切除率進行頂面、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輸。 

    事實上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、進氣管、傳動箱和大量的各種型式的鋁輪。應(yīng)用還擴展到其它行業(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零件到用于家庭園藝工業(yè)的‘割草機’機身都有。 

    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床，用PCD的切削速度高達每分鐘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)線上整個都是由CNC機床構(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。 

    尋找在同一臺機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使用傳統(tǒng)和先進切削材料，以使得在應(yīng)用的每個對象上他們做得最好最經(jīng)濟。