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时间:2018-08-03
《21世纪pcbn刀具的发展与展望》由会员上传分享,免费在线阅读,更多相关内容在行业资料-天天文库。
1、21世纪PCBN刀具的发展与展望随着制造技术的迅猛发展,切削加工作为制造技术的基础工艺,进入了以发展高效切削、开发新切削工艺和加工方法、提供成套技术为特征的新发展阶段。与此同时,制造技术和难加工材料的发展推动着刀具技术的发展,刀具技术也向着高态切削、高速切削、高精度和干式加工的方向发展。可实现高效率、高稳定性、长寿命加工的超硬刀具的应用也日渐普及,在汽车、航空航天、能源、军事、模具等领域发挥着重要作用。 在机械加工中,刀具材料是决定加工效率、加工质量和加工成本的关键因素之一,正确选择和应用刀具材料至关重要。现代刀具材料主要是高速钢、硬质合金和陶瓷,它们主要
2、的硬质相成分是碳化物、氮化物和氧化物,加上粘结材料后,刀具的硬度在HV2000以下。对于某些现代难加工材料的加工,上述硬度已不能满足要求,于是超硬刀具材料便应运而生。PCBN(聚晶立方氮化硼)刀具、陶瓷刀具、涂层刀具等均具有很高的硬度、耐磨性和化学稳定性,能满足高速切削、干式切削、硬态切削等绿色制造的要求。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刀具的推广和应用可创造巨大的经济效益。 文主要阐述CBN刀具材料的制造方法、物理性能及其应用和新发展,并展望了21世纪PCBN刀具发展的前景。 CBN刀具材料的
3、制造方法 立方氮化硼CBN(CubicBoronNitride)是20世纪50年代首先由美国通用电气(GE)公司利用人工方法在高温高压条件下合成的,其硬度达HV8000,仅次于金刚石(HV10000)而远远高于其他材料,它与金刚石统称为超硬材料。 CBN晶体与金刚石晶体都属于闪锌矿型,且晶格常数相近,化学键类型相同,故CBN具有接近金刚石的硬度和抗压强度,又因为它是由N、B原子组成,因此具有比金刚石更高的热稳定性和化学惰性。 CBN刀具材料的制造方法主要是热压法,将压制CBN单晶粉的原料——六方氮化硼粉(HBN)置于叶蜡石的腔体中,加上触媒剂,用六面顶
4、或两面顶的液压机,在1600℃、5~6GPa下热压10min形成CBN单晶粉。单晶粉可用于磨料、磨具。用CBN单晶粉加上触媒剂和粘结剂,在1800℃、5~6GPa下再压3min便可得到PCBN整体刀片或复合刀片(硬质合金垫底,上有0.5mm左右的CBN薄层)。 PCBN刀具材料的性能 (1)具有很高的硬度和耐磨性。 CBN单晶显微硬度为HV8000~HV9000,是目前已知的第二高硬度的物质。不同量粘结剂的PCBN刀具材料的硬度在HV4000~6000之间,而硬质合金刀具材料的硬度仅为HV1100~1800;Al2O3陶瓷刀具材料硬度为HV2000。由
5、此可见,用于加工高硬度材料时PCBN刀具具有比硬质合金及陶瓷更高的耐磨性,可减少大型零件加工中的尺寸偏差或尺寸分散性,减少换刀调刀辅助时间,使其效能得到充分发挥。 (2)具有很高的热稳定性和高温硬度。 CBN的耐热性可达1400~1500℃,在800℃时的硬度为Al2O3/TiC复合陶瓷的常温硬度。切削温度较高时,会使被加工材料软化,与刀具间硬度差增大,有利于切削加工进行,而对刀具寿命影响不大。 (3)具有很好的导热性。 CBN的热导率达1300W/(m?K),是紫钢的3.5倍。而硬质合金的热导率仅为35~75W/(m?K)。CBN材料的导热系数低于
6、金刚石但大大高于硬质合金,并且,PCBN刀具的导热系数随着切削温度的提高不断增大,因此可使刀尖处热量很快传出,有利于工件加工精度的提高。 (4)具有很高的杨氏模量。 PCBN的杨氏模量约为750GPa,高于WC、TiC、Al2O3等材料。 (5)具有很小的热膨胀。 PCBN的热膨胀系数约为(2.1~2.3)×10-6/K,而硬质合金的热膨胀系数为(5~7)×10-6/K。 (6)具有较小的密度。 PCBN的密度为3.48g/cm3,与Al2O3、Si3N4的密度相近。(7)具有较低的断裂韧性。 PCBN的断裂韧性约为(3.5~5)Pa?m0.5
7、,仅为陶瓷刀具材料的一半。这是PCBN唯一不足之处。 (8)具有优良的化学稳定性。 CBN具有很高的抗氧化能力,在大气中,1000℃时也不产生氧化现象,PCBN在1300~1500℃尚不分解;在酸中不受侵蚀;对铁族材料呈惰性,在1200~1300℃时也不发生化学反应。但1000℃左右时会与水产生水解作用,造成大量CBN磨耗,因此使用PCBN刀具时宜采用干切方式。 (9)具有较低的摩擦系数。 CBN与不同材料的摩擦系数在0.1~0.3之间,低于硬质合金的摩擦系数(0.4~0.6),摩擦系数随摩擦速度及正压力的增大而略有减小。切削时不易形成滞留层或积屑瘤
8、,有利于表面加工质量的提高。 PCBN刀具分类及对
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