PCD聚晶金刚石刀具;CVD金刚石膜刀具(物理涂层)VD物理涂层金刚石刀具CBN聚晶立方氮化硼刀具;以下详细介绍来自网络(仅供参考):9 i' W+ P( ~7 o# a+ g1 I( C8 r
超 硬 刀 具 | 一、 概述: S7 t9 e. l2 X, H& \4 U7 s6 ~$ r0 ~
超硬刀具材料是指比陶瓷材料更硬的刀具材料。包括:单晶金刚石、聚晶金刚石(PCD)、聚晶立方氮化硼(PCBN)和CVD金刚石等。超硬刀具主要是以金刚石和立方氮化硼为材料制作的刀具,其中以人造金刚石复合片(PCD)刀具及立方氮化硼复合片(PCBN)刀具占主导地位。许多切削加工概念,如绿色加工、以车代磨、以铣代磨、硬态加工、高速切削、干式切削等都因超硬刀具的应用而起,故超硬刀具已成为切削加工中不可缺少的重要手段。随着科技的进步,制造业的高速发展,CNC加工技术的迅猛发展以及数控机床的普遍使用,超硬刀具的生产及应用也越来越广泛。PCD和PCBN刀具已广泛应用于机械加工的各个行业,如汽车零部件的切削加工,强化木地板的 加工等,极大地促进了切削加工及先进制造技术的飞速发展。
* }0 y* w" ~% W二、切削材料及超硬材料发展史5 B+ H: D6 e1 D# r) Y4 A7 e
2 C4 O" W" Y( q
* R3 c7 e6 `/ N0 \! R8 }+ a/ E) V+ a6 D; S. ^2 a0 Y
& ?3 I; m! O! ]2 l0 ~ 时间 | 超硬材料 | 公司 | 方法 | 指标 | 用途 | 1955 | 人造金刚石 | GE | 高温高压 |
$ ^: F# H; n3 x: {' N6 L- c | 磨料 | 1957 | 立方氮化硼 | GE | 高温高压 | + W. H& z( N, j( w1 S& g
| 磨料 | 1977 | PCD,PCBN | GE | 高温高压 |
' l4 |, V0 o/ H2 S. Q5 E | 刀具 | 1995 | 人造单晶金刚石 | ( Y8 H) [# e3 X& i* Q$ l
| " k6 H' H- d# G* p4 d4 U8 {
| 5MM | 刀具 |
, o# o6 l$ B8 c5 v | 人造单晶CBN | 4 b1 G, M* x3 `. L9 K
|
; d% P, i! ?: t |
' E! \5 p8 K4 n3 o+ b | 刀具 | 5 a( a! w! T$ C- P. p
| 类金刚石膜 | 1 ^# F/ J, B. Y% r1 f
| 6 G+ ?5 |3 y5 Z& n1 ~
| ( I, H# m7 i' T* m/ y7 N) f
| 刀具 |
" [/ M9 w. [( u; f | 金刚石薄膜 | 3 `3 T+ K. a- ~: z
| CVD |
) ]8 M' `$ m" k' U* K | 刀具 |
" p b/ c: B) B7 |) V5 ~; _. q | 金刚石厚膜 |
7 T9 x! m2 S m# K8 |- Y | CVD | 2.3MM | 刀具 | 三、金刚石、超硬材料的特性与作用& [% a# D0 T# ?, `
众所周知,金刚石材料的成分是碳,金刚石与铁系有亲和力,切削过程中,金刚石的导热性优越,散热快,但是要注意切削热不宜高于700度,否则会发生石墨化现象,工具会很快磨损。因为金刚石在高温下和W、Ta、Ti、Zr、Fe、Ni、Co、Mn、Cr、Pt等会发生反应,与黑色金属(铁碳合金)在加工中会发生化学磨损,所以,金刚石不能用于加工黑色金属只能用在有色金属和非金属材料上,而CBN即使在1000oC的高温下,切削黑色金属也完全能胜任。已成为未来难加工材料的主要切削工具材料。一般超硬材料指的是人造金刚石、人造CBN。这两种材料的同时存在,起到了互补的作用、可以覆盖当前与今后发展的各种新型材料的加工,对整个切削加工领域极为有利。 + a2 ?# e* S B. E' _
1.PCD+ u/ i4 y( W# k
金刚石烧结体(PCD)的出现,在许多方面代替了天然单晶金刚石。PCD与天然金刚石比较,价格便宜,且刃磨远比天然金刚石方便,所以其应用、推广特别迅速。在大量涌现的新材料中,大部分都是难加工材料,如高硅铝合金,汽车发动机的活塞大量采用这种材料。一般,含硅量低于10%的铝合金,用硬质合金切削工具即可,但含硅量超过10%,就只能借助PCD。当前采用的高硅铝合金含硅量均在12%以上,有的已达18%以上,所以非PCD莫属。$ K3 i+ `8 C S7 S& x# s9 `
但是,由于PCD的种类很多,有合理选择的必要。其粒度、浓度等都会影响到硬度、耐磨性等性能。因此,在应用中也必须根据被加工材料的种类。硬度等特性来考虑合理的各种参数。PCD在国内外的生产已十分普及,但是质量有较大的差异,因此在价格上出入很大。
; L. |: p4 r8 q+ E2.PCBN. d$ u g6 V$ \ w
立方氮化硼烧结体(PCBN)是CBN颗粒与结合剂一起烧结而成,硬度仅次于金刚石,与黑色金属无亲和力。但是,PCBN不适于切削一般的钢件。PCBN刀具材料性能如下:
! ^4 E: Q8 l4 }" N& X6 J (1) 具有较高的硬度和耐磨性。
6 w7 z- H" O' S. [3 I 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微粉的显微影度为HV8000-9000,其烧结体PCBN的硬度为HV3000-5000。
" H9 w2 l5 U/ U% D8 {% S6 p6 g (2) 具有很高的热稳定性。3 q+ d' d) @" f8 P0 Q) w& D
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。% f2 S% C, U3 O
(3) 具有优良的化学稳定性。
! h9 K: o/ y( w3 {" Z0 I2 g2 u 由于PCBN耐高温,在大气和水蒸气中,在900℃以下无任何变化 且稳定,甚至在1300℃时,和Fe、Ni、Co等也几乎没有反应,更不会像金刚石那样急剧磨损,这时它仍能保持硬质合金的硬度,因此,它不仅能切削淬火过的钢零件或冷硬铸铁,而且能被广泛应用于高速或超高速的切削工作上。 ' n2 \" j. m4 [
(4) 具有较好的导热性。
; m1 w2 _3 G1 q3 `. z 在各类刀具材料中,CBN的导热性仅次于金刚石,大大高于硬质合金,而且随着温度的升高,PCBN的导热系数是增加的。/ }5 p/ q2 @! r
(5) 具有较好的摩擦系数。" Z+ u& n* G) t6 P
与不同材料间的摩擦系数CBN为0.1-0.3,硬质合金为0.4-0.6,随着切削速度的提高, 摩擦系数是减小的。
4 M% X4 N# w* l. K: ^. h2 M ; m! x. ]! U6 e+ s
3.超硬材料涂层切削工具+ k' e& g3 c7 Y- S2 z
CVD、PVD等技术的出现,是切削工具领域中的一次重大的革命。它的出现立即引起了机械制造领域的巨大反响,理想的切削工具应当是既有硬的表面,又有高的韧性,涂层技术便达到了这个目标。! k* }- t, o% w1 ~3 ?2 a, n! f/ G
最早的涂层材料都是陶瓷性质的物质,如TiN、TiC、Al2O3等,近年来,涂层技术又有了很大的发展。超硬材料涂层正在得到全面应用,许多产品相继出现在市场上。超硬材料涂层的发展,使整个现有的切削工具的性能都明显得到了提高,面对当前大量涌现的难加工材料,这些新发展的涂层技术将有巨大的适应能力,前景相当喜人?br> 超硬材料涂层的种类共有三大类,即类金刚石、金刚石和CBN。这些涂层材料均为纯金刚石或纯CBN,所以硬度与沉积的材料是相同的,和PCD与PCBN相比,因不含结合剂,所以硬度、耐磨性等均有较大的提高。
, B# p) c! d2 v& @3 @; e7 i* j 金刚石涂层和CBN涂层的性能与原材料是相同的,只是薄膜而已,使用时与陶瓷涂层类同。
! T+ }6 X" O- v0 r s2 V! k& n; [2 S4.厚膜金刚石( r0 R5 [! E1 |! b. E' P- N
金刚石薄膜的合成技术和应用研究在全球范围发展极为迅速,形成了"金刚石薄膜热"。在这十多年内,气相合成的方法发展到二十多种,一般沉积的速度每小时只1~2um,如何加快沉积速度一直是人们研究的课题。在近期沉积速度发展到了100um/h以上,最高达到930um/h。我们称之为厚膜金刚石。厚膜金刚石是纯金刚石,其硬度接近天然金刚石,而PCD、PCDN是金刚石粉与结合剂混合在一起烧结而成,因此硬度受到结合剂的影响,其硬度不如前者。我国已成功地掌握了这门技术,最大的沉积厚度达到了2.3mm。现在已商品化,进入了国际先进行列。- @5 V% S& Z2 f
厚膜金刚石不同于PCD之处是没有结合剂,是纯金刚石,所以它的硬度高得多,与天然金刚石不同,它具有各向同性,成本低,因此在许多方面将取代PCD。用作拔丝模将是均匀磨损,因此拔丝的线材质量明显优于天然金刚石模具。如果沉积质量进一步提高,在超精密加工中也有取代天然金刚石的可能,因此颇受超精密领域的重视。
0 K, J0 R4 x) F. e! V. C 总之,金刚石和超硬材料由于性能优越,应用不断地在扩大,已从金属加工发展到了光学玻璃加工、石材加工、陶瓷加工、硬脆材料加工等传统加工难进行的领域,对各种工业的发展将起到巨大的推动作用,前景十分广阔。# S2 g8 g* e# m) q
四、超硬刀具的主要品种及特点
1 L+ a2 i( O' C5 e6 w; z2 M1 G$ Z (1) PCD金属切削刀具6 W4 [. y5 F5 P% [- q
①.刀具种类:(以车刀为例,其它还有铣刀,铰刀,镗刀等。)" |, a s* d% o( n! w r) n( U
②.结构形式( O6 L! }, B! n& u, I9 j4 G1 c
此类刀具从结构上主要可分为焊接式PCD刀具和可转位式PCD刀具。
" p/ ~3 L! `6 S! o* A 焊接式PCD刀具同普通硬质合金焊接刀具结构形式是一样的。见下图。- _& I7 r0 t+ s
图一5 x* B" v% d7 V9 I, m
不同的是刃口材质不一样,几何参数不一样,加工对象不一样。- O) t3 O+ `/ K* I7 ^, j" Z M
可转位式PCD刀片是在硬质合金可转位刀片上焊接一小块PCD刀坯再经刃磨而成,可装夹在与之对应的高精度刀杆上,进行高效,大批量加工。随着数控机床、自动生产线的普及,可转位式PCD刀片的使用将越来越广泛,在一定条件下,其刀具耐用度较硬质合金刀具可提高几十倍至几百倍。 图二 ③.刀具几何参数:
p* X7 Q* X, h" n 金刚石切削工具的几何参数一般其前角为0°-5°,后角为5°~12°,其端部有两种,一是圆弧,另一为直线,后者有时称为修光刃,其长度根据被加工材料来选择。圆弧车刀在切削过程中的调整比较简单,而平刃的调整相对而言是很费时的。如果应用在高精度的曲面加工中,圆弧的刃磨要求就很严格,它精度的优劣会复印在曲面上。 ④.切削用量 $ n- G) a2 z! K- l0 Y2 B: \* E
刀具材质 | 适用范围 | 推荐切削用量 | 切削速度(M/MIN) | 进给量(MM/REV) | 切削深度(MM) | PCD
5 x/ V( _2 m1 o* i( |
5 g t5 O) ^8 k0 l ]
. F: L- W% Y8 _3 O3 ? | 铝合金 | | 0.1-0.3 | 0.3 | 铜合金 | 200-500 | 0.08-0.2 | 0.3 | 木工材质 | 3000 | 0.04 | 0.5-9 | 硬质非金属材料如陶瓷等 | 10-90 | 0.01-0.3 | 0.5 | % F* g$ r6 Z) t& \/ `
⑤.典型应用
; d) R; s( T2 U8 q 有色金属的高速、高稳定性、低粗糙度加工及镜面加工" H' h/ b" f' Q
采用PCD刀具加工有色金属时,由于金刚石硬度高,表面与金属亲合力小,因此加工尺寸稳定性及表面质量都很好,刀具寿命也较长。" j% K* A3 C+ g7 o% z
例1:采用PCD刀具加工电机整流子的紫铜换向器,典型切削参数为:V=300m/min,f=0.08mm/r,ap≤0.15mm,加工表面粗糙度Ra0.1~0.2μm,刀具寿命>5,000件,而采用硬质合金刀具则只能加工几件。 3 D5 L9 _3 x- `% s! J2 c. U6 R
例2:采用PCD刀具加工各种硅铝合金零件,表面粗糙度Ra≤0.1μm,刀具寿命可达几千~几万件,尤其适合汽车、摩托车零件的大规模生产。
. A! S3 ?$ }( C. H2 c' L(2) PCD木工刀具
1 Z+ v" V4 E* J' w3 f* D; k. W PCD木工刀具目前最主要的用途就是加工强化木地板。在加工强化木地板Al2O3耐磨层时,切削速度可达3,000m/min, ,进给量可达每分钟20米,且加工时噪音小,PCD刀具耐用度是硬质合金刀具的200倍以上,已完全取代硬质合金刀具。1 S5 C+ \2 m! Q/ c9 ^
其它PCD木工刀具主要有PCD锯片和PCD家具成形铣刀等。 由于价格较贵或家具更新较快,国内应用不是很多。 (3) PCBN金属切削刀具 9 p7 A- D4 Q8 X) r2 P
立方氮化硼(简称CBN) 虽然它的硬度稍逊于金刚石,但却是目前可用于加工硬化黑色金属的最硬的刀具材料。
6 d& B; f+ H+ r+ {+ d ①. 刀具种类及结构形式
* `8 o( H e# U PCBN金属切削刀具也可分为可转位式PCBN刀具和焊接式PCBN刀具两类。 : K b% C9 M7 y: Z
% X: ?8 O5 R- e# \9 W6 k, J1 g% t 可转位结构的PCBN刀片一般是在可转位硬质合金刀片的一个角上焊接一块PCBN刀坯,经刃磨而成。考虑到刀坯较贵及重磨等原因,一般只做成一个刀尖。随着焊接工艺质量的提高,PCBN刀坯尺寸越做越小,不重磨PCBN刀片的价格也随之降低。
7 _2 I# F4 u# _ x 焊接式PCBN刀具是将PCBN刀坯焊接在钢基体上经刃磨而成,主要有车刀、镗刀、铰刀等。0 Z- d9 T. [" n* y% a
②. 几何参数 K0 m/ R Y) J# D. L h
PCBN刀具的强度比硬质合金刀具低,因此在加工淬硬钢时,因此其刀尖角不能太小,刀具前角一般为-5°~0°,后角一般为6°~12°,断续切削时一般采用负倒棱,通常负倒棱尺寸取(0.1~0.5)×(10°~30°)为宜。这不仅有利于对切削刃进行补强,而且有很好的耐磨性。若切削刃进行适当的钝化处理,其效果更好。此外,在可能的情况下,尽量采用小主偏角和大的刀尖圆弧半径,这有助于保护刀刃,延长刀具的使用寿命。 2 \2 l0 e, p9 Q+ C* c$ u
③.切削用量:为了充分发挥PCBN刀片的优越性,取得满意的加工效果,在实际使用时,除参照下表所推荐的PCBN刀片选用的切削用量外,还应根据机床、工件及其它有关条件的具体情况全面考虑,合理选择。
% R) \% F3 L: ~! T& B4 B, d" {6 [, c7 L: w! p0 m6 F/ J
刀具材质 | 适用范围 | 6 n5 n& K w. C. j4 W* T$ s
推荐切削用量 | 切削速度(m/min ) | 进给量((mm/r ) | 切削深度(mm) | " ~- N( A9 J5 P0 G/ h
( H- [) ?+ Y0 @% U6 W
PCBN
4 B6 U" p0 {" ?( k" p+ @! ^% x. S& j
5 @* o) \+ r z+ }0 C g
/ K) z1 i% {# d- j8 P; i+ e4 }- _/ g
| 各种淬硬钢:HRC50-67 | 50-150 | 0.05-0.12 | 0.2 | 普通灰铸铁:HB200左右 | 400-1000 | 0.1-0.5 | 0.12-2.0 | 高硬度铸铁:HRC50-64 | 50-100 | 0.1-0.3 | 0.5 | 粉末冶金零件 | 80-150 | 0.03-0.2 | 1 | 热喷涂焊零件 | 50-120 | 0.1-0.3 | 0.5 | 硬质合金:HRA80-88 | 5-40 | 0.05-0.2 | 0.3 | ③. PCBN刀具的典型应用及常见问题/ Y2 E" P7 v0 v' ?! A
由于PCBN刀具材料具有优良的切削性能,所以特别适合加工其硬度在HRC45以上的淬硬钢、耐磨铸铁、HRC35以上的耐热合金以及HRC30以下而其它刀片很难加工的珠光体灰口铸铁。; s+ g( L4 V# ?: c+ ` `! l
在加工淬硬钢时,径向力很大,这就要求机床功率要大,机床系统刚性要好,这既可保护PCBN刀具,又可获得满意的加工效果。装夹PCBN刀具时,刀具的悬伸长度要尽量短,以防止刀杆颤振和变形,使PCBN刀具保持良好的加工状态。而对于硬度高和不规则的工件,由于PCBN刀片较脆、怕冲击。刀具从工件端面切入、切出时,尤其表面有夹渣、砂眼、凹凸不平,最易发生冲击,刃口破裂,使耐用度降低。所以在使用PCBN刀具前,最好先将冷硬层粗车一次,并在工件切入切出端先倒角,以减小PCBN刀具冲击力。
) _9 Z* M( r1 u; S0 W- `1 b. h/ f 例1:
8 W4 ?! ^8 T) e' S4 G+ N2 U1 l 工件材料 16CrMo5,HRC60-65 Ra0.8μm φ30×30止口7 Q# T$ t) h4 u: ~8 |
刀片型号 CNMA120402, 负倒棱 250×0.1mm' r2 Y5 V" b- ~% O
切削用量 V=140mm/min4 D0 z8 ^) Z$ u: Y8 G3 M% `; {
f=0.1-0.12mm/r& ~6 g E2 J0 `+ b( d
aP=0.15-0.20mm( o, c) {( Q( G$ f
干切,连续切削,1000个工件左右
% t' r) P* [# P7 M; y 例2:汽车、摩托车齿轮孔的加工,齿轮孔精度为IT6。传统加工工艺为:机加工->热处理->磨削。采用超硬刀具"以车代磨"的加工工艺为:粗加工->热处理->精加工。新工艺可大幅度提高加工效率,降低加工成本,原采用磨削工艺一班仅能加工100个小齿轮, 现采用PCBN刀具车削,一班能加工400个小齿轮。此外,分摊到每个齿轮的加工成本也有所下降。! [" n7 l/ m3 o' U; l
工件材料 20CrMnTi,渗碳淬火,HRC60-62 Ra0.8μm 4 r, E% p1 \2 Z: f3 L
刀片型号 CNMA120402, 负倒棱 250×0.1mm/ F [2 x. e) x! h- w. [) B: C
切削用量 V=90mm/min
6 L2 n# Q x! }/ ~ f=0.1mm/r
) M6 c1 k2 q- t* X4 y aP=0.1mm) k6 I' I4 W2 R5 R3 a: L
例3:* N5 b# }7 b% Y7 {. q' J
工件材料 HT25-47, HB200, Ra1.6μm 镗孔1 N* G+ P4 ?1 |" o2 s) F; J
刀片型号 CCMW090304, 负倒棱 100×0.1mm4 i& D% v/ v: _* {3 X
切削用量 V=500mm/min: I/ e& g6 p7 s- `
f=0.2mm/r I& a0 k8 U9 P5 O$ W7 D
aP=0.08-0.20mm
9 Y3 {1 E8 a2 o" | 干切,连续切削,1000个工件左右( \7 H. ?. C% O( d2 M g# J
硬材料的立方氮化硼有如下要求:, K! B, Y1 C# F2 ~% R
CBN含量<60%; & N" F: C3 r5 [ @
微颗粒结构;
' g1 B, g) @& D* i' h 高的刃口强度;
/ g/ f y& i' p4 w 低的热传导
* g$ W) B+ q6 ^6 Z8 w 这样的CBN可用于加工50-65HRC的硬材料,大致的切削规范是:1 F% @6 U- {! L/ t/ [. c
切削速度Vc=300-800 m/min
j) \, {' \/ s. L1 z& E 每齿进给量fz=0.08-0.12mm/Z . B( s: q( \9 {( U# F+ \0 q) E
切削深度ap不超过0.5 mm
- i% c3 Z! ]+ u8 o) j/ n总结:
0 k3 e- O- E# F2 Y* V" g (1) 切削高硬度淬硬钢刀具耐用度高。8 p( t+ g2 C% C( N3 ?( g/ Y
(2) 切削正火钢刀具耐用度低于硬质合金刀具。
/ _/ u2 j! ^* n2 J8 k! d (3) 切削耐磨黄铜时刀具耐用度高于金刚石刀具。
# e2 J6 C8 l, ^& N (4) 高速下PCBN刀具耐用度高。
+ b5 E8 O0 D4 d6 y: V N5 j (5) 干切下PCBN刀具耐用度高。
: n5 h% n8 y+ c! V6 e/ s 为很好地使用PCBN刀具,稳定地控制工件质量,准确判断PCBN刀具的耐用度至关重要。如果一直使用磨损已很严重的刀具,那么切削力及切削温度增加、切削不畅,就难以控制工件尺寸及表面完整性,甚至使PCBN刀具无法继续修磨而报废。为保证刀具的正常使用,建议PCBN刀具后刀面磨损量达0.3~0.6mm(精车时取小值)时应进行重磨。但重磨需要一定的设备和技巧,多数工厂的机床不具备适合的条件,一般PCBN刀具的重磨都应由专业厂来完成。
# T/ h+ ]/ X# g PCBN刀具不适于加工较软的黑色金属材料。 H% r, Y6 r+ L; W( \! Z4 M
确定切削速度、进给量及切削深度要综合考虑生产效率和加工成本。一般来讲,其切削速度可比硬质合金刀具高2倍左右,高的切削速度产生大的切削热量,使被加工材料的塑性增大,有利于控制切屑和降低切削力。
$ ] ]) e8 L; V# l1 h2 E. A 使用PCBN刀具时,可加冷却液,也可不加,使用冷却液时则一定要充分冷却。+ ?! r- N# d# v$ Q" l& N0 n
有关使用PCBN刀具常见的磨损形式,磨损原因及预防措施:/ w: r1 N2 K5 {% X( Z) ~
1.月牙洼磨损 8 V7 g: H: C; h0 ^/ p
工件硬度太软;切速太快;产生化学和扩散磨损 : {# Q0 {- H8 G- w& w6 Q% c: j
改用硬质合金刀具或陶瓷刀具;降低切速;使用冷却液
% N# a# R) n) s5 N1 `9 ^3 H( E 2.后刀面磨损
( ^) s% d: F$ y B& W: N 切削速度太快;进给量太大;刀具后角太小
- A p0 { j% G# `2 a( n 减小切速和进给量;增大后角
; o! V$ M8 \ d9 Y; E 3.边界磨损
* A% S: n, U. |2 A- P H 主偏角太大;进给量太大;切速太小
- |- s: b/ B- ]9 c8 b6 V3 y9 u 减小主偏角;减小进给量;增大切速9 _, r4 k o3 i' m
4.断裂磨损
2 Y% P- J6 K( r B" M 系统刚性差;刀尖角太小;进给量与切速太大;刀具刃口脆
% `* g4 ]9 \7 L! v! X 提高系统刚性,增大刀尖角;降低进给量和切速并采用负倒棱刀具
. x, ^( \" q. M! F 5.PCBN层破裂
9 s/ k) P6 e- l& v# z. {) }1 x 系统刚性差;工件冲击太大;PCBN层太薄,刀具刃口过脆
3 D z/ N) V) }. T: h( T7 m+ @( x 提高工艺系统刚性;工件表面预加工和倒角;采用厚的PCBN层;采用负倒棱刀具
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