高性能超硬切削材料刀具的应用
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数控刀具
图1 不同材料的硬度值
1 超硬切削材料刀具的特点
- PCD刀具的特点
- 极高的硬度及寿命 如图1所示，人造聚晶金刚石(PCD)的硬度可达68GPa，仅次于天然金刚石，是目前世界上人工合成的最硬物质，人造聚晶金刚石的硬度是目前被广泛应用于汽车加工领域的硬质合金材料硬度的3～4倍；在加工铝硅合金时，人造聚晶金刚石刀具的使用寿命是硬质合金刀具的20～100倍。
- 很低的摩擦系数 PCD 金刚石刀具非常适合加工铝合金、镁合金等有色金属，它与有色金属的摩擦系数低于0.3(约为硬质合金的一半)，这对切屑的顺利排出、杜绝积屑瘤的产生、降低切削力和切削热非常有利。
- 非常锋利的刀刃 根据不同的工艺要求，PCD金刚石刀具的刃面粗糙度一般在Rz3.4～6.0µm左右，如有特殊要求，可经过表面抛光研磨处理至Rz1.7～2.1µm，刀刃钝圆半径可达0.01µm 以下。
- 优异的导热性 PCD刀具的导热性略低于天然金刚石，约为硬质合金的3～5倍，这有利于降低刀尖部分的温度，提高刀具的使用寿命。
- 低的热膨胀系数 PCD刀具的热膨胀系数约为硬质合金的1/4。因此，PCD 金刚石刀具的热稳定性非常好，能长时间保持刀具的尺寸精度和锋利性。
- PCB刀具的特点
- 很高的硬度及耐磨性能 如图2所示，聚晶立方氮化硼(CBN)是利用高温高压人工合成的另一种超硬刀具材料，其硬度略低于聚晶金刚石(PCD)。在加工淬硬钢时，其耐用度是硬质合金的10～50倍左右，切削速率可提高. 倍以上。
- 优良的热稳定性和化学稳定性 CBN的耐热温度可达1400℃左右，比金刚石的耐热温度400℃高一倍，在1000℃以下不会出现氧化现象，在1200℃时也不与铁基材料起化学反应。
- 良好的导热性 CBN的导热性低于金刚石，但比硬质合金高很多，并且随着切削温度的提高，它的导热系数还会提高。
- 较低的摩擦系数 CBN与淬硬钢之间的摩擦系数约为硬质合金与淬硬钢之间摩擦系数的1/2。
2 超硬切削材料刀具的应用
- 超硬刀具的种类
- 人造聚晶金刚石(PCD)复合刀片通常是由含量为80～90%的粒度为2µm、10µm或25µm 的金刚石颗粒为原料，并以钴作为催化剂，在大约1400℃的高温和60kBar的高压下烧结在圆盘形硬质合金基体上(见图2)。聚晶立方氮化硼(CBN)刀片一般也是经高温、高压烧结在硬质合金基体上做成复合刀片形式。
图2 人造聚晶超硬复合刀片
- 根据对不同刀具的不同要求，在高功率、高精度的EDM线切割机床上采用特殊设计的软件对其进行优化、精密分割，制作成各类刀具。钴领公司的超硬刀具产品基本可覆盖整个切削类刀具，从车刀、机夹刀片到旋转类刀具(包括PCD 钻头、铣刀、铰刀及可调式精密镗刀等)，其中PCD 钻头、立铣刀已形成系列并批量投入生产。对于有特殊要求的刀具，钴领公司的专家会专门为客户设计、制作，帮助您更高效的完成加工任务。
- 人造聚晶金刚石(PCD)复合刀片通常是由含量为80～90%的粒度为2µm、10µm或25µm 的金刚石颗粒为原料，并以钴作为催化剂，在大约1400℃的高温和60kBar的高压下烧结在圆盘形硬质合金基体上(见图2)。聚晶立方氮化硼(CBN)刀片一般也是经高温、高压烧结在硬质合金基体上做成复合刀片形式。
- CBN 刀具的应用
- 由于CBN 刀具在加工铁系金属时会产生化学渗透，因此不适合加工钢和铸铁，但在加工有色金属和非金属材料(如铝、镁、铜及其合金，木材、增强塑料、石墨和陶瓷等)时能表现出超群的切削能力，能非常轻松地以高于硬质合金10倍以上的切削效率进行加工(见表1)。通常通过切削试验来选择最佳的切削参数，在切削加工时最好使用冷却液。在加工硅铝合金时刀具寿命常常能达到硬质合金的100倍以上，如此高的切削速率减少了积屑瘤在刀具刃口生成的可能性。
- CBN 刀具特别适合于高质量的精加工工序，甚至在较大的切削深度和切削速度下也能获得杰出的表面质量，这有利于减少加工工序，缩短工件的加工周期。 表1 CBN刀具的切削参数工件材料 钻、铰加工 铣加工 车加工 切削速度Vc
(m/min) 进给量f
*
(mm/r) 切削速度Vc
(m/min) 进给量f
(mm/r) 切削速度Vc
(m/min) 进给量f
(mm/r) 硅铝合金(含Si<12%) 800 0.1-0.25 3500 0.04-0.2 8500 0.01-0.25 硅铝合金(含Si>12%) 600 0.1-0.25 2900 0.02-0.2 4700 0.01-0.25 锻铝合金 1000 0.1-0.25 4700 0.04-0.2 16000 0.05-0.3 镁合金 800 0.12-0.32 5500 0.04-0.25 – – 铜合金 380 0.1-0.25 5500 0.05-0.35 3200 0.01-0.3 增强塑料 1500 0.05-0.5 3600 0.1-1.0 1200 0.05-0.3 黄铜合金 1200 0.05-0.35 4500 0.05-0.35 5100 0.01-0.25 硬质合金
(含Co10%-17%) 150 0.05-0.4 200 0.02-0.25 200 0.1-0.5 陶瓷 450 <0.2 600 <0.2 600 <0.2 石墨1200 1200 0.01 2000 0.04-0.2 – –- 用于直径f3～12mm
3. PCB刀具的应用
(m/min) 进给速率f
(mm/z) 切削速度Vc
(m/min) 进给速率f
(mm/r) 灰铸铁(180-240HB) 1500 0.25-0.4 1000 0.1-0.4 合金铸铁 380 0.3-0.5 500 0.1-0.4 冷硬铸铁(60HRC) 200 0.1-0.4 100 0.4-0.85 表面硬化钢(56HRC，16MnCr5) 250 0.05-0.2 140 0.1-0.3 轴承钢(61～63HRC，100Cr6) 220 0.05-0.2 180 0.08-0.2 冷作钢(59HRC，X210Cr13) 320 0.05-0.2 130 0.05-0.2 镍硬化钢(60HRC) 220 0.1-0.3 80 0.25-0.4 钨铬钴合金 240 0.1-0.3 250 0.2-0.4 高速钢(64～65HRC) – – 130 0.05-0.2 硬质合金(含Co>17%) – – 30 0.05-0.2
3 超硬切削材料刀具加工实例
- 实例1
- 工作内容：铣削空调压缩机部件上的涡旋槽；工件材料：铝硅合金(AlSi10Mg)。
- 加工难点：虽然工件直径仅100mm，但实际铣削长度达800mm，涡旋槽窄而深，且壁很薄；要求被加工底面与侧面垂直，被铣削的槽内壁粗糙度要求Rz2µm。因原用刀具切削寿命短导致每只工件的刀具成本太高。
- 解决方案：(1)刀具选择：采用一体化短锥柄焊接式PCD铣刀，该铣刀设计有特殊的轴向角。(2)切削参数：n=40,000r/min，Vc=1760m/min，f=0.25mm/r，Vf=1,000mm/min。
- 应用效果：工件被加工表面的表面粗糙度达Rz1.5µm；平均每把刀可加工97,400只工件，相当于每把刀的寿命为77,920米；刀具成本从过去的7.15美元/件降至1.21美元/件。
图3 空调压缩机部件
图4 CBN 铣刀 - 实例2
- 工作内容：汽车刹车块上钻孔并铣制螺纹；工件材料：最新研制的陶瓷(含有60%碳化硅纤维)。
- 加工难点：工件材料的加工性能差，采用硬质合金刀具试切削失败，采用涂层金刚石钻头勉强钻削90只孔，每孔钻削时间30秒，效率低，刀具寿命短；无法铣制螺纹。
- 解决方案：改用钴领公司生产的编号为No.1265的标准PCD钻头。为了加工螺纹，钴领刀具专家特别研制了PCD螺纹铣刀，该铣刀耐磨性能好，不易破裂。
- 切削参数：在相同的进给量(f=0.02mm/r)下，钻孔速度由过去的Vc=25m/min提高到Vc=100m/min；PCD螺纹铣刀Vc=60m/min，f=0.025mm/r。
- 应用效果：平均每支钻头可加工110只孔，每孔钻削时间仅1.5秒，每孔减少加工时间95%。同时新研制的PCD螺纹铣刀解决了螺纹的加工难题。
(a)
(b)
图5 柴油发动机缸盖的加工 - 实例3
- 工作内容：V6柴油发动机缸盖孔的加工，工件材料AlSi10Mg(Cu)。
- 加工难点：断续切削，孔径公差小，圆度、表面质量要求高。
- 解决方案：采用焊接式PCD阶梯铰刀。切削参数：n=10,000r/min，vc=377m/min，f=0.2mm/r，Vf=2,000mm/min。应用效果：每把铰刀加工10,000只缸盖，即加工120,000只孔。
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