切削难加工材料的解决方案——PCD和CBN刀具
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聚晶金刚石(PCD)刀具和立方氮化硼(CBN)刀具为难加工材料的切削难题提供了解决方案。不同设计的CBN刀具被用于对淬硬黑色金属进行连续或断续切削,以及切削加工焊接金属和复合金属。而PCD刀具被广泛应用于铣削有色金属、复合材料、塑料以及极其难加工的超级合金。
聚晶金刚石(PCD)刀具和立方氮化硼(CBN)刀具为难加工材料的切削难题提供了解决方案。对切削刀具材料中这两种先进概念刀具的加工挑战已尽人皆知。不同设计的CBN刀具被用于对淬硬黑色金属进行连续或断续切削,以及切削加工焊接金属和复合金属。而PCD刀具被广泛应用于铣削有色金属、复合材料、塑料以及极其难加工的超级合金。
选择恰当的刀具材料取决于对以下各种因素的综合考虑:金属的硬度或材料的种类;切削加工的性质(连续切削、轻载或重载断续切削)以及采用的加工工艺(如单点车削或铣削)。其他一些加工工艺(如钻削、铰削和切断加工)也可以通过正确应用刀具技术而获益。
PCD复合片是在高温高压下利用金属基粘结剂对金刚石颗粒进行烧结而生产出来的。PCD刀尖可通过放电加工或激光进行切割,并焊接到硬质合金或钢基体上,然后通过刃磨形成PCD刀具,这种刀具在高速加工有色金属(如铝)以及高磨蚀性合成材料和塑料时特别有效。
立方氮化硼(CBN或PCBN)是一种人工合成材料,其硬度仅次于金刚石,具有良好的高温稳定性(在加工淬硬黑色金属和超级合金材料时,会产生很高的温度)。CBN刀片被广泛应用于硬材料(如铸铁)的车削加工,由于具有更高韧性的CBN牌号以及专用刀柄的开发,CBN刀片也被应用于铣削加工。可替代磨削的硬车削加工得益于机床技术的进步,尤其是CNC车削中心刚性和功率的提高。
山特维克可乐满公司已确定了持续开发CBN和采用金刚石刀尖的金属切削刀具的目标,这要归功于对Diamond Innovations(DI)公司的收购以及其母公司山特维克工具集团(Sandvik Tooling Group)。山特维克美国公司总裁Rick Askin解释说,此次收购就是考虑通过将DI公司在CBN和PCD领域的专业技术与山特维克可乐满在硬质合金刀具和材料界面领域的专业技术和研究成果结合起来,开发新型刀具。
DI公司是一家开发工业用人工合成金刚石的著名先驱企业。人工合成金刚石是生产PCD和CBN产品的基础材料。除了金属切削刀具以外,人工合成金刚石还可用于磨削、凿岩、金属拉丝模、抛光以及其它需要超硬材料工具的应用领域。
Askin解释说,从切削加工的观点来看,在采用PCD或CBN刀尖作为切削刃的刀具中,约有95%是以硬质合金作为基底的。有许多属性会影响刀具的性能,一方面是PCD或CBN的性能,另一方面是硬质合金的性能,此外还有PCD与硬质合金界面的性能。这就给予我们一个巨大的机遇,可利用我们在硬质合金、金刚石技术以及控制金刚石与硬质合金间界面等方面的专业技术来开发金刚石刀具。

图1 用山特维克可乐满的CBN刀具进行硬车削
山特维克可乐满公司的材料牌号开发专家Doug Evans介绍说,“随着航空工业和能源工业的快速发展,对材料的要求已经改变了我们开发创新和管理超过25000种产品的方式。对整个制造过程(从生产聚晶金刚石和CBN材料到加工出最终成品)的控制能力使得我们能够为用户提供真正提高了性能的产品。”
DI公司的产品覆盖了广泛的应用领域,其中包括:
  1. 用于磨削加工淬硬工具钢、模具钢、合金钢以及镍基和钴基超级合金的氮化硼CBN;
  2. 用于加工黑色金属(包括珠光体铸铁、铬镍铁合金、淬硬钢、粉末金属、表面硬化合金和超级合金)的BZN复合片刀坯和刀片;
  3. 用于精加工铝、塑料、贵金属、绿色陶瓷、石墨及石墨复合材料,以及用于断续切削陶瓷、粗加工金属基复合硬质合金(MMC)、切削难加工材料(如玻璃纤维、MMC以及木质层压材料)的各种不同牌号的Compax金刚石刀坯(PCD)。
随着CIMtek集团开发的TiroWave系列PCD和CVD刀具引进了三维断屑器和整齐平直的切削刃,采用激光对具有金刚石刀尖的刀具进行加工获得了新的用武之地。CIMtek集团的合伙人Brian Nowicki介绍说,采用激光切割,能在刀片上加工出四种断屑器中的一种。该系列断屑器适用于从精加工到重载粗加工的加工范围。通过对断屑器进行优化,可将切屑分断为通常在加工钢时才能得到的6-9种屑形,甚至在加工最难加工的铝时,也能获得可控的细小切屑。
据称,在加工铝合金时,TiroWave系列PCD刀具的寿命可比常规刀具提高10倍,且该刀具非常适合加工镁合金、所有的黑色金属、复合材料、增强型塑料和采用磨蚀性粘结剂的材料。
采用七轴激光加工技术,位于奥地利因斯布鲁克的Tiro Tool公司还能生产CVD厚膜金刚石刀具。CVD厚膜金刚石可以切割成形并像PCD刀尖那样焊接在刀头上。不同之外在于,CVD厚膜的金刚石纯度为99.9%,而PCD的金刚石纯度为90%。CVD金刚石膜的厚度可达1-2mm,而且是一块整体材料,可以制成所需要的刀具形状。据称,这种新型CVD金刚石材料的硬度比PCD几乎高出50%,因此只能采用Tiro公司的激光技术进行加工。在欧洲的加工验证结果表明,CVD厚膜金刚石刀具的寿命可比PCD刀具提高7倍。该刀具在IMTS展会上被引入美国,适用范围为车削、钻削、铰削和沉孔加工刀具,包括航空工业加工复合材料所需的刀具。
由于采用了激光加工,TiroWave刀具可以获得更规则整齐的表面,无论用于粗加工还是精加工,都可以获得更高的表面光洁度,并能防止切削材料粘结在切削刃上。TiroWave可提供ANSI和ISO标准刀具,包括80°、55°、35°刀片,方形刀片、三角形刀片和圆刀片。该技术也适用于钻头、立铣刀和可转位面铣刀。
伊斯卡公司确定的硬材料包括硬度范围HRC55-68的淬硬钢和冷硬铸铁,这些材料是汽车工业生产轴承和加工模具常用的典型材料。
加工硬材料的难度各不相同,取决于其硬度及硬化层的深度(加工表面硬化材料时),以及工件材料的微观结构。成功的加工来源于工件的刚性和几何形状与机床刚性及其振动阻尼特性的良好结合。
伊斯卡公司先进的刀具材料覆盖了多种加工领域,如采用CBN、陶瓷和亚微米颗粒基体(通常涂覆专用涂层),对硬材料进行各种断续切削(铣削、切断和钻削)和连续切削(车削和螺纹加工)。采用各种刀具几何结构和断屑槽成为提高加工表面质量、延长刀具寿命和提高生产率的必然途径。
伊斯卡公司认为,根据加工经验,如果黑色金属材料的硬度范围在HRC55-68,且硬化层深度大于需要切除材料的深度,采用CBN刀具是最佳选择。伊斯卡公司可以提供5种CBN牌号,以满足广泛的加工需求,其中包括:
  1. 高CBN含量牌号(IB90和IB85):推荐用于高速切削铸铁和断续切削(或粗加工)淬硬钢。在刀具的硬度与磨损率(韧性和承受断续切削引起的冲击载荷的能力)之间,需要平衡兼顾。
  2. 低CBN含量牌号(IB55和IB50):更适合用于半精加工和精加工。刀片刃部的形状决定了在机床和工件刚性的限制范围内所能达到的表面质量。例如,刀片可设计为在ISO标准刀片上焊接CBN刀尖的形式,刀片可分为三角形、菱形、方形和圆形,也可采用伊斯卡的GRIP刀片。

图2 伊斯卡超硬车刀的设计特点是在ISO标准刀片上焊接CBN刀尖
由于多种因素,PCD和CBN刀具的价格都比较昂贵,这一事实要求在考虑一些加工方案时,必须进行认真分析。在设计无人值守的大批量加工(尤其是在要求刀具寿命较长、停机时间较短的汽车工业)时,采用PCD和CBN刀具通常是不错的选择。
三菱材料美国公司的产品专家Chris Wills解释说,该公司开发的“虚拟刀具报告”可用于评估任何刀片(不只是CBN刀片)的成本效率。它主要用于帮助用户评估任意一种刀片的价值,而在评估CBN刀片在降低实际加工成本(它比刀片的初始成本更重要)方面的价值时尤其有用。
Wills说,该公司正在对CBN刀具相对于陶瓷刀具或硬质合金刀具进行加工成本对比和评估。加工范围从高温合金到高硬金属,包括汽车工业对铸铁零件和日益增多的粉末冶金零件的连续和(或)断续切削。对于钢件的加工,则需要采用新的断屑槽,尤其是在自动化加工条件下(如采用棒料输送装置和门架式进料系统),由切屑造成的表面缺陷可能会损害零件的质量。
住友电工硬质合金公司拓展了其BNC系列PCBN刀具牌号,用于高速加工硬度高于HRC45的合金钢,以及加工铸铁和特殊材料。该公司的四种陶瓷涂层牌号采用了三种切削刃处理方式。
住友公司的Rich Maton指出,尽管CBN已是一种比较成熟的刀具材料,但对于PCBN刀具的加工应用来说,涂层、切削刃制备以及断屑槽都非常重要。典型的汽车零件车削加工包括车轴、环、小齿轮、各种驱动轴、轴承盖等类似零件。其它加工对象还包括汽缸体、汽缸盖和模具等。

图3 住友公司的Sumidia DA1000的特点是采用较薄的PCD复合片,经济性较好(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)

图4 用万耐特ValEDGE硬车削系统中的VPC225 CBN刀具车削8620钢轴(表面淬硬层深度为0.64mm,硬度58HRC)
BNC300是住友推出的一种新牌号,它将PCBN基体与金色TiAlN陶瓷涂层相结合,在连续和断续车削淬硬钢时延可长刀具寿命。为了提高强度,所有的刀尖都是单独焊接的。Maton说,切削刃的制备对于PCBN刀具的加工特别关键,我们增加了三种不同的切削刃制备方式(轻度,标准,重度),取决于所选的BNC刀具系列。
BNC系列刀具的覆盖范围从用于精加工和轻度断续切削的高耐磨牌号BNC100,到用于精加工的高抗碎裂牌号BNC300(既可用于连续切削也可用于断续切削)。BNC200牌号推荐用于渗碳感应淬硬轴承钢的中速加工;而BNC160牌号是为要求表面粗糙度值较低(0.406µm)的特殊加工而开发的。
住友公司还推出了具有优异耐磨性和韧性的PCD刀具——Sumidia DA 1000,该牌号采用了NF型复合片,与以前的PCD复合片相比,其切削长度相同,但厚度只有一半。DA 1000牌号将只提供经济型刀尖(PCD复合片较薄),作为一种经济型刀具,可供医疗、航空、农业和汽车等行业加工非铁类零件。
万耐特(Valenite)公司为加工硬度范围HRC45-62的钢和合金而提供的ValEDGE硬材料车削系统包括全系列的CBN和陶瓷刀片。该公司应用工程师Darrell Johnson推荐根据加工条件进行特定的切削刃制备。“由于加工条件各不相同,因此必须对牌号和参数相同的刀具进行不同的切削刃制备试验,以观察是否能提高刀具寿命、减少月牙洼生成乃至改善断屑性能(尽管改善断屑性能的可能性不大)”。该公司提供的CBN刀尖焊接刀具对切削刃进行了轻度钝化,其中既有用于轻载切削和可减小切削力的0.13mm×15°T型刀片,也有用于常规加工的0.13mm×25°刀片。
Lach Diamond公司的Jason Lindsey介绍说,与加工铝合金一样,采用PCD刀具加工复合材料已成为发展最快和最具挑战性的加工工艺。诸如碳纤维、石墨、绿色陶瓷、玻璃纤维,以及更难加工的材料(如凯夫拉尔纤维),都对精密加工提出了挑战。
Lach公司为复合材料的无毛剌切削加工提供了5种采用专利设计的周边铣削立铣刀。该公司的Z型立铣刀是一种用于周边粗铣加工的玉米芯型铣刀,其特点是所有PCD刀尖的分布,其剪切角在直到端齿的全程上都是变化的,该刀具既适用于插铣,也可用于非插铣加工。
Lach公司的金刚石复合片整体式面铣刀和直角铣刀用于铝合金的面铣加工,该刀具无需过多调整即可安装在加工中心上使用。PCD金刚石刀尖被焊接在钢制刀体上,每个刀齿之间都有内冷却孔,刀齿的外圆经精磨后处于同一个切削平面上
用PCD刀具进行加工的关键要素之一是具有锋利的切削刃。英格索尔(Ingersoll)刀具公司的材料经理Robert Sullivan介绍说,实现这一点的基本手段是采用放电加工(EDM)、钎焊和磨削。PCD刀具对于铝合金零件(如汽车发动机垫圈或变速器箱盖)的大批量加工非常有效。此类加工主要关心加工的经济性,因此要考虑换刀及相关的停机时间。英格索尔面铣刀的直径范围为76-381mm,用于加工发动机缸盖、变速箱体,以及加工用于放电加工的石墨电极。
瓦尔特(Walter)美国公司既生产PCD刀具,也生产CBN刀具。该公司的Matthias Goetze表示,CBN刀具在硬车削方面的优势包括较长的刀具寿命、较低的单件成本以及可减少停机时间。该公司的PCD刀具约有90%是非标专用刀具,而CBN刀具中约有80%是标准刀具。
瓦尔特公司为汽车工业(尤其是为低硅铝合金工件的加工)开发了PCD刀具用断屑槽,以便在加工汽车零件(如ABS壳体)以及航空零件时更好地控制切屑。该公司还提供两种不同的PCD刀具,一种用于加工硅含量小于12%的铝合金,另一种用于加工硅含量大于12%的铝合金。2008年,瓦尔特还在美国Waukesha工厂建立了刀具重磨和翻新服务中心,以支持其用户的PCD刀具更换刀尖和重磨。
埃莫克(Emuge)公司提供了采用PCD和CBN切削刃的超硬立铣刀扩展系列。据称,该立铣刀在加工各种材料时,其刀具寿命超过传统硬质合金立铣刀50倍以上,可加工材料包括高磨蚀性的非铁材料,如石墨、高硅铝合金、纤维增强型合成材料、铜合金等。该刀具的特点为采用内冷却设计,以清除粉尘和切屑。埃莫克的PCD和CBN立铣刀采用常用的球头、环面和平头设计,尺寸从4mm到12mm。
山高(Seco)刀具公司认为,铣削是一种加工条件恶劣的加工方式,常常涉及大量的断续切削。因此,必须合理选择用于铣削的PCBN牌号。典型的加工包括铣削灰铸铁(如汽车发动机的缸体、缸盖、箱体等)以及某些工具钢。

图5 用PCBN刀具进行铣削加工(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)
山高公司选择PCBN铣削刀具的原则是:PCBN刀片的主要性能——韧性、耐磨性和热硬性——取决于晶粒尺寸、CBN含量和结合剂。车削刀片与铣削刀片的主要区别在于晶粒尺寸。为了提高韧性,用于铣削的PCBN刀片通常应具有较小的晶粒尺寸。同时,晶粒尺寸、CBN含量和结合剂必须保持平衡,以保持刀片较好的耐磨性和热硬性。
山高公司的铣刀片可用于许多为PCBN专门设计的面铣刀和方肩铣刀。这些负角铣刀采用了直径63.5-203mm的整体PCBN刀片。方形和圆形刀片用于面铣刀,而三角形刀片用于方肩铣刀。对于那些必须保持较低刀具压力以及不能使用负角刀片的加工,山高还有采用整体或整面正角刀片的正角铣刀。这些刀片只有一面可以使用。通过使用近整体刀片,可使每个刀片的切削刃数量最大化。整体PCBN圆刀片用于面铣精加工时,每一边至少有15个切削刃可用于切削。
在方肩或类方肩铣削加工中,可采用整体式三角形或方形刀片,每个刀片可用的切削刃分别为6个和8个。
应遵循三个基本要求:①用PCBN刀片铣削时,总是采用干切削,因为PCBN是一种脆性材料,当刀片切入和切出时,如果采用冷却液将促使PCBN刀片产生热裂纹。②总是采用常规铣削方式,这样当刀片切入时,可以减小作用于刀片上的冲击载荷,从而将切削刃崩刃的风险降至最低。③与车削加工相比,可将切削速度提高10%-50%,以对断续切削的影响进行补偿。
本文作者:胡红兵(译)
原载:《工具展望》2009年第2期
上载于:2010-12-20 10:47:27

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