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关于超硬刀具的发展分类、特点和制造方法

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超硬发展


1955年美国GE公司采用高温高压的方法获得了人造金刚石。1957年以高温高压的方法合成了立方氮化硼(CBN)。这些人造材料大大地丰富了材料宝库,开辟了“超硬材料”的新领域。


当时这些材料在机械加工领域的主要用途是作磨料,1977年GE公司又成功开发了金刚石烧结体(PCD)和CBN烧结体(PCBN),并制造成了刀片,使人造超硬材料的用途进一步扩展,由磨削扩展到了切削,迎来了切削加工技术发展的新曙光。


实践已经证明:用于切削有色金属时,金刚石刀具的耐用度较硬质合金刀具可提高几十甚至几百倍:立方氮化硼(CBN)虽然它的应用稍逊色与金刚石,但却是目前可用于加工硬化黑色金属的最硬的刀具材料。许多切削加工概念,如绿色加工,以车代磨,以铣代磨,硬态加工,高速切削,干式切削等都因超硬傲居的应用而起,超硬刀具已成为推动现代切削技术向高端快速发展的重要因素。


分类

/ 特点


金刚石类:

天然单晶,人造单晶,聚晶复合片,CVD厚模金刚石.


氮化硼类:

聚晶复合片,整体CBN烧结片.


01单晶金刚石

最早是由天然单晶金刚石制造的高端高精度刀具,由于天然金刚石不可再生,现在国内市面上90%以上的单晶金刚石都是采用的是人造单晶。由于是纯金刚石,所以耐磨性极高,并可以刃磨出很锋利的刃口。

缺点:

单晶金刚石具有各向异性,对加工要求高.

制造刀具受到单晶自身尺寸的影响.

成本较高.


02聚晶复合片

高温高压下由超硬微粉颗粒加结合剂制造而成,由硬质合金层与超硬材料层组成,目前约90%以上的超硬材料刀具都是由聚晶复合片制造而成。可以切割成所需的任意形状再制作刀具,质量可控。

缺点:

由于有结合剂与超硬材料颗粒的问题,在刃磨的时候存在最小微观崩刃的问题.

制造小型刀具难度较大.


03整体CVD厚膜金刚石片

在硅或金属钼基体上采用化学气相沉积方法沉积金刚石,金刚石膜稳定生长一定时间后达到所需的厚度并从基体上脱落,形成自支撑金刚石片。可根据需要,采用激光切割,研磨抛光等工艺加工成各种形状使用.

特点:

相比单晶而言,厚模金刚石是纯净的金刚石,没有单晶的各项异性,一致性,耐磨性极好.

相比PCD复合片,没有金刚石颗粒与结合剂的问题,能刃磨出良好的切削刃,极小的刀尖圆弧.

可以切割成任意的形状.


04整体CBN

特点:

整体为黑色,由CBN微粉与结合剂直接烧结而成,多用于机夹刀具,实践证明:在铸铁加工,轧辊加工,各种粗加工领域(大切深,大余量,抗冲击)优势明显.


超硬制造

一般分为基体制备,超硬材料选取与准备,钎焊,刃磨等,检测.


01基体制备

基体的制备必须考虑刀具实际使用的条件.

要确保:能安装,可定位,要考虑到刀具使用过程的各种基本要求.


02超硬材料选取与准备

选择合适的超硬材料,并制定成指定的形状.


03焊接方式

注:目前超硬材料采用钎焊方式较多.

钎焊特点:

钎焊接头强度高。

钎焊接头韧性好。

钎焊接头一般比较简单和快速易制。

钎焊能完美地连接异种材料。

钎焊温度相对较低。

考虑因素:

合适的焊料选取.

很好的配合和合适的间隙.

洁金属表面与适当的粗糙度.

给零件适当的保护.

适宜的加热方式.

关于合适的焊料选取:

一般来说国产内的超硬刀具制造厂家都是采用类似的焊料(膏)

金刚石聚晶复合片的焊接采用的一般都是银基焊料(膏)

氮化硼复合片的焊接一般采用的都是铜基焊料(膏)

单晶金刚石,整体CBN的焊接由于是金属与非金属的连接通常采用是活性焊料(膏)

关于配合和适合的间隙:

间隙太大-强度不够,间隙一旦超过0.3mm,就不要钎焊了。焊接强度=焊料本身的强度;

间隙太小-毛细管吸作用不明显,因为钎料是通过毛细管吸作用填满钎焊接头间隙。

一般来说,焊接完后的间隙为0.03-0.15为合适。


注:以上间隙数值,随工艺,焊接母材料的不同有所不同,一般高频钎焊取小值,炉中钎焊取大值,但是不论在什么情况下,一旦间隙超过0.3都不会获得理想的焊机强度.


高速切削:主要体现在普通灰铸铁领域,由于灰铸铁原材料的价格上涨,和企业竞争逐渐增大。最初采用硬质合金刀片加工灰铸铁最高线速度不能超过350m/min,反之则会剧烈磨损。但采用CBN刀具加工灰铸铁最高线速度可达到1500m/min(不考虑机床刚性的基础上),而且保证高的耐磨性,和高的被加工工件的表面质量


重载切削:主要体现在高硬度铸铁/铸钢等领域,如轧辊、泵材质用于大型设备上,毛坯件加工余量大,需要耐磨性和抗冲击韧性兼优的切削刀具加工,而CBN刀具一次吃刀深度可达到10mm,大大提高生产效率。


干式切削:不管加工哪一类材质,CBN刀具均采用干式切削的加工方式,CBN刀具其高温红硬性强,可承受1200℃的高温状态下正常切削,保证优异的耐用度。而且减少了采用切削液加工工件所带来的不必要的成本,保证良好的生产环境

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