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立方氮化硼

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立方氮化硼  立方结构的氮化硼,分子式为BN,其晶体结构(图1)类似金刚石,硬度略低于金刚石,为HV72000~98000兆帕,常用作磨料刀具材料。1957年,美国的R.H.温托夫首先研制成立方氮化硼。但至今尚未发现天然的立方氮化硼。
立方氮化硼立方氮化硼
 
立方氮化硼立方氮化硼
  立方氮化硼有单晶体和多晶烧结体两种。单晶体是把六方氮化硼和触媒在压力为3000~8000兆帕、温度为800~1900℃ 范围内制得。典型的触媒材料选自碱金属、碱土金属、锡、铅、锑和它们的氮化物。立方氮化硼的晶形有四面体的截锥、八面体、歪晶和双晶等(图2)。工业生产的立方氮化硼有黑色、琥珀色和表面镀金属的,颗粒尺寸通常在1毫米以下。它具有优于金刚石的热稳定性和对铁族金属的化学惰性,用以制造的磨具,适于加工既硬又韧的材料,如高速钢工具钢、模具钢、轴承钢、镍和钴基合金、冷硬铸铁等。用立方氮化硼磨具磨削钢材时,大多可获得高的磨削比(见磨削原理)和加工表面质量。
  立方氮化硼多晶烧结体的主要制法有:①用立方氮化硼微粉和少量结合剂(如钴、铝、钛和氮化钛等),在压力4000~8000兆帕、温度为1300~1900℃下烧结而成;②以立方氮化硼微粉和结合剂为一层,以硬质合金(片或粉)为一层,在上述压力、温度下把两者烧结在一起,制得带硬质合金衬底的多晶烧结体,这种烧结体具有高的强度,同时保持立方氮化硼的原有理化性能,可制成直径达16毫米的圆片,切割加工成适当形状后,作为车刀和镗刀的刀头,适于切削淬火钢、铸铁和镍基合金等。

 

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立方氮化硼琥珀色立方氮化硼

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聚晶立方氦化硼(PCBN)是继人造金刚石之后,人工合成的一种新型超硬刀具切削材料,其硬度仅次于金刚石,在切削和磨销加工中得到广泛应用。

一、立方氦化硼(CBN)在切削加工中的应用

用PCBN刀片精车淬硬钢
加工硬铸铁和灰口铸铁
高速镗削铸件孔
铰削淬硬钢或硬铸件小孔
用于难加工材料的切削加工
采用PCBN刀具精车淬硬钢,其工件硬度高于45HRC,效果最好。其切削速度一般为80~120m/min,工件硬度越高,切削速度宜取低值,如车硬度为70HRC的工件,其切削速度宜选60~80m/min。精车的切深在0.1~0.3mm,进给量在0.05~0.025mm/r,精车后的工件表面粗糙度为Ra0.3~0.6μm,尺寸精度可达0.013mm。若能采用刚性好的标准数控车床加工,PCBN刀具的刚性好和刃口锋利,则精车后的工件表面粗糙度可达Ra0.3μm,尺寸精度可达0.01mm,可达到用数控磨床加工的水平。 如果机床刚性好,选用的切削速度较低,则选用PCBN复合刀片可精车断续表面。 精车加工余量一般为0.3mm左右,尽可能提高工件淬火前的尺寸精度和减少热变形,以保证精车时切削余量均匀,延长PCBN刀具的使用寿命。 精车一般不用切削液,因为在较高的切削速度下,大量的切削热由切屑带走,很少会停留在工件表面而影响加工表面质量和精度。 精车刀片宜选用强度和韧性高的80°菱形刀片,刀尖半径在0.8~1.2mm之间,为保护刀具刃口,使用前需用细油石倒棱。 精车淬硬工件是一门新工艺,实施前需做工艺试验,可用与工件材料、硬度和大小相同的棒料,在同类机床上进行精加工或粗加工试验,关键是要试验刀具与切削参数的选择及工艺系统是否有足够的刚性。该工艺目前国内已经采用,如一汽集团用PCBN刀具加工渗碳淬火(58~63HRC)的20CrMnTi变速箱齿轮拨叉槽,采用的工艺参数为Vc=150m/min,f=0.1mm/r,ap=0.2~0.3mm,实现了以车代磨。

加工硬铸铁

用PCBN刀具车削淬硬钢时,要求工件淬火硬度高于45~55HRC,加工硬铸铁时,只要硬度达到中等硬度水平(45HRC),就会取得良好的加工效果。如汽车发动机缸盖上的排气阀座,该阀座是采用含铜、钼的高铬合金铸铁材料,其硬度一般约为44HRC,其阀座上孔采用锪(铰)、车两种工艺,大多是在专用自动线上加工,与枪铰导管孔一道进行。所采用的切削用量为:Vc=71.6m/min,Vf=26.5mm/min,ap=1.0mm,采用BC拉削油,自采用PCBN刀具加工后,与以往采用的各种硬质合金刀片加工相比,刀具平均耐用度为1200件,加工表面粗糙度为Ra0.4μm,阀座面摆差≤0.05mm。东风汽车公司发动机厂自1988年使用PCBN刀具后,其效果一直保持稳定,较好地解决了引进设备的刀具国产化问题。随着中国汽车制造业的高速发展,国内刀具行业也异常活跃,蓬勃发展,国内外的刀具公司都看中了中国这个大市场,国际上著名的刀具和刀辅具公司及其产品几乎都进入了中国,如瑞典的Sadvik携旗下Coroman、Titex、Walter,等公司, 德国的Mapal、laitz、Guhring,以色列的Iscar、日本的OSG,大昭和等,美国的Valinite、Ingosoll,等。这些外国刀具公司在刚进入中国时,对中国超硬刀具市场的发展估计并不足,有的仅是委托中国代理商销售一部分刀具,售后服务等工作还未能有力跟上,逐渐地他们认识到这个市场的重要性,开始在中国设立办事处,并进而在中国进行直接销售,原来实行的单一代理方式也开始变化,近两年更有了新的本质的变化,很多国外刀具公司开始在中国设厂,直接在中国当地制造刀具、提供各种服务,如山高公司在上海设立了制造工厂,山特维克在廊坊设立了工厂,住友电气在天津设立了工厂,肯纳、欧士机等在上海都设有工厂,蓝帜公司最近在南京新扩建了其工厂,增加了刀具制造和刃磨设备,格林公司在上海的具有珩磨刀具制造和修磨功能的工厂也即将正式开业。专门制造和修磨各种客户需求的特殊刀具,其特点是反应快,不管批量大小,且能及时到现场进行直接技术支持。另外以舒伯哈特公司为首的专业做超硬刀具的公司也同样在上海设立了生产工厂,专门进行超硬刀具如金刚石刀具和CBN刀具的加工和修磨工作,其业务量也很大,帮助不少客户解决了超硬刀具的修磨工作。
高速铣削灰口铸铁高速铣削灰铸铁时,一般粗加工当然可以使用K类硬质合金,精加工可用氦化硅陶瓷刀片。如在一个装有8块刀片的端铣刀上改用只装对称式的两片PCBN刀片,并将切削速度提高4倍,其结果是金属切除率相同,而切削力却下降3/4,刀具寿命与加工质量超过前者。 对珠光体铸铁与冷硬铸铁,也宜采用PCBN刀具进行高速加工,与其它刀具材料比较,可提高切削速度、延长刀具寿命、降低了表面粗糙度。在高速镗杆上采用成对镶片PCBN镗刀与单片镗刀相比,其平衡性好,从而增加了镗杆的刚性,在给定的进给量下,采用PCBN双刀片镗孔可获得高的金属切除率与表面质量。 目前国内已有较多的发动机制造厂,对气缸体的缸孔(或缸套)精加工已使用PCBN刀具。如上海大众和一汽集团的发动机厂,缸孔精镗均采用PCBN刀片并可自动补偿(υc=500m/min,f=0.2mm/r,ap=0.1mm)。所以加工出的缸孔精度高、尺寸稳定,而且生产效率高,刀具寿命长。 对于小孔镗削,虽可使用陶瓷或涂层刀片,但刀片应带有负前角,这将增加切削和排屑的阻力,易使细长镗杆产生振动。若用PCBN刀具进行高速镗削,其孔的表面质量好、生产效率高。对这类工件的孔加工宜采用CBN电镀铰刀。这种铰刀是以其硬度为42HRC的45号钢或9CrSi钢作为基体,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。如其铰刀的前导向部分直径要小于切削刃部分直径0.04mm,切削区的长度要大于工件孔深,后导向的长度要大于切削区长度,其直径应小于切削刃部直径0.02mm。为了在铰削中能用切削液冲洗切屑和冷却润滑加工表面,其铰刀基体上开有两条较深的螺旋槽。 如某厂加工淬火钢工件孔f12.06±0.05mm,硬度为45HRC,底孔尺寸为f12±0.01mm,要求孔的圆柱度为0.005mm,表面粗糙度为Ra0.2μm。采用一组五把的电镀CBN铰刀加工后,取得较好的经济效果。有的发动机制造厂采用金刚石或CBN电镀铰刀对气缸体的主轴承孔进行珩铰,代替原来的珩磨加工,使加工效率提高了数倍,且质量稳定。采用带正前角的PCBN刀具,选用适当的切削参数,即Vc=100m/min,f=0.05~0.2mm,ap=0.1~0.2mm,采用极压型乳化液或油冷却液,可加工奥氏体不锈钢(45HRC)、高温合金钢、高锰钢、高强度钢及高镍合金钢等材料,可获得较高的加工效率和表面质量。

二、CBN砂轮在磨削加工中的应用

CBN材料除用来制作刀具外,其最大的应用领域还是制成CBN磨具,用于高速高效磨削和珩磨加工,可使磨削效率大大提高,其磨削精度和质量提高一个等级。
磨削汽车零件——凸轮轴和曲轴
CBN砂轮在内孔磨削中的应用
采用CBN砂轮磨削齿轮
应用CBN磨具加工难加工材料及难加工面
汽车发动机上的凸轮轴具有多个凸轮,淬火后的凸轮粗磨及精磨是影响凸轮质量的关键工序。一般都是采用靠模仿形磨削,工件速度的提高受到限制,工件易产生磨削烧伤裂纹,采用靠模仿形磨削,其凸轮表面的轮廓曲线要受砂轮直径大小的影响,所以很难保证凸轮轮廓曲线的正确。生产实践证明,当砂轮直径大时,磨出的凸轮瘦,当砂轮直径小时,磨出的凸轮胖,只有当砂轮直径接近或等于磨削靠模凸轮的滚轮直径时(一般为f570mm),其仿形误差接近于零,即磨出的凸轮表面轮廓曲线接近于靠模凸轮。在实际生产中,所用的砂轮直径一般都是从D600(或610)用到D500,与理想的砂轮直径(570)相差甚多,所以生产中总有大部分凸轮轴的凸轮曲线超标。为解决这个问题,我们在靠模仿形凸轮磨床上采用CBN砂轮磨削,可把CBN砂轮直径制成D575,CBN磨料层厚为4~5mm,其磨轮的磨削最小直径是D565,磨削直径范围虽然只有10mm,但磨削零件数却相当于几十片普通砂轮,不仅可保证凸轮曲线正确,而且也不会产生磨削烧伤现象。 如Liton工业自动化公司用CBN砂轮磨削凸轮轴,其成本降低了50%,凸轮表面的疲劳强度提高了30%;东风汽车公司襄樊柴油发动机厂用陶瓷结合剂CBN砂轮粗磨冷激铸铁凸轮轴,其凸轮磨削余量t=4~5mm,V砂=60m/s,工件转速n=100r/min,Vf=0.1mm/s,采用高速磨削液,CBN砂轮的寿命基本相当于20片刚玉磨料砂轮。内圆磨削的效率一直很低,其主要原因就是磨削速度、砂轮材质及磨杆的刚性问题。生产过程中用在修整砂轮、更换砂轮的时间几乎占了单件工时的1/3~1/5。如果内圆或沟槽磨削采用CBN电镀砂轮,并把砂轮速度提高,增大磨杆直径,便可适当提高工件转速与进给速度,不仅可保证孔(弧)径、槽宽尺寸与形位精度,表面粗糙度和避免烧伤,而且还可以成倍地提高加工效率,降低加工成本。 如国内某厂加工一个年产60万件的纺机滚动轴承套,磨f15.5+0.04的孔及相邻的弧槽,过去用铬刚玉(GG)砂轮,需用两道工序分别在两台M224内圆磨床上加工,其槽(弧)径差及尺寸与孔的同轴度很难保证,且效率低,采用CBN砂轮后,加粗了磨杆,提高了进给量,节约了修整和更换砂轮的时间,彻底解决了原有问题。后又改为孔、沟同时磨,即在磨杆上装两个砂轮,使磨削效率提高1倍,节省了一台磨床。所加工的工件表面粗糙度为Ra0.63μm采用的磨削工艺参数:V砂=36m/s,V2=19m/min,f粗切=1μm/r,f精切=0.5μm/r,光磨时间t=bs,采用10%浓度的乳化值。齿轮磨削以往是采用单齿面与多齿面磨削,单齿面磨削虽然可获得较高的加工精度,但效率低,成本高,多齿面磨削虽生产效率高,但其加工质量比单齿磨削差。若采用CBN砂轮磨削,无论采用单齿面磨削还是采用多齿面磨削,采用电镀CBN砂轮或陶瓷结合剂砂轮进行磨削,其效果极为显著:
CBN砂轮可以制成精度较高的齿形,由于耐用度高,不频繁修整,不需经常调整机床,可获得稳定的齿廊、导程和节距精度。
可实现高速磨削与高进给率磨削齿面,粗糙度低且不会烧伤,可在提高磨削效率的条件下获得较高的齿轮精度(6~7级)。
CBN砂轮寿命长,磨削性能好,节约了砂轮更换修整、机床调整和工件检测等许多辅助时间。
对淬硬钢件或冷硬铸铁件孔的珩磨,可采用CBN珩磨油石,对高强度、高硬度和高热敏性的合金钢、不锈钢、耐热钢与合金,宜采用高硬度、高强度的CBN砂轮,采用极压乳化液或高速磨削液进行冷却。对较长的导轨面或复杂型面、凸轮磨床的靠模轴等均宜采用CBN砂轮。

三、大力推广CBN材料在机械加工关键工序中的应用

CBN材料无论制作刀具或制作磨具,应用于高速切削或磨削,都可收到提高产品质量、提高加工效率、缩短加工周期和降低加工成本等显著效果。因此,在加工中,大力推广CBN刀(磨)具是提高制造技术的有力措施。但若普遍推广使用,尚有许多问题。 为了在生产中更好地推广使用CBN刀(磨)具,应做以下几方面的工作:
发挥CBN刀(磨)具研究院(所)的主导作用
实现三点一线联合开发,即CBN——工具制造——用户或CBN与工具制造——机床——用户共同开发CBN的应用
积极开展CBN刀(磨)具制造与使用技术的研究
用户需要提高产品质量意识,勇于提高制造技术
目前国内CBN材料生产厂家很多,产量也不少,但高质量的不多,CBN刀(磨)具的稳定用户更少。究其原因主要是机械加工部门对价格昂贵的CBN刀(磨)具缺乏选择与使用的知识,采购来的CBN工具实效不多,在其经济紧缩的条件下,不敢轻易投资进行工艺试验。要想解决这个问题,只有CBN刀(磨)具研究院(所)主动深入机械制造的生产单位,选择生产效率与质量的薄弱环节,且已具有或易于创造CBN加工条件的点,与用户协商签订共同开发CBN应用合同。由工具研制单位负责免费提供试验用的CBN刀(磨)具,用户负责提供试验所需条件下组织生产试验。这就发挥了多方积极性,从CBN质量选择到工具制造,都会以最优、最快的速度进行,用户从准备试验条件到使用,见到了达到合同目标值的成果,不花试验费便解决了生产难题,很容易推广。而工具院(所)亦可在以后的供货中逐步回收利润,只要双方保持互惠、互利,协作关系便会更加巩固。我厂就是利用这种方式与多家研究院校开发了很多新技术。在机械加工中的许多加工难点,虽然可用CBN工具来解决,但就目前条件,不是国内哪家所能单独做到的,因为并非凡是CBN工具都有奇特的和万能的加工能力。我们也曾用过CBN刀片精镗硼缸套,其效果并不比新型陶瓷刀片好。其原因是多方面的,如CBN质量、含量、品牌规格及结合剂等是否适合硼铸铁的加工。至于CBN磨具影响的磨削效果的因素就更多了,除自身原材料的质量、配比和磨具制造技术外,还有使用条件与技术。如磨削速度(应用高速磨削速度)、磨床刚性好、无振动、有自动精细进给及修整补偿机构、适当的磨削参数和冷却液等,这些都是相辅相成的重要因素,靠有关方面共同努力,各自提高自家产品的质量,相互促进,才能使CBN工具与专用设备成功地用于生产。用户希望使用具有实效的CBN工具,为此,要求工具制造单位,除了尽快提高CBN工具的制造技术外,还应对产品的质量建立明确的鉴定标准与方法,分布某些性能参数,如刀具的CBN含量与品牌、磨具的硬度与CBN精度、浓度等,在此基础上进行生产使用试验,以便充分发挥用户的生产经验,对不同的切削参数与冷却液所取得的加工结果进行对比分析,使CBN工具得到质的提高。CBN工具的适用范围、使用条件和应用的技术配套(如设备和冷却液等),用户可正确选用和使用CBN工具。21世纪是高科技时代,产品必须是有高性能、高质量才有市场,企业才有生命力。为此,应尽快提高制造技术水平,而推广使用CBN工具提高制造技术是一种有力措施,这不仅需要有关主管部门的有力资助和支持,有组织、有计划地逐步推广CBN工具的技术配套与使用,同时也要求用户勇于接受新材料、新技术,改变过去陈旧的生产观念与管理方法,即刀(磨)具均消耗费用指标很低,只许占产品成本的1/100左右,而不是以提高生产效率和保证产品质量为准,这样会限制优质高效的刀(磨)具应用与先进设备生产能力的发挥。实践证明,CBN刀(磨)具的成效不仅可提高产品的加工质量,而且也可提高经济效益。

PCBN刀具的制造工艺

PCBN刀具的制造主要通过CBN粉末和结合剂经超高压高温烧结而成.大致步骤有;混合粉末--模压成型/与硬质合金底层组装成整体--超高压高温烧结--深加工.
关键技术在于CBN与结合剂的选择与配比,超高压高温烧结工艺参数的确定. 

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