特殊牌号PCBN刀具的发展
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可乐满的CB7015 PCBN刀具
工件材料和制造过程的发展推动了刀具的发展。聚晶立方氮化硼(PCBN)刀具的发展就是一个很好的例子。今天的PCBN比起早期的那些坚硬但缺乏足够韧性的牌号,能满足更加广泛的应用要求。先进的制造方法使工具厂能够根据特殊工件材料或特殊的加工过程(如淬硬钢的间断车削等),有针对性地开发出新的PCBN牌号。由于PCBN刀具具有广泛适用的性能,从而推动了它的发展。据统计,在过去的五年中,其用量翻了一倍。

成分按使用条件而定

最早合成立方氮化硼是在1950年末,是从六方氮化硼经过高温、高压过程而制造的。当时,只知道比CBN更硬的材料是金刚石。
PCBN是用聚晶立方氮化硼粉末掺入金属的或陶瓷的结合剂,如铝、氧化铝、碳化钛或氮化钛,经过烧结而合成的,再制成金属切削刀具。CBN的含量与晶粒大小都会影响PCBN的性能。一般来说,CBN粉末浓度越高,刀具耐磨性和抗压强度就越高,颗粒尺寸减小,刃口质量改善。
De Beers工业金刚石生产的PCBN牌号中CBN含量占体积的45%~90%,粗晶粒刀具的颗粒尺寸为8μm的粉末,细晶粒刀具为亚微细颗粒粉末。切削刃的稳定性和质量会因颗粒减小而有所改善。
CBN具有良好的导热性,所以增加CBN的含量,可使刀具从切削区传出的热量增加。所以PCBN刀具特别适合于淬硬车削加工。
应用于重负荷粗加工时,切削生成的热量能软化工件表层,使得它较容易加工。CBN含量较高的PCBN刀具,具有很好的韧性和耐磨性,很适合这种恶劣的加工条件。但这种牌号一般不推荐用于精加工。因切深很浅时,不会产生足以软化工作表面的热量。
另一方面,CBN含量低的PCBN刀具导热系数较小,可使大量的切削热留在工件中,这些热量软化了刀尖处的工件材料,减少了切除金属所需的能量(De Beers称为“自生热切削”)。因此,CBN含量较低的PCBN刀具,推荐用于精加工淬硬的黑色金属材料。
至于PCBN刀具所采用的粘结剂的成分,一般要根据切削时的温度和具体情况而定。例如,铝粘结剂能使刀具耐高温,但它会增加刀具的脆性,使其不适合于间断切削。相反,采用TiN粘结剂能使刀具具有间断切削所必须的抗压强度。
De Beers公司新开发的一种低含量(体积的45%)牌号DBN45,专门用于间断切削。它是由亚微细颗粒粉末制成,既保持了刃口质量,同时它的TiN粘结剂又提供了抗压强度。De Beers推出这个牌号是为了解决淬硬钢的精加工的需要。用该牌号精加工硬度为60HRC的D3工具钢时,可采用120m/min的切削速度、1mm/r的进给量、2mm的切削深度。
PCBN的发展正在出现两大趋势:一是以提高生产率为目的,针对很窄范围的工件材料研制的特殊牌号,其缺点是增加了刀具和制造费用,又使本已复杂的生产过程增加了新的变量;另一个是研制适应范围更广的牌号,使它能适应的材料更多,应用更广泛。这样的刀具对工具厂来讲,简化了制造过程。对使用者来说,由于选择了这种最好的PCBN刀具,使用则更加方便。

PCBN刀具的结构

PCBN材料可制成不同的结构形式。包括整体PCBN刀片、硬质合金承托的、全前面PCBN刀片和焊有大大小小PCBN刀尖的硬质合金刀片。
整体PCBN刀片的刃口质量能得到保证,耐冲击,并有多条切削刃。但价格贵,不太适合所有的刀体。
全前面PCBN刀片用碳化钨硬质合金支承,它能适应多数标准刀体。焊有PCBN刀尖的硬质合金刀片比较经济,每个刀片上可有一个或多个PCBN刀尖。最近,推出了“小尖”刀片,其价格不是很贵,可以考虑用后舍弃、不再重磨。
但是带有“小尖”刀片的刀具,不能像“大尖”刀具那样采用大的切削深度。当用标准刀尖的刀片,切深可达1.5mm。“小尖”刀片的切深通常限制在0.38mm范围内。
对焊接PCBN刀尖的刀具,采用的切深超过极限时,就更应注意刃口质量。过热可能削弱焊缝,引发刀具损坏。
Sumitomo Electric Carbide公司技术总监Rizwan Hasan说:“公司用于间断切削的新牌号BN×25刀片,在焊接刀尖的刃口质量保证方面取得很大进步。它的PCBN刀尖是直接焊到硬质合金刀片上,而不是像其它焊有PCBN刀尖的刀具那样焊在硬质合金垫片上。

肯纳的CVD涂层PCBN刀具

刃口钝化与涂层

PCBN刀具坚硬而又相对较脆的刀刃易受切屑的影响,所以厂家很少生产很锋利的刀片。为了延长刀具寿命和改善工件质量,刀片刃口都经过了各种各样的钝化处理,如珩磨、磨出刃带或倒棱,或者倒棱与珩磨相结合。珩磨的目的是将切削刃珩圆(宽度大约0.025mm),从而去除刃口上的极小缺口,减少崩刃。但是,在与倒棱角度相同的情况下它不增加刀刃的强度,珩磨对于小切深、慢进给的精加工刀具有很好的效果。
刃带和倒棱是在刀刃上以一定角度修出的平面。倒棱宽度通常在0.1~0.2mm,角度在15°~25°之间。在车削中产生的径向和切向切削力,会受倒棱的直接影响。倒棱宽度较宽或角度较大时,刃口就更坚固。
倒棱与珩磨相结合可以最大限度地保护刃口并在粗车时收到很好的效果,这里存在一个二者兼顾的值。由于刃口的钝化使切削力增大,切削时部分剪切作用被挤压所取代。刀具制造商推荐用较小的刃口钝化,只要足以保护刃口即可。
另外,有些工具制造厂商可提供一种PCBN刮光刀片,这是一种装在刀尖后面的一条平的刀刃,用来提高零件表面质量。在选用推荐的进给量时,表面粗糙度比标准刀尖小一倍。在进给量提高一倍的情况下,用刮光刀片加工,其表面粗糙度仍能达到标准刀尖所推荐的进给量的水平。
刀片的形状对性能也有影响,如刀尖角就明显地影响切削区的热量控制。Dontu说:“刀尖越小,刀具的体积也就越小,从切削区传出的热量也就越小。”只有当加工材料依靠切削热,使零件局部软化以促进切削作用时,刀具传出热量少(如采用小刀尖角)才是有利的。
然而对另一些材料(如镍基合金),太多的热量可能会使零件变形。Dontu推荐一种韧性的镍基合金(Rene)的加工方法,它并不需要珩磨出较宽刃带强化刀具。实际上,这是一种粘性的、并有很高的变形硬化倾向的材料。加工这种材料时,应使用很锋利的刀刃,并注意使切削力离开工件表面,这样就不会产生变形硬化。Dontu认为,当确定采用PCBN刀具时,其刀具应根据使用情况定制。
刀片后面过度磨损将会导致被加工零件尺寸失控,所以在使用中应考虑给定刀片的一个磨损极限。为防止刀具后面磨损和缺口磨损,延长其刀具的使用寿命,保证被加工工件的表面质量,Sumitomo公司提供了两种涂层PCBN刀具:一种是采用TiAlN多涂层的BN200牌号,它可控制刀具后面磨损;另一种是采用TiN涂层的BNC80牌号,它可控制刀具缺口磨损。

用淬硬车削代替磨削

Clapp Dico公司的地区销售代表Chad Heffinger强调了PCBN刀具应用的技术复杂性,正是这种复杂性使刀具的制造成本较高。在许多场合,如果不考虑多种因素的影响,很难解释PCBN刀具成本高的原因,除非把多种因素(包括刀具成分、刃口钝化、切削速度和进给量等),按特殊的工件材料进行调整,否则难以解释。一旦开始使用,就会发现极大地节省了加工费用,特别是以淬硬车削替代磨削加工时效果更加明显。统计报告表明,当用淬硬车削代替磨削时,加工时间普遍减少60%或更多。
通常淬硬车削的表面质量能够达到磨削加工的水平。很多工序采用磨削,规定表面粗糙度要达到16rms或更好(rms表示为均方根值)。要想达到这个数值,采用PCBN刀具加工是不难达到的,不用做太多的试验,其表面粗糙度就可达16rms以下,如果再结合切削速度、进给量调整及使用刮光刀片,被加工工件的表面粗糙度还可达到8~12rms范围内。
当加工零件外径或孔径允差要求较严(比0.005mm还小),磨削还是有它的优势。至于陶瓷刀具,在淬硬车削中也在应用。不过,采用PCBN可能是最好的选择。PCBN的优点是:加工出的表面光洁,尺寸公差可以得到控制。而陶瓷刀具的刃口磨损后,必须通过补偿来进行及时调整,以保持尺寸不变。若用PCBN刀具,工件尺寸则能维持很长时间保持不变。
用PCBN刀具加工出的工件,其粗糙度可达8rms,当然要想达到上述的精度,还必须保证工件及刀片的夹紧牢靠,机床具有足够的刚度,不过5~10rms左右是能达到的,特别是采用刮光刀片和刀片刃口经过适当的处理之后,其精度更易保证。
欧洲采用高速淬硬车削比北美要多。该公司开发了专用于高速淬硬车削的CBN牌号,似乎在欧洲比美国更容易接受这些产品。
根据工件材料的不同,典型的淬硬车削所采用的切削速度在90~120m/min之间,而有些PCBN刀具产品在理想的条件下,切削速度可达240m/min或更高。为高速加工设计的PCBN牌号,其CBN含量较低,加入像钽或碳化钛之后,可增加其化学稳定性。这些物质能使在高速加工时所产生的热量,对化学反应的促进作用最小。为提高稳定的加工性能,Toshiba公司开发出高速加工用的PCBN刀具最新牌号——BX310,它是由中等CBN颗粒与耐热陶瓷粘结剂烧结而成。用该刀具切削淬硬钢时,具有很好耐磨性和化学稳定性。
为提高与欧洲的竞争力,在北美,正在提高机床的现代化程度,使其PCBN刀具的应用也随之扩大。就如以前开始使用硬质合金刀具代替高速钢刀具那样,用户不太愿意把切削速度提高到硬质合金刀具所能达到的切削速度。如果现在使用PCBN刀具采取硬质合金刀具所用的切削速度就不会收到好的加工效果。有人说,PCBN刀具车削淬硬钢虽然比硬质合金刀具好,但其价格要贵五倍。可是如果把PCBN刀具的切削速度提高3倍的话,将会增加百倍的产出。
机床制造厂商Wasino公司的报告指出,淬硬车削中所产生的切削力比正常车削要高1.5~2倍。Wasino公司应用部经理Rich Miller认为,较大的机床刚性和较高的精度是必要的,但机床的功率一般不要求太高,因粗加工都是淬硬前进行,淬硬车削时,工件只有很小的精加工余量。因此,精加工对功率的要求相对较低。为了使加工精度接近于磨削,Rich Miller建议在用PCBN刀具进行精加工之前先进行预切削,也就是在零件表面预先切出一层外皮,在第二次走刀时就可把尺寸控制在允差之内。
与很多金属切削工序一样,目前用PCBN刀具进行淬硬车削,还没有严格的规律可循。在一个工件或工序上认为好的,在另一种情况下可能就不适合。但是,随着PCBN材料品种的增多,人们更容易选择淬硬车削的加工方式。
本文作者:张铁铭
原载:《工具展望》2004年第1期
上载于:2007-4-14 14:42:12

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