PCD 和 CBN 刀具具有良好的切削刃
切削刀具材料中两种最先进概念的加工挑战众所周知。各种设计的立方氮化硼 (CBN) 工具被用于切割硬化的黑色金属，有或没有断续切割，以及焊接和复合金属。聚晶金刚石工具 (PCD) 广泛用于铣削有色金属和复合材料、塑料以及极难加工的高温合金。
选择合适的切削工具材料取决于多种因素：金属的硬度或材料类型、切削的性质——连续切削、轻度断续切削或重度断续切削——以及所使用的加工工艺，即单点车削或铣削。钻孔、铰孔和切断是可以从正确应用刀具技术中获益的其他工艺。
Sumidia DA 1000 具有更薄的 PCD 晶圆，适用于医疗、航空航天和汽车零件的有色金属加工。PCD 晶圆是通过在高温高压下将金刚石颗粒与金属基质结合剂烧结而成。高速加工铝等有色金属，以及磨料复合材料和塑料。立方氮化硼（CBN 或 PCBN）是一种硬度仅次于金刚石的人造材料，在高温下稳定，例如在加工硬化铁和超合金材料时遇到的高温。CBN 刀片广泛用于车削铸铁等硬质金属，由于更高的材质等级和特殊刀柄的发展，正用于铣削。 , 作为替代品te for grinding，受益于机械技术的进步，尤其是数控车削中心的刚性和功率。
山特维克可乐满（新泽西州费尔劳恩）已准备好继续开发 CBN 和金刚石刀具由于收购了 Diamond Innovations（DI；俄亥俄州哥伦布市）及其母公司 Sandvik Tooling Group，金属切削工具获得了成功。
“此次收购将允许通过结合Diamond Innovations 在 CBN 和 PCD 方面的技术专长以及山特维克可乐满在硬质合金和材料界面方面的专业知识和研究，”山特维克美国公司总裁 Rick Askin 解释说。
Diamond Innovations 是众所周知的先驱开发用于工业应用的合成金刚石。合成钻石是PCD 和 CBN 产品的积木材料。除了金属切削工具，它们还用于磨削、凿岩、拉丝、抛光和其他需要超硬材料的应用。
“从机械加工的角度来看，硬质合金背衬约占 95切削刃采用 PCD 或 CBN 刀尖的切削刀具的百分比。 Askin 解释说，有许多属性会影响工具的性能。 “一个是PCD或CBN的性能；另一个是硬质合金的性能；还有一个是 PCD 和硬质合金之间的界面。这为我们提供了一个很好的机会，可以利用我们在硬质合金、金刚石技术以及金刚石和硬质合金界面控制方面的专业知识来开发金刚石工具。”
“随着航空航天和能源的快速发展，材料需求改变了我们开发新产品和管理 25,000 多种产品目录的方式，”Doug 说Evans，材质开发专家，山特维克可乐满。 “能够控制从多晶金刚石和立方氮化硼材料的制造到成品的制造过程，使我们能够为客户提供真正提高性能的产品。”
Diamond Innovation 的产品涵盖范围广泛应用范围：
- Borazon CBN 用于磨削硬化工具、模具和合金钢，以及镍基和钴基高温合金。
- BZN Compacts 工具毛坯和刀片用于黑色金属加工，包括珠光体铸铁、Cr 和 Ni 合金铁、淬硬钢、粉末金属、硬面合金和高温合金。
- Compax 金刚石工具毛坯 (PCD) 有各种等级可供选择，用于精加工铝、塑料、贵金属、绿色陶瓷、石墨和石墨复合材料；用于陶瓷的断续加工；金属基碳化物 (MMC) 的粗加工；难加工材料的加工玻璃纤维、MMC 和木层压板等金属材料。
TiroWave PCD 和来自 CIMtek Group（伊利诺伊州埃尔金）的 CVD 工具。 “激光切割使我们能够在刀片上放置四个断屑槽之一，”CIMtek 合作伙伴 Brian Nowicki 解释道。该系列断屑槽可用于从精加工到重型粗加工的各种工作。 “它们经过优化，可以将切屑打碎成 6 和 9，而这些切屑通常会在钢材中得到。我们甚至可以在最难加工的铝材中打碎可控的小切屑，”Nowicki 说道。
据称，TiroWave PCD 刀具在加工铝材时的刀具寿命比传统刀具长十倍合金，非常适合加工镁合金、所有有色金属材料、复合材料、增强塑料和带有磨料粘合剂的材料。
七轴激光加工sing 还使 Tiro Tool（奥地利因斯布鲁克）能够生产 CVD 厚膜金刚石工具，这是一种像 PCD 刀尖一样切割成型和钎焊的材料。 “区别在于 CVD 是 99.9% 的纯金刚石，而 PCD 是 90%。它厚达 1.2 毫米，是一种可以制成可用切削工具形式的固体材料，”Nowicki 说。这种新的 CVD 材料据说比 PCD 硬度高近 50%，并且只能使用 Tiro 的激光技术制造。 CVD 刀具已在欧洲得到证明，与 PCD 相比，刀具寿命提高了 700%，在 IMTS 上被引入美国，可用于车削、铣削、钻孔、铰孔和锪孔刀具，包括机加工所需的刀具用于航空航天工业的复合材料。
据说，TiroWave 刀具的激光加工可产生更清洁的表面，从而实现更光滑的表面处理，并防止切削材料在粗加工和精加工过程中粘附在工具边缘上操作。 TiroWave 提供所有 ANSI 和 ISO 样式，包括 80°、55°、35°、方形、三角形和圆形刀片。该技术还可用于钻头、立铣刀和可转位面铣刀。
硬车削刀具具有嵌入标准 ISO 刀片上的 CBN 钎焊刀尖。Iscar Metals Inc.（德克萨斯州阿灵顿）将硬质材料组确定为包括硬度范围为 RC 55 至 68 的淬硬钢和冷硬铸铁，这些材料通常被汽车行业经常用于轴承生产和模具加工。
加工硬质材料的难度各不相同，具体取决于关于硬度参数及其深度（在表面硬化应用中）以及工作材料的微观结构。成功的加工源于部件的刚度和几何形状，结合 m
伊斯卡的先进切削刀具材料涵盖硬质材料的断续切削（铣削、切断和钻孔）和连续切削操作（车削和螺纹加工）等应用，采用CBN、陶瓷和亚微米基材——通常带有专有涂层。槽型和断屑槽是改善表面光洁度、延长刀具寿命和提高生产率的天然途径。
根据经验，Iscar 表示，如果硬度介于 RC 50–68 和硬度深度之间对于黑色金属材料，大于要去除的材料深度，CBN 是最好使用的介质。 Iscar 提供五种 CBN 牌号以满足广泛的加工要求。
- 高 CBN 含量牌号（IB90 和 IB85）推荐用于铸铁的高速切削和淬硬材料的断续/粗切削钢。硬度和磨损率之间存在权衡韧性和承受断续切削冲击载荷的能力。
- CBN 含量低的牌号（IB55 和 IB50）更适合半精加工和精加工工序。刀片刀尖的形状决定了在机器和部件刚度限制范围内实现的表面光洁度。例如，刀片设计为 CBN 钎焊尖端形式，嵌入标准 ISO 刀片上，提供三角形、菱形、方形和圆形形状，以及 Iscar 的 GRIP 刀片。
事实上，PCD 刀具和 CBN 刀具都因多种因素而更加昂贵，因此需要对正在考虑的应用进行仔细分析。无人值守的大批量操作，特别是在需要较长工具寿命和有限停机时间的汽车行业，通常是很好的选择。
美国三菱材料公司（加利福尼亚州尔湾市）产品专家 Chris Wills 解释说公司的虚拟工具报告可用于评估成本任何刀片的有效性，而不仅仅是 CBN。 “基本上，它可以帮助用户评估插入物的价值，任何插入物。但对我来说，它特别有助于证明 CBN 在降低实际制造成本方面的价值，这比刀片的初始成本更重要。”
将这个表面硬化的 8620 钢轴车削到 0.025" (0.64 mm) 并且 Rc58 完成了ValEDGE 系统的 VPC225 级 CBN。Wills 说，成本比较通常与陶瓷或硬质合金刀具进行评估。铸铁产品，并且越来越多地用于粉末金属零件。对于钢材，需要新的断屑槽，特别是在自动化环境中，例如棒材进料器和龙门式负载，其中表面有缺陷切屑引起的 es 会损害零件的质量，”Wills 解释说。
住友电工碳化物公司（伊利诺伊州芒特普罗斯佩克特）扩展了其 BNC 系列多晶立方氮化硼 (PCBN) 等级，用于高- 高速加工硬度大于 RC 45 的钢合金，以及加工铸铁和特殊材料。四种陶瓷涂层材质具有三种类型的边缘处理。
虽然 CBN 是一种成熟的材料，但住友的 Rich Maton 指出了涂层和边缘预处理对于 PCBN 应用以及断屑槽的重要性。用于车削的典型汽车工件包括半轴、齿圈和小齿轮、不同类型的驱动轴、轴承盖等。其他应用包括发动机缸体和缸盖以及模具加工。
Sumitomo 的新材质之一是 BNC300 PCBN 基体与 TiAlN 陶瓷金涂层相结合，可在连续和间歇切削淬火钢时延长刀具寿命向上的削减。所有角都单独钎焊以提高强度。 “边缘准备在 PCBN 应用中尤为重要，”Maton 说。 “根据所选的 BNC 系列，我们添加了三种不同的边缘预处理，轻型、标准和重型边缘预处理。”
BNC 系列涵盖了从用于精加工和轻型断续的高耐磨性的范围切割 (BNC 100) 到精加工应用的高抗断裂性，具有连续和中断表面 (BNC 300) 的组合。 BNC 200 推荐用于渗碳、感应淬火轴承钢的中速加工，而 BNC160 是为 16µin 的低表面粗糙度的特殊应用而开发的。 [0.406µm] 范围。”
在 PCD 刀具中，Sumitomo 推出了 Sumidia DA 1000，它具有出色的耐磨性和韧性。该等级可用于 NF 型晶圆，其切割长度与之前的 PCD w 的切割长度相同，厚度只有一半参考。 Maton 说，DA 1000 将仅提供经济型刀尖，即更薄的 PCD 晶圆，作为医疗、航空航天、农业和汽车零件的有色金属加工的经济型工具。
Valenite（麦迪逊高地， MI) 提供 ValEDGE 硬零件车削系统，用于加工硬化至 RC 45–62 级别的钢和合金，其中包括全系列的 CBN 和陶瓷刀片。应用工程师 Darrell Johnson 推荐为应用量身定制的边缘准备。 “每种情况都不一样。您必须尝试使用相同材质等级和相同参数的不同刃口预处理，看看是否可以提高刀具寿命、减少月牙坑，甚至断屑，尽管断屑的机会非常小。” Valenite 为其 CBN 刀尖产品提供轻型磨光，可选择用于轻型切削和减力的 0.005″ (0.0.13 mm) x15° T 型刃带，或用于普通切削的 0.005″ (0.13 mm) x25°应用。
M加工复合材料已加入加工铝的行列，成为使用 PCD 刀具的增长最快和最具挑战性的工艺之一。 Lach Diamond（密歇根州大急流城）的 Jason Lindsey 表示，碳纤维、石墨、绿色陶瓷、玻璃纤维等材料以及 Kevlar 等更难加工的材料对精密加工提出了挑战。 p>
Lach Diamond 提供五种圆周铣削立铣刀，这些立铣刀均采用专利设计，可干净利落地切割复合材料。 Lach 的 Z 型立铣刀是一种用于周边粗加工的玉米芯式刀具，其 PCD 刀尖以不同的剪切角一直定位到刀尖。它有插铣和非插铣两种款式。
对于铝的面铣，Lach Diamond 的 dia-compact 整体面铣刀和方角铣刀可以安装在加工中心上，无需进行费时的调整。 PCD 金刚石刀尖钎焊到钢制工具主体上。有通酷每个齿之间的刀孔，以及齿在同一切削平面上进行旋转精磨。
使用 PCD 刀尖刀具进行加工的关键因素之一是具有锋利的切削刃。 “实现这一目标的基本生产工具是 EDM、钎焊和磨削，”Ingersoll Cutting Tools（伊利诺伊州罗克福德）材料经理 Robert Sullivan 解释说。 “PCD 刀具在汽车发动机垫或变速箱盖等应用的铝制零件的大批量加工中非常有效。考虑到所涉及的工具更换和停机时间，主要问题是它是否经济。” Ingersolls 面铣刀的直径范围为 3 到 15 英寸（76-381 毫米），适用于发动机缸盖、变速箱和 EDM 石墨加工等应用。
Walter USA（Waukesha，WI） ) 提供 PCD 刀具和 CBN 刀具。 “CBN 在硬零件车削中的优势包括更长的刀具寿命、更低的单件成本、并减少了停机时间，”Walter 的 Matthias Goetze 说道。 “我想说我们大约 90% 的 PCD 刀具是特殊产品，大约 80% 的 CBN 刀具是标准产品，”Goetze 说。
对于汽车行业，尤其是机械加工低硅铝零件，瓦尔特在 PCD 上提供断屑槽，以更好地控制机加工零件的切屑，例如 ABS 外壳和航空航天工业的组件。该公司还提供两种不同的 PCD，一种用于硅含量达到 12% 的铝，另一种用于硅含量超过 12% 的铝。 2008 年，Walter 在其 Waukesha 工厂建立了修磨和翻新服务，以支持其客户修整和修磨 PCD 刀尖刀具。
Emuge Corp.（马萨诸塞州西博伊尔斯顿）提供扩展的硬铣削生产线具有 PCD 和 CBN 切削刃的立铣刀。据说这种立铣刀的刀具寿命比传统硬质合金立铣刀高出 50 倍用于加工各种材料。其中包括高磨蚀性的有色金属材料，包括石墨、高硅铝合金、纤维增强合成材料和铜合金。工具采用冷却液直通设计，用于排出灰尘和切屑。 Emuge 的 PCD 和 CBN 立铣刀有现货，有球头、圆环和平端设计，尺寸从 4 到 12 毫米不等。
也可以使用 CBN 铣削
铣削是一项要求很高的操作，通常涉及大量断续切割。 PCBN grades used have to be selected appropriately, according to Seco Tools Inc. (Troy, MI).典型应用包括用于汽车缸体、缸盖和外壳的灰口铸铁，以及一些工具钢。
山高的尺寸如下上的选择。 PCBN 刀片的主要特性t——韧性、耐磨性和热硬性——由晶粒尺寸、CBN 含量和结合剂决定。车削刀片和铣削刀片之间的主要区别在于晶粒度。用于铣削的 PCBN 刀片通常具有较小的晶粒尺寸以增加韧性。同时，晶粒度、CBN 含量和结合剂必须保持平衡，以保持优异的耐磨性和热硬度。山高的铣削刀片可用于多种专为 PCBN 设计的面铣刀和方肩铣刀。这些前角铣刀使用直径从 2 ½ 到 8 英寸（63.5-203 毫米）不等的整体 PCBN 刀片。方形和圆形刀片用于面铣，三角形刀片用于方肩应用。对于必须保持较低刀具压力且不能使用前角刀具的应用，可以使用带有整体或全面正角刀片的正角刀具。只能使用这些插件的一侧。通过主要使用实心刀片，每个刀片的角数可以最大化。在使用使用整体圆形 PCBN 刀片的铣刀的精面铣削应用中，每侧至少可以使用 15 个可用刀刃。对于方形或接近方形的肩部应用，可提供用于整体三角形或方形刀片的刀具，每个刀片分别为用户提供六个和八个角。有三个基本要求。用 PCBN 铣削时。它应该总是干的。 PCBN 是一种脆性材料。当刀片切入和切出时，使用冷却液会促进 PCBN 的热裂纹。始终使用常规铣削。切削时刀片上的冲击载荷将减少，切削刃断裂的风险将降至最低。与车削操作相比，速度提高 10-50% 以补偿中断。
本文首次发表于 2009 年 1 月版的《制造工程》杂志。
