硬切削(高速切削技术的一个应用领域)是指在车床上采用陶瓷、超硬CBN、超细硬质合金等超硬刀具加工淬硬材料(通常硬度在54-63HRC之间)——淬硬钢、灰铸铁、球墨铸铁、粉末冶金和特殊材料零件的一种加工方法。这种加工通常作为最终加工或精加工。与传统磨削相比,它具有效率高、灵活性好、工艺简单、投资少等优点,在耗时长、成本高的磨削抛光加工场景中得到越来越多的应用。
例如在汽车工业中,用CBN立方氮化硼刀具加工20CrMo5淬硬齿轮(60HRC)内孔代替磨削,表面粗糙度可达0.22μm,已成为国内外汽车工业大力推广的一项新工艺。
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对于高硬度钢,传统的加工方法主要是在退火条件下对工件进行粗加工,然后进行热处理,最后进行磨削加工,完成工件的加工。硬切削技术不同于传统的加工方法,它比传统加工方法加工工序少,通过省去第二次热处理来节省加工时间,硬加工技术提供了更高的灵活性,提高了材料去除率,甚至可以实现干加工。由于超硬材料刀具的出现和数控机床等加工设备精度的提高,利用硬切削代替磨削来完成零件的最终加工——以车代磨已成为一种新的、重要的精加工方法。
硬切削可以大大缩短工艺流程,增加加工工艺的灵活性,减少企业设备投入,提高生产率,具有巨大的经济效益。由于硬切削基本不使用切削液,有利于环保,因此硬切削越来越受到人们的重视。当然,这种超硬材料刀具并不便宜,但经过实际应用,你一定会发现哪种方法更适合你的实际要求,哪种使用起来更划算,能为你的产品创造更多的价值。
硬切削刀具材料
硬切削刀具材料类型
高速硬切削需要使用硬、超硬刀具材料。可用于高速硬切削的超硬刀具材料主要有金刚石、聚晶立方氮化硼(PCBN)、陶瓷、TiC(N)基硬质合金等。其中金刚石主要用于加工高硬有色金属和非金属材料,聚晶立方氮化硼、陶瓷和TiC(N)基硬质合金主要用于加工高硬钢、铸铁和高温合金。
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硬质合金铣刀具有良好的抗拉强度和断裂韧性,但其硬度低、高温稳定性差,限制了其在高速硬切削中的应用。而细晶粒和超细晶粒硬质合金经过晶粒细化后,硬质相尺寸更小,粘结相在硬质相周围分布更均匀,提高了硬质合金的硬度和耐磨性,在硬切削中得到广泛的应用。
硬质合金行业中的金属陶瓷刀片一般是指以Co或Ni为结合相的TiCN/TiC/TiC/TiC/S等,很多情况下还加入元素周期表中VB、VB族金属及VB族金属的一种或多种氮化物作为添加剂,以增强金属陶瓷的力学性能和高温性能。
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陶瓷刀具材料包括氧化铝(Al2O3)、氮化硅(Si3N4)和硅铝氧氮化物(SiAlON)陶瓷。由于Si3N4和SiAlON陶瓷具有相对较高的韧性,尤其是其高温韧性,因此用这种材料制成的刀具最适合切削铸铁和耐热高温合金。NTK的五种黑色陶瓷材料是通过在氧化铝中添加碳化物来增强韧性和硬度而制成的。它们具有高温红硬性和低塑性,可用于车削合金钢、冷加工或球墨铸铁卷以及硬度高达HRC62的粉末冶金金属。
由于陶瓷刀具很脆,为了提高陶瓷刀具的刃口强度,必须采用负倒角,一般选用T形或双T形刃口。陶瓷刀具在切削过程中不能使用液态切削液,因此陶瓷刀具材料一般向增韧、自润滑方向发展。
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立方氮化硼(CBN)是以六方氮化硼(俗称白石墨)为原料,采用超高温高压技术合成的一种新型无机超硬材料,是一种硬度仅次于金刚石的合成材料,具有强度高、硬度高、耐磨性好、耐热性好等特点。PCBN材料是硬切削理想的刀具材料,化学性能稳定,导热性好,耐热温度为1400-1500℃。PCBN刀具材料中CBN含量和金属结合剂的类型是影响PCBN材料性能的主要因素。可用于高温合金、淬火钢、冷硬铸铁等材料的半精加工和精加工。
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金刚石是碳的同素异形体,是自然界中最坚硬的物质。 金刚石工具 金刚石刀具具有高硬度、高耐磨性和高导热性,广泛应用于有色金属和非金属材料的加工。特别是在铝、硅铝合金的高速切削中,金刚石刀具是难以替代的主要切削刀具品种。但金刚石刀具的缺点是热稳定性较差。
当切削温度超过700℃~800℃时,就会完全失去硬度;另外,金刚石(碳)在高温下易与铁原子发生反应,使碳原子转变为石墨结构,刀具易损坏,因而不适宜切削黑色金属。根据来源和工艺路线不同,金刚石工具可分为以下三类。
天然金刚石刀具。天然金刚石作为切削刀具的应用已有数百年的历史,天然单晶金刚石刀具经过精磨后,可变得极其锋利,刃口半径可达0.002μm,可实现超薄切削,并可加工出极高的工件精度和极低的表面粗糙度,是公认的、理想的、不可替代的超精密加工刀具。
PCD金刚石刀具。天然金刚石价格昂贵,切削加工中广泛应用的金刚石是聚晶金刚石(PCD)。自20世纪70年代初以来,采用高温高压合成技术制备的聚晶金刚石(Polycrystauinediamond,简称PCD刀片)研制成功,人造聚晶金刚石已多次取代天然金刚石刀具。PCD原料丰富,其价格仅为天然金刚石的几十分之一至十几分之一。PCD刀具不能磨出极其锋利的刃口,加工后的工件表面质量不如天然金刚石,目前工业上不易制造带断屑槽的PCD刀片。因此,PCD只能用于有色金属和非金属的精密切削,难以实现超精密镜面切削。
CVD金刚石工具。20世纪70年代末至80年代初,日本出现了CVD金刚石技术。CVD金刚石是指用化学气相沉积法(CVD)在异质基体(如硬质合金、陶瓷等)上合成金刚石膜。CVD金刚石具有与天然金刚石相同的结构和特性。
CVD金刚石的性能十分接近天然金刚石,它兼具天然单晶金刚石和聚晶金刚石(PCD)的优点,又在一定程度上克服了它们的缺点。
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对刀具进行涂层处理是提高刀具性能的重要途径之一。涂层刀具的出现使刀具切削性能有了重大突破。涂层刀具是在坚韧的刀具基体上涂覆一层或多层耐磨性好的难熔化合物。它将刀具基体与坚硬的涂层结合在一起,从而大大提高了刀具的性能。涂层刀具可以提高加工效率,提高加工精度,延长刀具寿命,降低加工成本。
硬切削刀具的特点
硬切削技术切削的工件主要是高硬度工件,切削过程中切削力较大,切削过程中一般不使用冷却液,温度可达900℃,刀具易磨损,这就要求硬切削刀具具有强度高、耐高温、化学性能稳定、导热性好、耐磨性好等特点。