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深度好文:华菱带你解读立方氮化硼(CBN)刀具

时间:2021/03/07 编辑:景哥观世界 关键字: 立方氮化硼 CBN

1.CBN刀具的定义

立方氮化硼CBN(Cubic Boron Nitride)是20世纪50年代首先由美国通用电气(GE)公司利用人工方法在高温高压条件下合成的人造立方氮化硼刀具(CBN刀具),其硬度仅次于金刚石而远远高于其它材料,因此它与金刚石统称为超硬材料。

20世纪70年代,前苏联、中国、美国、英国等国家才相继研制成功作为切削刀具的CBN烧结体—聚晶立方氮化硼CBN(Cubic Boron Nitride)。从此,CBN(立方氮化硼)以它优越的切削性能应用于切削加工高硬度铁、钢件等黑色金属材料。

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CBN刀具和其他刀具材料的硬度和韧性对比图

2.CBN刀具的性能优势

(1)具有很高的硬度和耐磨性

CBN单晶的显微硬度为HV8000~9000,是目前已知的第二高硬度的物质,CBN复合片的硬度一般为HV3000~5000。

(2)具有很高的热稳定性和高温硬度

CBN的耐热性可达1400~1500℃,在800℃时的硬度为Al2O3/TiC陶瓷的常温硬度。

(3)具有较高的化学稳定性

CBN具有很高的抗氧化能力,在1000℃时也不产生氧化现象,与铁系材料在1200~1300℃时也不发生化学反应。

(4)具有良好的导热性和较低的摩擦系数

3.CBN刀具的结构

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CBN刀具的结构

华菱还可提供定位槽、断屑槽、修光刃、涂层等形式:

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4.CBN刀具的应用

(1)加工材质

高硬度铸铁:如高铬铸铁、合金铸铁、镍硬铸铁、白口铸铁均属于高硬度铸铁,典型零部件有轧辊、工业泵等。华菱超硬针对高硬度铸铁推出BN-K1和BN-K10材质,优势显著。

高硬度钢件(硬度HRC45-68):如高锰钢、高速钢、淬火钢等,典型零部件包括轧臼壁、高速钢轧辊、淬硬齿轮/齿轮轴、轴承、滚珠丝杠、模具等。针对高硬度钢件华菱超硬推荐BN-S10、BN-S20、BN-S200、BN-H10、BN-H21材质加工。

普通灰铸铁(HT150/200/250/300):如发动机缸体/缸盖、刹车盘、制动鼓、皮带轮、离合器压盘等均属于灰铸铁件。华菱超硬推荐BN-S300和BNK30材质高速加工。

其他难加工材料:如粉末冶金、高温合金材料,及镍基、铁基、钴基等高硬度堆焊/喷焊/激光熔覆/热喷涂材料工件。华菱超硬推荐BN-S300、BN-S200、BDN80等材质加工。

(2)应用行业

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CBN刀具应用行业

(3)常用工艺

重载切削:采用极大的切深对大型零件进行车削,华菱CBN刀具BN-K1和BN-S20材质具有强度高、耐磨损、抗冲击韧性好等特点,相较于其他刀具,可获得更高的加工效率,广泛应用于能源、矿山、钢铁、冶金行业。

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重载切削

高速切削:是指在比常规切削速度高出很多的速度下进行的切削加工,华菱超硬刀具BNK30材质目前可在3000m/min的切削速度下高速加工,高出硬质合金刀具极限切削速度近10倍。

以车代磨:是将淬硬钢的车削作为最终精加工工序的工艺方法,其加工质量可代替磨削工序,华菱超硬刀具具有硬度高、耐崩损性强等特点,并形成了从连续—断续,粗加工—超精加工一整套的“以车代磨”硬加工领域刀具方案。

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以车代磨

干式切削:是完全不用冷却润滑液的切削;不影响环境,便于切屑回收,是一种“绿色制造”工艺。华菱目前可对铸铁、硬钢、铝合金、高温合金,碳纤维复合材料等进行干式切削,助力绿色制造。

5.CBN刀具的性能参数

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CBN刀具的性能参数

6.CBN刀具的推荐切削参数

粗加工时,应尽量保证较高的金属切除率和必要的刀具耐用度,故一般优先选择尽可能大的切削深度ap,其次选择较大的进给量f,最后根据刀具耐用度要求,确定合适的切削速度。精加工时,首先应保证工件的加工精度 和表面质量要求,故一般选用较小的进给量f和切削深度ap,而尽可能选用较高的切削速度Vc。

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CBN刀具的推荐切削参数

7.CBN刀片型号的选择

CBN刀片型号的选择大致概括刀杆或刀盘型号选择和刀片型号(含刀尖圆弧)选择两类。

(1)立方氮化硼(CBN)刀片配用车刀杆选择

焊接复合式CBN刀片有中心孔定位,可配用普通可转位硬质合金刀片用刀杆,在此不再赘述;整体CBN刀片由于没有中心定位孔,常选用C型上压式车刀刀杆(既立方氮化硼车刀杆),着重选择刀方尺寸,车刀的主偏角,正反手及配用刀片的形状。如常用外表面车刀杆CCLNR3232P12;CRGNR3232P;CSSNR3232P12,CSRNR3232P,CSXNR4040S15等型号。以CRGNR3232P刀杆为例,其字母代表意思依次为:

C表示装夹方式—上压式,

R表示整体刀片形状(圆形)

G表示车刀主偏角角度(45度)

N表示整体刀片后角角度(N代表零度)

R表示正反手(L表示反手)

3232表示刀体的刀方尺寸(高*宽)

P表示刀杆的长度(170长)

(2)立方氮化硼(CBN)刀片型号的选择

举例:CBN刀片型号SNMN120712依次包括刀片形状,刀片后角,刀片的公差级别,刀片的装夹方式(整体CBN刀片多为N表示),刀刃长度,刀片厚度,刀片刀尖圆弧半径。

CBN刀片的形状根据被加工工件的形状选择,刀片后角根据被加工工件的材料选择,刀片的公差级别根据被加工工件的加工精度选择,刀片的切削刃长度、刀片厚度、刀尖圆弧角根据被加工工件的切削用量选择。

其中刀尖圆弧角和走刀量、表面粗糙度之间的关系,粗加工时按刀尖圆弧半径选择刀具最大走刀量,或通过经验公式计算刀具走刀量;精加工时按工件表面粗糙度要求计算精加工走刀量。

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粗加工选用最大走刀量参考表

粗加工走刀量经验计算公式:f粗=0.5 R

式中:R-刀尖圆弧半径mm;f粗-粗加工走刀量mm

华菱超硬会为客户提供配刀表,只要按照表格上面的内容填写即可,之后立方氮化硼(CBN)刀片型号的选择工作交给华菱。

8.CBN刀具的磨损形式

(1)连续切削中的磨损形式

后刀面磨损:最常见的磨损形式,是刀具与工件材料中的硬粒子摩擦形成的,磨损严重则会致使被加工工件的表面粗糙度和尺寸精度超差,需替换新的CBN刀片。

月牙洼磨损:发生在刀片的前刀面,是由工件材料和切削刀具之间的化学反应造成的。月牙洼磨损会导致切屑处理恶化,影响已加工表面质量,而且过大的月牙洼磨损会削弱切削刃并可能导致断裂。

压力面磨损:主要原因是因为切削速度太快,进给量太大,刀具后角太小而造成压力面磨损。

边界磨损:主要原因是主偏角太大,进给量太大,切削速度太低造成边界磨损。

(2)断续切削中的破损形式

崩刃:这是CBN刀具断续加工钢和铸铁时常见的一种破损形式。它是在切削刃上产生的小缺口,刀刃上几个小缺口或被崩掉一小块。如微崩刃的刀具在允许的磨损限度内还能继续切削,超差则需要更换。

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崩刃

碎裂:CBN刀具连续切削高硬度材料或者断续切削工件时常发生的破损形式,这是由于断续切削高硬度工件时冲击载荷过大、短时间切削后即发生的早期破损,虽然切削条件适当,但切削较长时间后,没有及时换刀,由于刀具材料疲劳就发生了大块的断裂。

剥落:铣削钢和铸铁端面时,在前刀面上常出现的贝壳状剥落。出现此类情况,可通过提高切削速度、降低进给量,使用有负倒棱、刃口经过钝化处理的刀片。

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