PCBN刀具在热喷涂件中的应用

HEATS · 发表于 2010-9-12 10:32:23

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　　1问题的提出

　　热喷涂作为一种新兴的工艺技术，被广泛地应用于金属表面的强化。其表面硬度一般可达50~55 HRC,最高可达70HRC,，其耐磨性比淬火钢高3~5倍，但这却给切削加工带来了困难。

　　航天机电集团某工厂为开发产品设计卷筒零件如图1所示。该零件结构复杂，外形尺寸较大，采用HT400灰口铸铁制造。为保证零件的耐磨性，在零件外圆及台阶表面(图中虚线部位)进行热喷涂。喷涂材料为G112,或G116，喷涂厚度0.8~1 mm，表面硬度50~55 HRC，设计要求零件喷涂表面与内孔不同轴度允差φ0.05，喷涂表面粗糙度Ra0.8~0.4μm，R部位应光滑连接，不允许出现台阶、凹凸等缺陷。喷涂表面需作动平衡试验，径向跳动小于φ0.10。由于喷涂表面的设计要求较高，所以零件表面喷涂后必须进行机械加工，以保证设计要求。由于工厂没有大型外圆磨床，无条件对该零件进行磨削加工，故只能采用车削加工，既用以车代磨的加工方法。

　　2材料的选择

　　对喷涂表面加工，初期我们试用硬质合金刀具车削，刀具磨损十分严重。为此，我们查阅有关资料，选择了立方氮化硼刀具，原因是立方氮化硼与Fe族元素之间有很大的惰性，到1300℃也不会发生显著的化学作用，对酸碱都很稳定。因此，立方氮化硼适用于黑色金属的切削加工。

　　3具体应用

　　首先，我们在贵阳第六砂轮厂购买了部分聚晶立方氮化硼PCBN刀片进行试验。因当时喷涂表面工艺由人工进行操作，表面凹凸和不圆现象较为严重，对刀具冲击很大，而PCBN刀具的韧性比硬质合金的韧性还差，打刀现象十分普遍。为此，我们从以下两方面采取措施。1)改进喷涂表面质量

　　a.采用喷涂工装，实现机械化操作，使喷涂表面厚度均匀，保持表面圆度形状。

　　b.整形处理。用专用砂轮对高出的喷涂表面进行打磨平整。2)改进刀具及切削方法

　　a.改变刀具几何角度，增加PCBN刀具抗冲击性能，如图2所示。将刃倾角λS=0°改变为λS=-5°,将γ0=0°改变为γ0=-3°，保护刀尖，避免刀尖直接与工件冲击。采用负刃倾角，可提高刀刃强度，不易引起振动，使切削平稳，减少崩刃、打刀现象。采用较大的主偏角和圆弧过渡刃，将kR=90°改变为kR=75°，以增加刀具寿命，其耐用度有较大提高，刀尖选择圆弧过渡刃进一步提高了刀具的耐用度。采用较小的后角a0=4°，较小的后角可保证刀刃强度，提高抗冲击性，减少振动，以免引起崩刃、打刀。

　　b.粗、精刀具分开，延长刀具寿命，保证加工精度。为了保证零件加工质量，避免精加工时刀具过快磨损，我们设计并订购精加工刀具如图3所示。由图3可见，该车刀仍采用负前角及宽刃，增加刀具强度和减小表面粗糙度值。刀刃两侧圆弧为保证零件圆角而设计。

　　c.切削用量的选择。切削速度是影响刀具寿命最主要因素，由资料表明，PCBN刀具在低速切削时(v≤300m/min)，刀具磨损较快；高速切削时(v≤700m/min)，刀具磨损较慢。这是由于高速切削时，产生较高的切削温度，使被加工材料软化，而PCBN刀具在高温下仍能保持很高的热硬性，工件材料与刀具间硬度差增大，这种“软化效应”提高了刀具寿命。我们选择v=700~750m/min ,f=0.05~0.1mm/r,ap=0.1~0.2mm。

　　d.采用干式切削。硬质合金与PCBN刀具适用干式切削，但PCBN刀具与硬质合金相比，在干式切削条件下有明显的优势，首先，PCBN刀具高温硬度大于硬质合金，切削中可延长刀具寿命；其次，PCBN刀具的热传导率随温度升高而增大可使干式切削时切削温度大幅度降低，从而减小了PCBN刀具的磨损。

　　4切削中应注意的几个问题

　　1)零件喷涂后，尽管对喷涂工艺采取了一些措施，但仍存在不圆和凹凸不平的问题。在车削初期先用旧车刀进行粗加工(车圆为止)，然后再用新车刀进行精加工。这样可有效防止粗加工时将新刀具打坏，从而节省了刀具费用。

　　2)随时注意刀刃的磨损情况，发现磨损应及时用金刚石砂轮修磨。

　　3)机床工艺系统刚性必须很好。刀杆的悬伸长度尽可能短，防止刀杆的颤动和变形，使PCBN刀具保持良好状态。

　　5结束语

　　通过几年来的生产实践，立方氮化硼刀具完全适用喷涂表面的加工，质量也完全满足设计、使用要求。我们经过不断改进PCBN刀具对喷涂零件的加工，从最初的一把刀具加工一个零件到现在一把刀具可加工四、五个零件，效率有了较大提高，并且磨损后的刀片仍能当旧刀具使用，从而降低了成本，实现了增产节约的目的。【MechNet】

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