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技术应用

PCD及PCBN刀具的特点和加工实例

河南磨澳超硬材料有限公司 2016/4/12 8:38:20 11

PCD/PCBN刀具的特点

机械加工正朝着高速化、复合化、智能化及环保型方向发展 随着现代集成制造系统的问世以及切削速度不断提高,对刀具性能提出更高的要求,开发各种耐磨性优良能长时间进行稳定加工的超硬切削刀具是必然趋势。切削刀具逐步向高效加工、硬加工、干式加工、超精密加工和新型难加工材料加工的方向发展,PCD刀具与PCBN刀具是实现精密和超精密加工的必备加工刀具。

过去,除非是特殊加工不可缺少的,PCD/PCBN刀具几乎不为实际加工所采用。因为PCD/PCBN刀具成本太高。如今,尽管PCD/PCBN刀具仍然有点昂贵,然而其质量与可靠性已提高。从而使PCD/PCBN刀具在汽车、航空航天以及医疗设备等工业领域的许多机械加工中具有较强的竞争性。在刚性较好的机床和刀架上安装PCD/PCBN刀具,生产厂家可充分利用PCD/PCBN所具有的潜能来提高生产率。同时在各种机械加工应用中,PCD/PCBN刀具为生产厂家提供了更大的切削刀具的选择余地。使他们在改善成本提高生产率时有了更有利的机会。

PCD/PCBN刀具有三种基本形式:整体式、全断面式和刀尖式。尺寸较大、较厚的新型PCBN整体刀具,具有良好的耐磨耐冲击特性。刀具良好的耐磨性和耐冲击性,是加工含铁素体少于10%的铸铁材料的关键手段。刀具耐磨、耐冲击性的提高,对于汽车行业加工合金铸铁零件也是尤为重要的。从前,这类合金铸铁零件只有通过磨削才能加工完工。粗加工合金铸铁时,刀具必须经受由铸造工艺遗留下来的表面裂纹、残砂和其它原有的表面不连续所引起的断续切削。好的耐磨性在精加工中也起很大的作用,对于含铬28%~30%,硬度在68~70HRC之间的工件尤其是这样。整体PCBN刀片在两边都有多个切削刃,因而降低了单位生产零件的刀具成本。其横剖面有4.76mm厚,比传统刀具3.17mm还厚,这使刀片在标准的垫片式硬质合金刀把槽上,能可靠安装。

PCBN刀片也有做成全断面的和刀尖形的。全断面刀片有一个完整的PCBN顶面,烧结在一个硬质合金基底上,只在刀片的一边提供多切削刃,这种刀片比整体刀片便宜些。刀尖形刀片是在硬质合金基底的一角上焊接一块PCBN刀片刀尖形刀片要么是单切削刃、要么是双切削刃。现在用的PCBN刀片大多数是刀尖形的。无论是全断面形的,还是刀尖形的刀片都按工业标准尺寸制造,与整体刀片一样,可以安装于标准刀杆刀片槽内和铣刀槽上。

PCBN刀具更适合于加工硬零件

PCBN制成的刀具最适应于硬零件的切削加工。实际上,被加工零件硬度的下限是45HRC。如果用PCBN刀具加工硬度低于45HRC的零件,就将产生刀痕。

在粗加工中,用整体PCBN刀具切削加下的最大切削深度,在4.76~6.4mm的范围内变化加工白铁和其它硬的高铬铁最大切削深度约为4.76mm,加工非合金的纯铸铁最大切削深度为6.4mm,精加工的切削速度范围从加工高铬铁的107~122m/min到加工灰铸铁的高达2134m/min内变化。一切用PCBN刀具的加工,都要求使用刚性非常好的工具、夹具、主轴和机床。

恰当的PCBN刀具精加工切削速度随着工件材料、材料高度以及零件的尺寸和形状的不同而显著变化。例如,你可以在加工洛氏硬度60~62HRC的硬化钢时,以0.51mm的切削深度达到183m/min的切削速度;进给量为0.05~O.1mm/r可以加工出较低的表面粗糙度;材料越硬要求的切削速度越高。但是,切削速度大于约198m/min时,将导致过度磨损。加工普通铸铁可以用非常高的切削速度。

刀尖形PCBN刀具无论是用于粗加下还是精加工都是既经济又可靠的。但是在有此场合要求使用整体刀具和全断面形刀具。粗镗带有铸造毛刺的气缸衬里的中间部位,就是一个典型的例子。当用刀尖形刀具以非常准确的切削深度加工时,工件上的毛刺最终能使 PCBN刀片偏离正确的位置。强有力的整体和全断面PCBN刀具能消除这类问题。整体和全断面刀具都能够重新刃磨,这样就能延长刀具寿命,从而补偿它们的较高成本。为了获得整体刀具的最好成本效益,应该使用整体刀具两边的切削刃。

当前,PCBN刀具的最大发展领域是高硬切削——具有洛氏硬度60~65HRC的诸如齿轮、轴和轴承等汽车发动机合金钢零件的精加工。从传统观点来看,这样的零件只有经过磨削才能制成。而且,零件的尺寸公差非常小,表面粗糙度非常精细。而高硬切削使得这种同样的结果在一个CNC车床上得以实现,且价格仅只有在CNC磨床上加工同样加工质量零件成本的一半,另外车床的维护成本也较低。高硬切削由于切削深度仅为0.3~0.38mm,可用低成本的PCBN刀尖形刀具。美国先进Carboloy材料公司的试验结果表明,用刀尖形PCBN连续加工被硬化的钢零件(60~62HRC),获得的表面粗糙度为0.2µm或更小。

PCD刀具加工有色合金

现在,广大生产用户已经克服刀尖颇震。他们发现PCD刀具具有成本低效益好。因为在大多数有色金属的加工中,PCD刀具明显优于硬质合金刀具,这并不是由于加工材料本身有任何发展。

目前所用的大多数PCD刀具是刀尖形的。人们将一块PCD刀片焊在硬质合金刀杆的一角上。PCD刀块尺寸已经在工业上标准化了,可用在标准刀杆的刀槽内和铣刀槽上。与硬质合金刀具不一样的是,PCD刀具不能转位,只有单刀刃。

标准尺寸的全断面PCD刀具,有一个完整的PCD顶面,被烧结在硬质合金基底上虽然全断面的刀具开始时的成本较高,但是它是可转位的,能够在刀具的一侧提供多个切削刃。购买时,这种刀其常常是圆形的,以便得到最多的刀刃。起初全断面PCD刀具主要用于特殊场合。

安全可靠的刀片固位在PCP刀具应用中起着关键作用,特别是对于旋转刀具现在将楔片与螺丝钉组合使用,如同圆锥形刀具与楔片一样,提高了刀具的固定性。普通螺纹与压板式设计。以及用悬挂刀杆的刀具、刀杆上直接焊接了PCD刀片都能提供必要的刚性。刚性良好的刀具装置能提供PCD刀具更可靠的效果。

牢固的工件夹具和刚性良好的机床、主轴等也能够改善加工特性。如今的CNC车床和加工中心都具备PCD/PCBN切削刀具所要求的刚度。在安装新设备时,加工车间的环境必须加以考虑,要使环境更加适合于高性能的PCD/PCBN切削刀具。精铣铝制汽车导管的刀具,常常是将刀尖形PCD刀具与普通硬质合金刀具组合起来使用以便用来切削在一定切削深度处所遇到的铸造毛刺。这些铸造毛刺容易连续地冲击掉PCD刀片与硬质合金刀体焊点,而最终使PCD刀片移位。

PCD刀尖形刀具能以大约PCD刀片长度的60%为最大切削深度进行铣削。即使以最大切削深度或低于最大切削深度加工,毛刺仍然能使PCD刀片在刀具上移位。这个问题可以在铣刀上加一些普通硬质合金刀片加以解决。安装在铣刀上的这些硬质合金刀片在铣刀的轴向和径向要稍作调整。这样一来,硬质合金刀具就可在PCD 刀片的前面切掉毛刺,为PCD刀具的精加工做好预加工。刀尖形PCD刀具的另一个重要应用是在所谓“立体化”工艺中精加工汽车零件。铸造厂为了节约货船运费和便于收集粗加工铝制气缸头等切屑,用于回炉再循环。他们用一把PCD切削刀具,以非常大的金属去除率,半精加工铸件,包括铸件的顶面、底面、侧面和棱等,被加工后的机械零件呈长方体形,很容易装卸和包装。由于零件占据较少的空间,使得货船运费下降。

生产制造厂商要提高生产率,进行零件的连续加工,延长刀具寿命(消除频繁换刀)。应用PCD刀尖形刀具时,可使其在硬质合金上有一点倾斜。PCD刀具在加工高硅铝制汽车零件时,诸如气缸头、引擎机体、导管、变速箱和车轮等都优于磨削加工。

用PCD刀具加工时,有效地排屑是十分重要的PCD刀具产生的切屑非常快,加工系统必须连续、迅速地将切屑从工作区排除掉。冷却剂、空气雾、冷冻空气以及它们的综合都将产生影响。PCD刀具切削速度高达3048m/min,这就要求必须带有有效的排屑装置和一个刚性的机床和操作系统,现在的CNC机床和加工中心都容易达到此速度。

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