超硬材料刀具在机械加工中的应用

超硬材料刀具目前主要有单晶金刚石刀具、聚晶金刚石(pcd)刀具、化学气相沉积(cvd)的金刚石刀具、聚晶立方氮化硼(pcbn)刀具等。它不仅是加工高硬度材料的理想刀具,而且用超硬材料刀具替代普通刀具进行切削,可以实现铸、锻毛坯件的高速、加工和一次性完成粗、精加工。超硬材料刀具是*适用于高速、精密和自动化加工的,尤其是在以车代磨、以铣代磨方面,它适用于成形、仿形及定尺寸的精密磨削,并使磨削质量显著提高、磨削效率得到数倍乃至数十倍的提高。它不但能防止工件表面烧伤、微裂纹、缺口、变质层过深等缺陷,而且能提高工效、降低消耗和磨削成本。它具有、低耗、适应性强、制造周期短等优点,目前已在汽车、摩托车、航空、矿山、电子、玻璃等行业机械加工中得到广泛应用。在车削加工中的的应用
1、车削钢件
加工淬硬钢时,超硬材料刀具能以车代磨。由于切削的深度比磨削高十几倍,可提率4倍以上,加工成本下降到原来的1/5。
用pcbn刀具精车硬度高于45hrc的淬硬钢,切削速度一般为80-120m/min。高硬度工件切削速度宜取低值,如硬度为70hrc的工件,切削速度宜选60-80m/min。精车的切削深度在0.1-0.3mm,进给量在0.05-0.025mm/r,加工表面粗糙度为ra0.3-0.6μm,尺寸精度可达0.013mm。若采用刚性好的标准数控车床,且pcbn刀具的刚性好、刃口锋利,则精车表面粗糙度可达ra0.3μm,尺寸精度0.01mm,可达到数控磨床加工的水平。 将经过特殊磨削的pcbn刀具用于超精密车床上,在切削深度为15-20µm、进给量为0.608µm/r转的条件下,切削加工表面光洁度可达rmax=0.0254µm。在一般精密数控车床上切削不锈钢,可获得rmax=0.2µm以内的表面粗糙度。如用pcbn刀具加工渗碳淬火的20crmnti汽车变速箱同步器套拨叉(hrc58-62),切削速度v=150mm/min,进给量ƒ=0.1mm/r,ap=0.2-0.3mm,刀具切削行程达到9.58km。以车代磨后,效率提高4倍以上,加工成本降低为原来磨削工艺的1/3-1/2。荷兰hembrug公司在mikroturncnc系列超精车床上采用pcbn刀具精车淬硬en21轴承钢(hrc62),美国国家标准工艺研究院y.kevinchou和chrisj.evans采用sumitomobn系列pcbn刀具加工aisim50钢(hrc62-64),英国debeers工业金刚石公司m.a.fleming在deltaturn40车床上采用amboritedbn45刀具车削en31轴承钢等,都实现了纳米切削。
2、车削铸铁件
加工硬铸铁时,只要硬度达到中等硬度水平(hrc45),采用超硬材料刀具就会取得良好的加工效果,非常适合于大批量生产线上高速加工,在汽车行业得到广泛应用。
发动机缸盖上的排气阀座,采用铜、钼高铬合金铸铁(hrc44)材料,其加工方法一般有铣、车两种工艺,大多在自动线上与拉铰导管孔一道加工,v=71.6m/min,ƒ=26.5mm/min,ap=1.0mm,采用pcbn整体刀片加工,平均耐用度为1,200个阀座,加工表面粗糙度ra0.4μm,锥面摆差≤0.05mm,刀具寿命高,质量稳定。
在汽车发动机生产线上,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、稳定性好。由于生产线加工节拍快,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刀具即可实现发动机缸孔的高速切削及高稳定性加工,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>1,000件。
采用pcbn刀具加工含硼铸铁缸套,切削参数:v=200m/min、f=0.1mm/r、ap=0.2~1mm,加工表面粗糙度ra≤1.6µm,精度it6,两次刃磨之间,刀具寿命>100件,可实现“以车代磨”。由于采用干式切削,避免了切削液及砂轮灰尘对环境的污染。切屑也可回收再利用,符合清洁化生产要求。
用pcbn刀具车削灰铸铁刹车盘,切削速度一般700-2,000m/min,如上海通用汽车公司采用seco刀具公司pcbn300型刀片,切削速度可以达到2,000m/min。
3、车削合金工件
采用pcd刀具车削铝合金轮毂,切削速度可为v=500-1000m/min,ƒ推荐0.05-0.5mm/r,ap一般为0.5mm-3mm。pcbn刀具车削高钴铬钼耐蚀耐热合金,切削速度达160m/min,是硬质合金刀具的8倍。
一般含硅量低于10%的铝合金,用硬质合金切削工具即可,但含硅量超过10%就只能借助pcd。当前采用的高硅铝合金含硅量均在12%以上,有些已超过18%,因此,车削高硅铝合金汽车发动机活塞等非pcd莫属。
车削粉末高温合金fgh95也使用pcbn刀片。
4、车削其它材料
氧化铝陶瓷密度3.9g/cm3,硬度hv2100-2300,抗弯强度300mpa,抗压强度300mpa,用pcd刀具采用湿式切削,v=20-70m/min,ƒ=0.025-0.10mm/r,ap=0.2mm,加工效率明显提高,是金刚石砂轮磨削的3-5倍,刀具寿命可达10-30min。
用pcd刀具车削电动机整流子的紫铜换向器,典型切削参数为:v=300m/min,ƒ=0.08mm/r,ap≤0.15mm。加工表面粗糙度ra0.1-0.2µm,刀具寿命>5,000件。而采用硬质合金刀具只能加工几件。
在铣削加工中的的应用
用pcbn刀具铣削灰铸铁,切削速度达1,000-2,000m/min。用pcd刀具铣削铝合金,速度可达3,000-4,000m/min。
加工铝合金缸盖的pcd面铣刀,铣削速度已达4,021m/min,进给速度5,670mm/min,效率是我国20世纪90年代初引进生产线的两倍。
精加工灰铸铁缸体的cbn面铣刀,铣削速度达2,000m/min,是硬质合金面铣刀的10倍。
铣削玻璃的pcd螺旋内排液面铣刀,直径有10mm、12mm、16mm、20mm多种规格,在玻璃深加工中得到广泛应用。
在x53k立式铣床上,用pcbn立铣刀铣削cr12mov(hrc59-61)和45钢(hrc50-53)材料的研究,为该类刀具的实际应用提供了有益的参考数据。
pcd刀具在铣削石墨时有很高的耐磨性,很多专家已将pcd铣刀用在瑞士mikronnidau高速切削铣床上。一次装夹刀具加工20件牙刷电极,仍可达到形位公差小于0.01mm的要求。pcbn刀具硬铣淋浴器喷嘴柄钢模,精度高,铣削后只需略作手工抛光即可。
在镗削加工中的的应用
目前国内已有较多发动机制造厂用pcbn刀具对气缸缸v套精加工,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,且可自动补偿(v=500m/min,ƒ=0.2mm/r,ap=0.1mm)。刀具寿命长,加工精度高、尺寸稳定,生产效率高。
一汽公司用pcd刀具精镗硅铝合金活塞销孔(v=160m/min,ƒ=0.08~0.10mm/r,ap=0.05mm。),耐用度达42,500件,是硬质合金刀具的90倍;加工表面粗糙度ra值由原来的1.12降为0.15;每班可减少装调刀具等辅助时间30min,成本比硬质合金刀具下降约85%。
pcbn刀具耐磨性比硬质合金刀具高50倍,比涂层的硬质合金刀具高数倍,比陶瓷刀具高25倍,是加工非金属材料*的刀具。zui高切削速度达7,000m/min;效率显著提高。
cvd刀具用于镗削钨硬质合金(含25%co)的汽缸(内径20mm、长40mm),加冷却液,切削速度0.5m/s、切削深度0.12mm,一次装夹刀具可加工8个零件[10]。
用pcd刀具对铸造硅铝合金sae327(si7-8.6%,cu1-2%,mg0.25%-0.6%,mn0.5%-0.8%;抗拉强度>230mpa,硬度110-130hb,延伸率>1%)制冷压缩机连杆进行高速干式镗削孔,切削速度140-180m/min,ra0.02-0.32µm,精度可达5-7级。。
在拉削加工中的的应用
用复合式渐开线跳齿内孔超硬材料拉刀加工工件孔,优点为:(1)由于能够可靠保证工件内孔各形面间的同轴度,因而可以后续加工工序中统一用小径圆面作为定位基准,大大方便了后序定位心轴和检验心轴的制作,并可靠保证所有加工表面的位置精度;(2)由于采用了合理的跳齿排布方式和花键刃开侧隙的刀齿结构,保证了拉刀的制造质量,且制造方便,成本几乎和普通复合式渐开线拉刀相同。
在铰削加工中的的应用
pcbn电镀铰刀在淬硬钢或硬铸件小孔的铰削加工中已发挥作用。此类铰刀以硬度为42hrc的45钢或9crsi钢作基体,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,前导向部分直径要比切削刃部分直径小0.04mm,切削区长度要大于工件孔深;后导向长度要大于切削区长度,直径应比切削刃部直径小0.02mm。为了在铰削中用切削液冲洗切屑、冷却润滑加工表面,基体上开有两条较深的螺旋槽。
如某厂加工淬火钢工件孔φ12.06±0.05mm,硬度45hrc,底孔尺寸φ12±0.01mm,要求孔圆柱度0.005mm,表面粗糙度ra0.2μm。采用一组五把电镀cbn铰刀加工,取得较好经济效果。
有的发动机制造厂用pcd或pcbn电镀铰刀对气缸体的主轴承孔进行珩铰,代替珩磨,加工效率提高了数倍,且质量稳定。
现代汽车变速箱因减轻重量和多功能化的要求,越来越多地采用压铸铝合金来制造,其上设置有许多阶梯状的成型孔,这些孔对表面粗糙度、圆度、圆柱度、同心度、无毛刺等质量要求非常严格。为满足、高精度加工成型孔的需要,日本公司开发了一种pcd成型阶梯铰刀。选用pcd刀片材料,用高精度成形磨削技术来保证切削刃形状,获得优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负荷下具有优良的切削性能。该刀具可获得满意的加工质量,消除了粘刀弊病,延长了刀具寿命,加工成本可降低一半。
在钻削加工中的的应用
用pcd钻头来加工玻璃、工程陶瓷和石材,已屡见不鲜。许多玻璃深加工企业和玻璃店大都使用pcd钻头来钻削玻璃和镜子的孔。市场上金刚石钻头的直径从3~130mm。玻璃钻头有镶嵌金刚石的,也有树脂金刚石的。用pcd钻头来加工工程陶瓷和石材,效率高,加工质量好。
金刚石电解钻削可用来成形各种难加工导电材料(大多为烧结硬质合金)上的圆柱孔(通孔和盲孔)、圆锥孔和特形孔。可在一台机床上用同一工具进行加工,无需重调工具和毛坯。
zui值得一提的是在z5125立式钻床上用钎焊金刚石套料钻钻削“凯芙拉复合材料-特种陶瓷-铝合金”复合层板通孔。该材料是近几年出现的一种新型轻质复合材料,既具有凯芙拉复合材料的高强度、高断裂韧性、高吸能缓冲防护能力,又具有陶瓷的高硬度、高模量、高抗压、耐磨损、耐腐蚀、耐高温等优良性能,同时兼具铝板的防锈、防渗透、高韧性等优点。用钎焊金刚石套料钻,连续钻削10个孔,切削部位无明显变化。
结语
pcd刀具使用寿命一般高于硬质合金刀具10-500倍。pcbn刀具耐用度为硬质合金刀具的10-100倍。传统的金属刀具在加工某些工件时存在崩口、起层、毛刺、烧伤等缺陷,而采用超硬材料刀具加工不仅可消除上述缺陷,而且高速、综合成本低。随着国家综合实力的增强,国家对大飞机、神舟系列飞船、交通能源等重大项目的投入和与之相适应的装备制造业制造、加工技术的不断完善,制造超硬材料刀具的技术水平将会大幅度提高,新品种将不断涌现,超硬材料刀具将朝系列化、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。超硬材料刀具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拓展。

SRM 606 玄武岩玻璃中的微量元素(美国NIST)的使用说明
板式测厚仪技术参数
硅质保温板渗透剂防水阻燃添加剂
LHS743X直流式低阻力倒流防止器产品特点
激光加工焊接基本原理及优点
超硬材料刀具在机械加工中的应用
扭矩仪是一种测量转矩的利器
CAT PUPMS柱塞泵原装现货供应
砂石过滤器的作用讲解
全氢及氮氢气氛强循环光亮罩式退火炉
薏米烘干熟化用微波设备的益处
知根知底!圆环链条生锈原因的介绍!
四氟垫片厂家为您详细介绍密封垫圈作用
预制聚氨酯保温发泡管维护及检修
华为推出采用PLC-IoT技术全联接智能交通解决方案
林火多元因子监测站-一款火灾预警监控的森林防火气象站
西门子V20200-240V变频器6SL3210-5BB11-2BV1
有机防火泥可以保持*柔软吗
影响E+H电磁流量计测量准确度的因素及解决方法
卧式离心泵的特点及优缺点