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          立方氮化硼CBN(科普)

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          简介

          立方氮化硼

          cubic boron nitride

          立方结构的氮化硼,分子式为BN,其晶体结构类似金刚石,硬度略低于金刚石,为HV72000~98000兆帕,常用作磨料和刀具材料。1957年,美国的R.H.温托夫首先研制成立方氮化硼。但至今尚未发现天然的立方氮化硼。

          起源

          立方氮化硼CBN(Cubic Boron Nitride)是20世纪50年代首先由美国通用电气(GE)公司利用人工方法在高温高压条件下合成的,其硬度仅次于金刚石而远远高于其它材料,因此它与金刚石统称为超硬材料。

          资料

          立方氮化硼是由六方氮化硼和触媒在高温高压下合成的,是继人造金刚石问世后出现的又一种新型高新技术产品。它具有很高的硬度、热稳定性和化学惰性,以及良好的透红外形和较宽的禁带宽度等优异性能,它的硬度仅次于金钢石,但热稳定性远高于金钢石,对铁系金属元素有较大的化学稳定性。立方氮化硼磨具的磨削性能十分优异,不仅能胜任难磨材料的加工,提高生产率,还能有效地提高工件的磨削质量。立方氮化硼的使用是对金属加工的一大贡献,导致磨削发生革命性变化,是磨削技术的第二次飞跃。

          分类

          立方氮化硼有单晶体和多晶烧结体两种。单晶体是把六方氮化硼和触媒在压力为3000~8000兆帕、温度为800~1900℃ 范围内制得。典型的触媒材料选自碱金属、碱土金属、锡、铅、锑和它们的氮化物。立方氮化硼的晶形有四面体的截锥、八面体、歪晶和双晶等。工业生产的立方氮化硼有黑色、琥珀色和表面镀金属的,颗粒尺寸通常在1毫米以下。它具有优于金刚石的热稳定性和对铁族金属的化学惰性,用以制造的磨具,适于加工既硬又韧的材料,如高速钢、工具钢、模具钢、轴承钢、镍和钴基合金、冷硬铸铁等。用立方氮化硼磨具磨削钢材时,大多可获得高的磨削比和加工表面质量。

          制作方法

          立方氮化硼多晶烧结体的主要制法有:①用立方氮化硼微粉和少量结合剂(如钴、铝、钛和氮化钛等),在压力4000~8000兆帕、温度为1300~1900℃下烧结而成;②以立方氮化硼微粉和结合剂为一层,以硬质合金(片或粉)为一层,在上述压力、温度下把两者烧结在一起,制得带硬质合金衬底的多晶烧结体,这种烧结体具有高的强度,同时保持立方氮化硼的原有理化性能,可制成直径达16毫米的圆片,切割加工成适当形状后,作为车刀和镗刀的刀头,适于切削淬火钢、铸铁和镍基合金等。

          立方氦化硼(CBN)在切削加工中的应用

          用PCBN刀片精车淬硬钢

          加工硬铸铁和灰口铸铁

          高速镗削铸件孔

          铰削淬硬钢或硬铸件小孔

          用于难加工材料的切削加工

          采用PCBN刀具精车淬硬钢,其工件硬度高于45HRC,效果最好。其切削速度一般为80~120m/min,工件硬度越高,切削速度宜取低值,如车硬度为70HRC的工件,其切削速度宜选60~80m/min。精车的切深在0.1~0.3mm,进给量在0.05~0.025mm/r,精车后的工件表面粗糙度为Ra0.3~0.6μm,尺寸精度可达0.013mm。若能采用刚性好的标准数控车床加工,PCBN刀具的刚性好和刃口锋利,则精车后的工件表面粗糙度可达Ra0.3μm,尺寸精度可达0.01mm,可达到用数控磨床加工的水平。 如果机床刚性好,选用的切削速度较低,则选用PCBN复合刀片可精车断续表面。 精车加工余量一般为0.3mm左右,尽可能提高工件淬火前的尺寸精度和减少热变形,以保证精车时切削余量均匀,延长PCBN刀具的使用寿命。 精车一般不用切削液,因为在较高的切削速度下,大量的切削热由切屑带走,很少会停留在工件表面而影响加工表面质量和精度。 精车刀片宜选用强度和韧性高的80°菱形刀片,刀尖半径在0.8~1.2mm之间,为保护刀具刃口,使用前需用细油石倒棱。 精车淬硬工件是一门新工艺,实施前需做工艺试验,可用与工件材料、硬度和大小相同的棒料,在同类机床上进行精加工或粗加工试验,关键是要试验刀具与切削参数的选择及工艺系统是否有足够的刚性。该工艺目前国内已经采用,如一汽集团用PCBN刀具加工渗碳淬火(58~63HRC)的20CrMnTi变速箱齿轮拨叉槽,采用的工艺参数为Vc=150m/min,f=0.1mm/r,ap=0.2~0.3mm,实现了以车代磨。

          加工硬铸铁

          用PCBN刀具车削淬硬钢时,要求工件淬火硬度高于45~55HRC,加工硬铸铁时,只要硬度达到中等硬度水平(45HRC),就会取得良好的加工效果。如汽车发动机缸盖上的排气阀座,该阀座是采用含铜、钼的高铬合金铸铁材料,其硬度一般约为44HRC,其阀座上孔采用锪(铰)、车两种工艺,大多是在专用自动线上加工,与枪铰导管孔一道进行。所采用的切削用量为: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,与以往采用的各种硬质合金刀片加工相比,刀具平均耐用度为1200件,加工表面粗糙度为Ra0.4μm,阀座面摆差≤0.05mm。东风汽车公司发动机厂自1988年使用PCBN刀具后,其效果一直保持稳定,较好地解决了引进设备的刀具国产化问题。

          高速铣削灰口铸铁

          高速铣削灰铸铁时,一般粗加工当然可以使用K类硬质合金,精加工可用氦化硅陶瓷刀片。如在一个装有8块刀片的端铣刀上改用只装对称式的两片PCBN刀片,并将切削速度提高4倍,其结果是金属切除率相同,而切削力却下降3/4,刀具寿命与加工质量超过前者。 对珠光体铸铁与冷硬铸铁,也宜采用PCBN刀具进行高速加工,与其它刀具材料比较,可提高切削速度、延长刀具寿命、降低了表面粗糙度。在高速镗杆上采用成对镶片PCBN镗刀与单片镗刀相比,其平衡性好,从而增加了镗杆的刚性,在给定的进给量下,采用PCBN双刀片镗孔可获得高的金属切除率与表面质量。 目前国内已有较多的发动机制造厂,对气缸体的缸孔(或缸套)精加工已使用PCBN刀具。如上海大众和一汽集团的发动机厂,缸孔精镗均采用PCBN刀片并可自动补偿(υc=500m/min,f=0.2mm/r,ap=0.1mm)。所以加工出的缸孔精度高、尺寸稳定,而且生产效率高,刀具寿命长。 对于小孔镗削,虽可使用陶瓷或涂层刀片,但刀片应带有负前角,这将增加切削和排屑的阻力,易使细长镗杆产生振动。若用PCBN刀具进行高速镗削,其孔的表面质量好、生产效率高。对这类工件的孔加工宜采用CBN电镀铰刀。这种铰刀是以其硬度为42HRC的45号钢或9CrSi钢作为基体,具有前后导向和切削部分,其基体制造精度要高,设计要合理。如其铰刀的前导向部分直径要小于切削刃部分直径0.04mm,切削区的长度要大于工件孔深,后导向的长度要大于切削区长度,其直径应小于切削刃部直径0.02mm。为了在铰削中能用切削液冲洗切屑和冷却润滑加工表面,其铰刀基体上开有两条较深的螺旋槽。 如某厂加工淬火钢工件孔f12.06±0.05mm,硬度为45HRC,底孔尺寸为f12±0.01mm,要求孔的圆柱度为0.005mm,表面粗糙度为Ra0.2μm。采用一组五把的电镀CBN铰刀加工后,取得较好的经济效果。有的发动机制造厂采用金刚石或CBN电镀铰刀对气缸体的主轴承孔进行珩铰,代替原来的珩磨加工,使加工效率提高了数倍,且质量稳定。采用带正前角的PCBN刀具,选用适当的切削参数,即Vc=100m/min,f=0.05~0.2mm,ap=0.1~0.2mm,采用极压型乳化液或油冷却液,可加工奥氏体不锈钢(45HRC)、高温合金钢、高锰钢、高强度钢及高镍合金钢等材料,可获得较高的加工效率和表面质量。

          CBN砂轮在磨削加工中的应用

          CBN材料除用来制作刀具外,其最大的应用领域还是制成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,其磨削精度和质量提高一个等级。

          磨削汽车零件——凸轮轴和曲轴

          CBN砂轮在内孔磨削中的应用

          采用CBN砂轮磨削齿轮

          应用CBN磨具加工难加工材料及难加工面

          汽车发动机上的凸轮轴具有多个凸轮,淬火后的凸轮粗磨及精磨是影响凸轮质量的关键工序。一般都是采用靠模仿形磨削,工件速度的提高受到限制,工件易产生磨削烧伤裂纹,采用靠模仿形磨削,其凸轮表面的轮廓曲线要受砂轮直径大小的影响,所以很难保证凸轮轮廓曲线的正确。生产实践证明,当砂轮直径大时,磨出的凸轮瘦,当砂轮直径小时,磨出的凸轮胖,只有当砂轮直径接近或等于磨削靠模凸轮的滚轮直径时(一般为f570mm),其仿形误差接近于零,即磨出的凸轮表面轮廓曲线接近于靠模凸轮。在实际生产中,所用的砂轮直径一般都是从D600(或610)用到D500,与理想的砂轮直径(570)相差甚多,所以生产中总有大部分凸轮轴的凸轮曲线超标。为解决这个问题,我们在靠模仿形凸轮磨床上采用CBN砂轮磨削,可把CBN砂轮直径制成D575,CBN磨料层厚为4~5mm,其磨轮的磨削最小直径是D565,磨削直径范围虽然只有10mm,但磨削零件数却相当于几十片普通砂轮,不仅可保证凸轮曲线正确,而且也不会产生磨削烧伤现象。 如Liton工业自动化公司用CBN砂轮磨削凸轮轴,其成本降低了50%,凸轮表面的疲劳强度提高了30%;东风汽车公司襄樊柴油发动机厂用陶瓷结合剂CBN砂轮粗磨冷激铸铁凸轮轴,其凸轮磨削余量t=4~5mm,V砂=60m/s,工件转速n=100r/min,Vf=0.1mm/s,采用高速磨削液,CBN砂轮的寿命基本相当于20片刚玉磨料砂轮。内圆磨削的效率一直很低,其主要原因就是磨削速度、砂轮材质及磨杆的刚性问题。生产过程中用在修整砂轮、更换砂轮的时间几乎占了单件工时的1/3~1/5。如果内圆或沟槽磨削采用CBN电镀砂轮,并把砂轮速度提高,增大磨杆直径,便可适当提高工件转速与进给速度,不仅可保证孔(弧)径、槽宽尺寸与形位精度,表面粗糙度和避免烧伤,而且还可以成倍地提高加工效率,降低加工成本。 如国内某厂加工一个年产60万件的纺机滚动轴承套,磨f15.5+0.04的孔及相邻的弧槽,过去用铬刚玉(GG)砂轮,需用两道工序分别在两台M224内圆磨床上加工,其槽(弧)径差及尺寸与孔的同轴度很难保证,且效率低,采用CBN砂轮后,加粗了磨杆,提高了进给量,节约了修整和更换砂轮的时间,彻底解决了原有问题。后又改为孔、沟同时磨,即在磨杆上装两个砂轮,使磨削效率提高1倍,节省了一台磨床。所加工的工件表面粗糙度为Ra0.63μm采用的磨削工艺参数:V砂=36m/s,V2=19m/min,f粗切=1μm/r,f精切=0.5μm/r,光磨时间t=bs,采用10%浓度的乳化值。齿轮磨削以往是采用单齿面与多齿面磨削,单齿面磨削虽然可获得较高的加工精度,但效率低,成本高,多齿面磨削虽生产效率高,但其加工质量比单齿磨削差。若采用CBN砂轮磨削,无论采用单齿面磨削还是采用多齿面磨削,采用电镀CBN砂轮或陶瓷结合剂砂轮进行磨削,其效果极为显著:

          CBN砂轮可以制成精度较高的齿形,由于耐用度高,不频繁修整,不需经常调整机床,可获得稳定的齿廊、导程和节距精度。

          可实现高速磨削与高进给率磨削齿面,粗糙度低且不会烧伤,可在提高磨削效率的条件下获得较高的齿轮精度(6~7级)。

          CBN砂轮寿命长,磨削性能好,节约了砂轮更换修整、机床调整和工件检测等许多辅助时间。

          对淬硬钢件或冷硬铸铁件孔的珩磨,可采用CBN珩磨油石,对高强度、高硬度和高热敏性的合金钢、不锈钢、耐热钢与合金,宜采用高硬度、高强度的CBN砂轮,采用极压乳化液或高速磨削液进行冷却。对较长的导轨面或复杂型面、凸轮磨床的靠模轴等均宜采用CBN砂轮。

          CBN材料在机械加工关键工序中的应用

          CBN材料无论制作刀具或制作磨具,应用于高速切削或磨削,都可收到提高产品质量、提高加工效率、缩短加工周期和降低加工成本等显著效果。因此,在加工中,大力推广CBN刀(磨)具是提高制造技术的有力措施。但若普遍推广使用,尚有许多问题。 为了在生产中更好地推广使用CBN刀(磨)具,应做以下几方面的工作:

          发挥CBN刀(磨)具研究院(所)的主导作用

          实现三点一线联合开发,即CBN——工具制造——用户或CBN与工具制造——机床——用户共同开发CBN的应用

          积极开展CBN刀(磨)具制造与使用技术的研究

          目前国内CBN材料生产厂家很多,产量也不少,但高质量的不多,CBN刀(磨)具的稳定用户更少。究其原因主要是机械加工部门对价格昂贵的CBN刀(磨)具缺乏选择与使用的知识,采购来的CBN工具实效不多,在其经济紧缩的条件下,不敢轻易投资进行工艺试验。

          用户需要提高产品质量意识

          勇于提高制造技术要想解决这个问题,只有CBN刀(磨)具研究院(所)主动深入机械制造的生产单位,选择生产效率与质量的薄弱环节,且已具有或易于创造CBN加工条件的点,与用户协商签订共同开发CBN应用合同。由工具研制单位负责免费提供试验用的CBN刀(磨)具,用户负责提供试验所需条件下组织生产试验。这就发挥了多方积极性,从CBN质量选择到工具制造,都会以最优、最快的速度进行,用户从准备试验条件到使用,见到了达到合同目标值的成果,不花试验费便解决了生产难题,很容易推广。而工具院(所)亦可在以后的供货中逐步回收利润,只要双方保持互惠、互利,协作关系便会更加巩固。我厂就是利用这种方式与多家研究院校开发了很多新技术。在机械加工中的许多加工难点,虽然可用CBN工具来解决,但就目前条件,不是国内哪家所能单独做到的,因为并非凡是CBN工具都有奇特的和万能的加工能力。我们也曾用过CBN刀片精镗硼缸套,其效果并不比新型陶瓷刀片好。

          质量原因

          其原因是多方面的,如CBN质量、含量、品牌规格及结合剂等是否适合硼铸铁的加工。至于CBN磨具影响的磨削效果的因素就更多了,除自身原材料的质量、配比和磨具制造技术外,还有使用条件与技术。如磨削速度(应用高速磨削速度)、磨床刚性好、无振动、有自动精细进给及修整补偿机构、适当的磨削参数和冷却液等,这些都是相辅相成的重要因素,靠有关方面共同努力,各自提高自家产品的质量,相互促进,才能使CBN工具与专用设备成功地用于生产。用户希望使用具有实效的CBN工具,为此,要求工具制造单位,除了尽快提高CBN工具的制造技术外,还应对产品的质量建立明确的鉴定标准与方法,分布某些性能参数,如刀具的CBN含量与品牌、磨具的硬度与CBN精度、浓度等,在此基础上进行生产使用试验,以便充分发挥用户的生产经验,对不同的切削参数与冷却液所取得的加工结果进行对比分析,使CBN工具得到质的提高。CBN工具的适用范围、使用条件和应用的技术配套(如设备和冷却液等),用户可正确选用和使用CBN工具。21世纪是高科技时代,产品必须是有高性能、高质量才有市场,企业才有生命力。为此,应尽快提高制造技术水平,而推广使用CBN工具提高制造技术是一种有力措施,这不仅需要有关主管部门的有力资助和支持,有组织、有计划地逐步推广CBN工具的技术配套与使用,同时也要求用户勇于接受新材料、新技术,改变过去陈旧的生产观念与管理方法,即刀(磨)具均消耗费用指标很低,只许占产品成本的1/100左右,而不是以提高生产效率和保证产品质量为准,这样会限制优质高效的刀(磨)具应用与先进设备生产能力的发挥。实践证明,CBN刀(磨)具的成效不仅可提高产品的加工质量,而且也可提高经济效益。

          PCBN刀具的制造工艺

          PCBN刀具的制造主要通过CBN粉末和结合剂经超高压高温烧结而成.大致步骤有;混合粉末--模压成型/与硬质合金底层组装成整体--超高压高温烧结--深加工.

          关键技术在于CBN与结合剂的选择与配比,超高压高温烧结工艺参数的确定.


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