最新高硬度材料加工用刀具的功能和特性、现状和展望

365Hits2014-10-11 17:07:55　Source:Sumitomo Cutting tools

1.前言

　　立方晶体氮化硼(cBN)具有优异的特性，高硬度与高热传导率仅次于金刚石，与铁基金属的反应活性较低。采用特殊陶瓷粘结剂对cBN粉末进行烧结制成的cBN烧结体刀具“SUMIBORON®”，是一种可以实现对以往只能用磨削方法加工的淬火钢等高硬度材料进行切削加工的刀具(1)。最近、在有关地球环保问题的意识不断提高的背景下，对可以降低功耗，减少CO2排放的高速加工、高效加工，以及传统以磨削加工为主的高精度加工用途中，以减少磨削垃圾等工业废弃物为目的的切削化加工的需求不断高涨。而且，为了提高机械零件的功能，材料的难切削化、形状复杂化、对加工的精度要求正在不断提高。
　　为了满足这些要求，本公司开发并经销能对淬火钢进行高速、高精度、高效切削的涂层SUMIBORON BNC系列产品BNC100、BNC160、BNC200、BNC300。本资料将介绍该BNC系列的功能、切削性能及最新的切槽加工刀具。

2. 涂层SUMIBORON BNC系列的特长(2)

　　BNC系列的规格和特性如表1所示。采用PVD法将专为cBN烧结体开发的以TiCN和TiAlN为主要成分的各种陶瓷对BNC系列进行涂层处理，从而使刀具能发挥前所未有的高功能。以下介绍BNC系列各种材质的特性。

2-1 高速切削用材质BNC100(3)

　　BNC100与以往材质相比，通过提高TiN结合相的耐热性，改善了耐磨损性能，采用1μmcBN粒径和微粒cBN，增加了烧结体的强度。再加上TiAlN和TiCN的复合涂层，进一步提高了BNC100的耐磨损性。该复合涂层可抑制高速切削中月牙洼磨损的进展。BNC100的切削性能如图1所示。这样，在切削速度250m/min的高速区域，与以往材质相比后刀面磨损少，使BNC100可适用于高速切削。

2-2 高精度切削用材质BNC160

　　BNC160是在耐磨损性和耐崩损性平衡度优异的cBN烧结体上进行平滑性TiAlN和TiCN复合涂层处理的刀具。这些使刀具在高速高效的切削条件下也能保持稳定的使用寿命，并能获得优异的耐磨损性和稳定的表面粗糙度。
　　高精度加工要求能达到平滑的精加工表面和严格的尺寸精度。使用BNC160切削淬火钢时工件的尺寸精度、切削3km时刀具的损伤形态和表面粗糙度如图2所示。以往的高精度加工用材质虽然能获得优良的精加工表面粗糙度，但由于耐磨损性不足会导致尺寸精度不稳定，而BNC160在Rz1.6μm且IT6级的高精度零件的切削加工中也能实现长寿命。

2-3 高效切削用材质New BNC200

　　本公司从2000年起销售世界首创的涂层cBN材质刀具BNC200，促进了高硬度材料的切削化加工。New BNC200在BNC200的烧结体基础上进行了改进，与BNC200相比，耐崩损性达到1.5倍以上。New BNC200的母材采用即使在高温下也能保持强韧性的cBN烧结体，在大切深、大进给量的重载连续切削和断续切削中也能保持稳定的耐崩损性，是一种优异的通用型刀具。而且New BNC200所采用的TiAlN系涂层，具有优异的高硬度和耐崩刃性能，由于对钢铁的化学稳定性好，在淬火钢切削中表现出优良的耐磨损性。使用New BNC200切削淬火钢时的切削性能如图3所示。图中表示耐磨损性和耐崩损性保持平衡的优良性能。淬火钢切削中首先要求具有稳定的耐崩损性，因此，New BNC200是淬火钢切削的首选材质。

2-4 断续切削用材质BNC300(4)

　　BNC300凭借烧结体组织的精细化、均质化，降低了崩损前兆的发生，采用TiN系的特殊粘结剂，提高了cBN粒子与粘结剂的结合力。于是提高了cBN烧结体的耐崩损性，BNC300是BNC系列中抗折力最强的材质。与以往涂层相比，采用强度和紧密结合力均大幅提高的TiAlN系特殊陶瓷涂层，可抑制强断续切削中的涂膜剥离和崩损，提高了耐磨损性。同时具有油孔、细齿等强断续部和要求刀具耐磨损性的连续部位的零件，在淬火后的断续切削中BNC300也能保持长使用寿命。BNC300在淬火钢强断续切削时的切削性能如图4所示。BN300在类似U形槽的强断续切削中，也能发挥优异的耐崩损性和良好的耐磨损性。

　　最后，这些涂层SUMIBORON BNC系列的适用领域如图5所示。

3.涂层SUMIBORON BNC系列的使用实例

3-1 涂层SUMIBORON BNC系列的切削实例

　　图6列举了各种涂层SUMIBORON BNC的切削实例。首先介绍使用BNC100进行高速精加工切削的实例。行星齿轮的内孔加工，受到生产率的制约必须采用250m/min进行高速切削，表面粗糙度为严格的Ra=0.4μm规格。本例加工中以往的材质由于月牙洼磨损的进展而产生崩损。而BNC100同时具有优异的耐磨损性和耐月牙洼磨损性，使用寿命达到以往材质的1.4倍，切削距离长达43km。如此，在要求耐磨损性的高速精加工中使用BNC100，可同时实现高速化和长寿命化。

　　介绍输入轴零件的外圆连续高精度切削中使用BNC160的实例。本输入轴加工的要求精度：表面粗糙度规格Rz=1.6μm、尺寸公差16μm。如此高精度切削中，使用以往的cBN材质，磨损进展快，切削80个时表面粗糙度和尺寸精度就开始不稳定了。而BNC160耐磨损性优异，可实现Rz=1.6μm、IT6级的稳定加工，并且使用寿命长达以往cBN材质的1.5倍以上。如此，在Rz1.6μm且IT6级的高精度零件切削加工中，使用BNC160可以实现长寿命化。
　　接着介绍New BNC200的实例。轴承钢的内孔、端面精加工，由于切削部位壁薄刚性低，常因磨损的进展导致崩损。New BNC200的磨损进展慢，而且耐崩损性优异，刀具寿命延长了2倍。如此，在大切深、高速进给的高效连续加工中，使用New BNC200可实现刀具寿命的稳定化及长寿命化。
　　下面介绍BNC300的实例。淬火钢齿轮零件的带油孔外圆、端面断续加工，端面带螺栓孔、外圆带油孔，使用以往cBN材质，端面发生崩损，外圆因耐磨损性不足需频繁进行尺寸修正。采用BNC300的刀刃处理强化设计HS型，端面无崩损，外形尺寸也稳定，可实现断续加工的IT6级稳定加工。采用BNC300已成功将加工数量提高到1.8倍。如此，在断续切削中，由于使用BNC300，能大幅提高抑制崩损的稳定性，实现长寿命化。

3-2 减功耗实例

　　图7表示使用New BNC200减少功耗的实例。外圆、端面加工中以往材质的刀具使用切削速度Vc=120m/min进行加工。而使用New BNC200时，由于耐磨损性、耐崩损性优异，即使带螺栓孔的断续切削，在Vc=180m/min的加工中也能发挥稳定的长寿命。在本加工中以往材质的刀具切削时间要64秒/个，耗电要0.054kwh/个；而使用New BNC200，成功实现切削时间40秒/个，效率约提高40%，耗电0.043kwh/个，约减少20%。如将本生产线的产量以月产10,000个计算，则可减少耗电5,160kwh。将CO2排放量以排放系数0.00041tCO2/kwh(2006年国内电力公司平均值)来换算，年度约可减排2tCO2。如此，使用New BNC200不仅可实现加工高效化，减少电能消耗，还能降低CO2的排放量。

4. SUMIBORON切槽Turning toolsGWB型

　　近年来为了提高生产率，淬火钢切槽工序中不管连续部位还是断续部位，都积极进行修磨处理。
图8所示的SUMIBORON切槽Turning toolsGWB型通过采用纵向刀片，大幅提高了刀具刚性，加上使用新开发的双重夹紧式刀杆，在要求高刚性的淬火钢连续、断续加工中提高了稳定性，而且还适用于横向进给的切削加工。图9表示GWB型的切削性能。以往刀具由于刚性不足导致崩刃，未能达到Ra=0.4μm的表面粗糙度规格即结束了刀具的使用寿命。而使用GWB型后，能抑制崩刃的发生，大幅提高刀具的使用寿命。

5.结论

　　本次介绍了使用最新的涂层SUMIBORON BNC系列和SUMIBORON切槽Turning toolsGWB型，可实现淬火钢的高速、高效、高精度加工的内容。通过有效利用这些刀具，还可期望减少耗电和CO2排放等，对环保做出贡献。cBN烧结体刀具的高性能化和加速开发能发挥材料特性的刀具形状，不仅可提高生产率，而且还是一种环保型刀具，可以预期cBN烧结体刀具市场将会不断扩大。