随着精加工的要求越来越高,一种新的立方氮化硼配方可以为硬质合金提供更坚固的替代品。

尽管硬质合金刀片在几乎所有类型的 CNC 加工中都是经过验证的性能者,但航空合金精加工为开始探索替代品提供了一个特别好的机会。在最近的测试中,一种新型立方氮化硼 (CBN) 精车刀片的运行速度是钛 6AL-4V 中硬质合金的三倍,使用寿命长三倍,切削量是硬质合金的九倍,所有这些都在同一切削刃上。研究人员写道:“一致的切屑控制和持久的刃口使其成为替代当前使用硬质合金的稳定精加工工艺的绝佳候选者。”

这种 CBN 与其他刀片之间的主要区别不在于它包含什么,而是它缺少什么:将烧结材料固定在一起的粘合剂。相反,纳米颗粒直接相互融合以形成几乎实心的连续切割表面。这种结构可以充分利用 CBN 的极端硬度和导热性,这种材料因加工硬化而臭名昭著。

使无粘合剂结构成为可能的更高温度、更高压力的烧结工艺不仅对加工性能具有重要意义。钴是“水泥”中将硬质合金结合在一起的关键成分,它越来越稀有且价格昂贵。钨、铌和这些刀片的其他元素的情况相同。无需在切削工具中使用这些材料,就无需将它们从地球上拉出来,从而保护宝贵的资源,同时造福环境以及直接受采矿影响的人们。

这些更广泛的好处的程度取决于性能优势和规模经济推动无粘合剂 CBN(可能还有其他种类的无粘合剂刀片)扩展到新应用和材料的程度。同时,新的 NCB100 无粘结剂 CBN 产品为那些需要冗余工具和/或考虑刀片更换、磨损偏移进入和在漫长的自动化加工周期中刀具破损风险的工作提供了现成的替代方案。

安装在机床上的钛管,用于使用无粘结剂 CBN 插入式刀具进行车削

转动这个钛管为刀片比较提供了一致的基线。 图片来源:OMIC

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与硬质合金相比,无粘合剂 CBN 的运行速度快了三倍,去除了 9 倍的材料,并且在单个切削刃上的使用寿命延长了 3 倍。

测试

应刀片开发商住友电工硬质合金公司的要求,在俄勒冈制造创新中心 (OMIC)进行了精车测试,该中心是一家位于波特兰附近的非营利性合作研究机构。OMIC 运行了三个 NCB100 无粘结剂 CBN 车削刀片AC51015S 硬质合金牌号,住友原本会推荐用于该应用。正如预期的那样,碳化物在重复测试中表现良好,切割 45 分钟后刀尖磨损为 0.00208 英寸。“在这些试验中没有任何异常需要注意,”OMIC 的一份关于测试的报告中写道。“随着时间的推移,刀片显示出均匀且可预测的磨损,创造了一个很好的比较基准。”

两种 CBN 刀片,一种具有低前角,一种具有高前角,在 45 分钟后经历了相似程度的刀尖磨损(两种 CBN 槽型均为 0.0024 英寸)。此时,硬质合金刀片需要转位以保持切屑控制。然而,两种 CBN 刀片继续产生短而紧密卷曲的切屑。第三个无粘结剂 CBN 刀片,具有中等前角,表现更好,在 45 分钟标记处仅磨损一半(0.0012 英寸)。

特写比较了无粘结剂 CBN 刀片在钛加工 45 分钟和 230 分钟后的状况。

在 400 sfm(是硬质合金速度的两倍)和 230 分钟的切削时间下,无粘结剂 CBN 刀片的性能仍然稳定。硬质合金刀片需要在 45
分钟标记处进行转位。图片来源:OMIC。

最大的区别是速度。在重复测试中,所有三种 CBN 几何形状均以 400 sfm 运行,而硬质合金仅为 200 sfm。尽管如此,OMIC 并未完成。研究人员将性能最高的 CBN 刀片(具有中等前角)远远超过了 45 分钟,并将定期磨损测量的间隔从 15 分钟延长到 30 分钟。230 分钟后,芯片与 45 分钟时产生的芯片几乎没有区别。相比之下,硬质合金刀片磨损了两倍,只去除了一半的材料,并且留下了更粗糙的表面。

测试继续。推到 600 sfm - 是硬质合金速度的三倍 - 无粘结剂 CBN 持续了 400 多分钟,然后在 45 分钟时表现出与硬质合金刀片相同水平的后刀面磨损(尽管使用 CBN,表面粗糙度已达到近 65 Ra 到 400 -分钟标记)。在第 435 分钟时,筹码开始变得越来越长,越来越细。最后,在 555 分钟时,刀片尖端磨损成新月形,“就像在带式砂光机上打磨一块木头一样,”OMIC 加工解决方案研究员 Cody Apple 说。“这是可以预测的,并且在发生时很容易检测到。”

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在切屑控制开始显着下降之前,无粘结剂 CBN 刀片运行了 7 个多小时。图片来源:OMIC

平整道路

OMIC 研发负责人 Urmaze Naterwalla 将传统的“粘合”刀片类比为道路,嵌入表面的单个颗粒代表切割材料(在本例中为 CBN),焦油代表粘合材料。粘合材料较软,因此随着表面的劣化,它首先会分解。它撕成大块,留下坑洼。没有焦油,颗粒直接相互融合。没有坑洼,因为表面以相对恒定且可预测的速度磨损,导致从过往交通的车轮上雕刻出两个平行的凹坑。

一张显微镜照片描绘了典型 CBN 加工刀片的结构。

大多数 CBN 刀片中的粘合剂可以起到减震器的作用,但只是以牺牲 CBN 的一些天然优势为代价。图片来源:住友电工株式会社

然而,活页夹可以做的不仅仅是将插入材料固定在一起。在撰写本文时,住友的国家应用工程师 Jason Miller 表示,它的作用也很像汽车悬架,采用弹簧和其他减震器来平稳行驶。事实上,特殊配方的结合剂有助于其他 CBN 刀片承受与齿轮加工和其他断续切削应用相关的力,这些应用对刀具来说很困难。他说,为此类工作应用新的无活页夹插件“类似于应用拖车翻山”。“这行不通。”

尽管如此,拖车非常适合在完全平坦的道路上疾驰而过。对于无粘合剂 CBN,钛航空航天部件的连续表面(如在 OMIC 加工的部件)本质上是跑道。中断很少见,切削深度很浅,钛合金推荐仅为 0.020 英寸。

显微镜照片比较了无粘合剂 CBN 切削刀具刀片和使用粘合剂烧结的 CBN 刀片之间的结构差异。

高压、高温烧结工艺可以 在没有粘合剂的情况下将亚微米尺寸的 CBN
晶粒融合在一起,以最大限度地提高硬度、导热性以及由此产生的钛和钴铬合金的优势。图片来源:住友电工株式会社

这并不是说钛车削是无粘结剂 CBN 的唯一潜在应用,也不是说铣削或其他断续切削是不可能的。相反,Sumitomo 报告说,这些刀片已成功应用于粉末金属和铸铁的断续切削,以及在某些条件下的淬硬钢铣削。同时,继续开发不同的边缘几何形状和 CBN 粒度配方,以增加强度和韧性。这些工具还被应用于用硬质合金和钴铬 (Co Cr) 等材料车削医疗零件。

对其他无粘合剂配方的研究也在继续进行。事实上,住友商事首次将其新的直接转化烧结工艺应用于无粘合剂聚晶金刚石 (PCD),该工艺可用于加工碳化钨拉丝模具和耐磨板以及陶瓷材料。该公司预计,这些工具以及可能的其他工具的应用将随着对用于航天器、飞机、汽车、医疗和电子元件等的新型、高度耐用但难以加工的材料的需求而扩大。“我们应该认识到,这将是一种演变,就像碳化物一样,”Naterwalla 先生说。“我们越适应它的能力,进化就会越向前。”

同时,增材制造的进步可能会加强对精加工和半精加工的关注,而不是粗加工。与雕刻实心坯料或材料块相比,加工 3D 打印的近净形状需要不同的技术和不同的切削工具。“这意味着转向需要较少径向啮合但移动速度更快的刀具,”Apple 先生说。

条形图跟踪硬质合金和无粘结剂 CBN 在不同速度下随时间推移的刀具磨损情况。

两条平行的水平线表示在 200 sfm 下加工 45 分钟后,硬质合金刀片的表面光洁度(灰色)和刀片磨损(蓝色)。垂直的蓝色条表示无粘结剂
CBN 刀片在 400 SFM(浅蓝色)和 600 SFM(深蓝色)下随时间推移的磨损情况。第二对水平灰色条显示无粘合剂 CBN 在 400
SFM(浅灰色)和 600 SFM(深灰色)下的表面光洁度随时间恶化。

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