2022年超硬材料刀具机械加工中应用 .pdf

在机械加工中使用的超硬材料刀具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 1。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、高效加工和 /或一次性完成粗、精加工。超硬材料刀具是完全适用于高速、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。它具有高效、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。1.在机械加工中的的应用1.1 在车削加工中的的应用1.1.1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，可提高效率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 的淬硬钢效果最好 ,切削速度一般为 80120m/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6080m/min 。精车的切削深度在0.10.3mm ，进给量在 0.05 0.025mm/r ，加工表面粗糙度为Ra0.3 0.6 m,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Ra0.3 m，尺寸精度 0.01mm ，可达到数控磨床加工的水平。某厂原采用磨削工精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页，共 10 页艺加工小 齿轮，一班仅能加工100 个；现采用 PCBN 刀具车削，切削参数采用： v=60120mm/min ，f 0.12mm/r ，ap 0.1mm ，一班能加工 400 个小齿轮。此外，分摊到每个齿轮的加工成本也有所下降。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 ?=0.1mm/r ，ap=0.2 0.3mm ，刀具切削行程达到9.58km2 。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1/31/2。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(HRC6264)、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 M 切削。超硬材料刀具加工钢件的例子还有使用长城机床厂的 CK7820 数控车床加工重型汽车变速器中的二轴的20CrMnTiHA3多档花键沉割槽（ HRc58 63）、使用 1A616 机床加工矿山机械的45 号钢48h6 传动轴（ HRc42 45）3、在可无级变速的CA6140 车床上使用 PCBN 刀具精密车削GCr15 淬硬轴承钢工件（分别为30HRc、40HRc 、50HRc 、60HRc 和 64HRc ）等。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1520 m、进给量为0.608 m/r转的条件下,切削加工表面光洁度可达Rmax=0.0254 m。在一般精密数控车精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页，共 10 页床 上 切 削 不 锈 钢 ， 可 获 得Rmax=0.2 m以 内 的 表 面 粗 糙 度 。1.1.2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 ， ?=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Ra0.4 m ， 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=0.20.4mm/r ，ap=0.2 0.7mm ；加工表面粗糙度Ra 1.6 m ，刀具寿命 1,000件 。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页，共 10 页采用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 1.6 m，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4。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。1.1.3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 ， ?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5。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页，共 10 页车 削 粉 末 高 温 合 金FGH95也 使 用PCBN刀 片 。1.1.4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=2070m/min ，?=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35 倍，刀具寿命可达1030min6 。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 ，?=0.08mm/r ，ap 0.15mm ；加工表面粗糙度Ra0.1 0.2 m，刀具寿命5,000件。而采用硬质合金刀具只能加工几件。1.2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 000m/min ；用PCD刀 具 铣 削 铝 合 金 ， 速 度 可 达3 ， 000 4 ， 000m/min5 。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。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页，共 10 页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7。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8，9。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 。1.3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 ，?=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 。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页，共 10 页一汽公司用PCD 刀具精镗硅铝合金活塞销孔(V160m/min ，?0.080.10mm/r ，ap0.05mm 。)，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，是加工非金属材料唯一的高效刀具。最高切 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 110130HB ，延伸率 1%) 制冷压缩机连杆进行高速干式镗削孔,切削速度140180m/min,Ra0.02 0.32 m，精度可达 57 级11。1.4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精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页，共 10 页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 。1.5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12.06 0.05mm ，硬度45HRc ，底孔尺寸 12 0.01mm ，要求孔圆柱度0.005mm ，表面粗糙度Ra0.2 m。采用 一 组 五 把 电 镀CBN铰 刀 加 工 ， 取 得 较 好 经 济 效 果 12 。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 。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页，共 10 页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。为满足高效、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。选用优质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 。1.6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3130mm 。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13 。最值得一提的是在Z5125立式钻床上用钎焊金刚石套料钻钻削“凯精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页，共 10 页芙拉复合材料 -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。2.结束语PCD 刀具使用寿命一般高于硬质合金刀具10500 倍。PCBN刀具耐用度为硬质合金刀具的10100 倍9。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，采用超硬材料刀具加工不仅可消除上述缺陷，而且高速高效、综合成本低。随着国家综合实力的增强，随着国家对大飞机、神舟系列飞船、交通能源等重大工程的投入，随着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。精选学习资料 - 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