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立方氮化硼(CBN)单晶的应用

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2018/06/01 15:28
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   立方氮化硼(CBN)单晶的应用

  目前,立方氮化硼(CBN)主要用于制造磨具与刀具,就是说用于磨削和切削。

  CBN磨具与普通磨具(刚玉,碳化硅磨具)相比,具有磨削锋利、耐磨性好、加工效率高(便于实现自动化)、加工表面质量优(工件表面内有压应力)、加工精度高、使用寿命长、单位加工成本低、节能和改善环境等优点,因而它广泛应用于汽车、拖拉机、轴承、机床、齿轮、工具、磨具、航天航空、军工等许多行业,特别是适用高速钢、耐热钢、不锈钢、热敏材料等硬度高、韧性大、高温强度高、热传导率低的材料的精密磨削加工。

  陶瓷CBN磨具不仅具有切削锋利、切削力小、生产效率高、使用寿命长、易于整形与修锐、磨削精度高等优点,而且还具有磨削工件温度低、能消除表面拉应力而产生残余应力,使工件耐用度提高30%-50%的特点,因此,陶瓷结合剂CBN磨具近年来获得异军突起的发展。

70年代,由于陶瓷结合剂CBN具有独特性能而引起人们注意。但早期的陶瓷结合剂CBN磨具主要用于磨削钢;

80年代,随着新型高气孔陶瓷结合剂的开发,数控机床(CNC)CBN专用高速机床的发展以及柔性制造系统(FMS)的出现,陶瓷结合剂CBN磨具成为各种CBN磨具中发展最快的一个品种。呈现大幅度上升趋势。

90年代,由于轻触修整CBN技术(TDC技术),识别切入声发射(AE)技术以及激光修整技术的应用,小尺寸CBN专用磨床的开发,CBN磨具的强力规程磨削和超高速磨削获得新的发展。

  陶瓷CBN磨具作为一类高速、高效、高精度、低磨削成本、低环境污染的高性能磨具产品,代表了当今磨具产品的一个主要发展方向,应用前途十分广阔。工业发达国家陶瓷结合剂CBN磨具应用已由难加工材料扩展到一般材料,由一般磨削(内、外圆磨削)扩展到成型磨削、精密磨削、无心磨削、多缓进给磨削、高速磨削、珩磨等多种磨削形式,应用领域涉及工具、刃具、轴承、拖拉机、摩托车、机床、航天、军工、陶瓷等许多工业领域。

  凸轮轴是发动机的重要零件之一,它的加工质量对发动机的燃烧和动力特性有着直接影响。同时,凸轮又是一种非圆磨削的工件,其磨削余量大,生产效率高,材料难磨,精度要求高,加工技术难度大。十年前,有关使用CBN磨具磨削凸轮的指导只在有限的国外文献中见到。在大规模工业化生产中使用CBN专用数控凸轮磨床磨削凸轮轴的技术在某些西方发达国家也刚刚进入实用阶段。至90年代中期,工业发达国家的多数汽车制造厂均已采用了CBN磨具磨削凸轮轴,国内主要的轿车生产线上也陆续引进了这项技术。

  工业化国家在研究CBN磨削技术的一个显著特点是将CBN磨料、磨具、磨床和磨削工艺作为一个系统工程来进行。如美国在90年代初,为解决凸轮轴的磨削技术,联合了GE公司(CBN磨料)Norton公司(磨具)Landis公司(磨床)三家本行业的顶级公司联合攻关。他们最终是以高速CBN磨具、高速数控CBN专用磨床和CBN磨削工艺一整套技术提供给了市场,这一经验值得我们学习。

  为适应我国经济建设的需要,自1997年以来铁道部在我国主要铁路干线上进行了五次大提速,铁路机车运行速度由原来的60-80Km/h提高到180-200Km/h,铁路机车速度的提高对钢轨材料提出了更高要求,尤其是对钢轨的尺寸磨损要求更加严格,通过对钢轨的修磨减少了由于滚动接触疲劳引起的钢轨损伤及钢轨侧面的磨损,可延长钢轨的使用寿命0.5-1倍。通过初步试验,CBN磨具可望得到应用,如果真是这样,那么将是CBN磨具应用的一个新的经济增长点。

PCBN材料的性能主要与CBN含量、粒度及结合剂种类有关。按其组织大致可分为两类:一类是Co等作粘结相,高CBN含量、高硬度、高传热率的PCBN,主要用于粗加工,切削高硬度合金钢、耐磨铸铁、硬质合金等较优;

另一类是以陶瓷作粘结相,低CBN含量、细粒度、耐高温的PCBN,主要用于精加工,切削材料以淬火钢、磨具钢、轴承钢为主。

  PCBN的应用领域:汽车工业50%,重型机械21%,轴承齿轮业6%,泵业9%,轧辊业5%,其它9%

  PCBN刀具加工材料:淬火钢65%,铸铁28%,耐热合金7%

  精磨是轴承精加工最常用的加工工艺,随着PCBN刀具的出现及数控机床等加工设备精度的提高,以硬态切削来代替磨削完成零件的最终加工已成为淬火轴承钢的一个新的精加工途径。如果将硬态切削与精磨工艺结合起来,则加工一个一般轴承零件所花的成本将比在磨床完成粗加工和精加工所花成本降低40%-60%

  国外以美国、德国和英国等为首率先在轴承生产上采用了硬态切削工艺,其产品的供货周期由原来的半年缩短到三个月,经济效益也是原来的5倍以上。