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超硬材料切割工具未來(lái)會(huì )如何發(fā)展
2020-03-07

硬質(zhì)合金*早于1926年由德國人研制發(fā)明,硬質(zhì)合金工具也逐漸革新為鍍附硬質(zhì)合金工具,成為80多年來(lái)*為重要的切削工具之一。PCD和PCBN也是較為重要的工具。本論文討論了超硬材料的三種新穎技術(shù),用于鑄鐵高速加工的新型PCBN等級、鉆削CFRP用的金剛石鍍附硬質(zhì)合金和硬質(zhì)合金直接銑削用的BL-PCD端面銑削。
鑄鐵高速銑削用CBN
? ? ? ?立方氮化硼(CBN)硬度高、導熱性能好,且不易和鐵質(zhì)材料發(fā)生反應,性能僅次于金剛石。聚晶立方氮化硼(PCBN)是利用陶瓷結合劑對CBN顆粒進(jìn)行燒結而成;PCBN促成了硬化鋼加工工藝由磨削革新為切割。Sumitomo Electric Hardmetal公司生產(chǎn)出的PCBN切割工具在鐵質(zhì)材料如鑄鐵的精加工和半精加工工藝中能夠明顯提高生產(chǎn)效率,降低成本。另一方面,由于PCBN的強度高、導熱性能好而應用于鑄鐵的**高精密加工。例如,發(fā)動(dòng)機組和油泵的表面加工通常用PCBN切割工具來(lái)完成。本論文主要討論新型PCBN工具對鑄鐵的銑削。
? ? ? ?PCBN燒結體有兩種類(lèi)型:一種是將CBN顆粒粘結在結合劑上;另一種是利用少量粘結劑材料將CBN顆粒粘結在一起。前者耐磨性好,用與硬化鋼切割加工;否則CBN含量高,導熱性能好,用于鑄鐵加工、耐熱合金和PM部件。BN7000就劃歸為后者。
? ? ? ?圖一為新型PCBN等級BN7000刀具。BN7000的CBN含量比其他傳統PCBN等級的刀具都要高,強度大、韌性好、硬度高,熱導性能好。圖二為BN7000的微結構圖和屬性。利用高于常用5GPa的燒結壓力,CBN含量由90 vol%增至93vol%。為降低粘結劑的磨粒磨損,BN7000燒結體的結合劑量降低了30%。燒結過(guò)程中CBN顆粒反應的加快改善了粘結劑的組份,從而使粘結劑的結合力度比傳統結合劑要大許多。?

富耐克

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? ? ? ?為對比BN7000和傳統等級在耐熱裂紋性能方面的異同,實(shí)驗采用FMU4100R銑刀和SNEW1203ADTR切削刀具對兩塊鑄鐵盤(pán)(長(cháng)寬高:150*100*25mm;硬度HB200-300)進(jìn)行銑削實(shí)驗,如圖三所示:Vc=1500m/min,f=0.2mm’rev,ap=0.3mm,無(wú)冷卻液。圖四為加工后的對比圖,BN7000切削刃上出現的熱裂紋明顯要比傳統等級的少,耐熱裂紋性能有明顯改善。

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? ? ? ?利用新型PCBN等級BN7000對鑄鐵進(jìn)行加工,可以實(shí)現**切削,保持工具較長(cháng)的使用壽命。BN7000的CBN含量高、硬度高、熱導性能好,適宜加工難切割材料,對于降低切削成本費用和實(shí)現高精密**切削加工有重要作用。
?CFRP加工用金剛石鍍附工具
? ? ? ?適宜地將基體和增強材料結合起來(lái)從而形成可控性機械特征是復合材料的一個(gè)特色。碳纖維增強塑料(CFRP)由于其優(yōu)越的抗拉強度、比濕度、抗腐蝕性而廣泛應用在工業(yè)機械如汽車(chē)、直升機、醫療器械和鐵路車(chē)輛等領(lǐng)域。此外,CFRP材料在航天領(lǐng)域是一種基礎的結構材料,可以減輕飛機機身重量從而提高燃料效率,節省維護成本。

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? ? ? ?在航天領(lǐng)域,和CFRP材料有關(guān)的加工都會(huì )應用金剛石鍍附工具。圖五為Sumitomo金剛石鍍附鉆,用于CFRP材料的精密鉆孔。由于軸向力沿著(zhù)纖維板疊層方面施力,鉆孔時(shí)CFRP材料容易出現分層,如圖6、7所示。隨著(zhù)切削工具磨損的加劇和碎屑粘附在切削刃上,鉆削時(shí)的抗鉆強度也逐漸增大,CFRP材料過(guò)度受熱,強度也由此降低。為解決這一問(wèn)題,就不可避免地要應用到金剛石鍍附鉆。

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? ? ? ?圖8為金剛石鍍附鉆的構造。頂角從鉆頭的中心到邊緣有三個(gè)變化,這樣就減小了鉆頭外刃在鉆削時(shí)的軸向力,把CFRP材料分層降到了*低。螺旋角和溝槽外形設計之間得到了優(yōu)化處理,切削刃帶有三個(gè)頂角且長(cháng)度得到了縮短處理;這種設計使鉆削深孔時(shí)的溫度得到了控制,不至于過(guò)高。

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? ? ? ?圖9為金剛石鍍附薄膜的表面。通過(guò)改善金剛石的微結構并對鍍附預處理技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化,解決了金剛石鍍附薄膜和硬質(zhì)基體很難結合在一起的問(wèn)題。圖10所示為CRFP鉆削用SDC型鉆頭。加工出的孔質(zhì)量精確、沒(méi)有分層和未切割纖維。金剛石鍍覆層耐磨性好,提高了工具壽命,實(shí)現了穩定鉆削。
?硬質(zhì)合金的直接銑削
? ? ? ?在模具制備工藝中,為提高模具的精確度,通常采用鍍附硬質(zhì)合金端面銑削來(lái)進(jìn)行直接銑削。隨著(zhù)制造商對模具硬質(zhì)要求的提高,出現了聚晶金剛石(PCD)刀具、金剛石鍍附硬質(zhì)合金刀具和單晶金剛石(SCD)刀具,都可以用于硬質(zhì)材料的直接銑削。
? ? ? ?對于硬質(zhì)合金模具的直接銑削,傳統PCD刀具的硬度不足以滿(mǎn)足其要求;SCD的強度也不夠,PCD和金剛石鍍附工具的鋒利度也不夠。因此,無(wú)粘結劑納米聚晶金剛石(BL-PCD)便應運而生。BL-PCD的硬度比PCD和SCD高、鋒利度要比PCD和金剛石鍍附都要好;適宜硬質(zhì)合金模具的直接銑削,特別是精加工。

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? ? ? ?圖11為BL-PCD和傳統PCD的微結構。在超高溫高壓條件下,將納米石墨直接轉化為無(wú)粘結劑的納米金剛石。本研究合成的BL-PCD牢固地結合在一起,金剛石顆粒直徑為10納米左右。
? ? ? ?圖12所示為BL-PCD的硬度對比。傳統PCD含有粘結劑Co,硬度約40-60GPa;SCD的硬度約60-120GPa。

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? ? ? ?圖13為BL-PCD球端面銑削,單切削刃、球半徑R為0.5mm;在硬質(zhì)合金柄上對BL-PCD進(jìn)行釬焊。
? ? ? ?圖14為硬質(zhì)合金直接銑削實(shí)驗的其中一項結果。該試驗的目的是研究BL-PCD端面銑削如何加工出精細表面粗糙度的。工件材料為超精細顆粒硬質(zhì)合金,HRA92.5,WC顆粒尺寸為0.5μm。BL-PCD端面銑削用于精細加工;金剛石鍍附端面銑削用于粗糙、半精細加工。在該實(shí)驗中,主軸速度N=4000,進(jìn)給速率Vf=120mm/min,切割深度ap=0.003mm,精銑總時(shí)間為150分鐘。工件表面粗糙度在凹形中心處為8nm,45°處為7nm。切削刃損傷很輕微,側面磨損僅4μm,沒(méi)有出現碎屑和嚴重損傷。

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? ? ? ?圖15為直接銑削的另外一項實(shí)驗結果。該實(shí)驗目的是研究硬質(zhì)合金模具實(shí)際生產(chǎn)中**銑削工藝。工件材料為精細顆粒硬質(zhì)合金A1,91.4HRA,WC顆粒尺寸為0.7μm。主軸速度為4000,切割深度ap=5μm,進(jìn)給速度Vf=800mm/min,精磨總時(shí)間為38分鐘。實(shí)驗結果顯示,工件獲得良好的表面整體質(zhì)量,Ra低于15nm。
5 結論
? ? ? ?本論文討論了超硬材料的三個(gè)方面,結論如下:
? ? ? ?(1)新型PCBN等級BN7000強度高、韌性好,熱導性能好,CBN含量可以從90vol %提高到93vol%。實(shí)現了鑄鐵高速銑削加工,Vc=1500m/min。
? ? ? ?(2)研制出CFRP材料精細鉆孔用SDC型金剛石鍍附鉆頭。在CFRP鉆削案例中,減少了分層和未切割纖維的出現。經(jīng)優(yōu)化的金剛石薄膜結構鍍附和涂覆預處理實(shí)現了工具壽命的提高,比傳統工具改善了許多。

? ? ? ?(3)實(shí)驗利用超高壓技術(shù)研制出BL-PCD(無(wú)粘結劑納米聚晶金剛石)工具,硬度和韌性都要比SCD的高,切削刃比傳統PCD工具要高。BL-PCD球端面銑削可以應用在硬質(zhì)合金模具的直接銑削中,實(shí)現較好的表面粗糙度,小于10nm。



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