性价比最高的超硬刀具课件

超硬材料

超硬材料刀具的研究和应用

刀具售后工程师-------1.引言超硬材料刀具的应用不但节约一些贵重的金属原材料、而且超硬材料刀具的使用寿命是硬质合金刀具的75倍,形成的高速切削等新工艺使零件加工效率提高数倍到十几倍;产品质量显著提高。

近年来,超硬材料在品种、质量方面向高品级单晶方向发展。随着金刚石合成设备的两面顶与六面顶压机的大型化,铁基粉末触媒与金属包膜的深入研究和相关技术的推广应用,高强度金刚石所占比例逐年提高。金刚石集力学、热学、光学、化学惰性等众多优异性能于一体,是制造刀具的理想材料。高效率加工的方向超硬刀具材料替代普通刀具进行切削,不但实现了铸、锻毛坯件的高速、高效加工,一次性完成粗、精加工。而且适用于成形、仿形及定尺寸的精密车削,并使车削质量显著提高、车削效率得到数倍乃至数十倍的提高。高速精密和自动化加工,用超硬材料刀具能以车代磨、以铣代磨;硬质合金制品及难磨材料,用超硬材料代替传统碳化硅和刚玉磨料进行加工,不但能防止工件表面烧伤、微裂纹、缺口、变质层过深等缺陷,且能提高工效、降低消耗和磨削成本。2.超硬材料刀具的制造方法目前超硬材料刀具包括金刚石刀具和立方氮化硼刀具两种,金刚石刀具的主要加工方法有薄膜涂层刀具、厚膜金刚石焊接刀具、金刚石烧结体刀具和单晶金刚石刀具四种。其中PCD刀具占大多数;其次是PCBN金属切削刀具。PCBN刀具专业加工一些黑色金属;例如：一体CBN刀具和CBN机卡片、CBN或涂层刀具。2.1薄膜涂层刀具薄膜涂层刀具是在钢性及高温特性好的基体材料上通过化学气相沉积法(CVD),沉积金刚石薄膜制成的刀具。由于Si3N4系陶瓷、WC-Co系硬质合金以及金属W的热膨胀系与金刚石接近,制膜时产生的热应力小,因此可作为刀体的基体材料。金刚石薄膜的优点是可应用于各种几何形状复杂的刀具,如带有断屑槽的刀片、端铣刀、铰刀等;我公司已经克服了一下几种缺点：金刚石薄膜与基体的粘接力较差,薄膜涂层刀具无重磨性。2.2金刚石厚膜焊接刀具

金刚石厚膜焊接刀具的制作过程一般包括:大面积的金刚石膜的制备;将金刚石膜切成刀具需要的形状尺寸;金刚石厚膜与刀具基体材料的焊接;金刚石厚膜刀具切削刃的研磨与抛光。金刚石厚膜的制备工艺方法是直流等离子体射流CVD法,将金刚石沉积到表面进行过镜面加工的WC-Co合金上,沉积速度最高可达930μm/h,晶格间结合紧密,但生长表面比较粗糙。可在空气、氧气和氩气的环境中利用激光切割成所需形状和尺寸,激光切割可切出刀具的后角等。通过在铜银合金焊料中添加强碳化物形成元素或通过对金刚石高质量加工的追求

表面进行金属化处理,来提高金刚石与金属之间的可焊性。焊料用含Ti的铜银合金(Ag=68.8wf%,Cu=26.7wf%,Ti=4.5wf%),不加助熔剂在惰性气体或真空中焊接,或用表面处理技术在金刚石表面镀覆金属钛,使其表面具有金属或类金属的性能。2.4单晶金刚石刀具

单晶金刚石刀具通常是将金刚石单晶固定在小刀头上,小刀头用螺钉或压板固定在车刀刀杆上。金刚石在小刀头上的固定方法主要有:机械加固法、粉末冶金法、粘结和钎焊法。针对金刚石与基体的热膨胀系数相差悬殊,可采用弹性夹紧法和恒温切削等方法防止金刚石松动,脱落。3.超硬材料刀具的应用切削加工技术进入以高速切削,形成新的切削工艺和加工方法、提供成套加工技术为特征的发展新阶段。这一阶段的主要特征和技术特点是高的切削速度(表1),为超硬刀具的应用提供了广阔的市场。3.1高速切削、高稳定性加工高速切削作为一种现代先进加工工艺,切削效率显著的提高,以轿车发动机的5大件加工为例,在近10年左右的时间里,生产效率提高了约1~2倍,如加工铝合金缸盖的PCD面铣刀,铣削速度已达4021m/min,进给速度5670m/min,是我国90年代初引进的生产线效率的二倍;又如精加工灰铸铁缸体的CBN面铣刀,铣削速度已达2000m/min,是传统的硬质合金面铣刀铣速的10倍。新开发的干切削、硬切削新工艺,不仅提高了加工效率,打破了传统切削加工的界限,而且开创了切削加工“绿色制造”的新时代。硬切削技术已成为汽车齿轮内孔精加工、淬硬模具加工实用的高效新工艺。并出现了高速进给、高生产率(HPM、HSM)加工新工艺。如灰铸铁缸体的缸孔精加工,要求缸孔加工尺寸精度高、表面粗糙度小定性好;由于生产线加工节拍高效率生产的秘密

快,要求切削速度高(通常V≥500m/min),刀具寿命长(加工孔数≥1000),且倒角、止口、粗、精镗等多个工位的刀片寿命均应满足耐用度要求。采用PCBN刀具实现发动机缸孔的高速、高稳定性加工;其典型切削参数为:V=500m/min,f=0.2~0.4mm/r,ap=0.2~0.7mm;加工表面粗糙度Ra≤1.6μm,刀具寿命>1000件。3.2

PCD、CBN超硬刀具材料韧性和制造工艺的改进用CBN制造的缸孔镗刀已在自动生产线上、铸铁、淬硬件、石墨、合成材料等的加工中广泛使用,并从精加工领域扩大到半精加工领域,加工效率大幅提高。高效加工铝合金是航空和汽车工业的一项关键技术,用PCD制造的各种高性能刀具已从车刀、面铣刀扩展到立铣刀、钻头、铰刀、成形刀具等;例如一汽公司用PCD刀具精镗硅铝合金材料的活塞销孔(V=160m/min,f=0.08~0.10mm/r,a=0.05mm。),刀具耐用度达42500件,是原来硬质合金刀具的90倍,加工表面粗糙度Ra值由原来的1.12μm降为0.15μm,每班可减少装调刀具等辅助时间30min,分摊到每个工件的刀具成本比硬质合金刀具下降了约85%。其中PCBN刀具的耐磨性比未涂层的硬质合金刀具高50倍,比涂层的硬质合金刀具高数倍,比陶瓷刀具高25倍,仅为提高生产率努力

是金刚石刀具的一半,是非金属材料唯一的高效刀具。最高的切削速度已达7000m/min,效率进一步提高。随着CBN、PCD刀具的推广,超硬刀具将在高速、高效切削加工中起到领先的作用。3.3涂层成为提高刀具性能的关键技术

化学涂层(CVD)仍是可转位刀片的主要涂层工艺,在基体材料改善后,中温CVD等新工艺,使其耐磨性和韧性都得到提高;CVD金刚石涂层也取得了进展,减少了涂层表面粗糙度,已进入实用。国外硬质合金可转位刀片的涂层比例占70%以上。物理涂层(PVD)在炉子结构、工艺、控制等方面都取得了重大进展,开发了适应高速切削、干切削、硬切削的耐热性更好的涂层,如超级TiN,及综合性能更好的TiAlN通用涂层。且创新开发了纳米、多层结构,大幅提高涂层的硬韧性。3.4超硬材料刀坯的发展特点特点之一是产品系列化:不同规格品种不断增加。例如,英国DeBeers公司新推出的PD204牌号PCD刀坯是为加工高耐磨材料而增加的牌号;美国通用电气公司的Compax1700也属同类产品,是一种粒度更粗的PCD复合片;而新推出的PN406则是一种纯CBN烧结体,具有优良的导热性和抗冲击性,特别适合高硬度材料粗加工及铸铁的高速切削加工;

PCBN刀坯适用于淬硬钢的断续切削,它通过细化CBN粒度(≤1μm),使切削力分散并增强了CBN粒子间的粘结力;日本住友电工的PN109-B及英国DeBeers公司的PN200等牌号同属这一品种。特点之二是刀坯尺寸不断增大;目前国外超硬刀坯的供货规格一般为50mm以上,74mm的复合片也能批量供货,PCBN刀坯的最大规格可达101mm,小尺寸刀坯则是从大刀坯上切割下来接受新材料刀具得到高的回报

的。大规格超硬刀坯成本更低,更适合于大批量使用。目前国内只有20mm以下的刀坯供货,这是因为两面顶与六面顶两种超高压高温设备腔体尺寸差异所致。不敢尝试没有进取(1)随着新粉末触媒研究、开发、应用及氢在金刚石合成中作用的研究和应用、大型压机的投入使用、镀膜技术的不断发展,制造、加工技术的不断完善,制造超硬材料品质的技术水平和超硬材料涂层技术将会大幅度提高,新品种将不断涌现,由超硬材料制作的工具进行的高速切削加工,带来的高速度、高厚度、超薄、复杂型面等特点的产品将会朝更高水平继续发展,产品质量将明显提高。懂得尝试得到无限(2)超硬材料制品将朝系列化、标准化、专业化、高品质、多元化方向发展,各生产企业将形成自己的产品特色和市场定位。(3)超硬材料制品的应用领域将在汽车制造、计算机与微电子元件、光电子元件、通讯器材、家电制造行业、新型陶瓷加工、矿物钻探与开采、航空航天等产业获得更多的应用,CBN制品也会得到更大的普及和发展。4.2目前我国金刚石的产业化中还存在一些待解决的问题高速大面积的金刚石厚膜沉积工艺、控制金刚石膜的晶界密度和缺陷密度、金刚石膜的低温生长技术,金刚石薄膜与基体结合力弱等。金刚石刀具优异的性能和广泛的发展前途,吸引国内外无数的专家进行研究,有些已经取得了突破性进展;但是高品质超硬材料制成品及复合材料的研究与生产的产业化问题更加突出,我国每年花大量资金进口加工用超硬刀具、钻探用钻头、超硬拉丝模等超硬材料制成品还没有得到根本解决,优质超硬材料及复合材料的深加工产业化应引起我们高度重视。4.3目前我公司金刚石的生产和应用还需要一些时间试用和推广。此文