日本住友电工开发的几种切削刀具新产品
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日本住友电工硬质合金工具公司应用先进的纳米技术、独立研发的PVD涂层技术以及超硬材料技术,开发了适用于高速干式切削加工的超级ZX涂层硬质合金刀具、分别用于高速切削和高精度切削淬硬钢的SUMIBORON-BNC100/BNC160立方氮化硼刀具、高速切削加工模具用SUMIBORON精密标准模具立铣刀。
为了保护环境、降低能耗,满足高速、高效、高硬度、高精度及干式切削加工的迫切需求,日本住友电工硬质合金工具公司应用先进的纳米技术、独立研发的PVD涂层技术以及超硬材料技术,开发了适用于高速干式切削加工的超级ZX涂层硬质合金刀具、分别用于高速切削和高精度切削淬硬钢的SUMIBORON-BNC100/BNC160立方氮化硼刀具、高速切削加工模具用SUMIBORON精密标准模具立铣刀。现分别简介如下。

图1 超级ZX涂层的电镜图像(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)
表1 涂层物力性能对比
名称涂层 构造毫微压 痕硬度[GPa]开始氧 化温度[℃]残余 压应力[GPa]AE划痕 试验[N}
原有涂层TiN/AlN408160.773.8
超级ZX涂层TiAlN/AlCrN5610291.976.7

图2 残余压应力在涂层深度方向的分布(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)

图5 WEX型波形刃铣刀

超级ZX涂层硬质合金刀具

(1)适用范围

超级ZX涂层具有优良的耐热性能(抗氧化性能)和高温耐磨性能,适用于钢、不锈钢、铸铁等的高速干式铣削加工,是一种先进的涂层新技术。

(2)涂层特点

超级ZX涂层是一种应用纳米技术和独立研发的PVD新技术,使每层厚度为纳米级的TiAlN和AlCrN超薄涂层交互层叠形成约1000层的超多层涂层,其电镜图像见图1。
超级ZX涂层与原有涂层的物理性能对比见表1。涂层硬度是采用毫微压痕法,在涂层斜断面加载19.6mN的测量荷重测得的,原有涂层的硬度为40GPa,而超级ZX涂层的硬度则高出约40%,达到56GPa;残余压应力是根据sin2Ψ法,将渗入厚度调整到一定深度,在BL16XU大型放射光装置(Spring-8)上进行测量,测量结果见图2。由结果可知,涂层中的应力水平从基体向表面呈梯度增大,在距表面2.3?m处压应力最大,达到2.7GPa,应力在深度方向的变化是根据涂层的生成调整涂覆条件的结果;涂层中的平均残余压应力也达到1.9GPa,比原有涂层大1.2GPa。涂层的氧化特性是用TG-DTA(热重量测量示差热分析)法来评价的。从表1可知,超级ZX涂层的开始氧化温度较原有涂层提高了约200℃。图3为在从在950℃空气中保持30min后缓慢冷却的样品表面观察结果。从试验来看,原有涂层刀片的氧化非常显著,已到达刀片基体材料;而超级ZX涂层刀片的外观仍维持试前状态,氧化在涂层最外表面停止。涂层的结合强度是采用声发射(AE)划痕试验法,在涂层剥离临界载荷重量作用下进行划痕试验来测定的。从试验结果来看,在涂层硬度和残余应力都很高的前提下,超级ZX涂层的结合强度与原有涂层几乎相同,只略高一些。

(a)试前形状

(b)原有涂层

(c)超级ZX涂层
图3 空气中氧化试验(950℃,30min)后的刀片外观(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)

图4 铣削刀具材质(ACP200/300, ACK300)(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)

(3)切削性能

  1. 适用刀具材质
    图4为采用超级ZX涂层、用于铣削加工的刀具新材质。ACP200/300适用范围较广,涵盖了从钢至不锈钢的工件材料;ACK300则是用于铣削铸铁的刀具新材质。
  2. WEX型波形刃立铣刀的切削性能
    采用超级ZX涂层的刀具材质ACP200/300、ACK300及图5所示的刀尖可换式WEX型波形刃立铣刀已经实现产品化。WEX300型波形刃铣刀是一种能获得高质量加工面、具有高可靠性、可用于精加工的刀尖可换式高效立铣刀。图6为用户用ACP200刀具材质加工钢件的实例。

    (a)螺旋加工(ф40扩大到ф50),切削条件为:工件材料:高张力钢(WELTEN780),刀具:WEX3032E(ф32,z=3),刀片:AXMT170508PEER-G(ACP200),切削速度:v=100m/min,进给速度:f=0.1mm/齿,Rd=32mm,Ad=6mm×6次,干切

    (b)切削条件为:工件材料:合金工具钢SKT4(HRC40),刀具:WEX3080F(ф80,z=7),刀片:AXMT170508PEER-G(ACP200),切削速度:v=75m/min,进给速度:f=0.19mm/齿,Rd=80mm,Ad=5mm,干切
    图6 使用ACP200刀具的加工实例
    在加工实例(a)中,用其他公司PVD材质刀具加工3个工件后,刀具损伤较大,在加工第4个工件时,刀具发生崩损;而使用ACP200材质刀具加工4个工件后,刀具损伤很小,提高了刀具寿命。
    在加工实(b)中,与其他公司PVD材质刀具相比,ACP200刀具切削声音小、状态良好,即使将切削条件提高约2倍,也能实现稳定的切削加工,加工表面质量良好,可获得光洁的加工面。
由此可知,与目前加工中常用的TiAlN涂层刀具相比,超级ZX涂层刀具寿命可提高1倍以上,由于提高了刀尖耐磨性(即刀具的可靠性),因此能够承担高速、高效切削加工。

图7 BNC100/BNC160刀片

高速加工和高精度加工淬硬钢用SUMIBORON-BNC100/BNC160

(1)适用范围

BCN100即使在300m/min的切削速度下也具有优异的耐磨性能,可用于淬硬钢的高速切削加工;BNC160适用于过去只能磨削加工、尺寸精度达IT6级、表面粗糙度Rz=1.6?m的淬硬钢高精度切削加工。

(2)刀具特点

BNC100和BNC160刀片见图7,其技术规格和物理特性见表2。BNC100和BNC160是以结合相耐热性能优良、耐磨性和抗崩刃性大幅提高的CBN作为基体,其上涂覆以TiAlN和TiCN为主要成分的特殊陶瓷类涂层,从而具有优异的耐磨性和稳定的表面粗糙度。刀尖的技术规格见表3。通过合理匹配组合标准型刀尖、重视切削性能的LS型刀尖和高强度的HS型刀尖,就能在各种不同的加工中,最大限度地发挥新材质的切削性能。
表2 BNC100和BNC160的技术规格和物理性能
用途材质涂层CBN烧结体物理特征[GPa]
种类厚度CBN体积含量CBN粒度结合剂硬度[HV]抗拉强度TRS
高速切削BNC100TiMN+TiCN2µm40%-45%1µmTiN29-321.05-1.15
高精度切削BNC160TiMN+TiCN2µm60%-65%3µmTiN31-331.10-1.20
表3 BNC100和BNC160的刀尖技术规格
材料刀尖处理倒棱角度[°]倒棱宽度[mm]倒圆
BNC100标准型250.12
LS型150.11
BNC160标准型250.12
LS型200.10
HS型300.17

(3)切削性能

BNC100的切削性能见图8。与原来用于高速加工的BNX10、BNC150相比,BNC100具有优异的耐磨性能和抗崩刃性能,在高速切削加工中显示出更长的刀具寿命。图9为BNC100的加工实例,以Vc=250m/min高速切削行星齿轮内孔连续部分时,其刀具寿命(切削长度)超过了40km。

刀具型号:4NC-CNGA120408;工件材料:SCM415(HRC58-62)圆棒;切削条件:Vc=250m/min,ap=0.1mm,f=0.1mm/r,干切
图8 BNC100的切削性能

刀具型号:4NC-DNGA150412;工件:行星齿轮 (渗碳钢,HRC61-65);切削条件:Vc=250m/min,f=0.05mm/r,ap=0.05mm,湿切
图9 BNC100的加工实例
BNC160的切削性能见图10,与原来用于高精度加工的BNC80相比,BNC160耐磨性能优异,加工表面粗糙度可达2µm。工件直径尺寸的变化情况见图11,与BNC80相比,BNC160耐磨性能优异,直径尺寸变化小,并可稳定获得IT6级加工精度。BNC160的加工实例见图12,在切削加工表面粗糙度为1.6µm的轴时,由于BNC160优异的耐磨性,获得了较长的刀具寿命。

(a)耐磨性能      (b)加工表面粗糙度
图10 BNC160的耐磨性能和加工表面粗糙度

(a)耐磨性能      (b)加工表面粗糙度
刀具型号:4NC-CNGA120408;工件材料:SCM415(HRC58-62)圆棒;切削条件:Vc=200m/min,ap=0.1mm,f=0.1mm/r;干切
图11 用BNC160切削加工外圆直径的变化量

(a)耐磨性能      (b)加工表面粗糙度
刀具型号:4NC-CNGA120408;工件材料:渗碳钢(HRC58-62);切削条件:Vc=200m/min,f=0.05mm/r,d=0.1mm;干切
图12 BNC160的加工实例

图13 BNBP型SUMIBORON模具精铣刀(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)

图14 切削机理对比(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)

工件材料:STAVAX;N=36000r/min,Vf=500m/min,ap=0.03mm,Pf=0.02mm;油雾冷却润滑
图15 模具加工实例(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)
图17 粉末高速钢加工实例(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)
表4 加工条件
刀具规格转速 (r/min)进给速度 (mm/min)ap (mm)Pf
R1.03600030000.030.25
R0.54000030000.020.02
R3.04000010000.010.01

高速、高精度加工模具用SUMIBORON精密立铣刀

(1)适用范围

随着加工中心主轴高速化,模具高效加工技术发展很快。过去,高速钢立铣刀曾经是模具加工的主流刀具。当机床主轴最高转速超过每分钟1万转后,涂层硬质合金立铣刀就成为了模具加工的主流刀具。现在,加工中心的主轴最高转速已达到每分钟4-6万转,可以预期,CBN立铣刀必将成为主流刀具。与涂层硬质合金立铣刀相比,CBN立铣刀在刀具寿命、加工表面质量等方面具有压倒优势。由于CBN传热性好,能够抑制切削温度的升高,可在喷雾冷却润滑和干式切削条件下进行高速切削,因此在保护环境方面也具有明显优势。为了适应模具高速切削加工的需求,住友电工硬质合金工具公司开发了小直径CBN球头立铣刀BNBP型模具精铣刀(见图13),这是一种R0.2-1.0mm的长颈型球头立铣刀,适合深模腔加工。

(2)刀具特点

众所周知,与硬质合金和高速钢相比,CBN具有更高的硬度和热传导率,适合高硬度钢的切削加工,但由于其韧性较差,在断续切削负荷作用下刀尖容易崩刃。为了提高BNBP型模具精铣刀的抗崩刃性能,采用了大幅度提高CBN烧结体强度的SUMIBORON新材料和?40°大负前角刀尖形状的优化组合,使其抗崩刃性能显著提高(与硬质合金近似)。因此,BNBP型模具精铣刀可实现对高硬度模具稳定的高精度加工。该刀具与涂层硬质合金立铣刀的切削机理对比见图14。

(3)切削性能

图15为在加工中心上用R0.3球头立铣刀切削加工移动电话用钮扣型模具时,刀具磨损宽度的变化;图16为刀尖磨损状况和加工面的状况。由图可知,涂层硬质合金球头立铣刀从加工完第一个模具后,刀具磨损开始增大,加工完第二个模具时,刀具磨损宽度超过0.03mm,模具上出现毛刺,刀具达到使用寿命;而CBN球头立铣刀产生初始磨损后,磨损宽度几乎没有增大,加工6个模具后加工面仍未产生毛刺,也未出现挤碎缺陷,加工面保持良好,刀具仍可继续加工。虽然可以进行干式铣削,但为了延长刀具使用寿命,推荐采用喷雾冷却铣削加工。

图16 模具加工面比较(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)
图17为在加工中心上用CBN球头立铣刀切削加工粉末冶金高速钢(HRC63)锥齿轮模具的实例(加工条件见表4;总加工时间2小时28分)。对于粉末高速钢这种高硬度材料,如果用涂层硬质合金刀具进行粗加工,会加快、加大刀具磨损,产生粗糙的加工表面,如果在半精加工和精加工中不能去除粗糙表面上的凹凸,模具精度就得不到保障。如果从粗加工开始就采用CBN刀具,就能制造出高精度模具。
与涂层硬质合金立铣刀相比,CBN立铣刀在耐磨性能上具有压倒性优势,可在高速条件下加工高硬度、高精度模具,能大幅度提高加工效率,同时获得优质加工表面,从而可以大幅度缩短后续精磨时间,使高性能、高硬度的粉末高速钢也能实现高效加工。
综上所述,使用超级ZX涂层刀具能够实现钢、不锈钢、铸铁等的高速干式铣削加工;使用SUMIBORON BNC100/BNC160和精密模具立铣刀能够实现淬硬钢的高速切削加工、高精度切削加工。这些新技术、新产品的应用可降低功率消耗、减少工业污染,为节能减排、保护环境和降低生产成本作出贡献。
本文作者:廖先富(编译)
原载:《工具展望》2009年第6期
上载于:2012-5-17 13:13:06

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