整体PCBN刀片特性及其铣削应用

HEATS

切削刀具材料的不断进步在机械加工技术的发展中扮演重要角色。使用新刀具材料带来的性能提高及刀具寿命的增加使得按严格的尺寸精度和表面粗糙度要求来确保大量生产零件的互换性成为可能。 / k* ?# I& y) X+ E! L

PCBN(立方氮化硼)是自然界中硬度仅次于金刚石的矿物质(显微硬度达8000～9000HV)。用PCBN材料制造的刀片是加工黑色金属硬度最高的刀片。它的良好的热硬性(耐热达1400～1500℃)、抗氧化性(在1200～1300℃也不与铁系材料发生化学反应)和抗断裂韧性赋予PCBN系列刀片在实际切削中表现出极其优秀的特性。目前60%PCBN刀具用于汽车制造业，包括用于汽车发动机箱体、刹车盘、传动轴、气缸孔、发动机进出气阀座等。另外，20%的PCBN刀具用于重型设备(如轧辊等)的加工。PCBN刀具在许多需要提高加工效率的加工中也很受欢迎。随着现代制造业的快速发展，尤其是汽车制造业中柔性生产线(FMS)的大量应用为PCBN新牌号材料的应用提供很好的契机。 1 N& X3 H% v! P7 m2 A8 ?

1 SECOMAX 系列CBN 刀片技术性能指标

# H. t; u( X) J# `1 S. F$ T' Y" K" q' T4 x' P7 c" z/ u% s! T2 X3 L. |# U4 g! A# J x8 i& ~8 T$ y7 K0 f+ c$ O: ^% w: C& R" S$ d! T) W/ y& y3 [( h8 x" I% m9 s0 I& a0 V" q7 F% s5 o7 n9 i! P1 d5 _& ^6 F% k# U9 |" U$ g1 `" z0 b) j( B2 q4 m. ^( X9 c/ W, H# h# X9 J) G, v1 y: w. _/ j3 _9 d2 R$ O+ z9 ]6 \4 u5 _) Z+ k6 F4 z8 s, Y! R/ p$ r3 B2 e1 l. ^# ^( a4 K$ `, [ n) z" X4 K" A# e& S3 u \$ J* Z0 ^" R# t/ j+ d* B8 v8 O4 f: U# X d8 B5 c4 U4 q' [- ~" s* I1 x" G% u7 X. @. Q9 m5 @7 i& g* N) |% H" B8 H: T* C; ]/ j R0 `0 N9 i! ]. H2 [% v. A1 q; \8 U5 A! ~* y5 p1 B6 p* K+ S% m% N8 `' V$ v9 E- S

表1 SECOMAX 系列CBN 刀片的技术性能指标

刀片种类	CBN含量 (%)	晶粒尺寸	粘结剂	型式
CBN10	50	2	TiC	硬质合金基体
CBN20	80	6	Ti&Al	硬质合金基体
CBN30	90	8	Al	整体
CBN100	50	2	TiC	整体
CBN150	45	0.5	TiN	硬质合金基体
CBN300	90	22	Al	整体

3 k: _2 [% i L5 y

从表1可以看出PCBN的发展历程:从原先只有一个刃口的钎焊式刀片发展到整体式刀片(多至8个刃口)。SECO公司的CBN100整体刀片是CBN10的改进型，CBN100是细颗粒的整体PCBN刀片，PCBN含量(50%)较少，其低热传导性的特性可使切削热集中在切削区域，可大大改善淬硬钢精加工时的效果。CBN100可用于淬硬钢，硬化处理过的合金及烧结钢等一些高硬度材料的精加工，CBN150中的PCBN含量(45%)也较低，是将PCBN材料焊接在硬质合金基体上的一种刀片，具有非常出色的抗冲击韧性，可用于切削状况比较恶劣甚至断续切削的较高硬度工件的加工。 + S# D5 V' s/ a% K" j5 _

CBN300是在CBN30基础上用特殊工艺改变颗粒度尺寸大小得到的抗冲击牌号，可用于断续切削。CBN300是一种纯CBN烧结体，含PCBN量(90%)较高。具有很好的耐磨性、优良的导热性和抗冲击性，同已有的PCBN产品相比，是一种新的更成熟的PCBN产品。可用于珠光体灰口铸铁的粗精加工、淬硬钢粗加工、冷硬铸铁的加工、锰钢的加工甚至硬质合金等材料的加工。由于其良好的抗冲击性，CBN300不仅可用于车削硬材料(HRC>45)，同时在铣削工件上也表现卓越，完成了PCBN刀片从车削应用到铣削应用的飞跃。 ( p$ x( W1 o* Q4 |! r

2 CBN300在铣削加工中的应用

6 V! W; d5 ?9 B2 N& R. z- r

5 ^3 a+ {0 c7 J6 v4 t/ m) ^9 ]6 b* B8 a( q- R& o) I* p* R9 F6 s; x

图1 端铣时的切削关系

图2 单个铣刀刀齿的切削力变化过程

图3 不同温度下刀具材料硬度比较

1. 铣削加工切削力的变化规律 根据Weilenmann推导端铣时切削力的途径可得出计算公式，单个铣刀齿的切削力为:
   F_SZ=bhk_s，kgf 3 a! o4 s, d! e8 N. B! @. X u
   b=a_p/sinK，mm
   h=S_ssinK，mm式中：b——切削宽度 , U5 z( n8 M! r7 m% g0 u
   a_p——切削深度
   h——切削厚度 4 _+ ~8 [5 U6 K% H* K/ C
   K——主偏角 9 x6 m# |" a, g; v1 b, H& L+ x
   S_S——进给量
   k_s——单位切削力
   如图1所示
   s_S≈s_Zsinf ' K' P# [3 F/ W% x$ Z( B
   式中f——刀尖铣削点的进给方向角。 + E* F, o! g1 ~+ ^* O, ]+ Y
   根据以上公式可以得出单个铣刀齿的切削力随f角的变化曲线，如图2所示。单个铣刀齿的平均切削力为
   . J% @. I/ @6 D# i; c, c" X- [3 e; Z6 u1 H4 U; e$ Z2 Q5 ?+ S; \7 y+ B: B4 ]$ H0 j1 z0 Z' c6 ]% H; N9 v! A, P& O ?& ~! `. Z7 s q. p, p* K- h3 ?0 a# H+ `6 ]6 ~

   FSMZ=	1	∫	f1 % j( U5 Q! t$ y- ?/ |& U	FSZdf， kgf
   	f^s		f2

   式中：f1——切削开始处的进给方向角 1 L2 J$ V( k* K4 a
   f2——切削终止处的进给方向角 / |& ~ {5 z. c* D& I) K
   fS——端铣时的接触角
2. 不同温度下刀具材料的硬度比较 CBN300同陶瓷、硬质合金比较具有优良的导热性和抗冲击性。图3是CM、TP200、CBN300三种刀具材料在不同温度下硬度的比较，显示了CBN300良好的热硬性。 6 ^2 F# V' k5 e6 k& H; n# P. J. K- Z; X1 f9 r: r x4 c6 s8 [5 g0 d- Q" ]" K9 g, _/ l0 |$ Y4 h: C& j- y

   表2 CBN300与硬质合金切削参数对比

   粗加工	精加工
   硬质合金: vc=150m/min ap=2～3mm vf=300mm/min 刀具寿命=70件	硬质合金: vc=180m/min ap=0.2mm vf=500mm/min 刀具寿命=100件
   CBN300: vc=2000m/min ap=2～3mm vf=3000mm/min 刀具寿命=150件	CBN300: vc=2000m/min ap=0.2mm vf=5000mm/min 刀具寿命=600件

3. 硬质合金与CBN300切削参数对比 加工工件：真空泵铸盖：材料:HT200。刀具材料分别选用硬质合金和CBN300，其切削参数和刀具使用寿命如表2所示。

3 CBN300铣削加工实例

CBN300在铣削加工灰铸铁时效果最好，刀具寿命为一般PCBN刀片的4倍。而对于正在使用陶瓷刀片的工厂来说，CBN300可以提高50倍刀具寿命，切削线速度可达2000m/min。近年来，PCBN在珠光体灰口铸铁发动机的平面铣削加工上表现了不凡的特性，我们已成功地将CBN300运用于上海通用汽车公司(SGM)新建成的发动机柔性生产线上铣削发动机缸体平面，铣削线速度v_c达1600m/min，甚至高达2000m/min这不仅大大提高了发动机的加工效率，缩短了加工时间，从而也提升了发动机生产线的适应能力。表3为CBN300与硬质合金铣削灰铸铁发动机缸体平面切削参数的对比。展现了PCBN铣刀提高加工效率的优秀品质。 9 M1 O* s3 z- c1 k6 R2 _7 e1 ?1 ~- z( B" L( K. y. F- Q' v8 v# c' J, d/ G8 Y1 C9 f: @' C3 o" S @3 U: p7 ?( `0 w+ J1 v* C# O* ^' N8 I7 S2 v! b2 S: [. k. H1 W

表3 CBN300与硬质合金铣削灰铸铁平面切削参数对比

CBN300	D=160，Z=5，SNMN090312S ae=120mm，ap=5mm，fz=0.15mm，vc=1600m/min
硬质合金	D=160，Z=20，SPKT1504AZN ae=120mm，ap=5mm：fz=0.21mm，vc=160m/min

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4 结束语

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21世纪是高科技时代，产品必须具有高性能、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。对金属加工业而言，推广使用PCBN刀具来提高制造技术是一种有力的措施，而推广应用新技术、新产品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PCBN刀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。目前刀具平均消耗费用指标很低，只占产品成本的1/100左右。如果不以提高生产效率和保证产品质量为准，便会限制优质高效的刀具应用与先进设备生产能力的发挥。实践证明，PCBN刀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。