超硬刀具材料在高速加工中的应用

发表时间:2017/3/16   来源:《科技中国》2017年1期   作者:姜启鲁
[导读] 超硬的刀具材料有着很高的耐用程度、优良的性能、相对较低的成本,优点众多,也得到了很广泛的应用。

日照市技师学院   山东 日照   276826
摘要:在机械的加工过程中,刀具材料是最基础的工具,也是必备的工具。在高速的加工过程中,超硬的刀具材料有着极其重要的作用,超硬刀具材料具有很高的硬度和韧性,也越来越能够满足机械的加工过程对于刀具的要求。超硬的刀具材料有着很高的耐用程度、优良的性能、相对较低的成本,优点众多,也得到了很广泛的应用。

关键字:超硬刀具材料;高速加工;加工刀具;
        引言
        高速加工这个概念是德国的一名博士提出来的,加工的速度越快,加工时的温度也会越来越高,对于刀具的损害也会越来越严重,这样对于加工工件的表面和质量都有很不好的影响,刀具的使用寿命也会大大减少。高速加工的加工速度比常规的速度要快得多,所以对于刀具的要求也很高,超硬刀具材料包括金刚石刀具、内含氮化硼元素的聚晶刀具和其他类型的刀具,和传统的加工相比较,超硬刀具材料的加工有着很独特的优势,可以很有效地节约成本,提高加工的效率。超硬刀具材料指的是立方氮化硼和人造金刚石,它们的硬度和性能都和天然的金刚石相近,天然金刚石价格昂贵、成本较高,所以在生产过程中人们经常采用PCBN(聚晶立方氮化硼)和PCD(人造聚晶金刚石)或者是这两种材料的复合材料。在20世纪 50年代的美国,美国人利用高压高温进行结合形成刀具材料,在中国,从20世纪 70年代开始,我们国家开始研究超硬刀具材料并加以应用,超硬刀具材料在高速加工方面有了更加广泛的应用。
        超硬刀具材料的特征及性能
        在人造聚晶金刚石刀具中,没有含有任何的关于金属的催化剂,它的硬度和热稳定性和天然金刚石有着很大的相似性,人造聚晶金刚石有着较强的抗磨损的性能、较强的硬度、较小的摩擦系数、较高的热导率、很好的切割效果,在进行加工时表面不会很容易地产生积留的细屑,使得加工工件的表面质量更加优秀,很适合加工硬质的合金、玻璃、陶瓷等等的材料。但是人造聚晶金刚石有着较差的热稳定性,硬度和韧性不是太能满足要求,如果长期工作在高速加工过程中,容易产生碳化的现象,性能逐渐变得不稳定,也会出现快速磨损的现象。人造金刚石的硬度比天然的金刚石小一些,人造金刚石的硬度、强度和耐磨性和天然的金刚石还是有区别的,人造金刚石抗磨损的能力较强,比一般的刀具使用寿命长,摩擦系数较低,膨胀系数也很低,能够很好地代替传统的硬度刀具。
        PGBN(聚晶立方氮化硼)刀具一共有三种类型,包括整体的聚晶立方氮化硼刀具、聚晶立方的氮化硼复合片、电镀立方的氮化硼刀具,这其中,聚晶立方的氮化硼复合片是目前为止应用最广的一种刀具,有着很高的耐磨性和很高的热稳定性,也有着很好的导热性,加工材料的来源广,加工的成本低,适合现在很多类型的机械加工。聚晶立方氮化硼的硬度在人造的金刚石和天然的金刚石之间,但聚晶立方氮化硼的韧性更高,摩擦系数较小,抗腐蚀性也比较强,有着较强的可焊性和兼容性,更多地应用于精密小型的部件的加工,PCBN(聚晶立方氮化硼)刀具材料已经成为了现在的加工过程中必不可少的刀具材料。



        超硬刀具材料的各方面应用
        人造金刚石被广泛应用在加工原子核的反应堆、各种高新技术中的反射镜、计算机硬盘的基片、火箭和导弹中的地航陀螺、传统的手表零件、有色金属的精密加工、加速器电子枪的加工和各种首饰和装饰品的加工,以及用来制造各种医学用的刀具。而聚晶立方氮化硼刀具大部分用于汽车的制造业,包括汽车的刹车盘、发动机的进出气阀座、传动轴、发动机的箱体、气缸孔等等,也有一部分用于加工重型的机器设备。聚晶立方氮化硼刀具的效率高、使用寿命长、稳定性高、应用广泛,并且也加入了许多加工的概念,例如以车代磨、高速切削、干式切削和硬态加工等等。
        在车削加工的加工过程中,超硬刀具材料可以以车代磨,使得切削的深度比磨削的高度高十几倍,加工的效率也提高了4倍以上,成本却降低了80%,对于钢件的车削,超硬刀具材料有着重要的作用;在铣削加工的加工过程中,应用超硬刀具材料,加工的速度可以达到4000米/分钟,在很大程度上节省了加工时间,提高加工的效率,是90年代利用国外设备进行加工的效率的两倍;在镗削加工的加工过程中,聚晶立方氮化硼刀具加工的速度可以达到0.5米/秒,深度可以达到0.12毫米,并且一次可以同时完成8个零件的加工,效率特别高,并且聚晶立方氮化硼刀具使用的寿命长,加工时的尺寸稳定,加工的精度很高,在汽车发动机的缸孔的加工中有着重要的作用;在拉削加工的加工过程中,应用超硬刀具材料进行加工的质量较高,并且成本较低,也为之后的加工提供很多的便利之处;在铰削加工的加工过程中,应用超硬刀具材料进行加工,例如PCBN 电镀较刀,用这种刀具来代替传统的刀具,提高了加工的效率;在钻削加工的加工过程中,应用人造金刚石的钻头进行加工,不仅有着很高的效率,也有很好的加工效果,例如玻璃、陶瓷、石材和导电材料的各种细小的钻孔的加工,超硬刀具材料有着重要的作用。
        总结
        随着机械高速加工不断增强的要求,传统的刀具越来越无法满足现代加工技术的要求,而在刀具的选择方面,超硬刀具材料有着很高的质地,可以很好地进行较硬工件的加工,经过专业人员对超硬刀具材料的了解以及研究,能够更好地完成工件的高速加工。如今逐渐出现的新型材料变得愈来愈难加工,例如超耐热合金、钦合金等,为了更好地加工此类工件,对它们的使用寿命、材料和磨损的检测进行研究是必须要做的。在高速加工过程中,形成的切屑呈现锯齿形是很正常的现象,减少对刀具和工件的磨损,对刀具的要求也愈来愈高,向着更加节能、更加绿色、更加高效的方向发展。目前为止,国内外的许多大学和许多科学研究机构根据不同的刀具、材料、零件创建了很多不同的数据库,伴随着工艺、刀具和材料的不断进步和更新,这些创建的数据库也具有了很强大的时效性,来满足不同行业的加工要求,有关的人员对超硬刀具材料在高速加工中的应用进行仔细的研究和深入的探讨,掌握更加全面的专业知识,更好地完成机械的高速加工。
参考文献:
[1] 高建红 , 李文辉 , 刘伦伦等 . 钛合金和镍合金加工用新型刀具材料的研究进展 [J]. 机械工程材料 ,2014,12(38):1-4.
[2] 宋宏智,杨庆东,牟冰,数控机床直线电机负载突变控制策略研究[J] 机械工程与自动化,2015,8(4):160-164.
[3] 唐克岩, 高速切削技术的发展及应用[J], 组合机床与自动化加工技术,2015(12):1一3,14

 

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