PCBN刀具的发展性能及应用
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摘要:从材料性能角度介绍PCBN刀具的特点厦应用领域,并介绍最新的PCBN刀具多媒体数据库咨询管理系统。

一、引言

聚晶立方氮化硼(PCBN/Polycrytalline Cubic BoronNitride)是1970年出现的新型高性能超硬刀具材料,经过20多年的开发,发达国家在难加工材料加工、汽车制造、自动化生产线等方面PCBN刀具的使用量已达到了相当的比例。由于PCBN刀具在加工精度、切削效率、刀具寿命等各个方面具有无可比拟的优越性,因此,PCBN刀具的推广应用可创造巨大的经济效益。
我国于1967年合成出立方氮化硼样品,1975年开始工业生产。
1973年11月四川省立方氮化硼协作组以立方氮化硼单晶作原料研制出我国第一代(直径为Ø2.5~Ø4mm)整体聚晶立方氮化硼刀具。成都工具研究所又于1976~1978年研制成功立方氮化硼聚晶刀具LDP-J-C Ⅰ型(直径为Ø6~Ø7mm),同时也研制成功立方氮化硼复合聚晶刀具LDP-J-CF Ⅰ型(直径为Ø6~Ø8mm);1981~1982年又制成立方氮化硼聚晶刀具LDP-J-CⅡ型(直径为Ø10mm)及立方氮化硼复合聚晶刀具LDP-J-CⅡ型(直径为Ø10mm)。
贵州第六砂轮厂于1983年制成DLS-F系列牌号PCBN复合刀片,于1984年通过鉴定。该厂有DLS-F1、DLS-F2、DLS-F3三种材质牌号复合刀片分别适用于加工淬硬钢、铸铁和耐热台金。
郑州磨料磨具磨削研究所于1987年生产的PCBN复合刀片LFD25、LF010、LF005分别用于粗、精、超精加工。
冶金部桂林矿产地质研究院超硬材料研究所和北京钢铁学院研制成功LBN-Y牌号系列复合刀片。
此外,国内还有新亚公司、冶金部超硬材料研究所等单位研制生产PCBN复合片。

二、PCBN刀具的切削性能


表1 立方氮化硼与人造金刚石性能比较
材料性能立方氮化硼人造金刚石单位
组成元素BNC-
晶格常数3.6153.567Å
密度3.483.515g/cm3
热膨胀率3.50.9×106/℃
热稳定性1400(1300)700℃(在空气中)
硬度(HV)8000~900010000kg/mm2
与铁族化学情性-
1)奴拔硬度 2)维氏硬度
图1 各种材料的硬度比较

图2 高温下PCBN刀具的硬度

图3 PCBN刀具的导热系数

图4 ap-HRC变化时的切削温度曲面

1.CBN的性能

立方氮化硼CBN是氮化硼BN的同素异构体之一,结构与金刚石相似。二者性能比较如表1所示。
立方氮化硼的硬度虽略次于金刚石,但却远远高于其他高硬度材料,如图1所示。

2.PCBN刀具的切削性能

  1. 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徽粉的显微硬度为HV8000~9000,其烧结体PCBN的硬度一般为HV3000~5000。在切削耐磨材料时其耐磨性为硬质合金刀具的50倍,为涂层硬质合金刀具的30倍,为陶瓷刀具的25倍。
  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,如图2所示。因此PCBN刀具可用比硬质合金刀具高3~5倍的速度高速切削高温合金和淬硬钢。
  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,因此PCBN刀具特别适合加工钢铁材料。
  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,导热系数为1300W/(m·℃),是紫铜的3.2倍,是硬质合金的20倍,立方氮化硼与陶瓷的导热系数的比率为37.1(1300:35),热扩散率比值为65.5(74.7:1.14),而且随着温度的升高,PCBN导热系数是增加的,而氧化铝的导热系数是降低的,如图3所示。PCBN刀具导热系数高可使刀尖处
本文作者:哈尔滨理工大学 刘献礼 肖露 严复钢 任红丽
原载:《现代制造工程》(原机械工艺师)2002年第1期
上载于:2009-9-9 9:40:17

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