采用CBN刀具切削加工烧结合金
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根据烧结体中CBN含量的多少,CBN刀具大致可分为两大类:一类CBN颗粒含量较少,且分散在结合剂中,主要用于高硬度钢的切削。三菱材料公司的MB8025、MB825牌号和涂层CBN牌号MBC020、MBC010等都属于这一类。另一类CBN颗粒之间结合较紧密,多用于烧结合金的切削。
CBN刀具是在刀尖部位使用立方氮化硼(CBN)烧结体的刀具。这种烧结体是由硬度仅次于金刚石的CBN粉末、陶瓷和金属结合剂制成。CBN不仅硬度很高,而且对铁族金属的化学反应极低,因此被广泛应用于高硬度钢、烧结合金、铸铁等材料的加工。
根据烧结体中CBN含量的多少,CBN刀具大致可分为两大类:一类CBN颗粒含量较少,且分散在结合剂中,主要用于高硬度钢的切削。三菱材料公司的MB8025、MB825牌号和涂层CBN牌号MBC020、MBC010等都属于这一类。另一类CBN颗粒之间结合较紧密,多用于烧结合金的切削。三菱材料公司的MB730即属此类。图1所示为这两类CBN烧结体的组织结构,其黑色部分就是CBN颗粒。
(a) MB8025(b) MB730
图1 CBN烧结体的组织结构
表1 烧结合金的材质
MPLF
规格
密度
(g/cm3)
硬度
(HRB)
拉伸强度
(N/mm2)
JMPA
规格
成分
FC-02086.650以上400以上SMF4040Fe-Cu-C系
FD-40807.180以上60O以上-Fe-Cu-Ni-MO-C系
 
 部位密度
(g/cm3)
硬度
(HRB)
拉压强度
(MPa)
导热率
(W/mK)
热膨胀率
(×10-6/K)
处理类型
阀座材料座体材料6.7~7.085~105<58818132层硬质颗粒分散型
外层材料-70-100<5881914
所谓烧结合金,是指采用粉末冶金方法制造的合金材料。粉末冶金法主要用于高温合金和硬质合金的制造。不过近年来,由于净成形技术的采用,降低了加工成本,增大了材料设计的自由度,并使材料的耐磨性、强度等各种机械性能进一步提高,因此粉末冶金法也被广泛用于汽车、家电、积器等零部件的制造。本文介绍的烧结合金材料的特性见表1。

加工方式:Ø44×15mm外圆连续切削:切削刀具:CNMA1204O8:切削用量:vc=190m/min, f=0.15mm/r,冷却状况:湿切削
图2 用CBN刀具切削机械零部件用烧结合金(1)

加工条件:同图2
图3 用cBN 刀具切削机械零部件用烧结合金(2)

加工机床:NC25S数控车床:刀具形状:TPCX160304:切削用量vc=166.0m/min,fr=0.15mm/r, ap=0.25mm:冷却液:无氯乳化液PFE397
图4 阀座材料的切槽加工铁系烧结合金的加工

铁系烧结合金的加工

烧结合金机械零部件的使用量每年郡在增加,日本国内产值已经达到1200亿日元。其用途因产业不同而各异,以汽车为代表的运输机械的使用量占到92% ,据说每辆日本汽车使用的烧结合金机械零部件重达8.7kg。主要用于机械零部件的F-Cu-C系烧结合金具有良好的切削性能,可采用硬质合金、金属陶瓷及CBN等刀具材料加工。图2为切削性能良好的F-Cu-C系烧结合金(MPIF规格:FC-0208)的切削评价结果。为了与新开发的CBN刀具产品进行对比,使用了金属陶瓷刀具材料NX2525。评价结果表明,与金属陶瓷相比,CBN的耐磨性能更好。但是,CBN刀具的单价高于金属陶瓷刀具。因此,在此类加工中,有必要综合考虑价格、寿命和加工效率。
近年来,为了改善机器特性,通过热处理、高密度化或添加元素等方式制成的烧结合金材料使用量有增加的趋势,而且这些烧结合金的切削性能越来越差。CBN刀具对于切削加工此类材质十分有效。图3为添加了元素的F-Cu-C-Ni-Mo系烧结合金(MPIF规格:FD-0208)的切削性能评价结果。在加工这种烧结合金时,金属陶瓷刀具材料NX2525与CBN刀具材料的耐磨损性差距显著,即使考虑了两种刀具的价格差异,CBN刀具也更具优势。
不同CBN刀具材料的比较结果表明,刀尖CBN含量较高的MB730比MB825加工效果更好。此外,MB730的刃口保持性良好,适合采用锋利刀尖,在切削加工烧结合金时,可有效抑制毛刺的产生,而毛刺常常成为缩短刀具寿命的原因。

阀座环的加工

阀座环主要用于汽车及船舶发动机的阀座,要求具有耐热性、耐磨耗性以及自润滑性。为了满足这些使用要求,需要在基材中分布更多硬质颗粒。因此,与常规烧结合金相比,其可切削性更差。阀座环的加工方法有切槽加工和横向切削,它们对刀尖的性能要求各不相同。从加工形态来看,切槽加工适合采用耐磨性好、抗崩韧性强的CBN刀具材质;而横向切削觅置合采用耐磨耗性好的CBN刀具材质。
表2 适合加工阀座材料的CBN材质
硬质颗粒含量无/少
被加工材料硬度(HV)
150250300350
切槽加工
MB730MB825MB835
横向切削
MB730MB710MB825
考虑到加工效率,切槽加工方法要优于横向切削方法。切槽加工时,CBN含量较高的刀具适合加工硬质颗粒较少、硬度在Hv250 以下的被加工材料;而对于硬度超过HV250、硬质颗粒较多的被加工材料,则选用抗崩刃性能好的MB825刀具牌号较为适合,因为它所包含的CBN颗粒较细,并使用了比一般TiN结合剂更硬的TiC结合剂。而对于硬度更高(HV300以上)阀座材料的切槽加工,则适合采用以高强度CBN材质制成的MB835牌号。
图4为用CBN刀具对硬质颗粒分散型烧结合金进行切槽加工的结果。可见,与加工机械零部件用烧结合金时相反,CBN含量较少的MB825比MB730耐磨损性能更好。表2总结了适合加工阀座材料的CBN材质。
不同用途的烧结合金其种类也各不相同。随着工件材料机械性能的提高,其可切削性越来越差,CBN刀具的使用率也随之增加。但是,根据烧结合金的种类合理选用CBN刀具材质,对于提高加工效率和工件质量至关重要。
本文作者:黄宁秋(编译)
原载:《工具展望》2009年第5期
上载于:2011-8-30 20:06:09

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