一聚晶金剛石(PCD)刀具和立方氮化硼(CBN)刀具為難加工材料的切削困難提供了解決方案。不同設(shè)計(jì)的CBN刀具被用于對(duì)淬硬玄色金屬進(jìn)行連續(xù)或斷續(xù)切削，以及切削加工焊接金屬和復(fù)合金屬。而PCD刀具被廣泛應(yīng)用于銑削有色金屬、復(fù)合材料、塑料以及極其難加工的超級(jí)合金。
聚晶金剛石(PCD)刀具和立方氮化硼(CBN)刀具為難加工材料的切削困難提供了解決方案。對(duì)切削刀具材料中這兩種先進(jìn)概念刀具的加工挑戰(zhàn)已盡人皆知。不同設(shè)計(jì)的CBN刀具被用于對(duì)淬硬玄色金屬進(jìn)行連續(xù)或斷續(xù)切削，以及切削加工焊接金屬和復(fù)合金屬。而PCD刀具被廣泛應(yīng)用于銑削有色金屬、復(fù)合材料、塑料以及極其難加工的超級(jí)合金。
選擇恰當(dāng)?shù)牡毒卟牧先Q于對(duì)以下各種因素的綜合考慮：金屬的硬度或材料的種類；切削加工的性質(zhì)(連續(xù)切削、輕載或重載斷續(xù)切削)以及采用的加工工藝(如單點(diǎn)車削或銑削)。其他一些加工工藝(如鉆削、鉸削和切斷加工)也可以通過正確應(yīng)用刀具技術(shù)而獲益。
PCD復(fù)合片是在高溫高壓下利用金屬基粘結(jié)劑對(duì)金剛石顆粒進(jìn)行燒結(jié)而生產(chǎn)出來的。PCD刀尖可通過放電加工或激光進(jìn)行切割，并焊接到硬質(zhì)合金或鋼基體上，然后通過刃磨形成PCD刀具，這種刀具在高速加工有色金屬(如鋁)以及高磨蝕性合成材料和塑料時(shí)特別有效。
立方氮化硼(CBN或PCBN)是一種人工合成材料，其硬度僅次于金剛石，具有良好的高溫穩(wěn)定性(在加工淬硬玄色金屬和超級(jí)合金材料時(shí)，會(huì)產(chǎn)生很高的溫度)。CBN刀片被廣泛應(yīng)用于硬材料(如鑄鐵)的車削加工，由于具有更高韌性的CBN牌號(hào)以及專用刀柄的開發(fā)，CBN刀片也被應(yīng)用于銑削加工。可替換磨削的硬車削加工得益于機(jī)床技術(shù)的進(jìn)步，尤其是CNC車削中心剛性和功率的進(jìn)步。
山特維克可樂滿公司已確定了持續(xù)開發(fā)CBN和采用金剛石刀尖的金屬切削刀具的目標(biāo)，這要回功于對(duì)Diamond Innovations(DI)公司的收購以及其母公司山特維克工具團(tuán)體(Sandvik Tooling Group)。山特維克美國公司總裁Rick Askin解釋說，此次收購就是考慮通過將DI公司在CBN和PCD領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)與山特維克可樂滿在硬質(zhì)合金刀具和材料界面領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)和研究成果結(jié)合起來，開發(fā)新型刀具。
DI公司是一家開發(fā)產(chǎn)業(yè)用人工合成金剛石的著名先驅(qū)企業(yè)。人工合成金剛石是生產(chǎn)PCD和CBN產(chǎn)品的基礎(chǔ)材料。除了金屬切削刀具以外，人工合成金剛石還可用于磨削、鑿巖、金屬拉絲模、拋光以及其它需要超硬材料工具的應(yīng)用領(lǐng)域。
Askin解釋說，從切削加工的觀點(diǎn)來看，在采用PCD或CBN刀尖作為切削刃的刀具中，約有95%是以硬質(zhì)合金作為基底的。有很多屬性會(huì)影響刀具的性能，一方面是PCD或CBN的性能，另一方面是硬質(zhì)合金的性能，此外還有PCD與硬質(zhì)合金界面的性能。這就給予我們一個(gè)巨大的機(jī)遇，可利用我們?cè)谟操|(zhì)合金、金剛石技術(shù)以及控制金剛石與硬質(zhì)合金間界面等方面的專業(yè)技術(shù)來開發(fā)金剛石刀具。
山特維克可樂滿公司的材料牌號(hào)開發(fā)專家Doug Evans介紹說，“隨著航空產(chǎn)業(yè)和能源產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)材料的要求已經(jīng)改變了我們開發(fā)創(chuàng)新和治理超過25000種產(chǎn)品的方式。對(duì)整個(gè)制造過程(從生產(chǎn)聚晶金剛石和CBN材料到加工出終極成品)的控制能力使得我們能夠?yàn)橛脩籼峁┱嬲M(jìn)步了性能的產(chǎn)品。”
DI公司的產(chǎn)品覆蓋了廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，其中包括：
1用于磨削加工淬硬工具鋼、模具鋼、合金鋼以及鎳基和鈷基超級(jí)合金的氮化硼CBN；
2用于加工玄色金屬(包括珠光體鑄鐵、鉻鎳鐵合金、淬硬鋼、粉末金屬、表面硬化合金和超級(jí)合金)的BZN復(fù)合片刀坯和刀片；
3用于精加工鋁、塑料、貴金屬、綠色陶瓷、石墨及石墨復(fù)合材料，以及用于斷續(xù)切削陶瓷、粗加工金屬基復(fù)合硬質(zhì)合金(MMC)、切削難加工材料(如玻璃纖維、MMC以及木質(zhì)層壓材料)的各種不同牌號(hào)的Compax金剛石刀坯(PCD)。
隨著CIMtek團(tuán)體開發(fā)的TiroWave系列PCD和CVD刀具引進(jìn)了三維斷屑器和整潔平直的切削刃，采用激光對(duì)具有金剛石刀尖的刀具進(jìn)行加工獲得了新的用武之地。CIMtek團(tuán)體的合伙人Brian Nowicki介紹說，采用激光切割，能在刀片上加工出四種斷屑器中的一種。該系列斷屑器適用于從精加工到重載粗加工的加工范圍。通過對(duì)斷屑器進(jìn)行優(yōu)化，可將切屑分?jǐn)酁橥ǔＴ诩庸や摃r(shí)才能得到的6－9種屑形，甚至在加工最難加工的鋁時(shí)，也能獲得可控的細(xì)小切屑。
據(jù)稱，在加工鋁合金時(shí)，TiroWave系列PCD刀具的壽命可比常規(guī)刀具進(jìn)步10倍，且該刀具非常適合加工鎂合金、所有的玄色金屬、復(fù)合材料、增強(qiáng)型塑料和采用磨蝕性粘結(jié)劑的材料。
采用七軸激光加工技術(shù)，位于奧地利因斯布魯克的Tiro Tool公司還能生產(chǎn)CVD厚膜金剛石刀具。CVD厚膜金剛石可以切割成形并像PCD刀尖那樣焊接在刀頭上。不同之外在于，CVD厚膜的金剛石純度為99.9%，而PCD的金剛石純度為90%。CVD金剛石膜的厚度可達(dá)1－2mm，而且是一塊整體材料，可以制成所需要的刀具外形。據(jù)稱，這種新型CVD金剛石材料的硬度比PCD幾乎高出50%，因此只能采用Tiro公司的激光技術(shù)進(jìn)行加工。在歐洲的加工驗(yàn)證結(jié)果表明，CVD厚膜金剛石刀具的壽命可比PCD刀具進(jìn)步7倍。該刀具在IMTS展會(huì)上被引進(jìn)美國，適用范圍為車削、鉆削、鉸削和沉孔加工刀具，包括航空產(chǎn)業(yè)加工復(fù)合材料所需的刀具。
由于采用了激光加工，TiroWave刀具可以獲得更規(guī)則整潔的表面，無論用于粗加工還是精加工，都可以獲得更高的表面光潔度，并能防止切削材料粘結(jié)在切削刃上。TiroWave可提供ANSI和ISO標(biāo)準(zhǔn)刀具，包括80°、55°、35°刀片，方形刀片、三角形刀片和圓刀片。該技術(shù)也適用于鉆頭、立銑刀和可轉(zhuǎn)位面銑刀。
伊斯卡公司確定的硬材料包括硬度范圍HRC55－68的淬硬鋼和冷硬鑄鐵，這些材料是汽車產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)軸承和加工模具常用的典型材料。
加工硬材料的難度各不相同，取決于其硬度及硬化層的深度(加工表面硬化材料時(shí))，以及工件材料的微觀結(jié)構(gòu)。成功的加工來源于工件的剛性和幾何外形與機(jī)床剛性及其振動(dòng)阻尼特性的良好結(jié)合。
伊斯卡公司先進(jìn)的刀具材料覆蓋了多種加工領(lǐng)域，如采用CBN、陶瓷和亞微米顆?；w(通常涂覆專用涂層)，對(duì)硬材料進(jìn)行各種斷續(xù)切削(銑削、切斷和鉆削)和連續(xù)切削(車削和螺紋加工)。采用各種刀具幾何結(jié)構(gòu)和斷屑槽成為進(jìn)步加工表面質(zhì)量、延長刀具壽命和進(jìn)步生產(chǎn)率的必然途徑。
伊斯卡公司以為，根據(jù)加工經(jīng)驗(yàn)，假如玄色金屬材料的硬度范圍在HRC55－68，且硬化層深度大于需要切除材料的深度，采用CBN刀具是最佳選擇。伊斯卡公司可以提供5種CBN牌號(hào)，以滿足廣泛的加工需求，其中包括：
高CBN含量牌號(hào)(IB90和IB85)：推薦用于高速切削鑄鐵和斷續(xù)切削(或粗加工)淬硬鋼。在刀具的硬度與磨損率(韌性和承受斷續(xù)切削引起的沖擊載荷的能力)之間，需要平衡兼顧。
低CBN含量牌號(hào)(IB55和IB50)：更適適用于半精加工和精加工。刀片刃部的外形決定了在機(jī)床和工件剛性的限制范圍內(nèi)所能達(dá)到的表面質(zhì)量。例如，刀片可設(shè)計(jì)為在ISO標(biāo)準(zhǔn)刀片上焊接CBN刀尖的形式，刀片可分為三角形、菱形、方形和圓形，也可采用伊斯卡的GRIP刀片。
由于多種因素，PCD和CBN刀具的價(jià)格都比較昂貴，這一事實(shí)要求在考慮一些加工方案時(shí)，必須進(jìn)行認(rèn)真分析。在設(shè)計(jì)無人值守的大批量加工(尤其是在要求刀具壽命較長、停機(jī)時(shí)間較短的汽車產(chǎn)業(yè))時(shí)，采用PCD和CBN刀具通常是不錯(cuò)的選擇。
三菱材料美國公司的產(chǎn)品專家Chris Wills解釋說，該公司開發(fā)的“虛擬刀具報(bào)告”可用于評(píng)估任何刀片(不只是CBN刀片)的本錢效率。它主要用于幫助用戶評(píng)估任意一種刀片的價(jià)值，而在評(píng)估CBN刀片在降低實(shí)際加工本錢(它比刀片的初始本錢更重要)方面的價(jià)值時(shí)尤其有用。
Wills說，該公司正在對(duì)CBN刀具相對(duì)于陶瓷刀具或硬質(zhì)合金刀具進(jìn)行加工本錢對(duì)比和評(píng)估。加工范圍從高溫合金到高硬金屬，包括汽車產(chǎn)業(yè)對(duì)鑄鐵零件和日益增多的粉末冶金零件的連續(xù)和(或)斷續(xù)切削。對(duì)于鋼件的加工，則需要采用新的斷屑槽，尤其是在自動(dòng)化加工條件下(如采用棒料輸送裝置和門架式進(jìn)料系統(tǒng))，由切屑造成的表面缺陷可能會(huì)損害零件的質(zhì)量。
住友電工硬質(zhì)合金公司拓展了其BNC系列PCBN刀具牌號(hào)，用于高速加工硬度高于HRC45的合金鋼，以及加工鑄鐵和特殊材料。該公司的四種陶瓷涂層牌號(hào)采用了三種切削刃處理方式。
住友公司的Rich Maton指出，盡管CBN已是一種比較成熟的刀具材料，但對(duì)于PCBN刀具的加工應(yīng)用來說，涂層、切削刃制備以及斷屑槽都非常重要。典型的汽車零件車削加工包括車軸、環(huán)、小齒輪、各種驅(qū)動(dòng)軸、軸承蓋等類似零件。其它加工對(duì)象還包括汽缸體、汽缸蓋和模具等。
BNC300是住友推出的一種新牌號(hào)，它將PCBN基體與金色TiAlN陶瓷涂層相結(jié)合，在連續(xù)和斷續(xù)車削淬硬鋼時(shí)延可長刀具壽命。為了進(jìn)步強(qiáng)度，所有的刀尖都是單獨(dú)焊接的。Maton說，切削刃的制備對(duì)于PCBN刀具的加工特別關(guān)鍵，我們?cè)黾恿巳N不同的切削刃制備方式(輕度，標(biāo)準(zhǔn)，重度)，取決于所選的BNC刀具系列。
BNC系列刀具的覆蓋范圍從用于精加工和輕度斷續(xù)切削的高耐磨牌號(hào)BNC100，到用于精加工的高抗碎裂牌號(hào)BNC300(既可用于連續(xù)切削也可用于斷續(xù)切削)。BNC200牌號(hào)推薦用于滲碳感應(yīng)淬硬軸承鋼的中速加工；而BNC160牌號(hào)是為要求表面粗糙度值較低(0.406μm)的特殊加工而開發(fā)的。
住友公司還推出了具有優(yōu)異耐磨性和韌性的PCD刀具——Sumidia DA 1000，該牌號(hào)采用了NF型復(fù)合片，與以前的PCD復(fù)合片相比，其切削長度相同，但厚度只有一半。DA 1000牌號(hào)將只提供經(jīng)濟(jì)型刀尖(PCD復(fù)合片較薄)，作為一種經(jīng)濟(jì)型刀具，可供醫(yī)療、航空、農(nóng)業(yè)和汽車等行業(yè)加工非鐵類零件。
萬耐特(Valenite)公司為加工硬度范圍HRC45－62的鋼和合金而提供的ValEDGE硬材料車削系統(tǒng)包括全系列的CBN和陶瓷刀片。該公司應(yīng)用工程師Darrell Johnson推薦根據(jù)加工條件進(jìn)行特定的切削刃制備?！坝捎诩庸l件各不相同，因此必須對(duì)牌號(hào)和參數(shù)相同的刀具進(jìn)行不同的切削刃制備試驗(yàn)，以觀察是否能進(jìn)步刀具壽命、減少月牙洼天生乃至改善斷屑性能(盡管改善斷屑性能的可能性不大)”。該公司提供的CBN刀尖焊接刀具對(duì)切削刃進(jìn)行了輕度鈍化，其中既有用于輕載切削和可減小切削力的0.13mm×15°T型刀片，也有用于常規(guī)加工的0.13mm×25°刀片。
Lach Diamond公司的Jason Lindsey介紹說，與加工鋁合金一樣，采用PCD刀具加工復(fù)合材料已成為發(fā)展最快和最具挑戰(zhàn)性的加工工藝。諸如碳纖維、石墨、綠色陶瓷、玻璃纖維，以及更難加工的材料(如凱夫拉爾纖維)，都對(duì)精密加工提出了挑戰(zhàn)。
Lach公司為復(fù)合材料的無毛剌切削加工提供了5種采用專利設(shè)計(jì)的周邊銑削立銑刀。該公司的Z型立銑刀是一種用于周邊粗銑加工的玉米芯型銑刀，其特點(diǎn)是所有PCD刀尖的分布，其剪切角在直到端齒的全程上都是變化的，該刀具既適用于插銑，也可用于非插銑加工。
Lach公司的金剛石復(fù)合片整體式面銑刀和直角銑刀用于鋁合金的面銑加工，該刀具無需過多調(diào)整即可安裝在加工中心上使用。PCD金剛石刀尖被焊接在鋼制刀體上，每個(gè)刀齒之間都有內(nèi)冷卻孔，刀齒的外圓經(jīng)精磨后處于同一個(gè)切削平面上。
用PCD刀具進(jìn)行加工的關(guān)鍵要素之一是具有鋒利的切削刃。英格索爾(Ingersoll)刀具公司的材料經(jīng)理Robert Sullivan介紹說，實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)的基本手段是采用放電加工(EDM)、釬焊和磨削。PCD刀具對(duì)于鋁合金零件(如汽車發(fā)動(dòng)機(jī)墊圈或變速器箱蓋)的大批量加工非常有效。此類加工主要關(guān)心加工的經(jīng)濟(jì)性，因此要考慮換刀及相關(guān)的停機(jī)時(shí)間。英格索爾面銑刀的直徑范圍為76－381mm，用于加工發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋、變速箱體，以及加工用于放電加工的石墨電極。
瓦爾特(Walter)美國公司既生產(chǎn)PCD刀具，也生產(chǎn)CBN刀具。該公司的Matthias Goetze表示，CBN刀具在硬車削方面的上風(fēng)包括較長的刀具壽命、較低的單件本錢以及可減少停機(jī)時(shí)間。該公司的PCD刀具約有90%是非標(biāo)專用刀具，而CBN刀具中約有80%是標(biāo)準(zhǔn)刀具。
瓦爾特公司為汽車產(chǎn)業(yè)(尤其是為低硅鋁合金工件的加工)開發(fā)了PCD刀具用斷屑槽，以便在加工汽車零件(如ABS殼體)以及航空零件時(shí)更好地控制切屑。該公司還提供兩種不同的PCD刀具，一種用于加工硅含量小于12%的鋁合金，另一種用于加工硅含量大于12%的鋁合金。2008年，瓦爾特還在美國Waukesha工廠建立了刀具重磨和翻新服務(wù)中心，以支持其用戶的PCD刀具更換刀尖和重磨。
埃莫克(Emuge)公司提供了采用PCD和CBN切削刃的超硬立銑刀擴(kuò)展系列。據(jù)稱，該立銑刀在加工各種材料時(shí)，其刀具壽命超過傳統(tǒng)硬質(zhì)合金立銑刀50倍以上，可加工材料包括高磨蝕性的非鐵材料，如石墨、高硅鋁合金、纖維增強(qiáng)型合成材料、銅合金等。該刀具的特點(diǎn)為采用內(nèi)冷卻設(shè)計(jì)，以清除粉塵和切屑。埃莫克的PCD和CBN立銑刀采用常用的球頭、環(huán)面和平頭設(shè)計(jì)，尺寸從4mm到12mm。
山高(Seco)刀具公司以為，銑削是一種加工條件惡劣的加工方式，經(jīng)常涉及大量的斷續(xù)切削。因此，必須公道選擇用于銑削的PCBN牌號(hào)。典型的加工包括銑削灰鑄鐵(如汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的缸體、缸蓋、箱體等)以及某些工具鋼。
山高公司選擇PCBN銑削刀具的原則是：PCBN刀片的主要性能——韌性、耐磨性和熱硬性——取決于晶粒尺寸、CBN含量和結(jié)合劑。車削刀片與銑削刀片的主要區(qū)別在于晶粒尺寸。為了進(jìn)步韌性，用于銑削的PCBN刀片通常應(yīng)具有較小的晶粒尺寸。同時(shí)，晶粒尺寸、CBN含量和結(jié)合劑必須保持平衡，以保持刀片較好的耐磨性和熱硬性。
山高公司的銑刀片可用于很多為PCBN專門設(shè)計(jì)的面銑刀和方肩銑刀。這些負(fù)角銑刀采用了直徑63.5－203mm的整體PCBN刀片。方形和圓形刀片用于面銑刀，而三角形刀片用于方肩銑刀。對(duì)于那些必須保持較低刀具壓力以及不能使用負(fù)角刀片的加工，山高還有采用整體或整面正角刀片的正角銑刀。這些刀片只有一面可以使用。通過使用近整體刀片，可使每個(gè)刀片的切削刃數(shù)目最大化。整體PCBN圓刀片用于面銑精加工時(shí)，每一邊至少有15個(gè)切削刃可用于切削。
在方肩或類方肩銑削加工中，可采用整體式三角形或方形刀片，每個(gè)刀片可用的切削刃分別為6個(gè)和8個(gè)。
應(yīng)遵循三個(gè)基本要求：①用PCBN刀片銑削時(shí)，總是采用干切削，由于PCBN是一種脆性材料，當(dāng)?shù)镀羞M(jìn)和切出時(shí)，假如采用冷卻液將促使PCBN刀片產(chǎn)生熱裂紋。②總是采用常規(guī)銑削方式，這樣當(dāng)?shù)镀羞M(jìn)時(shí)，可以減小作用于刀片上的沖擊載荷，從而將切削刃崩刃的風(fēng)險(xiǎn)降至最低。③與車削加工相比，可將切削速度進(jìn)步10%－50%，以對(duì)斷續(xù)切削的影響進(jìn)行補(bǔ)償。
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