立方氦化硼(CBN)在切削中的应用

HEATS

　　立方氦化硼(CBN)是继人造金刚石之后，人工合成的一种新型超硬刀具切削材料，其硬度仅次于金刚石，在切削和磨销加工中得到广泛应用。

1 u7 \4 B: R2 S9 D3 Y % _9 X/ _+ o4 H$ ?8 z% b9 S 5 p8 Y4 \3 H( f2 e2 k6 C! k8 S, N

　　立方氦化硼(CBN)在切削加工中的应用

7 E; x# x& O9 \1 ]1 g/ g) O - Z: t5 |* Q2 Z# |4 M7 c, B

　　1.用PCBN刀片精车淬硬钢

; H. X5 S- W0 I2 @3 M% q1 E

　　采用PCBN刀具精车淬硬钢，其工件硬度高于45HRC，效果最好。其切削速度一般为80～120m/min，工件硬度越高，切削速度宜取低值，如车硬度为70HRC的工件，其切削速度宜选60～80m/min。精车的切深在0.1～0.3mm，进给量在0.05～0.025mm/r，精车后的工件表面粗糙度为Ra0.3～0.6μm，尺寸精度可达0.013mm。若能采用刚性好的标准数控车床加工，PCBN刀具的刚性好和刃口锋利，则精车后的工件表面粗糙度可达Ra0.3μm，尺寸精度可达0.01mm，可达到用数控磨床加工的水平。

& ?- e. U7 S0 ] e ( N0 h. @ \# M, x% W& P ( p# R6 P" O& B, e1 C8 b1 G& P% T Y5 f9 d& e6 @4 O$ e6 Y

　　如果机床刚性好，选用的切削速度较低，则选用PCBN复合刀片可精车断续表面。

; w( p9 \6 j" s& t. P 2 _( `" Q& _8 [' [8 d: h) b9 z

　　精车加工余量一般为0.3mm左右，尽可能提高工件淬火前的尺寸精度和减少热变形，以保证精车时切削余量均匀，延长PCBN刀具的使用寿命。

6 n- p4 g+ G( }% r- t9 s . l1 \3 C9 T, c* \7 D/ S

　　精车一般不用切削液，因为在较高的切削速度下，大量的切削热由切屑带走，很少会停留在工件表面而影响加工表面质量和精度。

! K8 ~+ V5 J$ m9 w1 V5 O0 |7 P 5 B; Y7 q! u& D" Y & h3 A! P1 x; T! {7 {$ D+ N' V & E# }9 z# K& ?3 r7 |

　　精车刀片宜选用强度和韧性高的80°菱形刀片，刀尖半径在0.8～1.2mm之间，为保护刀具刃口，使用前需用细油石倒棱。

1 l' a3 C3 T; e# S# P 6 n1 D* r8 ^8 B3 C9 b

　　精车淬硬工件是一门新工艺，实施前需做工艺试验，可用与工件材料、硬度和大小相同的棒料，在同类机床上进行精加工或粗加工试验，关键是要试验刀具与切削参数的选择及工艺系统是否有足够的刚性。该工艺目前国内已经采用，如一汽集团用PCBN刀具加工渗碳淬火(58～63HRC)的20CrMnTi变速箱齿轮拨叉槽，采用的工艺参数为υc=150m/min, f=0.1mm/r，αp=0.2～0.3mm，实现了以车代磨。

9 s( }) n4 \+ W& g% v/ ^$ n q/ a6 v- H$ g/ q& H4 o % y, y4 F9 E3 Z8 i; W( {

　　2.加工硬铸铁和灰口铸铁

; G% R1 v& C n$ b" D3 e8 y; e2 L; k 9 r" U* u: G: `# q 5 n3 K* J& [; k. X+ {8 J- F ; r: H8 T! g. }# Q( K, v8 a" g$ K

　　(1)加工硬铸铁

+ o! R7 c" v0 k# ?2 \" O5 o6 E 2 T8 j/ u$ d: w7 Q& w" w

　　用PCBN刀具车削淬硬钢时，要求工件淬火硬度高于45～55HRC，加工硬铸铁时，只要硬度达到中等硬度水平(45HRC)，就会取得良好的加工效果。如汽车发动机缸盖上的排气阀座，该阀座是采用含铜、钼的高铬合金铸铁材料，其硬度一般约为44HRC，其阀座上孔采用锪(铰)、车两种工艺，大多是在专用自动线上加工，与枪铰导管孔一道进行。所采用的切削用量为：υc=71.6m/min，υf=26.5mm/min，αp=1.0mm，采用BC拉削油，自采用PCBN刀具加工后，与以往采用的各种硬质合金刀片加工相比，刀具平均耐用度为1200件，加工表面粗糙度为Ra0.4μm，阀座面摆差≤0.05mm。东风汽车公司发动机厂自1988年使用PCBN刀具后，其效果一直保持稳定，较好地解决了引进设备的刀具国产化问题。(2)高速铣削灰口铸铁

, t! H0 K/ @7 t" E$ e4 j 4 M6 y4 Q1 v. y) @$ ^( O V: q: X/ y( K

　　高速铣削灰铸铁时，一般粗加工当然可以使用K类硬质合金，精加工可用氦化硅陶瓷刀片。如在一个装有8块刀片的端铣刀上改用只装对称式的两片PCBN刀片，并将切削速度提高4倍，其结果是金属切除率相同，而切削力却下降3/4，刀具寿命与加工质量超过前者。

# ^$ g, A2 x& }9 h G ]5 f ; S, M q0 V+ U, P 9 Y$ J6 N e' ~ 2 b, p3 l9 B: G- ^

　　对珠光体铸铁与冷硬铸铁，也宜采用PCBN刀具进行高速加工，与其它刀具材料比较，可提高切削速度、延长刀具寿命、降低了表面粗糙度。

* q# I0 e7 K z 5 ~: @9 u4 T' x" A* {, r: y

　　3.高速镗削铸件孔

- k. z6 d6 W* z% Q1 X

　　在高速镗杆上采用成对镶片PCBN镗刀与单片镗刀相比，其平衡性好，从而增加了镗杆的刚性，在给定的进给量下，采用PCBN双刀片镗孔可获得高的金属切除率与表面质量。

9 V' K0 v% P! G8 S6 i , h7 \. X, {% s2 w. [: {

　　目前国内已有较多的发动机制造厂，对气缸体的缸孔(或缸套)精加工已使用PCBN刀具。如上海大众和一汽集团的发动机厂，缸孔精镗均采用PCBN刀片并可自动补偿(υc=500m/min，f=0.2mm/r，αp=0.1mm)。所以加工出的缸孔精度高、尺寸稳定，而且生产效率高，刀具寿命长。

+ V6 [, f/ v5 d% W% I0 O) i- S - R' e7 C1 o8 i 2 D D2 Q: y+ |+ V* _

　　对于小孔镗削，虽可使用陶瓷或涂层刀片，但刀片应带有负前角，这将增加切削和排屑的阻力，易使细长镗杆产生振动。若用PCBN刀具进行高速镗削，其孔的表面质量好、生产效率高。

. P6 S& z* X) b+ _5 u" S * c4 h$ {1 g3 r* C: z7 A2 N

　　4.铰削淬硬钢或硬铸件小孔

9 h5 g8 z2 R8 R1 v9 X 1 l1 t+ f1 O6 h: ^ 8 j+ b. Z% j$ F, c9 R, e6 `

　　对这类工件的孔加工宜采用CBN电镀铰刀。这种铰刀是以其硬度为42HRC的45号钢或9CrSi钢作为基体，具有前后导向和切削部分，其基体制造精度要高，设计要合理。如其铰刀的前导向部分直径要小于切削刃部分直径0.04mm，切削区的长度要大于工件孔深，后导向的长度要大于切削区长度，其直径应小于切削刃部直径0.02mm。为了在铰削中能用切削液冲洗切屑和冷却润滑加工表面，其铰刀基体上开有两条较深的螺旋槽。

/ I1 B2 _9 Q% H6 j! o* t8 C" q

　　如某厂加工淬火钢工件孔φ12.06±0.05mm，硬度为45HRC，底孔尺寸为φ12±0.01mm，要求孔的圆柱度为0.005mm，表面粗糙度为Ra0.2μm。采用一组五把的电镀CBN铰刀加工后，取得较好的经济效果。有的发动机制造厂采用金刚石或CBN电镀铰刀对气缸体的主轴承孔进行珩铰，代替原来的珩磨加工，使加工效率提高了数倍，且质量稳定。

　　5.用于难加工材料的切削加工

5 V, j2 g% x$ o6 ^0 O5 y 8 U" U" d4 G2 ]- Y ; Y% m8 L3 I% m3 g4 D

　　采用带正前角的PCBN刀具，选用适当的切削参数，即υc=100m/min,f=0.05～0.2mm，αp=0.1～0.2mm，采用极压型乳化液或油冷却液，可加工奥氏体不锈钢(45HRC)、高温合金钢、高锰钢、高强度钢及高镍合金钢等材料，可获得较高的加工效率和表面质量。

# H! n. |" M- F# o! s# I

　　CBN砂轮在磨削加工中的应用

8 O( `. o, R, `6 s' k% Y* @, S 8 ~ z% p! }5 T/ H/ M$ s8 n7 ^ % x) ~3 [; x6 @2 q

　　CBN材料除用来制作刀具外，其最大的应用领域还是制成CBN磨具，用于高速高效磨削和珩磨加工，可使磨削效率大大提高，其磨削精度和质量提高一个等级。

5 W. B; f5 L6 j$ D5 e- b + k5 R5 c3 b. T; o* i' |0 M

　　1.磨削汽车零件--凸轮轴和曲轴

- }! _. L7 [2 ~ C q . O4 u$ y) }4 w, L ! e6 X, o5 ^) ]' x$ x' j! e5 s, D 1 H" F+ s# A; {

　　汽车发动机上的凸轮轴具有多个凸轮，淬火后的凸轮粗磨及精磨是影响凸轮质量的关键工序。一般都是采用靠模仿形磨削，工件速度的提高受到限制，工件易产生磨削烧伤裂纹，采用靠模仿形磨削，其凸轮表面的轮廊曲线要受砂轮直径大小的影响，所以很难保证凸轮轮廊曲线的正确。生产实践证明，当砂轮直径大时，磨出的凸轮瘦，当砂轮直径小时，磨出的凸轮胖，只有当砂轮直径接近或等于磨削靠模凸轮的滚轮直径时(一般为φ570mm)，其仿形误差接近于零，即磨出的凸轮表面轮廊曲线接近于靠模凸轮。在实际生产中，所用的砂轮直径一般都是从D600(或610)用到D500，与理想的砂轮直径(570)相差甚多，所以生产中总有大部分凸轮轴的凸轮曲线超标。为解决这个问题，我们在靠模仿形凸轮磨床上采用CBN砂轮磨削，可把CBN砂轮直径制成D575，CBN磨料层厚为4～5mm，其磨轮的磨削最小直径是D565，磨削直径范围虽然只有10mm，但磨削零件数却相当于几十片普通砂轮，不仅可保证凸轮曲线正确，而且也不会产生磨削烧伤现象。

, A) x: Q% i _: B + R" \1 D2 Q, W, D- ^

　　如Liton工业自动化公司用CBN砂轮磨削凸轮轴，其成本降低了50%，凸轮表面的疲劳强度提高了30%；东风汽车公司襄樊柴油发动机厂用陶瓷结合剂CBN砂轮粗磨冷激铸铁凸轮轴，其凸轮磨削余量t=4～5mm，υ砂=60m/s，工件转速n=100r/min,υf=0.1mm/s，采用高速磨削液，CBN砂轮的寿命基本相当于20片刚玉磨料砂轮。

) E! w$ D- x$ K0 y+ `0 S9 `8 I 9 d$ d, [; F! [ e5 R ) Q: E( ?3 p0 p: D# O: B6 A, v" Z4 J- c

　　2.CBN砂轮在内孔磨削中的应用

) Y" u& j" g' b8 b 4 s8 y e) M8 _* p6 g- [2 F7 g + u& H9 F! i+ j$ C1 O/ O+ A4 w $ `/ z/ n r: c4 }& I5 W

　　内圆磨削的效率一直很低，其主要原因就是磨削速度、砂轮材质及磨杆的刚性问题。生产过程中用在修整砂轮、更换砂轮的时间几乎占了单件工时的1/3～1/5。如果内圆或沟槽磨削采用CBN电镀砂轮，并把砂轮速度提高，增大磨杆直径，便可适当提高工件转速与进给速度，不仅可保证孔(弧)径、槽宽尺寸与形位精度，表面粗糙度和避免烧伤，而且还可以成倍地提高加工效率，降低加工成本。

. Z0 F1 ?# _/ i4 M$ c1 w

　　如国内某厂加工一个年产60万件的纺机滚动轴承套，磨φ15.5+0.04的孔及相邻的弧槽，过去用铬刚玉(GG)砂轮，需用两道工序分别在两台M224内圆磨床上加工，其槽(弧)径差及尺寸与孔的同轴度很难保证，且效率低，采用CBN砂轮后，加粗了磨杆，提高了进给量，节约了修整和更换砂轮的时间，彻底解决了原有问题。后又改为孔、沟同时磨，即在磨杆上装两个砂轮，使磨削效率提高1倍，节省了一台磨床。所加工的工件表面粗糙度为Ra0.63μm采用的磨削工艺参数：υ砂=36m/s，υ2=19m/min，f粗切=1μm/r,f精切=0.5μm/r，光磨时间t=bs，采用10%浓度的乳化值。

4 ~: l& I- q5 x4 f! }3 F8 S

　　3.采用CBN砂轮磨削齿轮

: d, B! g! S+ t# { + a0 o$ y [' A- l K; g

　　齿轮磨削以往是采用单齿面与多齿面磨削，单齿面磨削虽然可获得较高的加工精度，但效率低，成本高，多齿面磨削虽生产效率高，但其加工质量比单齿磨削差。若采用CBN砂轮磨削，无论采用单齿面磨削还是采用多齿面磨削，采用电镀CBN砂轮或陶瓷结合剂砂轮进行磨削，其效果极为显著：(1)CBN砂轮可以制成精度较高的齿形，由于耐用度高，不频繁修整，不需经常调整机床，可获得稳定的齿廊、导程和节距精度。

+ _) Z( f3 O% K$ [7 n

　　(2)可实现高速磨削与高进给率磨削齿面，粗糙度低且不会烧伤，可在提高磨削效率的条件下获得较高的齿轮精度(6～7级)。

/ F( V1 d9 j1 O' ^$ m# @9 j3 y7 A . H f4 y# p. X7 V& \# q) n 9 y2 K& g9 B& x! C4 w

　　(3)CBN砂轮寿命长，磨削性能好，节约了砂轮更换修整、机床调整和工件检测等许多辅助时间。

: [- k0 m, C, m& N+ ` 3 p; o" B3 I5 w+ v

　　4.应用CBN磨具加工难加工材料及难加工面

4 H( d0 U( Y5 M) O* R4 J # y9 Q2 ?. C: L# ^. M

　　对淬硬钢件或冷硬铸铁件孔的珩磨，可采用CBN珩磨油石，对高强度、高硬度和高热敏性的合金钢、不锈钢、耐热钢与合金，宜采用高硬度、高强度的CBN砂轮，采用极压乳化液或高速磨削液进行冷却。对较长的导轨面或复杂型面、凸轮磨床的靠模轴等均宜采用CBN砂轮。

　　大力推广CBN材料在机械加工关键工序中的应用

1 [. m9 k9 I- k" M2 e * F: U$ i6 g, v" a0 \0 R

　　CBN材料无论制作刀具或制作磨具，应用于高速切削或磨削，都可收到提高产品质量、提高加工效率、缩短加工周期和降低加工成本等显著效果。因此，在加工中，大力推广CBN刀(磨)具是提高制造技术的有力措施。但若普遍推广使用，尚有许多问题。

0 l- I1 @) @' [5 t A1 I ! ?5 E! B) a7 Z- k1 v 2 X, x8 K; H1 B" q- Y6 Q+ X

　　为了在生产中更好地推广使用CBN刀(磨)具，应做以下几方面的工作：

+ L6 S3 P0 Q1 D, @ a: W; U0 ^8 W# [$ F8 r% X9 T, S . c4 B, l- r" f

　　1.发挥CBN刀(磨)具研究院(所)的主导作用

2 ]/ p9 W) |/ u/ {; M7 ?- q & E/ {, |# c( _

　　目前国内CBN材料生产厂家很多，产量也不少，但高质量的不多，CBN刀(磨)具的稳定用户更少。究其原因主要是机械加工部门对价格昂贵的CBN刀(磨)具缺乏选择与使用的知识，采购来的CBN工具实效不多，在其经济紧缩的条件下，不敢轻易投资进行工艺试验。要想解决这个问题，只有CBN刀(磨)具研究院(所)主动深入机械制造的生产单位，选择生产效率与质量的薄弱环节，且已具有或易于创造CBN加工条件的点，与用户协商签订共同开发CBN应用合同。由工具研制单位负责免费提供试验用的CBN刀(磨)具，用户负责提供试验所需条件下组织生产试验。这就发挥了多方积极性，从CBN质量选择到工具制造，都会以最优、最快的速度进行，用户从准备试验条件到使用，见到了达到合同目标值的成果，不花试验费便解决了生产难题，很容易推广。而工具院(所)亦可在以后的供货中逐步回收利润，只要双方保持互惠、互利，协作关系便会更加巩固。我厂就是利用这种方式与多家研究院(校)开发了很多新技术。

　　2.实现三点一线联合开发，即CBN--工具制造--用户或CBN与工具制造--机床--用户共同开发CBN的应用

" C5 z {1 N) N. v

　　其原因是多方面的，如CBN质量、含量、品牌规格及结合剂等是否适合硼铸铁的加工。至于CBN磨具影响的磨削效果的因素就更多了，除自身原材料的质量、配比和磨具制造技术外，还有使用条件与技术。如磨削速度(应用高速磨削速度)、磨床刚性好、无振动、有自动精细进给及修整补偿机构、适当的磨削参数和冷却液等，这些都是相辅相成的重要因素，靠有关方面共同努力，各自提高自家产品的质量，相互促进，才能使CBN工具与专用设备成功地用于生产。

1 ^- s+ e$ a- B5 W! d1 S ; }$ J8 A k# n* x* s1 H# T 3 ?. L+ X( B0 d 7 c7 M+ S/ ^6 a8 G- V

　　3.积极开展CBN刀(磨)具制造与使用技术的研究

7 b( Y9 W0 g M- m0 [" {( I* o

　　用户希望使用具有实效的CBN工具，为此，要求工具制造单位，除了尽快提高CBN工具的制造技术外，还应对产品的质量建立明确的鉴定标准与方法，分布某些性能参数，如刀具的CBN含量与品牌、磨具的硬度与CBN精度、浓度等，在此基础上进行生产使用试验，以便充分发挥用户的生产经验，对不同的切削参数与冷却液所取得的加工结果进行对比分析，使CBN工具得到质的提高。CBN工具的适用范围、使用条件和应用的技术配套(如设备和冷却液等)，用户可正确选用和使用CBN工具。

) y' U M1 ~; t! R3 I; |8 `3 y- \ 9 |% w" p& L( m. Z8 f: Y ( @' G+ l* |) a( c

　　4.用户需要提高产品质量意识，勇于提高制造技术

+ F- i% \) f% g1 ]! v

　　21世纪是高科技时代，产品必须是有高性能、高质量才有市场，企业才有生命力。为此，应尽快提高制造技术水平，而推广使用CBN工具提高制造技术是一种有力措施，这不仅需要有关主管部门的有力资助和支持，有组织、有计划地逐步推广CBN工具的技术配套与使用，同时也要求用户勇于接受新材料、新技术，改变过去陈旧的生产观念与管理方法，即刀(磨)具均消耗费用指标很低，只许占产品成本的1/100左右，而不是以提高生产效率和保证产品质量为准，这样会限制优质高效的刀(磨)具应用与先进设备生产能力的发挥。实践证明，CBN刀(磨)具的成效不仅可提高产品的加工质量，而且也可提高经济效益。 + L5 _0 c4 o% }2 C4 G0 \4 z4 i' D【MechNet】

! z& h! j( `) s" h/ o

tshcad

学习一下.感谢分享

tshcad

学习一下.感谢分享