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立方氮化硼CBN(科普)

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簡介

立方氮化硼

cubic boron nitride

立方結構的氮化硼,分子式為BN,其晶體結構類似金剛石,硬度略低于金剛石,為HV72000~98000兆帕,常用作磨料和刀具材料。1957年,美國的R.H.溫托夫首先研制成立方氮化硼。但至今尚未發現天然的立方氮化硼。

起源

立方氮化硼CBN(Cubic Boron Nitride)是20世紀50年代首先由美國通用電氣(GE)公司利用人工方法在高溫高壓條件下合成的,其硬度僅次于金剛石而遠遠高于其它材料,因此它與金剛石統稱為超硬材料。

資料

立方氮化硼是由六方氮化硼和觸媒在高溫高壓下合成的,是繼人造金剛石問世后出現的又一種新型高新技術產品。它具有很高的硬度、熱穩定性和化學惰性,以及良好的透紅外形和較寬的禁帶寬度等優異性能,它的硬度僅次于金鋼石,但熱穩定性遠高于金鋼石,對鐵系金屬元素有較大的化學穩定性。立方氮化硼磨具的磨削性能十分優異,不僅能勝任難磨材料的加工,提高生產率,還能有效地提高工件的磨削質量。立方氮化硼的使用是對金屬加工的一大貢獻,導致磨削發生革命性變化,是磨削技術的第二次飛躍。

分類

立方氮化硼有單晶體和多晶燒結體兩種。單晶體是把六方氮化硼和觸媒在壓力為3000~8000兆帕、溫度為800~1900℃ 范圍內制得。典型的觸媒材料選自堿金屬、堿土金屬、錫、鉛、銻和它們的氮化物。立方氮化硼的晶形有四面體的截錐、八面體、歪晶和雙晶等。工業生產的立方氮化硼有黑色、琥珀色和表面鍍金屬的,顆粒尺寸通常在1毫米以下。它具有優于金剛石的熱穩定性和對鐵族金屬的化學惰性,用以制造的磨具,適于加工既硬又韌的材料,如高速鋼、工具鋼、模具鋼、軸承鋼、鎳和鈷基合金、冷硬鑄鐵等。用立方氮化硼磨具磨削鋼材時,大多可獲得高的磨削比和加工表面質量。

制作方法

立方氮化硼多晶燒結體的主要制法有:①用立方氮化硼微粉和少量結合劑(如鈷、鋁、鈦和氮化鈦等),在壓力4000~8000兆帕、溫度為1300~1900℃下燒結而成;②以立方氮化硼微粉和結合劑為一層,以硬質合金(片或粉)為一層,在上述壓力、溫度下把兩者燒結在一起,制得帶硬質合金襯底的多晶燒結體,這種燒結體具有高的強度,同時保持立方氮化硼的原有理化性能,可制成直徑達16毫米的圓片,切割加工成適當形狀后,作為車刀和鏜刀的刀頭,適于切削淬火鋼、鑄鐵和鎳基合金等。

立方氦化硼(CBN)在切削加工中的應用

用PCBN刀片精車淬硬鋼

加工硬鑄鐵和灰口鑄鐵

高速鏜削鑄件孔

鉸削淬硬鋼或硬鑄件小孔

用于難加工材料的切削加工

采用PCBN刀具精車淬硬鋼,其工件硬度高于45HRC,效果最好。其切削速度一般為80~120m/min,工件硬度越高,切削速度宜取低值,如車硬度為70HRC的工件,其切削速度宜選60~80m/min。精車的切深在0.1~0.3mm,進給量在0.05~0.025mm/r,精車后的工件表面粗糙度為Ra0.3~0.6μm,尺寸精度可達0.013mm。若能采用剛性好的標準數控車床加工,PCBN刀具的剛性好和刃口鋒利,則精車后的工件表面粗糙度可達Ra0.3μm,尺寸精度可達0.01mm,可達到用數控磨床加工的水平。 如果機床剛性好,選用的切削速度較低,則選用PCBN復合刀片可精車斷續表面。 精車加工余量一般為0.3mm左右,盡可能提高工件淬火前的尺寸精度和減少熱變形,以保證精車時切削余量均勻,延長PCBN刀具的使用壽命。 精車一般不用切削液,因為在較高的切削速度下,大量的切削熱由切屑帶走,很少會停留在工件表面而影響加工表面質量和精度。 精車刀片宜選用強度和韌性高的80°菱形刀片,刀尖半徑在0.8~1.2mm之間,為保護刀具刃口,使用前需用細油石倒棱。 精車淬硬工件是一門新工藝,實施前需做工藝試驗,可用與工件材料、硬度和大小相同的棒料,在同類機床上進行精加工或粗加工試驗,關鍵是要試驗刀具與切削參數的選擇及工藝系統是否有足夠的剛性。該工藝目前國內已經采用,如一汽集團用PCBN刀具加工滲碳淬火(58~63HRC)的20CrMnTi變速箱齒輪撥叉槽,采用的工藝參數為Vc=150m/min,f=0.1mm/r,ap=0.2~0.3mm,實現了以車代磨。

加工硬鑄鐵

用PCBN刀具車削淬硬鋼時,要求工件淬火硬度高于45~55HRC,加工硬鑄鐵時,只要硬度達到中等硬度水平(45HRC),就會取得良好的加工效果。如汽車發動機缸蓋上的排氣閥座,該閥座是采用含銅、鉬的高鉻合金鑄鐵材料,其硬度一般約為44HRC,其閥座上孔采用锪(鉸)、車兩種工藝,大多是在專用自動線上加工,與槍鉸導管孔一道進行。所采用的切削用量為:Vc=71.6m/min,Vf=26.5mm/min,ap=1.0mm,采用BC拉削油,自采用PCBN刀具加工后,與以往采用的各種硬質合金刀片加工相比,刀具平均耐用度為1200件,加工表面粗糙度為Ra0.4μm,閥座面擺差≤0.05mm。東風汽車公司發動機廠自1988年使用PCBN刀具后,其效果一直保持穩定,較好地解決了引進設備的刀具國產化問題。

高速銑削灰口鑄鐵

高速銑削灰鑄鐵時,一般粗加工當然可以使用K類硬質合金,精加工可用氦化硅陶瓷刀片。如在一個裝有8塊刀片的端銑刀上改用只裝對稱式的兩片PCBN刀片,并將切削速度提高4倍,其結果是金屬切除率相同,而切削力卻下降3/4,刀具壽命與加工質量超過前者。 對珠光體鑄鐵與冷硬鑄鐵,也宜采用PCBN刀具進行高速加工,與其它刀具材料比較,可提高切削速度、延長刀具壽命、降低了表面粗糙度。在高速鏜桿上采用成對鑲片PCBN鏜刀與單片鏜刀相比,其平衡性好,從而增加了鏜桿的剛性,在給定的進給量下,采用PCBN雙刀片鏜孔可獲得高的金屬切除率與表面質量。 目前國內已有較多的發動機制造廠,對氣缸體的缸孔(或缸套)精加工已使用PCBN刀具。如上海大眾和一汽集團的發動機廠,缸孔精鏜均采用PCBN刀片并可自動補償(υc=500m/min,f=0.2mm/r,ap=0.1mm)。所以加工出的缸孔精度高、尺寸穩定,而且生產效率高,刀具壽命長。 對于小孔鏜削,雖可使用陶瓷或涂層刀片,但刀片應帶有負前角,這將增加切削和排屑的阻力,易使細長鏜桿產生振動。若用PCBN刀具進行高速鏜削,其孔的表面質量好、生產效率高。對這類工件的孔加工宜采用CBN電鍍鉸刀。這種鉸刀是以其硬度為42HRC的45號鋼或9CrSi鋼作為基體,具有前后導向和切削部分,其基體制造精度要高,設計要合理。如其鉸刀的前導向部分直徑要小于切削刃部分直徑0.04mm,切削區的長度要大于工件孔深,后導向的長度要大于切削區長度,其直徑應小于切削刃部直徑0.02mm。為了在鉸削中能用切削液沖洗切屑和冷卻潤滑加工表面,其鉸刀基體上開有兩條較深的螺旋槽。 如某廠加工淬火鋼工件孔f12.06±0.05mm,硬度為45HRC,底孔尺寸為f12±0.01mm,要求孔的圓柱度為0.005mm,表面粗糙度為Ra0.2μm。采用一組五把的電鍍CBN鉸刀加工后,取得較好的經濟效果。有的發動機制造廠采用金剛石或CBN電鍍鉸刀對氣缸體的主軸承孔進行珩鉸,代替原來的珩磨加工,使加工效率提高了數倍,且質量穩定。采用帶正前角的PCBN刀具,選用適當的切削參數,即Vc=100m/min,f=0.05~0.2mm,ap=0.1~0.2mm,采用極壓型乳化液或油冷卻液,可加工奧氏體不銹鋼(45HRC)、高溫合金鋼、高錳鋼、高強度鋼及高鎳合金鋼等材料,可獲得較高的加工效率和表面質量。

CBN砂輪在磨削加工中的應用

CBN材料除用來制作刀具外,其最大的應用領域還是制成CBN磨具,用于高速高效磨削和珩磨加工,可使磨削效率大大提高,其磨削精度和質量提高一個等級。

磨削汽車零件——凸輪軸和曲軸

CBN砂輪在內孔磨削中的應用

采用CBN砂輪磨削齒輪

應用CBN磨具加工難加工材料及難加工面

汽車發動機上的凸輪軸具有多個凸輪,淬火后的凸輪粗磨及精磨是影響凸輪質量的關鍵工序。一般都是采用靠模仿形磨削,工件速度的提高受到限制,工件易產生磨削燒傷裂紋,采用靠模仿形磨削,其凸輪表面的輪廓曲線要受砂輪直徑大小的影響,所以很難保證凸輪輪廓曲線的正確。生產實踐證明,當砂輪直徑大時,磨出的凸輪瘦,當砂輪直徑小時,磨出的凸輪胖,只有當砂輪直徑接近或等于磨削靠模凸輪的滾輪直徑時(一般為f570mm),其仿形誤差接近于零,即磨出的凸輪表面輪廓曲線接近于靠模凸輪。在實際生產中,所用的砂輪直徑一般都是從D600(或610)用到D500,與理想的砂輪直徑(570)相差甚多,所以生產中總有大部分凸輪軸的凸輪曲線超標。為解決這個問題,我們在靠模仿形凸輪磨床上采用CBN砂輪磨削,可把CBN砂輪直徑制成D575,CBN磨料層厚為4~5mm,其磨輪的磨削最小直徑是D565,磨削直徑范圍雖然只有10mm,但磨削零件數卻相當于幾十片普通砂輪,不僅可保證凸輪曲線正確,而且也不會產生磨削燒傷現象。 如Liton工業自動化公司用CBN砂輪磨削凸輪軸,其成本降低了50%,凸輪表面的疲勞強度提高了30%;東風汽車公司襄樊柴油發動機廠用陶瓷結合劑CBN砂輪粗磨冷激鑄鐵凸輪軸,其凸輪磨削余量t=4~5mm,V砂=60m/s,工件轉速n=100r/min,Vf=0.1mm/s,采用高速磨削液,CBN砂輪的壽命基本相當于20片剛玉磨料砂輪。內圓磨削的效率一直很低,其主要原因就是磨削速度、砂輪材質及磨桿的剛性問題。生產過程中用在修整砂輪、更換砂輪的時間幾乎占了單件工時的1/3~1/5。如果內圓或溝槽磨削采用CBN電鍍砂輪,并把砂輪速度提高,增大磨桿直徑,便可適當提高工件轉速與進給速度,不僅可保證孔(弧)徑、槽寬尺寸與形位精度,表面粗糙度和避免燒傷,而且還可以成倍地提高加工效率,降低加工成本。 如國內某廠加工一個年產60萬件的紡機滾動軸承套,磨f15.5+0.04的孔及相鄰的弧槽,過去用鉻剛玉(GG)砂輪,需用兩道工序分別在兩臺M224內圓磨床上加工,其槽(弧)徑差及尺寸與孔的同軸度很難保證,且效率低,采用CBN砂輪后,加粗了磨桿,提高了進給量,節約了修整和更換砂輪的時間,徹底解決了原有問題。后又改為孔、溝同時磨,即在磨桿上裝兩個砂輪,使磨削效率提高1倍,節省了一臺磨床。所加工的工件表面粗糙度為Ra0.63μm采用的磨削工藝參數:V砂=36m/s,V2=19m/min,f粗切=1μm/r,f精切=0.5μm/r,光磨時間t=bs,采用10%濃度的乳化值。齒輪磨削以往是采用單齒面與多齒面磨削,單齒面磨削雖然可獲得較高的加工精度,但效率低,成本高,多齒面磨削雖生產效率高,但其加工質量比單齒磨削差。若采用CBN砂輪磨削,無論采用單齒面磨削還是采用多齒面磨削,采用電鍍CBN砂輪或陶瓷結合劑砂輪進行磨削,其效果極為顯著:

CBN砂輪可以制成精度較高的齒形,由于耐用度高,不頻繁修整,不需經常調整機床,可獲得穩定的齒廊、導程和節距精度。

可實現高速磨削與高進給率磨削齒面,粗糙度低且不會燒傷,可在提高磨削效率的條件下獲得較高的齒輪精度(6~7級)。

CBN砂輪壽命長,磨削性能好,節約了砂輪更換修整、機床調整和工件檢測等許多輔助時間。

對淬硬鋼件或冷硬鑄鐵件孔的珩磨,可采用CBN珩磨油石,對高強度、高硬度和高熱敏性的合金鋼、不銹鋼、耐熱鋼與合金,宜采用高硬度、高強度的CBN砂輪,采用極壓乳化液或高速磨削液進行冷卻。對較長的導軌面或復雜型面、凸輪磨床的靠模軸等均宜采用CBN砂輪。

CBN材料在機械加工關鍵工序中的應用

CBN材料無論制作刀具或制作磨具,應用于高速切削或磨削,都可收到提高產品質量、提高加工效率、縮短加工周期和降低加工成本等顯著效果。因此,在加工中,大力推廣CBN刀(磨)具是提高制造技術的有力措施。但若普遍推廣使用,尚有許多問題。 為了在生產中更好地推廣使用CBN刀(磨)具,應做以下幾方面的工作:

發揮CBN刀(磨)具研究院(所)的主導作用

實現三點一線聯合開發,即CBN——工具制造——用戶或CBN與工具制造——機床——用戶共同開發CBN的應用

積極開展CBN刀(磨)具制造與使用技術的研究

目前國內CBN材料生產廠家很多,產量也不少,但高質量的不多,CBN刀(磨)具的穩定用戶更少。究其原因主要是機械加工部門對價格昂貴的CBN刀(磨)具缺乏選擇與使用的知識,采購來的CBN工具實效不多,在其經濟緊縮的條件下,不敢輕易投資進行工藝試驗。

用戶需要提高產品質量意識

勇于提高制造技術要想解決這個問題,只有CBN刀(磨)具研究院(所)主動深入機械制造的生產單位,選擇生產效率與質量的薄弱環節,且已具有或易于創造CBN加工條件的點,與用戶協商簽訂共同開發CBN應用合同。由工具研制單位負責免費提供試驗用的CBN刀(磨)具,用戶負責提供試驗所需條件下組織生產試驗。這就發揮了多方積極性,從CBN質量選擇到工具制造,都會以最優、最快的速度進行,用戶從準備試驗條件到使用,見到了達到合同目標值的成果,不花試驗費便解決了生產難題,很容易推廣。而工具院(所)亦可在以后的供貨中逐步回收利潤,只要雙方保持互惠、互利,協作關系便會更加鞏固。我廠就是利用這種方式與多家研究院校開發了很多新技術。在機械加工中的許多加工難點,雖然可用CBN工具來解決,但就目前條件,不是國內哪家所能單獨做到的,因為并非凡是CBN工具都有奇特的和萬能的加工能力。我們也曾用過CBN刀片精鏜硼缸套,其效果并不比新型陶瓷刀片好。

質量原因

其原因是多方面的,如CBN質量、含量、品牌規格及結合劑等是否適合硼鑄鐵的加工。至于CBN磨具影響的磨削效果的因素就更多了,除自身原材料的質量、配比和磨具制造技術外,還有使用條件與技術。如磨削速度(應用高速磨削速度)、磨床剛性好、無振動、有自動精細進給及修整補償機構、適當的磨削參數和冷卻液等,這些都是相輔相成的重要因素,靠有關方面共同努力,各自提高自家產品的質量,相互促進,才能使CBN工具與專用設備成功地用于生產。用戶希望使用具有實效的CBN工具,為此,要求工具制造單位,除了盡快提高CBN工具的制造技術外,還應對產品的質量建立明確的鑒定標準與方法,分布某些性能參數,如刀具的CBN含量與品牌、磨具的硬度與CBN精度、濃度等,在此基礎上進行生產使用試驗,以便充分發揮用戶的生產經驗,對不同的切削參數與冷卻液所取得的加工結果進行對比分析,使CBN工具得到質的提高。CBN工具的適用范圍、使用條件和應用的技術配套(如設備和冷卻液等),用戶可正確選用和使用CBN工具。21世紀是高科技時代,產品必須是有高性能、高質量才有市場,企業才有生命力。為此,應盡快提高制造技術水平,而推廣使用CBN工具提高制造技術是一種有力措施,這不僅需要有關主管部門的有力資助和支持,有組織、有計劃地逐步推廣CBN工具的技術配套與使用,同時也要求用戶勇于接受新材料、新技術,改變過去陳舊的生產觀念與管理方法,即刀(磨)具均消耗費用指標很低,只許占產品成本的1/100左右,而不是以提高生產效率和保證產品質量為準,這樣會限制優質高效的刀(磨)具應用與先進設備生產能力的發揮。實踐證明,CBN刀(磨)具的成效不僅可提高產品的加工質量,而且也可提高經濟效益。

PCBN刀具的制造工藝

PCBN刀具的制造主要通過CBN粉末和結合劑經超高壓高溫燒結而成.大致步驟有;混合粉末--模壓成型/與硬質合金底層組裝成整體--超高壓高溫燒結--深加工.

關鍵技術在于CBN與結合劑的選擇與配比,超高壓高溫燒結工藝參數的確定.


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