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淺談超硬刀具材料的應用與前景

淺談超硬刀具材料的應用與前景

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作者:
2015/02/05 15:53
  一、引言
 
  近年來,由于汽車和飛機制造業的大發展,大量應用輕型材料(A1―Si,A1―Mg合金)、復合材料等。目前這些材料常用硬質合金刀具來銑削,而當切削速度升高以后會導致硬質合金刀具的磨損加劇,為了保證刀具的耐用度,零件的銑削加工往往是在較低切速(粗加工30m/min,精加工100m/min)下進行的,加工效率低(材料去除率3~13cm3/min)。因此,在輕型材料零件的制造過程中切削加工性很差,具體表現為:
 
 ?。?)加工效率低;
 
 ?。?)刀具磨損嚴重;
 
 ?。?)加工精度和表面質量不穩定。
 
  毋庸置疑,尋求一種高速,高效、低成本的加工方法已成為目前關注的研究熱點。
 
  隨著超硬材料(聚晶金剛石和聚晶立方氮化硼)刀具進入到機械加工領域,逐漸顯現出其優越的加工性能,其超長的使用壽命、極高的加工質量以及所帶來的極高的生產效率是其它任何材料的刀具所無法比擬的。過去主要用于精加工,近幾年來由于改進了人造超硬刀具材料的生產工藝,控制了原料純度和晶粒尺寸,采用了復合材料和熱壓工藝等,應用范圍不斷擴大,除適于一般的精加工和半精加工外,還可用于粗加工,被國際上公認為是當代提高生產率最有希望的刀具材料之一。
 
  二、超硬刀具材料的性能特點
 
  1981年國際硬物質科學會議認為,硬度大于1000HV的物質均可稱為硬物質,能加工諸如硬質合金(硬度1600―1800HV)、剛玉(2000HV)、碳化硅(2200HV)等這一類物質的材料稱為超硬材料。通常所說的超硬材料是指與天然金剛石的硬度、性能相近的人造金剛石和CBN(立方氮化硼)2種材料,由于天然金剛石市場價格十分高,所以,目前我國生產超硬刀具時大多采用聚晶立方氮化硼(PCBN)、人造聚晶金剛石(PCD)以及它們之間的復合材料。超硬刀具材料具有以下性能特點:
 
 ?。?)高的硬度。刀具材料的硬度必須高于工件材料的硬度。PCD的硬度可達8000HV,為硬質合金的8~12倍;CBN晶體結構與金剛石類似,因此具有與金剛石相近的硬度和強度;CBN微粉的顯微硬度為8000~9000HV,其燒結體PCBN的硬度一般為3000~5000HV.
 
 ?。?)高的耐磨性。刀具材料應有好的抵抗磨損的能力,它取決于材料的力學性能,化學成分和組織結構刀具耐磨性是刀具抵抗磨損能力。一般刀具硬度越高,耐磨性越好。刀具金相組織中硬質點(如碳化物、氮化物等)越多,顆粒越小,分布越均勻,則刀具耐磨性越好。刀具材料耐熱性是衡量刀具切削性能的主要標志,通常用高溫下保持高硬度的性能來衡量,也稱熱硬性。刀具材料高溫硬度越高,則耐熱性越好,在高溫抗塑性變形能力、抗磨損能力越強。
 
 ?。?)足夠的強度和韌性。刀具材料必須具有足夠的強度和韌性以抵抗沖擊與振動。如車削45鋼,在背吃刀量ap=4mm,進給量f=0.5mm/r的條件下,刀片所承受的切削力達到4000N,可見,刀具材料必須具有較高的強度和較強的韌性。一般刀具材料的韌性用沖擊韌度aK表示,反映刀具材料抗脆性和崩刃能力。
 
 ?。?)高的耐熱性。在高溫下保持較高的硬度、耐磨性、強度和韌性的能力。
 
 ?。?)良好的導熱性和工藝性。熱導率越大,越有利于提高刀具的使用壽命;線膨脹系數小,則可減小熱變形;為了便于制造,須有較好的鍛造性能、熱處理性能、焊接性能、加工性能等,而且要追求高的性能價格比。
 
 ?。?)具有較低的摩擦系數。低的摩擦系數可以導致切削時切削力小,切削溫度降低,加工表面質量提高。
 
  由于超硬刀具材料的超高硬度,要制造出像硬質合金刀片一樣具有的斷屑槽一直以來是個難題,尖端激光雕刻技術的出現讓這一難題得到解決。下圖為德國DiaCut金剛石刀具公司采用尖端激光加工技術制造的帶斷屑槽的PCD/CBN刀片。
 
  三、超硬刀具材料的應用
 
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  金剛石作為一種超硬刀具材料應用于切削加工已有數百年歷史。二十世紀七十年代,人們利用高壓合成技術合成了聚晶金剛石(PCD),解決了天然金剛石數量稀少、價格昂貴的問題,使得人造金剛石發展加快,除用高溫高壓以石墨作原料燒結金剛石外,現在也有不少人開發常溫常壓用純甲烷制造金剛石的新工藝。
 
  這種高硬的材料會在金屬切削領域的應用主要體現在以下兩方面:
 
 ?。?)難加工有色金屬材料的加工:用普通刀具加工難加工有色金屬材料時,往往產生刀具易磨損、加工效率低等缺陷,而PCD刀具則可表現出良好的加工性能。如用PCD刀具可有效加工新型發動機活塞材料――過共晶硅鋁合金(對該材料加工機理的研究已取得突破)。
 
 ?。?)難加工非金屬材料的加工:PCD刀具非常適合對石材、硬質碳、碳纖維增強塑料(CFRP)、人造板材等難加工非金屬材料的加工。如華中理工大學1990年實現了用PCD刀具加工玻璃;目前強化復合地板及其它木基板材(如MDF)的應用日趨廣泛,用PCD刀具加工這些材料可有效避免刀具易磨損等缺陷。如現代汽車變速箱因減輕重量和多功能化的要求,越來越多地采用壓鑄鋁合金來制造,其上設置有許多階梯狀的成型孔,這些孔對表面粗糙度、圓度、圓柱度、同心度、無毛刺等質量要求非常嚴格。為滿足高效、高精度加工成型孔的需要,日本公司開發了一種PCD成型階梯鉸刀。選用優質PCD刀片材料,用高精度成形磨削技術來保證切削刃形狀,獲得優良一致的尺寸精度和表面粗糙度,使所有切削刃在不同加工負荷下具有優良的切削性能。   但眾所周知,金剛石在高溫下和W、Ta、Ti、Zr、Fe、Ni、Co、Mn、Cr、Pt等會發生反應,與黑色金屬(鐵碳合金)在加工中會發生化學磨損,金剛石不用于加工黑色金屬。
 
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  立方氮化硼是繼人造金剛石之后出現的又一種超硬材料。它的特點是:硬度僅次于人造金剛石(可達8000HV~9000HV),耐磨性好、熱穩定性高,可耐1300℃~1500℃的高溫。此外,具有良好的導熱性和較小的摩擦系數。目前CBN單晶的制備一般采用高溫高壓法。
 
  立方氮化硼刀具能以加工普通鋼和鑄鐵的切削速度切削淬硬鋼、冷硬鑄鐵、高溫合金等,從而大大提高生產率。當精車淬硬零件時,其加工精度與表面質量足以代替磨削。據美國有關文章報導,以車代磨使工件光潔度始終保持16um.在正常條件下,光潔度能達到6~8um.目前,以車代磨這種新工藝正在許多工業部門采用,如汽車制造廠用這種方法對傳動軸、各類軸傳動鏈、發動機、制動盤和制動轉子進行半精加工和精加工;飛機制造廠用這種方法制造副翼齒輪和起落架,從油田到鋼廠到處可以看到以車代磨方法的應用。機床、工具、重型卡車、農業機具、醫用設備、罐頭模具、汽車零件都把以車代磨作為其生產過程的一個組成部份。
 
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  目前,市場上聚晶立方氮化硼(PCBN)刀具按成分和制造方法可分為3種:整體聚晶立方氮化硼刀具、聚晶立方氮化硼復合片以及電鍍立方氮化硼刀具。它的硬度高,耐磨性好,耐熱性強,導熱性好,化學惰性大,摩擦因數低,常用于淬硬鋼車削和面銑時作刀具材料。
 
  目前PCBN的制備也通常采用高溫高壓法。
 
  目前50%的PCBN刀具用于汽車制造業,包括用于加工汽車發動機箱體、剎車盤、傳動軸、氣缸孔、發動機進出氣閥座等,另外,約20%用于重型設備(如軋輥)的加工。近年來,隨著計算機加工技術的迅猛發展以及數控機床普遍使用,可實現高效率、高穩定性、長壽命加工的PCBN刀具的應用也日益普及,同時還引入了許多先進的切削加工概念,如高速切削、硬態加工、以車代磨、干式切削等。PCBN刀具材料已成為現代切削加工中不可缺少的重要的刀具材料。
 
 
 
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