Situación actual y desarrollo de palas con formas especiales
La tecnología de corte moderna se está desarrollando hacia alta velocidad, alta precisión y alta eficiencia. Al mismo tiempo, la tecnología de corte tiene requisitos cada vez más altos para el rendimiento de la herramienta. El nitruro de boro cúbico policristalino (PCBN), como nuevo material para herramientas de corte sintetizado mediante métodos artificiales, tiene una dureza superada solo por el diamante natural. Actualmente es el material de herramienta más adecuado para el corte a alta velocidad de metales ferrosos. El nitruro de boro cúbico policristalino (PCBN) fue desarrollado por primera vez por General Electric Company (GE) en los Estados Unidos en el siglo pasado porque el material PCBN tiene alta dureza y resistencia al desgaste, alta estabilidad térmica y dureza a altas temperaturas, excelente estabilidad química y debido. Debido a su buena conductividad térmica y bajo coeficiente de fricción, las herramientas de corte PCBN han atraído la atención de países industrialmente desarrollados como Estados Unidos, Alemania, Gran Bretaña y Japón desde sus inicios. Después de más de 30 años de desarrollo, la investigación extranjera sobre herramientas PCBN básicamente ha entrado en una etapa de madurez y los productos también se han desarrollado hacia la diversificación y serialización. También hay algunas unidades y académicos en nuestro país dedicados al desarrollo y la investigación de herramientas de corte PCBN, pero en comparación con países extranjeros, están rezagados tanto en la síntesis de materiales PCBN como en la investigación sobre el rendimiento de corte de las herramientas de corte.
Como una de las principales herramientas alternativas del siglo XXI, las herramientas PCBN representan una proporción cada vez mayor del uso total de herramientas en los países industrializados. La empresa estadounidense GE cree que en los países industrializados los materiales para herramientas PCBN tendrán un mercado de 620 millones de dólares. El "Décimo Plan Quinquenal" para la industria de máquinas herramienta de mi país se centra en el desarrollo de máquinas herramienta CNC y sus componentes de soporte. En 2005, la demanda interna de hojas PCBN alcanzó 662.000 piezas (equivalentes a piezas de 30 mm). Según estudios de mercado y pronósticos científicos, el valor del consumo de herramientas PCBN en mi país alcanzará los 540 millones de yuanes en 2010. Desde que la American GE Company desarrolló el polvo monocristalino de nitruro de boro cúbico (CBN) en 1957 y desarrolló con éxito herramientas de corte PCBN en la década de 1970, después de más de 30 años de desarrollo, las herramientas de corte PCBN han madurado gradualmente. En la actualidad, las herramientas PCBN se sueldan principalmente mediante hojas PCBN y mangos de herramientas o hojas indexables. En los últimos años, existen cada vez más tipos de hojas PCBN integrales. La hoja de PCBN es un conjunto compuesto formado sinterizando directamente una capa de PCBN de aproximadamente 0,5 mm sobre un sustrato de carburo cementado. Este material no solo tiene la alta dureza, alta estabilidad térmica y alta estabilidad química del PCBN, sino que también tiene las ventajas de una buena resistencia del carburo cementado y una buena soldabilidad. Por lo tanto, las herramientas PCBN no solo pueden cortar piezas de trabajo de diversas durezas, sino que también son fáciles. para producir. La calidad de las plaquitas PCBN afecta directamente el rendimiento de corte de la herramienta. 2.1 Hojas de PCBN Hay dos métodos de producción principales para las hojas de PCBN sinterizadas: uno es el método de polimerización primaria, que polimeriza directamente el nitruro de boro hexagonal (HBN) en un cuerpo sinterizado de alta densidad; el otro es el método de polimerización secundaria, que primero es de alta densidad; Se sintetiza nitruro de boro cúbico de densidad (CBN) y luego se utiliza como materia prima para la sinterización a alta temperatura y alta presión para formar nitruro de boro cúbico policristalino. En la actualidad, el más común es el método de polimerización secundaria añadiendo aglutinante:
(1) CBN con aglutinante metálico añadido. Existen muchos tipos de aglutinantes metálicos sinterizados, principalmente Ni, Co, Ti, Ti-. Al et al. A la temperatura de sinterización, el aglutinante metálico se convierte en una fase líquida. La aparición de la fase líquida tiene un cierto efecto de promoción en la sinterización del CBN. La sinterización se puede realizar a temperaturas y presiones ligeramente más bajas. Además, debido a que el CBN es insoluble en aglutinantes metálicos, no existe un proceso de precipitación y disolución que pueda promover la contracción y el crecimiento de cristales. Durante el proceso de sinterización, el cobalto del carburo cementado penetra en los límites de los granos de CBN en estado líquido, uniendo el carburo cementado al cuerpo sinterizado de CBN. Las herramientas PCBN que contienen aglutinantes metálicos son menos duras que las herramientas sinterizadas de CBN puro, pero tienen buena tenacidad. Marcas como AMB90 de Element Six en el Reino Unido, BZN6000 de GE en Estados Unidos y MB710 producida por Mitsubishi en Japón están todas sinterizadas con aglutinantes metálicos.
(2) Sinterización de CBN con aglutinante cerámico añadido. Los aglutinantes cerámicos incluyen principalmente TiN, TiC, Al2O3, etc. Dado que es probable que se produzcan grietas durante el proceso de sinterización, se añaden más elementos de hierro (hierro, cobalto, níquel) y Mo o Mo2C al aglutinante cerámico para aumentar la resistencia entre los iones cerámicos y actuar como un medio de presión de fluido, lo cual es beneficioso para Dentro del cuerpo sinterizado se forma molibdeno sin deformación, lo que también mejora la humectabilidad entre las partículas cerámicas y los elementos de hierro.
El contenido de aglutinante de PCBN en los aglutinantes cerámicos es generalmente mayor y su tenacidad es peor que la de las herramientas aglutinantes metálicas, pero su resistencia a altas temperaturas es mejor. Dichos productos incluyen DBA80 y DBC50 de la empresa británica Element Six, BZN7000S y BZN8200 de la empresa estadounidense GE, NBX300 y NBX3200 de la empresa japonesa Sumitomo, etc.
(3) Sinterización de CBN puro El CBN policristalino también se puede sinterizar directamente en nitruro de boro cúbico policristalino sin agregar un aglutinante. El CBN sufrirá recristalización y crecimiento de granos durante el proceso de sinterización. Los granos policristalinos de CBN sinterizados no son los granos monocristalinos de CBN originales. Este tipo de herramienta de corte PCBN tiene buena resistencia al desgaste y larga vida útil, pero es frágil y tiene condiciones de temperatura duras, lo que dificulta la fabricación de una hoja con alta tenacidad y gran tamaño. La calidad de las palas con formas especiales se ve afectada por muchos factores, entre los cuales los cambios en diversos parámetros del proceso durante el proceso de sinterización tienen el mayor impacto en la calidad de las palas con formas especiales. Los materiales de los componentes, como los materiales aglutinantes/catalizadores y los materiales de matriz, así como la limpieza de la superficie de las partículas y el tamaño de las partículas, determinan el rendimiento de las palas perfiladas.
(1) Selección del sustrato Debido a la alta dureza, buena conductividad térmica y tenacidad del carburo de tungsteno, el carburo de tungsteno que contiene co se utiliza a menudo como sustrato de las hojas de PCBN. Como disolvente y aglutinante, el Co puede mejorar significativamente el grado de sinterización del CBN y mejorar la resistencia del PCBN [3], pero el contenido de Co en el carburo de tungsteno no puede ser demasiado alto. De lo contrario, la resistencia al desgaste de la hoja PCBN se verá afectada y se acortará la vida útil de la herramienta.
(2) Limpieza y tamaño de partícula de los granos de CBN La limpieza de la superficie de los granos de CBN afectará directamente la calidad de sinterización de PCBN. Por lo tanto, los granos de CBN deben procesarse estrictamente antes de sinterizar para eliminar la superficie. de los granos. Impurezas como humedad y óxidos. El método utilizado es principalmente calentar al vacío o gases reductores como hidrógeno y amoniaco durante 1 a 2 horas. De lo contrario, el exceso de impurezas afectará la unión entre los granos de CBN-CBN y entre el CBN y el aglutinante, reduciendo la resistencia y la resistencia al desgaste de la hoja de PCBN.
El tamaño de las partículas de CBN no solo afectará la calidad de la superficie de corte de las herramientas de PCBN, sino que también afectará la capacidad de sinterización del aglutinante durante la sinterización de PCBN. En términos generales, cuanto más pequeño sea el tamaño de partícula de CBN, mejor será la calidad de la superficie de corte, la resistencia al impacto de la herramienta y la resistencia al desgaste de las herramientas PCBN. Por lo tanto, cuando se procesa acero endurecido y se requiere una mayor calidad de la superficie (es decir, para lograr una "herramienta PCBN"), Girar en lugar de moler"), las partículas de CBN en la herramienta PCBN utilizada deberían ser más pequeñas. Pero, por otro lado, dado que la sinterización de las láminas de PCBN se logra mediante el "fenómeno capilar", es decir, varios elementos aglutinantes penetran en los espacios entre las partículas de CBN. Si las partículas de CBN son demasiado pequeñas, los espacios entre las partículas de CBN se formarán. ser reducido, lo que reduce la penetración de elementos aglutinantes. Por tanto, las partículas de CBN sinterizadas deberían ser más grandes. Teniendo en cuenta los dos factores anteriores, se debe seleccionar un tamaño de partícula más mixto al sinterizar CBN y se deben determinar diferentes rangos de tamaño de partícula de acuerdo con las diferentes capacidades de unión del aglutinante seleccionado.
(3) Contenido de grano de CBN El contenido de CBN tiene una gran influencia en la dureza y la conductividad térmica de las herramientas PCBN. Cuanto mayor sea el contenido de CBN, mayor será la dureza de la herramienta y mejor será la conductividad térmica. Las herramientas con alto contenido de PCBN (normalmente entre 80% y 90% de CBN) se basan en la unión directa entre CBN, lo que da como resultado una alta dureza y una alta conductividad térmica. Este tipo de herramienta PCBN es adecuada para procesar aleaciones y materiales de alta dureza con puntos de alta dureza en la estructura, como hierro fundido enfriado, aleaciones resistentes al calor, etc. En la actualidad, las principales hojas para herramientas de corte de este tipo incluyen la BZN6000 de GE, la AMB90 de Element Six, la BN100, BN600 de Sumitomo Electric, etc. La mayoría de las hojas de PCBN de bajo contenido utilizan aglutinantes cerámicos, que tienen buena resistencia al calor y son fáciles de procesar con acero endurecido (acero aleado, acero para rodamientos, acero para moldes, acero al carbono, etc.). Utilizan la retención de calor en la zona de corte. Para suavizar el efecto causado por la alta temperatura se corta el metal. Los BZN8100, BZN8200 de GE, DBC50 de Element Six, NB300, NB220 de Sumitomo Electric y CBN10, CBN100, CBN150 de Seco, etc., entran en esta categoría.
(4) Aglutinante Aglutinante necesario para la sinterización de CBN: cuanto más cercanas sean las propiedades físicas y químicas del CBN, mejor, para no debilitar el rendimiento de corte de la herramienta PCBN sinterizada ② Es fácil de usar. alcanzar la temperatura del punto de fusión o a esta temperatura Tiene buena plasticidad ③ Tiene suficiente actividad química en relación con el CBN y tiene el efecto catalítico del nitruro de boro hexagonal (HBN) en la conversión de CBN. En la actualidad, los aglutinantes de uso común se pueden dividir en aglutinantes metálicos (como Ni, Co, Ti, Ti-Al, etc.) y aglutinantes cerámicos (como TiN, TiC, TiCi, etc.), TiN, TiC, TiCN, Al2O3, etc.); según el papel del catalizador, se puede dividir en catalizadores (como Al, AlN, AlB2, Si, etc.) y agentes disolventes (como Ti, Ni, Co, TiN, TiC, TiCN, etc.). El tipo y contenido de aglutinante tienen diferentes efectos en el rendimiento de las hojas PCBN. El carburo, los nitruros y los carbonitruros pueden mejorar la resistencia al desgaste químico y la resistencia al impacto de las hojas de PCBN, pero un contenido excesivo reducirá la dureza de la herramienta y acortará su vida útil; el cobalto es el aglutinante más utilizado, que puede mejorar el grado de sinterización de la cerámica Ti de CBN; el aglutinante puede mejorar la dureza de las hojas de PCBN; el aluminio y los compuestos de aluminio pueden reaccionar con las partículas de CBN y otros aglutinantes para hacer que las partículas de CBN se unan más firmemente y mejorar la resistencia al desgaste de la herramienta. La mezcla con Al, AlN y AlB2 es una; catalizador eficaz para convertir HBN en CBN Agregar una pequeña cantidad de Al y Si al aglutinante cerámico también puede mejorar la fuerza de unión entre el CBN y formar una fase cerámica continua [12] con aluminio. La hoja compuesta de PCBN con níquel ácido como aglutinante; Es conductor y adecuado para cortar mediante mecanizado por descarga eléctrica de bajo coste. Debido a los diferentes aglutinantes, las hojas de PCBN actuales suelen tener dos características: una es una alta resistencia al desgaste (alto contenido de CBN, aglutinante catalítico) y la otra es una buena resistencia al impacto (bajo contenido de CBN, aglutinante cerámico). En la actualidad, los fabricantes nacionales y extranjeros de cuchillas con formas especiales son desiguales y la calidad de las cuchillas con formas especiales también es muy diferente. Sin embargo, en términos generales, existe una cierta brecha entre las cuchillas nacionales con formas especiales y los productos extranjeros en términos de calidad. , especificaciones y variedad. Con la continua profundización de la investigación y la fabricación, ahora se han serializado hojas extranjeras con formas especiales, lo que ha traído especialización en la aplicación. Por otro lado, el tamaño de las láminas compuestas de PCBN también es mayor y las especificaciones disponibles actualmente son 57 mm y 74 mm; , 101,6 mm, etc. Las láminas compuestas de gran tamaño no solo reducen el costo por unidad de área y aumentan la tasa de utilización, sino que también pueden satisfacer mejor los requisitos del usuario para fabricar palas de diversas especificaciones. Además, la introducción de hojas integrales (como Seco CBN100, CBN30, CBN300, etc.) ha superado las limitaciones de profundidad de corte causadas por el pequeño tamaño de las hojas de PCBN soldadas y el riesgo de falla de PCBN causado por fallas en el proceso de soldadura. Los materiales de las hojas PCBN también están avanzando hacia Con el desarrollo de formas diversificadas, se han desarrollado y utilizado con éxito hojas recubiertas de formas especiales en la producción industrial (como Sumitomo BNC80, 74 mm, 101 mm, etc.). Como Sumitomo BNC80, BNC150, BNC200; Seco CBN50C, CBN400C, etc.).