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PCBN刀具的切削性能
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0 引言

超硬材料CBN(立方氮化硼)作为磨料应用已有40余年的历史了,在磨削加工方面已有相当成熟的应用技术,PCBN(聚晶立方氮化硼也称立方氮化 硼烧结体)作为刀具材料应用于切削加工始于70年代,经过20多年的应用,在切削加工的各个方面都表现了优良的切削性能和一些不同于其它材料刀具的特殊规 律,我国PCBN刀具的应用相对发达国家还比较少,缺少这方面的技术资料,本文综合国内外有关资料及作者应用PCBN刀具的试验结果介绍如下。

1 PCBN刀具材料的性能

PCBN按其制造工艺分有由CBN经高温高压直接结合成烧结块的,也有加金属或陶瓷等粘结剂在经高温高压烧结成的;按成品复合方式分,有单独CBN烧结块,也有CBN/硬质合金复合烧结的PCBN复合片。本文将以PCBN复合片刀具的切削性能为主进行介绍。

1.      具有较高的硬度和耐磨性

CBN晶体结构与金刚石相似,化学键类型相同、晶格常数相近,因此具有与金刚石相近的硬度和强度。 CBN微粉的显微硬度为HV8000~9000,其烧结体PCBN的硬度一般为HV3000~5000。

2.      具有很高的热稳定性

CBN的耐热性可达1400~1500℃,PCBN在800℃时的硬度还高于陶瓷和硬质合金的常温硬度。

3.      具有优良的化学稳定性

CBN的化学惰性特别大,在1200~1300℃时也不与铁系材料发生化学反应,与碳在2000℃时才发生反应;在中性、还原性的气体中,对酸碱都是稳定的。其对各种材料的粘结扩散作用比硬质合金小得多。

4.      具有较好的导热性

在各类刀具材料中CBN的导热性仅次于金刚石,大大高于硬质合金,而且随着温度的升高,PCBN导热系数是增加的。

5.      具有较低的摩擦系数

与不同材料间的摩擦系数CBN为0.1~0.3、硬质合金为0.4~0.6,随着切削速度的提高,摩擦系数是减小的。

2 PCBN刀具的切削特性

PCBN刀具材料由于具有上述的特殊性能,因此在不同切削情况下,表现出了不同于其它材料刀具特殊的规律。

·  切削高硬度淬硬钢刀具寿命高

PCBN刀具切削淬硬钢时,随着被加工材料硬度的增高,刀具寿命并非单调下降,而是在HRC40时刀具寿命最低(如图1所示),图 1VB=0.2mm;ap=0.5mm;f=0.1mm/r,工件材料:35CrMo。当工件材料硬度高于此硬度后,刀具寿命反而增加。这主要是由于 PCBN材料高温下硬度损失小,而工件材料硬度较高时,由于切削热作用将切削区域金属软化,而使切削加工更易于进行。 PCBN这一特性非常适于加工高硬度材料,以车削代磨削可获得以往只有用磨削加工才能得到的加工表面质量。

图1 刀具寿命与被加工材料硬度的关系

图2 切削正火钢时切削速度与刀具寿命的关系

·  切削正火钢刀具寿命低

切削正火材料时,PCBN刀具的寿命要低于硬质合金刀具(如图2所示),切削用量:f=0.1mm/r;ap=0.5mm。并且刀具寿命比切削淬火钢时寿命还要低。由此可以看出PCBN刀具不适于加工正火材料。

·  切削灰口铸铁刀具寿命曲线弯曲

切削灰口铸铁PCBN刀具寿命与切削速度的关系不符合泰勒公式,其后刀面磨损VB及前刀面月牙洼磨损深度KT都呈现出了相同的规律(如图3所示) ,图3切削用量:f=0.1mm/r,ap=0.5mm。

图3 切削灰口铸铁时刀具寿命与切削速度关系

图4 切削黄铜时的刀具磨损曲线

·  切削耐磨黄铜时刀具寿命高于金刚石刀具

切削有色金属时,通常烧结金刚石(PCD)是最佳刀具材料,但切削耐磨黄铜时,PCBN刀具寿命高于烧结金刚石和硬质合金刀具(如图4所示),图4切削用量:v=200m/min;f=0.2mm/r,ap=1.0mm。

·  高速下PCBN刀具寿命高

图5切削用量:f=0.05mm/r,ap=0.05mm;工件材料:HPM31HRC57;球头立铣刀R5顺铣。图5所示为不同速度 下PCBN刀具切削淬硬钢时刀具后刀面磨损与切削距离的关系,由图5可以看出:当切削速度超过一定限度后,切削速度越高,刀具的磨损速度反而降低,即高速 下PCBN刀具的寿命高于低速,因此PCBN刀具适合高硬度材料的高速切削加工。

图5 不同速度下PCBN刀具的寿命

图6 干切与湿切情况下PCBN刀具寿命与切削速度的关系

·  干切条件下PCBN刀具寿命高

·  图6工件材料为铸铁,是PCBN刀具在干、湿两种切削条件下刀具寿命的对比。由图6可以看出:在干切情况下,PCBN刀具寿命反倒高于 使用切削液的情况,其主要原因是由于干切时切削温度高,PCBN高温硬度高,因此硬度损失少,而工件材料在高温下硬度损失大,硬度降低后更易于切削的缘 故。

3 PCBN刀具的加工表面质量

PCBN刀具不仅具有优良的切削性能,同时也能获得其它种类刀具很难获得的加工表面质量。

1.      可获得较低的表面粗糙度

用PCBN刀具加工不同材料都能获得较低的表面粗糙度,图7所示是加工铸铁时,PCBN刀具与硬质合金刀具的表面粗糙度对比。由图7可以看出: PCBN刀具加工表面粗糙度远远好于硬质合金刀具,而且随着切削速度的提高,越来越接近粗糙度的理论值。另外,由于PCBN刀具硬度高、耐磨性好,因此, 能在较长时间内获得较一致的表面粗糙度。图7工件材料:铸铁FC25;切削用量:f=0.1mm/r;ap=0.3mm。

2.      能获得较好的表面应力状态

如图8所示,磨削加工得到的加工表面通常产生拉应力,用PCBN刀具加工淬硬钢时,工件表层组织通常有残余压应力,残余压应力可提高零件的疲劳强 度及耐磨性。图8切削条件:工件材料:GCr15淬火;磨削:v=35m/s;vf=10mm/min;fr=0.008mm;车削:v= 70m/min,f=0.07mm/r;ap=0.1mm。

图7 PCBN刀具的加工表面粗糙度

图8 PCBN刀具切削获得的加工表面残余应力

图9 PCBN刀具加工表面硬度的变化

3.      加工表面表层硬度的变化

PCBN刀具切削淬硬钢表面表层硬度与磨削的比较如图9所示。由图9可以看出:磨削加工获得的工件表层硬度有所下降,而PCBN刀具加工获得加工 表面硬度略有上升,提高了加工表面的机械性能。图9工件材料:SCM21,淬火HRC50;切削用量:车削:v=300m/min;f=0.3mm/r;ap=1.0mm;磨削:vc=1450m/min;vw=80m/min;ap=0.015mm。

另外,PCBN刀具切削硬材料时,由于刀具导热性好所产生的切削热被切屑带走较多,工件加工表面表层纤维组织无显著变化,而磨削加工若切削用量选择不当,则容易产生表面烧伤。

4 结束语

PCBN刀具具有优于其他材料刀具的切削性能,尤其适合高硬度淬硬钢及耐磨材料的切削加工,在高速切削加工及干式切削加工方面表现出了 优良的切削性能,在一定条件下可以得到与磨削相媲美的加工表面质量;但PCBN刀具寿命有特殊的变化规律,如:切削中等硬度的淬硬钢及正火钢时刀具寿命 低、切削铸铁时刀具寿命曲线的弯曲等,若了解掌握这些特殊规律,便可在使用中充分发挥其优越的切削效能,创造出巨大的经济效益。

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