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1 引言

PCBN 是将精选的CBN晶体在高温高压下烧结而成的一种超硬材料。用PCBN材料 制作的刀片具有极高的硬度以及良好的红硬性(可耐受1400~1500℃的高温)、抗氧化性(在1200~ 1300℃高温下不与铁系金属发生化学反应)和抗断裂韧性,是切削加工黑色金属材料的理想刀具。目前PCBN刀具已在加工淬硬钢、冷硬铸铁、热喷涂材料、 纯镍等难加工材料和精密加工中得到广泛应用,并取得了显著的技术经济效益。随着PCBN刀具应用范围的不断扩大,正确、合理地选用PCBN刀具,及时解决 加工中出现的各种问题,已成为充分发挥PCBN刀具最大加工效益的有力保证。


(a)标准车削


(b)仿形车削

图1 粗车淬硬钢时PCBN刀具的几何角度


图2 精车淬硬钢时PCBN刀具的几何角度

2 PCBN刀具的适用加工材料

PCBN 刀具主要适用于加工各种高硬材料(如冷作工具钢、热作工具钢、高 速钢、轴承钢、淬硬钢、粉末冶炼钢、粉末冶炼金属、马氏体不锈钢、高强度钢、高锰钢、白口铸铁、奥氏体软铁等)、软材料和耐磨材料(如灰口铸铁、烧结铁 等)、难加工材料(如Inconel718、表面硬化合金、烧结WC、球墨铸铁、CGI等)。某些材料或加工条件(如典型的软钢、奥氏体或铁素体不锈钢、 高铬钢或表面涂铬材料、采用断续切削的高速钢、铁基类表面硬化合金等)由于容易引起PCBN刀片的非正常化学磨损,因此不宜采用PCBN刀具加工。

3 PCBN刀具几何参数和切削用量的合理选择

刀 具几何参数和切削用量的选择对刀具的切削性能、使用寿命及加工表面质量 具有极大影响。为了充分发挥PCBN刀具的优异性能,取得理想的切削效果,就必须根据具体加工对象合理选择刀具几何参数和切削用量。选择PCBN刀具的几 何参数时应重点考虑刀刃及刀尖强度问题。PCBN刀具常采用0°前角或负前角,并磨制出负倒刃,以增加切削刃强度;go1=-8°~-20°;为增加刀尖强度 ,可研磨出ge=0.2~0.8mm的刀尖圆弧;后 角一般偏小(5°~7°),刃倾角多为0°。对于不同的被加工材料和切削条件,应通过切削试验确定刀具几何参数 。PCBN刀具粗车和精车淬硬钢时的刀具几何角度分别如图1和图2 所示。
PCBN刀具的切削用量应根据所用加工机床、刀片牌号、 被加工工件及其它加工条件合理选择。表1为Seco公司CBN300 刀片(CBN含量90%,晶粒尺寸22µm,Al 粘结剂)切削不同材料时推荐的适用切削用量。

表1 CBN300刀片适用切削用量
工件材料 切削速度
(m/min)
进给量
(mm/r)
切削深度
(mm)
珠光体灰铸铁 500~1500 0.5~0.8 0. 25~1.0
白口铸铁 120~180 0.1~0.4 0.3~1.2
冷硬铸铁(570~900HV) 50~120 0.1~6.0 0.1~1.2
淬硬钢(45~65HRC) 60~150 0.2~0.3 0.6~2.5
表面硬化合金(>35HRC) 80~240 0.12~0.25 0.5~2.5
硬质合金(Co>17%) 20~40 0.1~0.25 0.1~0.5
锰钢(12%~20%Mn) 140~200 0.3~0.7 0.2~2.9
表2 Seco公司各种牌号PCBN刀片特性
刀片牌号 CBN含量
(体积比)
晶粒尺寸
(µm)
粘结剂 结构型式
CBN10 50% 2 TiC 焊接式
CBN20 80% 6 Ti+Al 焊接式
CBN30 90% 8 Al 整体式
CBN100 50% 2 TiC 整体式
CBN150 45% 0.5 TiN 焊接式
CBN300 90% 22 Al 整体式


图3 PCBN刀片牌号选型流程图

4 PCBN刀片牌号的选择

PCBN刀片牌号的正确选择是刀具能否获得最优切削性能的关键。表2为Seco公司各种牌号PCBN刀片的特性。图3为PCBN刀片牌号的选型流程图。

5 PCBN刀具常见磨(破)损形式及改善措施

PCBN 刀具在使用过程中会产生正常磨损和非正常磨损。PCBN刀具的正 常磨损形式主要有氧化磨损、相变磨损、摩擦磨损、粘结磨损、微崩刃型磨损、剥落磨损等,且各种磨损因素相互影响、相互促进。PCBN刀具非正常磨损的影响 因素主要有切削用量和刀片几何参数选择不当、加工系统刚性不足等。为提高PCBN刀具的使用寿命,针对PCBN刀具在实际使用中常见的磨损形式和破损现 象,可采取以下具体措施予以改善:
  1. 后刀面磨损(见图4)
    改善措施:①提高切削线速度;②增大工件进给率;③增大切削深度;④检查刀片切削点是否位于中心高处;⑤如被加工材料为铸铁,应检查其铁素体含量是否在控制范围内。
  2. 月牙洼磨损(见图5)
    改善措施:①降低切削速度;②减小工件进给率。
  3. 切削捶击(见图6)改善措施:①提高切削速度;②降低切削进给率;③改进刀具切削前角(如改用圆刀片等)。


    图4 PCBN刀片后刀面磨损形态


    图5 PCBN刀片月牙洼磨损形态


    图6 PCBN刀片切削捶击现象


    图7 PCBN刀片刃口崩碎现象


    图8 PCBN刀片前刀面剥落现象


    图9 PCBN刀片刀口严重崩刃

  4. 刃口崩碎(见图7)
    改善措施:①采用刃口有倒刃或经研磨处理的刀片;②降低切削速度或尽可能避免断续切削;③提高工艺系统刚性;④如断续切削不可避免(如加工表面有孔、槽等),则应对相应的切削进入部位作预倒角处理;⑤改变切削线速度以优化切削状况,避免振动。
  5. 铣削时刀片前刀面剥落(见图8)
    改善措施:①减小刀具切入角(最好小于20°);②尽可能采用逆铣方式;③避免使用冷却液;④提高切削速度。
  6. 刀口严重崩刃(见图9)
    改善措施:①减小切削深度或加工余量以降低切削载荷;②降低切削速度;③适当加大刀尖圆角半径(甚至可采用圆刀片);④采用经过倒刃或研磨刃口的刀片;⑤检查刀片安装是否正确、可靠,安装面是否完好(特别是整体CBN刀片);⑥检查刀片切削刃口中心高是否正确。

6 结语

PCBN 刀具的使用是否成功不仅取决于刀具本身的质量,而且与整个加工系 统的各个环节有关,如机床性能的优劣、工件夹持的可靠性、刀杆系统的刚性、刀片选择的合理性、切削参数的选择等均会影响PCBN刀具的切削加工效果。只有 正确、合理地使用PCBN刀具,才能提高加工效率、降低生产成本,获得最大的技术经济效益。

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