聚晶立方氮化硼(PCBN)刀具及存在的问题
PCBN刀具常见磨损形式及改善措施

PCBN刀具常见磨损形式及改善措施PCBN(多晶立方氮化硼)刀具是一种高性能刀具,常用于加工难加工材料,如高硬度合金、耐热合金、高速切削钢等。
然而,长时间的切削加工会导致PCBN刀具产生磨损,影响切削质量和刀具寿命。
下面将介绍PCBN刀具常见的磨损形式及改善措施。
1.磨损形式1.1刃口磨损:刀具的主要工作部位位于刃口,因此刃口磨损是最常见的磨损形式。
主要表现为刃口变钝、不锋利或出现缺口。
刃口磨损会导致刀具切削力增加,切削压力集中于刀具的边缘,加快刃口损坏的速度。
1.2刃部磨损:刀具的刃部是刀具与工件接触的部位,长时间的摩擦与磨损会导致刃部磨损。
主要表现为刃部变钝、出现划痕或磨损。
刃部磨损会降低刀具的切削能力和切削质量。
1.3刀芯磨损:刀芯是刀具的支撑部分,也是刀具的稳定性和刚度的保证。
长时间的切削加工会导致刀芯磨损,主要表现为刀芯变细或出现裂纹。
刀芯磨损会降低刀具的刚度和稳定性,影响切削效果。
2.改善措施2.1选用合适的PCBN刀具:根据加工材料和加工要求选择合适的PCBN刀具,包括刀具型号、涂层类型和刀具几何形状等。
不同的刀具具有不同的耐磨性和切削能力,选用合适的刀具能够提高切削效率和刀具寿命。
2.2控制切削参数:合理控制切削参数,如切削速度、进给量和切削深度等,以减少刀具的磨损。
过高的切削速度和进给量会导致刀具温度过高,加速刀具的磨损。
适当的切削深度能够降低刀具的应力和磨损。
2.3采用冷却润滑剂:在切削过程中使用冷却润滑剂来冷却刀具和工件,减少切削过程中的摩擦和磨损。
冷却润滑剂能够有效地带走切削过程中产生的热量和切削屑,延长刀具的使用寿命。
2.4精准修磨刀具:及时对磨损严重的刀具进行修磨,保持刀具的锋利性和几何形状。
精确的刀具修磨能够恢复刀具的切削能力和切削质量,延长刀具的使用寿命。
2.5优化刀具的涂层:对刀具进行表面涂层或改善涂层性能,提高刀具的抗磨性和耐热性。
合适的涂层能够减少切削过程中的摩擦和磨损,延长刀具的使用寿命。
如何正确合理使用PCD和PCBN

如何正确合理使用PCD和PCBNPCD(聚晶金刚石)和PCBN(立方氮化硼)是现代切削工具中非常重要的两种超硬材料。
它们在加工高硬度材料、高温合金和难加工材料方面具有重要的应用价值。
正确和合理利用PCD和PCBN材料,可以显著提高加工效率、降低成本和改善加工表面质量。
本文从选择合适的材料、优化工艺参数和正确维护刀具等方面介绍如何正确合理使用PCD和PCBN。
一、选择合适的材料正确选择PCD和PCBN材料是使用的关键。
在选择时需要考虑工件材料、切削条件、切削耐力和加工表面质量要求等因素。
1.工件材料PCD材料适合用于加工铝合金、铜合金、铸铁等非铁系金属材料,而PCBN材料主要应用于加工高硬度材料、高温合金和铸铁等铁系材料。
2.切削条件根据切削条件选择合适的PCD和PCBN材料。
例如,在高速切削(速度大于500 m/min)和干切削条件下,PCD材料能够更好地发挥其优势。
而在低速切削和液冷切削条件下,PCBN材料更为适用。
3.切削耐力根据工件材料的硬度和切削耐力要求选择合适的PCD和PCBN材料。
一般来说,若要加工硬度较低的材料,选择PCD材料;若要加工硬度较高的材料,选择PCBN材料。
4.加工表面质量要求根据加工表面质量要求选择合适的PCD和PCBN材料。
例如,若要求加工表面精度高、光洁度好,选择PCD材料。
若要求加工表面耐磨性好、使用寿命长,选择PCBN材料。
二、优化工艺参数正确调整工艺参数可以提高切削效率、延长刀具寿命和改善加工表面质量。
1.切削速度根据材料的硬度选择合适的切削速度。
一般来说,PCD和PCBN材料的切削速度较高。
但需要注意切削速度过高会导致刀具受热过度,影响刀具寿命。
2.进给量根据材料的硬度选择合适的进给量。
一般来说,对于硬度较低的材料,可以适当增大进给量,提高切削效率。
对于硬度较高的材料,应适当降低进给量,保证加工质量。
3.切削深度根据材料的硬度选择合适的切削深度。
一般来说,对于硬度较低的材料,可以适当增大切削深度,提高切削效率。
浅论刀具材料——聚晶立方氮化硼(PCBN)

浅论刀具材料——聚晶立方氮化硼(PCBN)摘要:聚晶立方氮化硼(PCBN)刀具已在切削加工的各个方面表现出了优异的切削性能,尤其是超硬特性被使用者所熟悉。
介绍了PCBN 的主要研制工艺,性能特点以及其在刀具材料中的应用。
关键词:PCBN,粘结剂,烧结超硬刀具材料在20世纪的后40年中有了较大的发展。
超硬材料的化学成分及其形成硬度的规律与其他刀具材料不同,立方氮化硼是无机非金属的硼化物材料,晶体结构为面心立方体;而金刚石由碳元素转化而成,其晶体结构与立方氮化硼相似。
它们的硬度大大高于其他物质。
1. 聚晶立方氮化硼(PCBN)的主要研制工艺PCBN作为刀具材料,其质量好坏直接影响到PCBN刀具的切削效率和使用寿命。
其研制工艺大致为:微晶CBN加入结合剂之后,应与结合剂混合均匀之后方能使用。
PCBN的制备是在超高压、高温条件下完成的——也只有在这样的条件下,才能实现:CBN微晶之间二次聚合,形成PCBN骨架;结合剂自身之间及结合剂与CBN之间进行烧结。
(1) 粘结剂。
PCBN是立方氮化硼颗粒和一定比例的粘结剂在高温高压下烧结而成的。
粘结剂在合成PCBN的过程中起着重要作用,加入适量的粘结剂可以降低烧结温度和压力,并改善烧结体的性能。
在选择粘结剂的时候一般要遵从以下几点:a. 线膨胀系数尽可能与立方氮化硼接近,以降低温差应力;b. 粘结剂与氮或硼元素应有强烈的化学亲和性,从而可以提高粘结强度;c.可以牢固连接硬质合金基体;d. PCBN加工不同的金属材料时,粘结剂的含量对切削效果影响很大,因此制造粘结剂含量高的PCBN时,粘结剂应具有较高的硬度与韧性。
(2) 烧结工艺。
PCBN烧结过程中的主要参数为压力、温度和烧结时间。
烧结要控制在立方氮化硼的热稳定区,在烧结过程中温度一般用加热功率来标志。
由于烧结的最佳功率值和立方氮化硼向六方氮化硼逆转化的功率值很接近,所以可选择的烧结温度范围很窄,一般为1400℃~1600℃,压力的范围大约为5.0~7.0GPa,保温时间大约为2~30分钟。
聚晶立方氮化硼(PCBN)的发展与应用

聚晶立方氮化硼(PCBN)的发展与应用聚晶立方氮化硼(PCBN)的发展与应用1、前言聚晶立方氮化硼(PCBN)是以硬质合金为基底,上面铺放一层立方氮化硼(CBN)单晶细粉(0.5~1.6mm厚)加粘结剂经高温(1400~2600℃)、高压(7~9Gpa)下压制而成的聚晶刀具材料。
聚晶立方氮化硼(PCBN)刀具主要用于数控机床、多用途机床、自动线、专用高速机床、柔性生产单元或柔性生产系统对淬火钢、模具钢、硬度为HRC45~68的冷硬铸铁、淬硬锻造钢件;硬度值为HRC45~65的镍镉冷硬耐磨铸铁件;渗碳氮化或渗碳火焰淬火的淬硬件;硬度值接近HRC60的淬硬冷拔钢件;白口铸铁或压铸件;合金钢、工具钢、热喷涂、焊材料进行精加工和半精加工,同时能高速切削HRC35以上钴基和镍基高温合金、热喷涂材料、硬质合金、陶瓷及其他难加工材料,可进行高速车削、铣削、镗削、钻(铰)削等,使用车、铣代替磨削的最主要的刀具。
PCBN刀具的硬度仅次于金刚石,大大高于陶瓷刀具和硬质合金刀具,因而可加工HRC60以上的淬火钢、灰口铁、白口铁以及硬度高达HRC70以上的YG5、YG20、YG25硬质合金,其寿命为陶瓷刀具的3-5倍、硬质合金刀具的5-15倍。
高耐磨性和长寿命大大提高了工件的加工精度,减少了换刀和磨刀的次数,提高了工效。
目前国内CBN磨料的制备技术已趋于成熟。
解决PCBN刀具的关键技术成为“超硬材料行业”的当务之急。
第一、解决汽车制造业、轴承行业、大型铸、锻件高精加工的关键工具,具有高精度、高效率、高耐用度、综合成本低的关键刀具材料。
第二、国防工业加工高耐磨合金、喷涂材料必不可少的工具。
第三、具有广泛的市场前景,在机械加工业,可加工各种黑色金属,特别是PCBN可成为替代硬质合金刀具的新型材料,是硬质合金刀具材料加工综合效益的8-10倍。
第四、可形成较大的产业化基地,年产值达到十亿元以上。
第五、其研究水平可达到国际先进水平,替代进口,并能出口创汇。
立方氮化硼车刀加工钢和铸铁时的磨损形态

立方氮化硼车刀加工钢和铸铁时的磨损形态立方氮化硼刀具在切下金属切屑的同时,其本身也要发生损坏。
刀具损坏刀一定程度就要换刀或换刃才能正常切削。
刀具损坏的形式主要有磨损和破损两类。
由于立方氮化硼刀具高温性能好,其耐磨性高于硬质合金刀具,刀具磨损后,加工精度降低,加工表面粗糙度增大,切削力和切削温度增加,甚至产生振动,不能正常切削。
至于刀具破损,除发生微小的崩刃外,根本不能进行切削,因此刀具磨损和破损直接影响加工效率、质量与成本。
立方氮化硼刀具的磨损规律与硬质合金刀具的基本相同,磨损速度也是随切削速度的提高、进给量与切削温度的增加而加快,而以切削速度影响最大。
从加工钢和铸铁的磨损过程可知,其磨损过程分为初期、正常与剧烈磨损三个阶段。
当磨损量增加时,刀刃上常伴有微崩刃并且逐渐加大成较小的破损。
立方氮化硼刀具加工钢和铸铁时的磨损形态主要是(1)前、后刀面磨损。
前刀面磨成台阶(加工铸铁)或月牙洼(加工钢)后刀面磨成棱面;(2)边界磨损,加工铸铁时比较常见(3)微崩刃,是一种形态的刀具破损,但其大小在磨损限度以内时,刀具仍可继续切削。
立方氮化硼刀具连续切削钢件时,磨损的主要原因是伴随有微崩刃的磨料磨损以及粘结磨损,切削铸铁则主要是磨料磨损与微崩刃,而化学反应与扩散作用则加速刀具的磨损。
立方氮化硼刀具连续切削时,其破损原因主要是磨损,所以应根据加工方法和加工要求,确定合理的磨损耐用度。
由于陶瓷刀具具有良好的高温性能,最适合于高速切削,因而确定陶瓷刀具磨损耐用度时应充分考虑其优越性;同时陶瓷刀具适用于机夹可转位刀片,换刀比较方便。
对于要求严格保证精度与粗糙度的加工以及强制换刀的加工,应根据具体要求来确定磨损耐用度。
立方氮化硼刀具断续切削时,刀具损坏的主要形式是破损。
刀具的破损有早期和后期两种。
早期破损是切削刚开始或短时间切削后即发生的破损。
这时,前、后刀面尚未产生明显的磨损。
切削高硬材料或者断续切削时,最常出现这种破损。
立方氮化硼刀片加工淬火钢和铸铁的常见问题

立方氮化硼刀片加工淬火钢和铸铁的常见问题淬火钢和铸铁作为脆/硬材料,是立方氮化硼刀片最常遇到的两种加工材质,其中淬火钢作为塑性材料,虽然硬度较高,但硬切削时铁屑仍然表现为长铁屑;而铸铁件作为脆性材料,无论硬度高低无论是硬度HRC60以上的高铬合金抗磨白口铸铁,还是硬度处于易切削范围的HB190左右的灰口铸铁,均适合采用立方氮化硼刀片进行高速切削,由于在加工铸铁时,铁屑均是短铁屑,直接硬性了刀具的磨损机理和微观切削状态,所以从立方氮化硼含量和粒度讲,加工铸铁和淬火钢选用的牌号是不同的;从刀具损坏的微观角度分析,加工淬火钢和加工铸铁时,遇到的问题差异也很大。
一、加工铸铁和淬火钢的刀具牌号性能差异:1,加工淬火钢时,一般采用低含量CBN刀具牌号,并根据具体加工状态细分CBN粒度,如BN-H10适合连续精车淬火钢,BN-H20适合断续精车淬火钢,BN-S20适合粗加工淬硬钢及其他高硬度塑性材料。
2,加工铸铁时,一般采用高含量的CBN刀具牌号,并根据加工状态进一步细分CBN粒度,如加工高硬度高合金铸铁件的BN-K1,刀具韧性极好,粗加工高硬度铸铁毛坯时承受很高的切削冲击和切削温度;BN-S30牌号的抗冲击韧性和高温耐磨性能适中;而BN-K20牌号和BN-S300牌号适合高速(切削速度300m/min 以上)和超高速精加工铸铁零件(切削速度800m/min以上)二、加工铸铁和淬火钢最常见的问题:1,淬火钢加工时积屑瘤问题:立方氮化硼刀片粗加工时影响不大,精加工时应避免积屑瘤产生,而对于淬火钢的以车代磨,一般应用于精加工中。
一般认为切屑在CBN刀具前面上粘结造成积屑瘤,当温度和压力很低或高温时,不易形成积屑瘤。
当压力、温度达到一定程度时,切屑底层材料中切应力超过材料的剪切屈服强度,使“滞留层”中流速为零的切削层被剪切断裂粘结在前刀面上,粘结金属层经剧烈塑性变形后硬度提高,它可代替切削刃继续剪切较软的金属层,依次层层堆积,高度逐渐增大而形成了积屑瘤。
浅论刀具材料——聚晶立方氮化硼(PCBN)
浅论刀具材料——聚晶立方氮化硼(PCBN)超硬刀具材料在20世纪的后40年中有了较大的发展。
超硬材料的化学成分及其形成硬度的规律与其他刀具材料不同,立方氮化硼是无机非金属的硼化物材料,晶体结构为面心立方体;而金刚石由碳元素转化而成,其晶体结构与立方氮化硼相似。
它们的硬度大大高于其他物质。
1. 聚晶立方氮化硼(PCBN)的主要研制工艺PCBN作为刀具材料,其质量好坏直接影响到PCBN刀具的切削效率和使用寿命。
其研制工艺大致为:微晶CBN加入结合剂之后,应与结合剂混合均匀之后方能使用。
PCBN的制备是在超高压、高温条件下完成的——也只有在这样的条件下,才能实现:CBN微晶之间二次聚合,形成PCBN骨架;结合剂自身之间及结合剂与CBN之间进行烧结。
(1) 粘结剂。
PCBN是立方氮化硼颗粒和一定比例的粘结剂在高温高压下烧结而成的。
粘结剂在合成PCBN的过程中起着重要作用,加入适量的粘结剂可以降低烧结温度和压力,并改善烧结体的性能。
在选择粘结剂的时候一般要遵从以下几点:a. 线膨胀系数尽可能与立方氮化硼接近,以降低温差应力;b. 粘结剂与氮或硼元素应有强烈的化学亲和性,从而可以提高粘结强度;c.可以牢固连接硬质合金基体;d. PCBN加工不同的金属材料时,粘结剂的含量对切削效果影响很大,因此制造粘结剂含量高的PCBN时,粘结剂应具有较高的硬度与韧性。
(2) 烧结工艺。
PCBN烧结过程中的主要参数为压力、温度和烧结时间。
烧结要控制在立方氮化硼的热稳定区,在烧结过程中温度一般用加热功率来标志。
由于烧结的最佳功率值和立方氮化硼向六方氮化硼逆转化的功率值很接近,所以可选择的烧结温度范围很窄,一般为1400℃~1600℃,压力的范围大约为 5.0~7.0GPa,保温时间大约为2~30分钟。
另外高压容体内温度分布的不均匀对PCBN 的质量和性能也有影响。
2. PCBN的性能特点PCBN不仅具备了立方氮化硼的优良品质,而且带基体的复合片还具备硬质合金的抗冲击韧性。
PCBN立方氮化硼刀具介绍及应用
PCBN刀具即聚晶立方氮化硼(Polycrystalline Cubic Boron Nitride)是将CBN立方氮化硼微粉和结合剂混合后利用人工方法合成的硬度仅次于天然金刚石的新型刀具材料,是目前高速切削铁系金属最合适的刀具材料。
由于立方氮化硼硬度仅次于人造金刚石,是世界上第二坚硬的材料,拥有极高的热稳定性和化学惰性,而聚晶立方氮化硼PCBN材料具有极强的抗变形和高温耐磨性——通常比最接近的陶瓷材料高出一个数量级。
目前大部分PCBN工具用于淬火钢的加工,可以以车代磨、以铣代磨,能够高速高效干式切削,大幅降低了加工成本、提高了加工效率。
另外,PCBN还可用于加工冷硬铸铁、灰铸铁、高强度铸铁以及冷作和热作工具钢。
目前,镍基和钴基高温合金加工也已成为PCBN工具的一个重要且迅速增长的应用领域。
从1957年美国GE公司研制出立方氮化硼(CBN)单晶粉末、70年代研制成功PCBN刀具至今,经过30多年的发展,PCBN刀具已逐步趋于成熟,国内外出现了众多的PCBN刀具制造商,其中,河南金六方超硬材料有限公司针对各种不同的应用场合,开发了不同配方的各种规格的PCBN材料。
其中,JLF300适用于将耐磨性作为首要条件的加工场合,如灰铸铁和硬铸铁的加工,是刹车盘和铸铁发动机缸体粗加工和精加工的首选材料,通常它的寿命至少高出陶瓷工具一个数量级;JLFCBN600采用细粒度CBN,具有极高的强度和抗热冲击性,对于极端断续切削场合,能确保良好的工件表面光洁度,并广泛用于铸铁类零件和阀座的精加工。
立方氮化硼刀具加工耐磨铸钢件的效果
立方氮化硼刀具加工耐磨铸钢件的效果一、耐磨铸件难加工情况:1,某些工件单件加工时间长,刀具走不到头就已经磨损导致工件返工,影响加工效率。
2,铸件夹砂,气孔,白口等原因造成刀具经常崩刃,甚至出现严重接刀痕甚至造成报废。
3,补焊过的毛坯件如铸铁、铸钢之类,焊缝部位硬度高,刀具经过焊接点时损害严重。
4,耐磨铸件本身材质硬度高,如高猛钢、高铬铸铁,冷硬铸铁等工件。
高铬白口铸铁由于其良好的性能,在采矿、水泥、电力、筑路机械等方面应用十分广泛。
如华菱超硬立方氮化硼刀具BN-K1牌号加工高铬白口铸铁的案例:由于叶轮有5枚叶片,故为断续切削。
切削参数为:vc=75m/min,ap=5mm,f=0.1mm/r。
切削过程中,叶轮每转一周刀具要承受5次冲击,一次走刀一个刀刃要承受3000多次冲击。
切削结果显示:BN-K1牌号立方氮化硼刀具切完一个工件后没有产生断裂破碎,一片刀片相当于25片陶瓷刀片,充分展现了其耐热抗冲击性能,不仅大大降低了刀具的使用成本,而且使生产效率提高了5倍。
二、耐热耐磨钢铸件加工案例工件:建材机械用铸造耐磨钢零件;硬度:HRC37-45;粗车加工余量4mm;原用刀具硬质合金610牌号;切削线速度19m/min;走刀量0.25-0.3mm/r。
用立方氮化硼刀具BN-S20牌号HLCBN;切削线速度65m/min;走刀量0.25-0.3mm/r。
加工效率提高三倍,原来合金车刀磨一次加工2件;HLCBN每个刃口能加工27件。
单件加工成本降低30%。
三、高锰钢铸件的机加工刀具1,粗加工用立方氮化硼整体聚晶刀片BN-S20,吃刀深ap=2-3.5mm(根据实际加工余量,BN-S20牌号刀具最大吃刀深度可以超过10mm);走刀量Fr=0.25-0.8mm/r;线速度v=85m/min 。
刀具耐用度:3小时/刃口,刀片能旋8次-12次使用,一个刀片可用三个班。
可见BN-S20牌号刀具使用成本与其他刀具牌号比较有很大的优势。
揭开聚晶立方氮化硼(PCBN)的神秘面纱
揭开聚晶立方氮化硼(PCBN)的神秘面纱很多人通过大量刀具厂商的宣传已经对PCBN这种新型的刀具有了一定的了解。
PCBN 刀具耐高温有着较好的耐磨性,较之前的硬质合金刀具生产效率高、使用寿命更长久,可广泛的应用于铸铁、高温合金、轴承钢等加工领域。
像这样的广告式知识我们早已烂熟于心。
但究竟是怎样的耐高温,怎样的耐磨,有什么依据,很多人有不少的疑惑。
我们不妨花一点时间看看PCBN刀具究竟有怎样的本事让刀具厂商夸夸其谈,一探真伪。
图1.PCBN刀具从化学组成来看,氮化硼是由氮原子和硼原子所构成的晶体。
化学组成为43.6%的硼和56.4%的氮,具有4种不同的变体:六方氮化硼(HBN )、菱方氮化硼(RBN)、立方氮化硼(CBN)和纤锌矿型氮化硼(WBN)。
其中我们要研究的立方氮化硼具有类似金刚石的晶体结构,不仅晶格常数相近(金刚石为0. 3567nm,立方氮硼(0.3651nm),而且晶体中的结合键亦基本相同,即都是沿四面体杂化轨道形成的共价键。
所不同的是金刚石中的结合是纯碳原子之间的共价键,而立方氮化硼晶体中的结合键则是硼、氮异类原子间的共价结合。
这就像盖房子的结构是一样的,但是使用的材料不同,素质低下的开发商偷工减料用劣质产品,这样在同样的结构下却无法建出质量合格坚固的好房子。
理想的立方氮化硼晶格中,所有4个B-N键的键长彼此皆相等(0.157nm),键与键之间的夹角为109°5'。
正是基于这种稳定的化学结构,立方氮化硼有与金刚石相媲美的硬度,当然无可厚非。
图2.CBN化学结构图3.CBN单晶那么我们怎样才能得到如此完美的立方氮化硼以供我们使用呢?由于立方氮化硼在机构上与金刚石非常相似,很自然的人们就会如法炮制制造金刚石的方法,值得庆幸的是这种方法对立方氮化硼的制造同样适用。
目前最常用的方法以立方氮化硼和不同的触媒为原料在高温(1400~1800℃)和高压(4~8GPa)下采用静态高压触媒法合成。
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聚晶立方氮化硼(PCBN)刀具及存在的问题
作者:admin 发表时间:2011-12-23 11:17:49 点击:132
CBN颗粒的大小不但对PCBN刀具的切削表面质量有影响,而且对PCBN烧结时粘结剂的烧结能力起到一定的作用。
一般来说,CBN颗粒度越小,PCBN刀具切削表面质量越好,刀具抗冲击能力和耐磨性越好,因此,在加工淬硬钢并且要求高的表面质量(即实现PCBN刀具的“以车代磨”)时,PCBN刀具所采用中的CBN颗粒应取较小值。
但另一方面,由于PCBN刀片的烧结是通过“毛细现象”即各种粘结剂元素渗透到CBN颗粒之间实现的,如果CBN颗粒太小,CBN颗粒间的间隙就会减小,从而使得粘结剂元素的渗透量减小。
因此,烧结时CBN颗粒又应选得大一些。
综合考虑以上两种因素,CBN烧结时应多选择混合粒度,并根据所选粘结剂粘结能力的不同而确定不同的粒度范围。
(3)CBN晶粒含量
PCBN刀具中的CBN晶粒含量对PCBN刀具的硬度、导热性有较大的影响。
CBN含量越高,刀具的硬度越高,导热性越好。
高含量PCBN刀具(一般CBN含量为80%~90%)是以CBN之间的直接结合为主,具有高硬度和高导热性。
这类PCBN刀具适合加工高硬度合金和组织中含有高硬质点的材料,如冷硬铸铁、耐热合金等。
目前此类刀具刀片主要有GE公司的BZN6000,Element Six公司的AMB90,住友电工公司的BN100、BN600等。
低含量PCBN刀片多为陶瓷粘结剂,耐热性好,易于加工淬硬钢(合金钢、轴承钢、模具钢、碳钢等),利用切削区内热滞留高温形成的金属软化效应进行切削。
GE公司的BZN8100、BZN8200,Element Six公司的DBC50,住友电工公司的NB300、NB220以及山高公司的CBN10、CBN100、CBN150等均属于此类。
(4)粘结剂
CBN烧结所需的粘结剂:①物理化学性能越接近CBN越好,这样不会过多的削弱烧结后PCBN刀具的切削性能;②易于达到熔点温度或在此温度下具有较好的塑性;③相对于CBN具有足够的化学活性,具有使六方氮化硼(HBN)向CBN转化的催化性。
目前,常用到的粘结剂按其物理化学性质可分为金属粘结剂(如Ni、Co、Ti、Ti-Al 等)和陶瓷粘结剂(如TiN、TiC、TiCN、Al2O3等);按作用可分为催化剂(如Al、AlN、AlB2、Si等)和溶解剂(如Ti、Ni、Co、TiN、TiC、TiCN等)。
粘结剂种类和含量都对PCBN刀片的性能有不同的影响。
碳化物、氮化物、碳氮化物可以提高PCBN刀片的抗化学磨损能力和抗冲击能力,但含量过高会降低刀具硬度,使刀具寿命缩短;钴是最常用的粘结剂,可以提高CBN烧结时的烧结度;Ti陶瓷粘结剂可以提高PCBN刀片的韧性;铝及铝的化合物可与CBN颗粒及其它粘结剂发生反应,使CBN颗粒粘结得更加牢固,提高刀具耐磨性;Si和Al、AlN、AlB2的混合物是HBN向CBN转化的有效催化剂,在陶瓷粘结剂里加入少量的Al、Si还可以增强CBN间的粘结,形成连续的陶瓷相;以铝化镍作为粘结剂的PCBN复合片导电性好,适于采用低成本电火花进行切割。
由于粘结剂的不同,现在PCBN刀片趋于两种特性:一种是具有高的耐磨性(高含量CBN,催化粘结剂),另一种是具有好的抗冲击性(低含量CBN,陶瓷粘结剂)。
PCBN刀具可加工硬度在HRC60以上的淬火钢、模具钢、工具钢、合金钢、灰口铁、白口铁、硬质合金、陶瓷等传统刀具难加工的材料,此是其独特的特点。
PCBN刀具的出现,为切削加工带来了根本性的变化。
PCBN刀具适用于普通机床、专用机床、自动线以及数控机床,广泛应用于军工、汽车、冶金轧辊、轴承、模具等行业的切削加工。
PCBN刀具使用寿命是硬质合金刀具的5~25倍,高耐磨性大大减少了换刀和磨刀的次数,而不重磨机夹PCBN刀具也与硬质合金机夹刀具一样不用磨刀。
PCBN刀具也可不用冷却液而进行干式高速切削,适应日益提高的国家环保要求和“低碳经济”要求。
实行“绿色切削”,减少了污染,省去了冷却费用,是机械加工中利国利民的上佳选择,但现在许多人员还远远未认识到这一点。
PCBN刀具与铁族元素的亲和力小,比用金刚石刀具更适合加工钢铁工件。
据说PCBN 刀具在加工45号钢工件方面也有一定的优越性,但尚待证实。
PCBN刀具能以车、铣代磨,切削精度较高,明显提高了工作效率,特别是在自动线、数控机床和高硬度工件的加工方面优势更加明显。
PCBN刀具的使用优点很多,但目前在我国应用的数量和范围却远远不够多和宽。
虽然我国从上个世纪七十年代初就研制成功了CBN,经过近四十年的努力,已经是CBN生产的第一大国,产量占世界产量的一半以上,如2008年生产CBN约2.8亿克拉,出口量占产量的80%左右,但PCBN刀具的研发仍较落后,宣传工作和标准的制定也跟不上市场前进的步伐,成品的刀具品种和产量都无法满足加工行业的需求,导致大部分数控机床使用的刀具仍需要进口。
出口CBN磨料价格低,而进口CBN刀具价格高,明显是误国误民的事,这种状况不应该继续下去了。
现在经过国家有关部门、大专院校、研究机构的广大技术人员和企业的共同努力,我们正在赶上来,也为从根本上改善这种状况提供了条件。
近几年来,国内一些刀具生产企业已生产了一些PCBN刀具来代替进口的刀具,节省了外汇,使用效果还不错。
但是,品种、数量和需求与国外相比仍有较大的差距,与我们CBN生产大国的地位很不相配,还需要大家共同努力来改变这种状况。
根据笔者对PCBN刀具生产和使用方面了解的一些情况,现针对我国PCBN刀具的应用现状及存在的问题提出几点解决办法:
一、应完善国内关于PCBN刀具的切削性能研究体系,国家有关部门应协调和组织刀具生产企业加强合作,改变各个企业单打独斗的局面,编写PCBN刀具尺寸、切削速度和适用范围等方面的手册资料,为使用PCBN刀具的生产企业和用户提供正确的理论指导,为PCBN刀具的生产和推广使用提供方便。
二、尽快制定PCBN刀具生产的国家标准、行业标准和企业标准,实行PCBN刀具产品(包括刀片、刀杆和夹紧螺栓等部分的尺寸)的标准化、系列化生产。
在这方面,国家有关部门和一些企业已做了不少工作,国家标准化委员会在2007年11月发布了
GB/T2076-2007《切削刀具用表示规则》,2008年6月发布了GB/T21951-2008《镶或整体立方氮化硼刀片尺寸》,一些企业已按此标准生产出了产品并准备制定企业标准,这些工作对PCBN刀具的生产和使用非常重要,PCBN刀具标准方面的工作还应进一步加强。
三、目前,PCBN刀具的品种还较少,还不能满足日益增多的用户的使用要求。
但随着国内生产标准的完善,通过各有关部门和企业的共同努力,这种现象将很快得到改变,一些企业已生产出了与硬质合金刀片尺寸和精度相同的机夹CBN刀片,使用很方便,但PCBN 刀具的数量和品种还应增加。
四、现在PCBN刀具的价格仍较高,PCBN机夹可转位刀片因型号和性能的不同,每片刀片价格大约为硬质合金刀片的5~25倍,这也是一些用户没有使用PCBN刀具的一个原因。
但是,因PCBN刀具的使用寿命一般是硬质合金刀具的10~20倍,再算上减少换刀时间提高的效率,其实际综合成本低于硬质合金刀具,在普通机床上如此,在自动线上和数控机床上的优势更是明显,减少换刀次数产生的效益要大大高于刀片价格高出的成本,使用PCBN刀具更合算。
况且,PCBN刀具还能加工硬质合金刀具无法加工的一些工件。
随着国内生产的标准化程度加深和企业生产的技术进步,降低PCBN刀具的价格的工作还要继续下去。
五、因为PCBN刀具有关知识的宣传工作不到位,很多使用厂家包括很多从事机械加工的技术人员对PCBN刀具的性能知之甚少,不少企业尤其是小企业,因为对PCBN刀具不了解,一般不用PCBN刀具,在遇到硬质合金刀具加工不了的工件时,可能会找人咨询,才有可能用。
在找不到可咨询的专家时,只好采用将工件退火后再加工或者外协加工的办法。
因此,加强PCBN刀具有关知识的宣传工作很有必要。
六、河南省是CBN的生产大户,产量世界第一,有关大专院校和研究所在CBN和PCBN 刀具的研究方面在全国处于先进水平,以郑州高新技术开发区的河南富耐克超硬材料有限公司、南阳中南金刚石有限公司等为代表的企业,生产PCBN的设备和产品,在全国甚至在世界上都占有重要的地位,河南省生产PCBN刀具有着良好的基础和得天独厚的条件,河南省政府有关部门应组织和协调全省有关大专院校、科研机构、企业,联合起来,把PCBN 刀具的研究和生产优势充分展现出来。
近年来,河南省工业和信息化产业厅已着手进行了这方面的工作,但政府的举措还有待于完善和加强。
随着PCBN刀具的优越性被越来越多的人所了解,其推广应用是必然的,有很大的发展空间和巨大的使用效益,前途无量。
但这项工作不是少数人或少数企业自己就能够做好的,需要国家政府部门、各科研机构和企业的通力合作,共同努力,才能做好PCBN刀具的生产和推广应用工作。