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一文读懂超硬刀具材料的种类、特点与应用
发布时间:2022-07-16 11:41:04 来源:hth华体会官网 作者:hth华体会首页

        在整个切削加工工艺系统中,机床、刀具、夹具和工件是主要组成部分,其中刀具是最为活跃的因素。高性能


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  在整个切削加工工艺系统中,机床、刀具、夹具和工件是主要组成部分,其中刀具是最为活跃的因素。高性能的刀具与先进的加工设备相互配合,才能充分发挥整个切削系统的效能,取得良好的经济效益。

  同时,工件材料的发展,也促进了刀具材料的发展。很多新型材料和难加工材料的出现,要求市场提供切削性能更好的刀具材料,这样才能提高切削加工生产效率和加工质量。

  超硬刀具材料,多指金刚石与立方氮化硼,一般没有严格的规格。理论上来说,硬度接近于金刚石的材料统称为超硬刀具材料。

  超硬刀具材料主要用于硬切削加工(对高硬度材料直接进行切削加工),硬切削技术在一些应用领域得到了极佳的效果,如汽车工业、模具行业、机床行业等领域,直接采用CBN刀具加工铸铁件和淬硬钢件,既缩短了工艺路线,又提高了加工效率,取得了较好的经济效果。

  目前,超硬刀具材料主要包括金刚石、聚晶立方氮化硼(PCBN)、陶瓷、TIC(N)基硬质合金等,其中金刚石刀具材料主要用于加工高硬度有色金属和非金属材料,聚晶立方氮化硼、陶瓷和硬质合金主要加工高硬钢、铸铁和合金等材料。

  金刚石刀具,是指用金刚石材料做成的刀具,金刚石是碳的同素异形体,显微硬度达10000HV,是目前已经发现的、自然界中最硬的一种材料。

  ①单晶金刚石刀具。单晶金刚石刀具是目前超精密加工有色金属的主要切削刀具,可实现镜面加工。天然单晶金刚石刀具硬度高,耐磨性好,刀尖和刃口锋利,可实现超薄切削,加工表面粗糙度极低。

  ②聚晶金刚石刀具。人造聚晶金刚石(PCD),是20世纪60年代发展起来的,是以石墨为原料,加入催化剂经高温高压烧结而成。成本远低于天然金刚石,因此目前很多切削加工场合使用的都是人造聚晶金刚石。

  ③CVD金刚石刀具。CVD金刚石是采用化学气相沉积的方法,在异质基体(如硬质合金、陶瓷等)上合成金刚石膜,拥有与金刚石相似的结构和特性。目前在木材加工和修整刀具上有一定的应用。

  ①有极高的硬度和耐磨性。金刚石的显微硬度达10000HV,其耐磨性是硬质合金的60~120倍。在加工高硬度材料时,金刚石刀具寿命是硬质合金刀具的10~100倍,甚至几百倍。

  ②各向异性。单晶金刚石晶体不同晶面及晶向的硬度、耐磨性能、微观强度、研磨加工的难易程度以及与工件之间的摩擦系数等相差很大。

  ③极低的摩擦系数:金刚石与有色金属之间的摩擦系数比其他刀具都低,约为硬质合金刀具的一半,通常在0.1~0.3之间,加工时变形小,可减小切削力。

  ④很高的导热性。金刚石的热导率为硬质合金的1.5~9倍,为铜的2~6倍。热导率及热扩散率高,切削热容易散出,因此刀具切削部分温度低。

  ⑤切削刃非常锋利。金刚石刀具的切削刃可以磨得非常锋利,刀刃钝圆单晶一般达0.1~0.5μm,天然金刚石刀具可高达0.005~0.008μm,因此天然金刚石刀具能进行超薄切削和超精密加工。

  ⑥较低的热膨胀系数。金刚石的热膨胀系数为硬质合金的几分之一,约为高速钢的1/10。因此金刚石刀具不会产生很大的热变形,因切削热引起的刀具尺寸变换很小,对于尺寸精度要求高的精密加工刀具来说非常重要。

  金刚石刀具多用于高速状态下加工有色金属和非金属材料。如各种耐磨有色金属(硅铝合金、铜和铜合金、硬质合金等)、耐磨非金属(陶瓷材料、石墨材料、塑料橡胶、玻璃钢等)。

  金刚石刀具的不足之处,就是热稳定性相对较差,在切削温度超过700℃时,硬度就会变低;并且,金刚石刀具不适合切削黑色金属,因为金刚石在高温下容易与铁原子作用,使碳原子转化为石墨结构,造成刀具损坏。

  立方氮化硼(CBN)是继人工合成金刚石之后,利用高温高压技术获得的第二种超硬刀具材料,在硬度和热导率方面仅次于金刚石,且热稳定性非常好,对于黑色金属有极强的化学稳定性,广泛应用于铸铁和淬火硬钢制品的切削加工。

  由于单晶CBN的粒径小,且存在易劈裂的“解理面”,因此不能直接用于制造刀具。所以用于切削刀具的大多数是聚晶立方氮化硼(PCBN)。

  PCBN(聚晶立方氮化硼)是在高温高压下将细微的CBN材料通过结合相(TiC、TiN、Al、Ti等)烧结在一起的多晶材料,与金刚石有着相似的结构和性质,主要用来制成刀具。

  PCBN刀具可分为整体PCBN刀片和PCBN复合刀片。整体PCBN刀片通体由PCBN烧结而成,切削刃多,适合大切削高速切削;PCBN复合刀片,是在强度和韧性较好的硬质合金基体上焊接PCBN,可以兼顾较好的韧性和较高的硬度及耐磨性,分为整体焊接PCBN刀片、整体复合PCBN刀片及复合焊接PCBN刀片等。

  ①很高的硬度和耐磨性。CBN的晶体结构和金刚石相似,化学键也相同,因此具有接近金刚石的硬度和强度,显微硬度可达8000~9000HV,仅次于金刚石,有效保证了刀具的耐磨性。

  ②很高的热稳定性。CBN的耐热性为1300~1500℃,比金刚石的耐热性(700~800℃)高出几乎一倍。因此,可以用来高速切削高硬度钢、铸铁以及耐热合金,刀具的黏结磨损与扩散磨损小。

  ③优良的导热性。CBN的热导率为79.54W(m·K),虽然不如金刚石,但比高速钢和硬质合金的热导率高得多。并且,随着切削温度的升高,热导率也随之增加,有利于高速高精度加工。

  ④优良的化学稳定性。CBN的化学稳定性大,与铁系材料在1200~1300℃时也不起化学反应;并且具有很高的抗氧化能力,因此非常适合用于黑色金属的高速车削加工。

  ⑤较低的摩擦系数。CBN与不同材料的摩擦系数为0.1~0.3,比硬质合金的摩擦系数(0.4~0.6)小的多。低的摩擦系数使切削力减小,切削温度降低,不易产生积屑瘤,有利于降低已加工表面的粗糙度。

  鉴于立方氮化硼刀具材料对于铁族金属的化学惰性,因此可广泛应用于黑色金属的高速切削加工,如淬火硬钢、、高锰钢、灰铸铁、冷硬铸铁、合金铸铁等难切削加工材料。

  另外,立方氮化硼刀具不宜用于低速、冲击载荷较大的粗加工;同时不适合切削塑性大、硬度低的材料,如软的铁系金属、铜合金、铝合金等,因为切削这些金属时会产生严重的积屑瘤,使加工表面恶化,刀具耐用度降低。

  陶瓷刀具具有很高的硬度、耐磨性能及良好的高温力学性能,与金属亲和力小,不易与金属产生粘结现象,因此多用来加工传统意义上难加工的超硬材料。

  现代陶瓷刀具材料种类繁多,多为复合陶瓷,一般常分为氧化铝基陶瓷刀具、氮化硅基陶瓷刀具、复合氮化硅-氧化铝基陶瓷刀具。目前最为常见的是氧化铝基和氮化硅基陶瓷刀具材料。

  ①硬度高、耐磨性好。陶瓷刀具的硬度不如金刚石和立方氮化硼刀具,但要比硬质合金和高速钢刀具高,可以加工传统刀具难以加工的高硬材料,适合高速切削和硬切削。

  ②耐高温、耐热性好。陶瓷刀具具有很好的高温力学性能,氧化铝基陶瓷刀具的抗氧化性能较好,切削热即使处于红热状态也能连续使用。

  ③化学稳定性好。陶瓷刀具不易与金属产生粘结,同时也有较好的耐腐蚀性和化学稳定性,可以有效减小刀具的黏结磨损。

  ④摩擦系数低。与金属之间的亲和力小,摩擦系数低,可有效降低切削力和切削温度。

  陶瓷刀具一般多用来高速精加工和半精加工,适合切削加工各种铸铁和钢材,也可用用来切削铜合金、石墨、工程塑料和复合材料等。

  陶瓷刀具材料脆性大,抗弯强度低、抗冲击韧性差,因此不适于在低速、高冲击载荷下切削。返回搜狐,查看更多

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