CBN刀(磨)具在機(jī)加工中的廣泛應(yīng)用

1、CBN刀(磨)具在機(jī)加工中的廣泛應(yīng)用在過去五年里，德國刀具工業(yè)的銷售狀況，除了正常的波動(dòng)以外，總的趨勢是持續(xù)上升的，但是產(chǎn)品的供貨期延長了。隨著經(jīng)濟(jì)情況的進(jìn)一步好轉(zhuǎn)，必須加快新產(chǎn)品開發(fā)并重視關(guān)系著刀具制造業(yè)前途的研究開發(fā)工作。使2000年以后制造業(yè)能應(yīng)用更高效的刀具。那么，當(dāng)前哪些課題對刀具工業(yè)最重要呢?可以列出以下十個(gè)方面：(1)如何加工新出現(xiàn)的工件材料；(2)關(guān)于硬-干-高速加工；(3)關(guān)于電泳沉積工藝，以及梯度結(jié)構(gòu)的硬質(zhì)合金；(4)關(guān)于多層涂層、納米級(jí)涂層；(5)關(guān)于潤滑性涂層和微量潤滑技術(shù)；(6)一次性刀具；(7)智能刀具；(8)提供具有管理功能的切削技術(shù)；(9)互聯(lián)網(wǎng)對刀具工業(yè)帶來的

2、影響；(10)專利技術(shù)與推廣普及的關(guān)系。新的刀具要加工什么樣的工件材料在未來十年里，新開發(fā)的刀具應(yīng)能加工什么樣的工件材料呢?從與刀具工業(yè)關(guān)系最密切的兩個(gè)工業(yè)部門-汽車工業(yè)和航空工業(yè)可以得到明確的答復(fù)。在汽車工業(yè)里，鋁合金占主導(dǎo)地位，圖1是瑞典Volvo汽車廠工件材料構(gòu)成的變化趨勢。鋁合金還是制造飛機(jī)機(jī)身的主要材料。在飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)制造業(yè)，除了鋁合金外，主要材料還有鎳基合金和鈦基合金，圖2是瑞典Volvo飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)廠工件材料構(gòu)成的變化趨勢。此外，上述材料構(gòu)成的格局還正在發(fā)生變化，預(yù)計(jì)蠕蟲狀石墨鑄鐵(GGV)和鎂合金在今后將起重要作用。表1是這兩種材料與普通灰鑄鐵(GG)、鋁合金性能的比較，它們將影響

3、切削加工的效率和刀具的壽命。a灰鑄鐵b球墨鑄鐵c鍛鋼d鋁合金e其它a鋼b鋁合金c鈷基合金d鎳基合金e鈦合金f合成材料圖1轎車工業(yè)工件材料發(fā)展趨勢圖2飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)工業(yè)工件材料發(fā)展趨勢表1材料性能比較工件材料灰鑄鐵GG25 GGV鑄鐵(70%珠光體) GGV鑄鐵(95%珠光體) 鋁合金AlSi9Cu3鎂合金AZ91HP 強(qiáng)度MPa 230 440 480 255 225 彈性模量Gpa 130 145 145 74 45 硬度HB 190 200 250 100 72 汽缸蓋毛重kg 40.4 30 30 27.5 21.5 汽缸蓋凈重kg 35.2 24.5 24.5 22 17 硬-干-高速切削

4、：干切削的十個(gè)相關(guān)技術(shù)硬加工，主要是指滲碳淬火鋼的加工，目前能達(dá)到的技術(shù)水平見表2。當(dāng)前制造技術(shù)中最重要的趨勢肯定是干切削。下面列出經(jīng)濟(jì)地應(yīng)用這項(xiàng)技術(shù)的十個(gè)最重要的相關(guān)技術(shù)：(1)只有可通用的干式或準(zhǔn)干式切削工藝才有價(jià)值，由于在孔加工(鉆、攻絲、鉸)的切削區(qū)有很高的切削溫度，因此孔加工是干式切削能否通用的關(guān)鍵。法蘭球閥(2)必須采用新的特殊的刀具幾何角度，以減少刀具與工件之間的摩擦，有利于切屑的流動(dòng)。(3)刀具材料應(yīng)適合磨出鋒利的刃口，以降低切削溫度。(4)采用含TiAlN的多層涂層，阻止熱量傳入刀具。(5)用減摩涂層降低切屑流動(dòng)的摩擦。(6)外部的微量潤滑方法只對不經(jīng)常更換刀具的加工是簡單且

5、有效的。(7)對于頻繁更換刀具的加工中心機(jī)床，需要采用經(jīng)主軸-刀具的內(nèi)部微量潤滑供給方式。(8)要有抽吸切屑和油霧的裝置。(9)適用于干切切削的機(jī)床應(yīng)有利于切屑的落下，并能很快將切屑從加工區(qū)清除。工作臺(tái)的移動(dòng)有高的加(減)速度，以提供最佳的進(jìn)給速度。(10)必須采用高的切削速度，使熱量由切屑帶走。表2硬切削的技術(shù)狀況(由漢諾威工業(yè)大學(xué)提供) 用陶瓷、CBN硬車削用超細(xì)顆粒硬質(zhì)合金+TiN涂層硬銑削用超細(xì)顆粒硬質(zhì)合金+TiAlN涂層硬銑削切削速度Vc(m/min) 120250 200350 4060 進(jìn)給量f mm 0.050.15 0.10.2 0.020.1 粗糙度Ram 14 25 24

6、 精度IT57 IT710 圖3干式切削在德國機(jī)械制造行業(yè)發(fā)展前景上述十條中有幾條還要進(jìn)一步說明，其中最重要的是第10條，因?yàn)橹挥挟?dāng)干式切削在不降低生產(chǎn)率的前提下，它的優(yōu)點(diǎn)才有現(xiàn)實(shí)意義，并得到廣泛應(yīng)用。實(shí)踐證明，采用干式切削必須提高切削速度，使熱量由切屑帶走。實(shí)際情況比預(yù)期的還好，生產(chǎn)率不但沒降低，甚至還提高了。關(guān)于該項(xiàng)技術(shù)推廣的速度會(huì)有多快，專家們的看法不完全相同，圖3為德國機(jī)械制造行業(yè)干式切削所占的比例：目前為6%，到2003年最佳的估計(jì)可達(dá)40%，而現(xiàn)實(shí)的估計(jì)為20%。為了加快干式切削的推廣工作，德國第二大汽車制造廠的做法可供借鑒，其項(xiàng)目實(shí)施安排的原則是：凡是可采用干式切削的工序，必須投

7、入適合干式切削的機(jī)床，否則可按以下原則進(jìn)行加工：首先采用微量潤滑，看加工是否可行。如果必須采用冷卻，則應(yīng)優(yōu)先考慮乳化液。只有在迫不得已情況下才使用油冷卻。關(guān)于干式切削機(jī)床的開發(fā)，目前至少已有12家機(jī)床廠能提供新開發(fā)的可適用干式切削的加工中心或近期將推出樣機(jī)?？商娲咚黉摵秃附邮絇CD的硬質(zhì)合金目前在市場上占主導(dǎo)地位的刀具材料還是傳統(tǒng)的格局：P類用于加工鋼，K類用于加工鑄鐵和鋁合金。這樣的格局即將過時(shí)，P類硬質(zhì)合金的優(yōu)點(diǎn)僅僅在于，在加工鋼材時(shí)重磨后可不重涂。實(shí)際上，這個(gè)優(yōu)點(diǎn)已顯得無關(guān)緊要，如果采用涂層的超細(xì)顆粒硬質(zhì)合金，與P類硬質(zhì)合金相比，在重磨前壽命的增加遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過重磨后的壽命損失，因此總壽命有

8、很大提高，見圖4。為提高硬質(zhì)合金的韌性，通常是增加鈷的含量，由此帶來的硬度降低現(xiàn)在可通過細(xì)化粒度得到補(bǔ)償(見圖5)，從而使超細(xì)顆粒硬質(zhì)合金受到青睞。尤其在機(jī)床剛性較差或加工條件不穩(wěn)定的場合，如果用普通硬質(zhì)合金刀具遲早會(huì)打刀。圖6是用超細(xì)顆粒硬質(zhì)合金制造的曲軸油孔鉆，孔深為25d，代表了此類刀具當(dāng)前的最高水平。a TiN涂層b重磨后圖5 K類硬質(zhì)合金的硬度和強(qiáng)度圖4 K40UF與P40刀具耐用度比較 圖6用超細(xì)顆粒硬質(zhì)合金制造的曲軸油孔鉆圖7梯度硬質(zhì)合金K40UF金相結(jié)構(gòu) 細(xì)顆粒硬質(zhì)合金的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是刀具的刃口鋒利，適合加工那些很粘的工件材料。高的強(qiáng)度和鋒利的刃口，即使在加工條件惡劣的場合也可取

9、代高速鋼刀具，從而使硬質(zhì)合金刀具的應(yīng)用范圍更加廣泛。盡管用納米級(jí)細(xì)顆粒制造的硬質(zhì)金硬度和強(qiáng)度都達(dá)到了最高值，但價(jià)格太貴。于是開發(fā)了一種芯部韌、表面硬的梯度性能硬質(zhì)合金材料(圖7)。目前這種材料還只能用粗顆粒硬質(zhì)合金制造。這樣連續(xù)的(無級(jí)的)梯度結(jié)構(gòu)材料很適合制造刃口圓弧不變的刀具(如立銑刀、鉸刀)。對于有端刃的刀具，如鉆頭、錐銑刀等，其橫刃磨損很快，對此，電脈沉積能夠帶來突破。該項(xiàng)技術(shù)能夠以很小的變化率改變涂層的韌性和硬度的比例，它可將梯度性能的顆粒沉積到刀具任意形狀的表面上。當(dāng)能沉積致密的金剛石涂層時(shí)，焊接式的金剛石刀具，由于其價(jià)格昂貴、不利環(huán)保、以及在復(fù)雜外形上焊接質(zhì)量不穩(wěn)定等弊端，將會(huì)被

10、淘汰。多層涂層和納米級(jí)涂層能取代TiN嗎? 在各種涂層中，TiN涂層占主導(dǎo)地位，而最新的涂層研究探索將刀具涂層的三個(gè)最重要的優(yōu)點(diǎn)合在一起。以TiN為底層構(gòu)筑多層涂層，可保證涂層的最佳性能。這種涂層的生產(chǎn)效率也不低，因?yàn)榭涛g和涂層工序可部分地同時(shí)進(jìn)行。在TiN底層上沉積的TiAlN和TiN多層結(jié)構(gòu)對裂縫的吸收有最好的效果。在多層結(jié)構(gòu)中，層與層之間的變化越大則使裂縫改變走向的效果越好，因而增加了裂縫向基體擴(kuò)展的路程。目前，多涂層的表層一般都是TiAlN，因?yàn)門iAlN的導(dǎo)熱率最低。此外，由于TiAlN表層生成的氧化物為剛玉，它比由TiN表層生成的氧化物強(qiáng)度高。多層涂層必須采用曾被否定的多弧工藝，多

11、弧工藝的生產(chǎn)率不成問題，問題是涂層中所存在的大顆粒，這些大顆粒會(huì)阻礙切屑的流動(dòng)，因此不適于涂復(fù)深孔加工刀具。為了定量地評價(jià)這種顆粒的影響，引入了涂層滑動(dòng)系數(shù)的概念，以反映涂層中顆粒的影響程度。方法是對鉆削時(shí)所測得的進(jìn)給力進(jìn)行分析，用相應(yīng)的鉆削深度來表示。通過對刻蝕工藝的改進(jìn)和利用較小顆粒的多層結(jié)構(gòu)，可極大地改善多弧涂層的滑動(dòng)性能。同時(shí)，還可通過自拋光效應(yīng)提高涂層的滑動(dòng)性能。在解決了多弧涂層存在的顆粒問題以后，多層涂層比通常的TiN涂層可大大提高加工效率。納米級(jí)涂層使刀具的硬度和耐磨性進(jìn)一步提高，因此，有可能在將來放棄使用焊接式CBN、PCD刀具。納米級(jí)涂層的技術(shù)已經(jīng)掌握，即控制放電的時(shí)間與被涂刀具的旋轉(zhuǎn)速度，使兩者精確同步。但納米級(jí)涂層的實(shí)用性還局限于批量涂復(fù)相同幾何形狀的刀具。那些獨(dú)立運(yùn)行的涂層公司，通常要同時(shí)處理不同的工件，因此還不能涂納米級(jí)。對這些公司來講，當(dāng)前最重要的是開發(fā)有實(shí)用價(jià)值的退涂技術(shù)。目前很多涂層公司還不掌握退涂和