淬火钢加工用SUMIBORON材质 BN1000/BN2000的开发

503Hits2014-10-11 17:07:17　Source:Sumitomo Cutting tools

.前言

1-1 CBN烧结体刀具

　　CBN(立方晶体氮化硼)具有优异的特性，硬度仅次于金刚石，与铁的反应活性比金刚石更低。由于CBN难以单独烧结，将其与金属或陶瓷的粘结剂一起烧结而成的CBN烧结体用作切削刀具，已广泛应用于铁系金属的切削加工中。
　　本公司在世界上首先开发出用陶瓷做粘结剂的CBN烧结体，并实现了淬火钢加工用CBN烧结体刀具SUMIBORON的产品化[1]。加工高硬度淬火钢，以前的唯一手段是用砂轮进行磨削加工。用CBN烧结体刀具进行切削与磨削加工相比，能实现高效、高精度加工。因此尤其以需要进行大量生产的汽车工业为中心，用其取代磨削加工，现在已经成为淬火钢的常用加工方法。
　　为了满足汽车工业进一步提高加工效率和加工精度的需求，本公司一直致力于涂层CBN烧结体刀具SUMIBORON材质BNC系列的开发及其产品化[2、3、4]。BNC系列通过将耐热性比CBN更优异的陶瓷材质涂覆在韧性优异的CBN烧结体上，提高了高速、高效加工中所要求的耐热性和韧性，使刀具性能进化到更高的层次。因此，BNC系列不仅用于汽车零件，还可用于大型轴承和建机零件等的高效粗加工，这些领域中的应用正在不断扩展。

1-2 CBN烧结体刀具

　　CBN烧结体在淬火钢切削加工应用中的不断扩展，不仅体现在上述高速、高效加工中，发动机燃油喷射系统中的液压零件和电子零件等小型零件的高精度加工的需求也日趋明显。
　　这些零件与汽车的齿轮和车轮零件相比体积较小，因此切削速度较低。切削速度较低的区域(大致80m/min.以下)切削阻力较大，比CBN烧结体强度低的陶瓷涂层可能会发生异常损伤。因此，提高CBN烧结体自身的性能至关重要。
　　而且这些零件为了提高环保性能而采用高强度材料，呈现出难切削的倾向。难切削的淬火钢含有较多高硬度的Cr、V、Mo等的碳化物，硬度比CBN低的陶瓷涂层在切削这些零件时，显得硬度不足。因此在高硬度淬火钢的切削领域，提高CBN烧结体自身性能至关重要。
　　不仅小型零件，在提高零件功能的进程中，零件形状呈现出复杂化和薄壁化的倾向。加工形状复杂的零件，不光无法确保足够的刀具刚性与夹持刚性，薄壁件自身刚性也不够。在如此环境下，由于切削中的振动使刀具刃口承受的机械性负载增大，与上述情况一样，陶瓷涂层可能会发生异常损伤。因此，在低刚性的切削环境中，重要的也是提高CBN烧结体自身的性能。
　　为了解决这些需求，实现提高CBN烧结体自身性能的目标，我们开发了新型CBN烧结体刀具BN1000/BN2000。本资料将介绍这些内容。

2. BN1000/BN2000的特长

　　如开头所述，CBN烧结体由高强度CBN和耐热性优异的TiN和TiCN为主体的陶瓷粘结剂构成。增加CBN含量，可提高强度和韧性，是重视耐崩损性的材质；减少CBN含量，可提高耐热性，是重视耐磨损性的材质。本项开发要使刀具兼具耐崩损性和耐磨损性，在不改变以往CBN和陶瓷粘结剂比率的条件下，提高陶瓷粘结剂的特性。
　　以前陶瓷粘结剂在制造工序及与CBN进行混合的工序中会混入微量杂质。正是该杂质，其强度和耐热性比陶瓷低，成为刀具发生裂纹的起始点，从而降低了耐崩损性及耐磨损性。于是革新陶瓷粘结剂的制造工序，采用新工艺将杂质含量降低至以往的1/10以下，使高纯度陶瓷粘结剂的制造成为可能。使用此高纯度陶瓷粘结剂制成的新型CBN烧结体，在保持耐崩损性和耐磨损性的同时，使性能获得了飞跃性提高。
　　表1表示了使用高纯度陶瓷粘结剂的新型CBN烧结体BN1000、 BN2000的组成情况，及淬火钢加工用SUMIBORON材质在下图中所处的位置。BN2000是BN250的换代材质，从连续切削到断续切削均可使用。BN1000是BNX10的换代材质，比BN2000更重视耐磨损性。

3.淬火钢通用加工用材质BN2000的性能

3-1 连续切削

　　图1表示渗碳淬火钢的连续切削中，与以往材质的比较结果。切削初期，BN2000的后刀面磨损量与以往材质几乎相同。但是，切削长度达5km后，以往材质随着月牙洼磨损的进展刃口发生崩损，而BN2000却无崩损，可以切削更长的距离。可以认为是由于采用高纯度陶瓷粘结剂提高了烧结体的耐热性，抑制了月牙洼磨损进展的效果。

3-2 断续切削

　　图2表示渗碳淬火钢断续切削的性能评价结果。如图中所示，被削材上加工了V形槽。从该评价图中也可确认，BN2000的使用寿命比以往材质更长。从上可知，BN2000与以往材质相比，它兼具优异的耐磨损性和耐崩损性。

3-3 表面粗糙度

　　以下为了评价高精度加工时的性能，以表面粗糙度标准3.2z为条件进行了切削评价。所用的被削材为渗碳淬火钢。图3是该评价的结果。BN2000在切削初期即显示出稳定的表面粗糙度，通过图中曲线可确认其使用寿命超过以往材质及其他公司产品。
　　表面粗糙度由副切削刃的形状复制到精加工面上确定的。副切削刃上的边界磨损严重时会产生高低差，从而导致表面粗糙度变差。可以推断BN2000由于使用高纯度的粘结剂，提高了粘结剂的强度，因此抑制了边界磨损的恶化。

3-4 高速工具钢的切削

　　第1节中叙述过，为了评价BN2000用于切削高硬度淬火钢时的性能，进行了高速工具钢的切削。
　　图4中显示了各种淬火钢的组织。汽车零件等最常用的渗碳钢，由于含有数个百分比量的碳化物，其组织几乎全由马氏体构成。而模具钢和高速工具钢为了提高强度及耐磨损性，含有10%以上的碳化物，组织中碳化物呈现散布状态。
　　图5为使用BN2000和涂层CBN的BNC200切削高速工具钢时，测量切削初期(切削距离=400m)工件尺寸变化的结果。BN2000仅测得微小的尺寸变化，而BNC200则呈现出较大的尺寸变化。图5右侧表示刃口照片，因为BNC200的磨损量较大，可知该尺寸变化是伴随磨损而发生的。表2列出了BN2000和BNC200的组成。BNC200由比BN2000更重视耐崩损性的母材和耐磨损性优异的陶瓷涂层构成。陶瓷涂层具有优异的耐热性，而硬度比CBN低。因此陶瓷涂层被高速工具钢中含有的大量高硬度碳化物所磨损，导致未能充分发挥耐热性，从而导致磨损较大。因此，该类用途中无涂层CBN刀具最适用。

3-5 BN2000的刃口处理

　　为了确保CBN烧结体刀具的刃口在切削时具有耐崩损性，通常如图6所示，施加倒棱和珩磨处理。BN2000为了能作为通用型材质适应各种各样的用途，在标准型之外，还备有LT型和HS型2种刃口处理的库存产品。如图6下所示。
　　图7表示不同刃口处理角度时切削阻力的变化。如图所示，刃口处理的角度越小，越能降低切削阻力，可有效提高尺寸精度及解决加工小径内圆等时发生的颤振问题。因此，这种情况下适用LT型刀具。
　　而刃口处理角度较大时，虽然切削阻力会增加，但可降低刃口附近产生的应力，能减少断续切削时的崩损。因此，在断续切削等发生崩损时，适用HS型刀具。

4. 淬火钢高速加工用材质BN1000的性能

4-1 连续切削

　　下面介绍BN1000的切削性能。图8是轴承钢连续切削评价的结果。已确认BN1000具有比其他公司产品更优异的耐磨损性。为了重视耐磨损性，BN1000中使用了高纯度TiCN陶瓷粘结剂。因此，在无涂层CBN烧结体刀具中能发挥最优秀的耐磨损性。

4-2 断续切削

　　图9表示对耐崩损性进行评价的结果。评价断续切削时也与BN2000相同，使用带V形槽的渗碳淬火钢工件。其他公司产品月牙洼磨损迅速进展而产生崩损，而BN1000的月牙洼进展缓慢，至发生崩损时可多切削3倍的长度。从上述对比可确认，BN1000比其他公司产品具有更优异的耐磨损性和耐崩损性。

4-3 表面粗糙度

　　图10表示以表面粗糙度标准3.2z为条件进行高精度加工的评价结果。虽然仅为切削初期的比较，BN1000表现出比其他公司产品更优良的表面粗糙度。其他公司产品在切削到2km时Rz已达3μｍ左右，而此时BN1000的Rz还远未达到3.2。

5.BN1000/BN2000的适用领域

　　淬火钢加工中无涂层CBN烧结体材质的适用领域如图11所示。
　　BN1000是一种高速加工用材质，适用于BN2000 的耐磨损性不足的场合，以连续精加工为中心，可进行最高达300m/min.的高速加工。与以往的高速加工用材质BNX10相比，耐崩损性更好，因此断续度较低的断续切削也能适用。
　　BN2000是一种通用性材质，从连续切削到中断续切削的广泛领域都能适用。与以往材质相比，切削速度上限高达200m/min.，而且还扩展了断续切削的应用领域。

6.切削实例

　　表3是BN1000/BN2000的切削实例。
　　No.1为高速连续切削中使用BN1000的实例。图中所示的切削加工部位是形状复杂工件内圆深处的一个局部。因此，加工部位的夹持刚性和刀具刚性显得不足，是一个低刚性的切削环境。因此不采用涂层CBN刀具，而使用BN1000达到了延长刀具寿命的效果。
　　No.2和No.3是断续切削中使用BN2000延长刀具寿命的实例。No.2为即使仅有很轻微的崩损就会导致尺寸精度劣化，使刀具寿命终结的高精度加工实例。由于BN2000的耐崩损性比其他公司产品更优异，使用寿命达到3倍。No.3如使用以往材质，月牙洼磨损进展很快而导致崩损，采用提高了耐热性的BN2000，使用寿命达到2倍。
　　第4栏是一个特殊切削实例，工件为淬火钢中的高硬度模具钢，而且端面中央处切削速度为零。BNC200磨损严重，加工面粗糙度不良，而BN2000呈现出稳定的表面粗糙度，刀具使用寿命达到2倍。
　　第5、6栏是切槽Turning tools和重磨型刀片的加工实例。无涂层CBN烧结体刀具与涂层CBN烧结体刀具相比，因其适用于各种刀具形状，可满足这一类的加工需求。

7.结论

　　如上所述，新型无涂层CBN烧结体刀具BN1000/BN2000的开发成功，使燃油喷射器零件一类小零件和高硬度淬火钢切削，低刚性环境下的切削等应用中，实现了刀具寿命的延长。以往的涂层CBN烧结体刀具中加入了新型无涂层CBN烧结体刀具，在范围更广泛的淬火钢加工领域，都可采用CBN刀具进行切削加工，可期待为实现制造业的高效化和降低成本做出贡献。