高性能超硬切削材料刀具的應(yīng)用技術(shù)

    超硬切削材料刀具主要是指金剛石和立方氮化硼(PCBN)刀具，而金剛石刀具中又以人造聚晶金剛石(PCD)刀具的應(yīng)用最為廣泛。隨著全球汽車、航空和模具等機(jī)械制造業(yè)的高速發(fā)展，過去首選用于加工傳統(tǒng)“難加工”材料(如有色金屬、增強(qiáng)塑料、陶瓷、淬硬鋼、鑄鐵和高溫合金等)的硬質(zhì)合金刀具，正越來越受到上述超硬切削材料刀具的沖擊。隨著超硬刀具制造技術(shù)的發(fā)展和提高，其加工范圍也越來越廣，已成為某些機(jī)加工領(lǐng)域的首選刀具。

圖1 不同材料的硬度值

1 超硬切削材料刀具的特點(diǎn)

PCD刀具的特點(diǎn)

    極高的硬度及壽命 如圖1所示，人造聚晶金剛石(PCD)的硬度可達(dá)68GPa，僅次于天然金剛石，是目前世界上人工合成的最硬物質(zhì)，人造聚晶金剛石的硬度是目前被廣泛應(yīng)用于汽車加工領(lǐng)域的硬質(zhì)合金材料硬度的3～4倍；在加工鋁硅合金時(shí)，人造聚晶金剛石刀具的使用壽命是硬質(zhì)合金刀具的20～100倍。

    很低的摩擦系數(shù) PCD 金剛石刀具非常適合加工鋁合金、鎂合金等有色金屬，它與有色金屬的摩擦系數(shù)低于0.3(約為硬質(zhì)合金的一半)，這對切屑的順利排出、杜絕積屑瘤的產(chǎn)生、降低切削力和切削熱非常有利。

    非常鋒利的刀刃 根據(jù)不同的工藝要求，PCD金剛石刀具的刃面粗糙度一般在Rz3.4～6.0µm左右，如有特殊要求，可經(jīng)過表面拋光研磨處理至Rz1.7～2.1µm，刀刃鈍圓半徑可達(dá)0.01µm 以下。

    優(yōu)異的導(dǎo)熱性 PCD刀具的導(dǎo)熱性略低于天然金剛石，約為硬質(zhì)合金的3～5倍，這有利于降低刀尖部分的溫度，提高刀具的使用壽命。

    低的熱膨脹系數(shù) PCD刀具的熱膨脹系數(shù)約為硬質(zhì)合金的1/4。因此，PCD 金剛石刀具的熱穩(wěn)定性非常好，能長時(shí)間保持刀具的尺寸精度和鋒利性。

PCB刀具的特點(diǎn)

    很高的硬度及耐磨性能 如圖2所示，聚晶立方氮化硼(CBN)是利用高溫高壓人工合成的另一種超硬刀具材料，其硬度略低于聚晶金剛石(PCD)。在加工淬硬鋼時(shí)，其耐用度是硬質(zhì)合金的10～50倍左右，切削速率可提高. 倍以上。

    優(yōu)良的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性 CBN的耐熱溫度可達(dá)1400℃左右，比金剛石的耐熱溫度400℃高一倍，在1000℃以下不會出現(xiàn)氧化現(xiàn)象，在1200℃時(shí)也不與鐵基材料起化學(xué)反應(yīng)。

    良好的導(dǎo)熱性 CBN的導(dǎo)熱性低于金剛石，但比硬質(zhì)合金高很多，并且隨著切削溫度的提高，它的導(dǎo)熱系數(shù)還會提高。

    較低的摩擦系數(shù) CBN與淬硬鋼之間的摩擦系數(shù)約為硬質(zhì)合金與淬硬鋼之間摩擦系數(shù)的1/2。

2 超硬切削材料刀具的應(yīng)用

超硬刀具的種類

    人造聚晶金剛石(PCD)復(fù)合刀片通常是由含量為80～90%的粒度為2µm、10µm或25µm 的金剛石顆粒為原料，并以鈷作為催化劑，在大約1400℃的高溫和60kBar的高壓下燒結(jié)在圓盤形硬質(zhì)合金基體上(見圖2)。聚晶立方氮化硼(CBN)刀片一般也是經(jīng)高溫、高壓燒結(jié)在硬質(zhì)合金基體上做成復(fù)合刀片形式。

圖2 人造聚晶超硬復(fù)合刀片

    根據(jù)對不同刀具的不同要求，在高功率、高精度的EDM線切割機(jī)床上采用特殊設(shè)計(jì)的軟件對其進(jìn)行優(yōu)化、精密分割，制作成各類刀具。鈷領(lǐng)公司的超硬刀具產(chǎn)品基本可覆蓋整個(gè)切削類刀具，從車刀、機(jī)夾刀片到旋轉(zhuǎn)類刀具(包括PCD 鉆頭、銑刀、鉸刀及可調(diào)式精密鏜刀等)，其中PCD 鉆頭、立銑刀已形成系列并批量投入生產(chǎn)。對于有特殊要求的刀具，鈷領(lǐng)公司的專家會專門為客戶設(shè)計(jì)、制作，幫助您更高效的完成加工任務(wù)。

CBN 刀具的應(yīng)用

    由于CBN 刀具在加工鐵系金屬時(shí)會產(chǎn)生化學(xué)滲透，因此不適合加工鋼和鑄鐵，但在加工有色金屬和非金屬材料(如鋁、鎂、銅及其合金，木材、增強(qiáng)塑料、石墨和陶瓷等)時(shí)能表現(xiàn)出超群的切削能力，能非常輕松地以高于硬質(zhì)合金10倍以上的切削效率進(jìn)行加工(見表1)。通常通過切削試驗(yàn)來選擇最佳的切削參數(shù)，在切削加工時(shí)最好使用冷卻液。在加工硅鋁合金時(shí)刀具壽命常常能達(dá)到硬質(zhì)合金的100倍以上，如此高的切削速率減少了積屑瘤在刀具刃口生成的可能性。

    CBN 刀具特別適合于高質(zhì)量的精加工工序，甚至在較大的切削深度和切削速度下也能獲得杰出的表面質(zhì)量，這有利于減少加工工序，縮短工件的加工周期。

用于直徑f3～12mm

PCB刀具的應(yīng)用

    PCB刀具主要用于加工硬度在45HRC以上的各種淬硬鋼(彈簧鋼、軸承鋼、高速鋼等)、鑄鐵(冷硬鑄鐵、灰鑄鐵等)、高溫合金(鈷基合金、鎳基合金等)、硬質(zhì)合金及粉末噴涂金屬等難加工材料。

    PCB刀具能在很大范圍內(nèi)有效代替磨削進(jìn)行高精度加工。與磨削加工相比，對于同等加工精度，PCB刀具的加工效率更高，綜合效益更好，可滿足現(xiàn)代汽車制造業(yè)對刀具的高效、高穩(wěn)定性、高壽命的要求。表2為PCB刀具的切削參數(shù)推薦表(最佳的切削速度取決于表面質(zhì)量的要求和刀尖部分的形式)。

3 超硬切削材料刀具加工實(shí)例

實(shí)例1

    工作內(nèi)容：銑削空調(diào)壓縮機(jī)部件上的渦旋槽；工件材料：鋁硅合金(AlSi10Mg)。

    加工難點(diǎn)：雖然工件直徑僅100mm，但實(shí)際銑削長度達(dá)800mm，渦旋槽窄而深，且壁很��；要求被加工底面與側(cè)面垂直，被銑削的槽內(nèi)壁粗糙度要求Rz2µm。因原用刀具切削壽命短導(dǎo)致每只工件的刀具成本太高。

    解決方案：(1)刀具選擇：采用一體化短錐柄焊接式PCD銑刀，該銑刀設(shè)計(jì)有特殊的軸向角。(2)切削參數(shù)：n=40,000r/min，Vc=1760m/min，f=0.25mm/r，Vf=1,000mm/min。

    應(yīng)用效果：工件被加工表面的表面粗糙度達(dá)Rz1.5µm；平均每把刀可加工97,400只工件，相當(dāng)于每把刀的壽命為77,920米；刀具成本從過去的7.15美元/件降至1.21美元/件。

圖3 空調(diào)壓縮機(jī)部件

圖4 CBN 銑刀

實(shí)例2

    工作內(nèi)容：汽車剎車塊上鉆孔并銑制螺紋；工件材料：最新研制的陶瓷(含有60%碳化硅纖維)。

    加工難點(diǎn)：工件材料的加工性能差，采用硬質(zhì)合金刀具試切削失敗，采用涂層金剛石鉆頭勉強(qiáng)鉆削90只孔，每孔鉆削時(shí)間30秒，效率低，刀具壽命短；無法銑制螺紋。

   解決方案：改用鈷領(lǐng)公司生產(chǎn)的編號為No.1265的標(biāo)準(zhǔn)PCD鉆頭。為了加工螺紋，鈷領(lǐng)刀具專家特別研制了PCD螺紋銑刀，該銑刀耐磨性能好，不易破裂。

    切削參數(shù)：在相同的進(jìn)給量(f=0.02mm/r)下，鉆孔速度由過去的Vc=25m/min提高到Vc=100m/min；PCD螺紋銑刀Vc=60m/min，f=0.025mm/r。

    應(yīng)用效果：平均每支鉆頭可加工110只孔，每孔鉆削時(shí)間僅1.5秒，每孔減少加工時(shí)間95%。同時(shí)新研制的PCD螺紋銑刀解決了螺紋的加工難題。

圖5 柴油發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋的加工