超硬材料網

　　目前，PCBN刀具的應用相當普遍，而CBN成形磨削由于設備、刀具的經濟性，普及面不廣。如何提高生產效率、降低制造成本，以具有競爭力的價格向客戶提供高質量的產品，通過不斷的努力，杭齒實現了滿足產品零件精度要求的CBN成形磨削工業應用，在設備投資、CBN磨輪制造成本和刀具使用壽命等方面均具有較好的經濟性。
　　
　　CBN是立方氮化硼英文名稱(CubicBoronNitride)的縮寫，它是硬度僅次于金剛石的一種人工合成無機晶體材料，廣泛地用于機械加工工業。各工業發達國家都把CBN作為達到高效率、節約能源、超精密和操作自動化加工等目的的重要材料加以發展。
　　
　　專家研究表明：當溫度達到700℃左右時，金剛石的硬度會有較明顯的下降趨勢，而CBN材料仍能保持相當的硬度。這說明CBN的熱穩定性(紅硬性)明顯優于金剛石。由于鐵系金屬高溫時對碳元素有著很強的親和作用，因此，由純碳元素組成的金剛石不宜用作加工鐵系金屬的刀具材料。而CBN由硼、氮兩種元素組成，高溫時不容易和鐵系金屬發生化學反應，CBN刀具的出現使得對淬火鋼的切削成為了可能。
　　
　　我公司從1996年開始批量生產重型汽車變速器，涉及的部分典型零件經過滲碳淬火，表面硬度為HRC58～63。為了達到零件設計要求，迫切需要應用CBN刀具來解決傳統工藝方法中遇到的加工難題。
　　
　　在工作實踐中，我公司對CBN刀具的應用主要體現在兩方面：一是采用PCBN刀具車削淬硬鋼實現“以車代磨”工藝；二是采用自制CBN磨輪實現CBN成形磨削的工業應用。
　　
　　應用PCBN刀具實現“以車代磨”
　　
　　PCBN是聚晶立方氮化硼英文名稱(PolycrystallineCubicBoronNitride)的縮寫。由PCBN刀具坯料經過切割、焊接和刃磨制成的PCBN刀具具有良好的切削性能，主要表現在以下幾個方面：
　　
　　高硬度和耐磨性
　　
　　CBN的硬度僅次于金剛石，對于可切削黑色金屬的刀具材料來說，PCBN刀具的硬度最高。PCBN刀具的耐磨性可以達到涂層刀具和陶瓷刀具的5～10倍，因此，使用PCBN刀具能夠明顯減少生產加工中的換刀次數，提高被加工工件的精度與互換性，縮短產品生產周期。
　　
　　良好的導熱性和熱穩定性
　　
　　PCBN刀具在800℃時的硬度仍高于硬質合金刀具和陶瓷刀具的常溫硬度，在1200℃時仍能保持較高的硬度，而且隨著溫度的升高，其導熱系數也隨之升高。因此，PCBN刀具能夠很好地滿足硬態切削、高速切削和干切削時的惡劣加工條件對刀具材料的要求。
　　
　　高的化學穩定性
　　
　　由于CBN的化學惰性特別大，在1200～1300℃時也不會與Fe、Ni、Co等元素發生化學反應，所以PCBN刀具在切削加工時的化學磨損相對于其它刀具材料較小，可用于加工各種材料的工件。
　　
　　較低的摩擦系數
　　
　　CBN與不同材料間的摩擦系數為0.1～0.3，而且隨著切削速度的提高，PCBN的摩擦系數呈減小趨勢，從而使切削力減小，減少切削時的刀屑粘結現象，有利于提高加工精度以及表面質量。
　　
　　我公司重型汽車變速器中的二軸部件因功能、結構的需要，二軸的多檔花鍵沉割槽、各擋圈槽側面軸向尺寸精度高，公差范圍為plusmn;0.03～±0.10mm，且均有較苛刻的端面跳動和表面粗糙度要求。零件采用20CrMnTiHA3材料，滲碳淬火，表面硬度為HRC58～63。由于材料穩定性、熱處理技術水平等方面原因，零件在熱后往往有較大的變形量。為了達到設計要求，傳統工藝方法往往通過磨削來實現零件熱后的精加工工序。該軸形狀較復雜，普通磨削設備難以滿足加工要求，必須引進專用磨床。但此類設備在國內外較少生產，而且價格高昂，適用性方面也不理想。
　　
　　經技術資料檢索、設備調研和經濟技術分析，我們認為硬切削工藝的綜合經濟指標優于磨削工藝。于是，最終決定采用PCBN刀具硬切削(如圖2所示)，實現“以車代磨”。
　　
　　由于硬切削要求加工機床的剛性好、基礎穩定、工作軸運動精度高，我們選用了長城機床廠的CK7820數控車床。
　　
　　硬切削的切削力較大，切削溫度較高，為保證加工精度、表面質量及刀具壽命，通過多次切削試驗，我們選擇了合適的PCBN刀具和冷卻潤滑液，確定了合適的切削參數，積累了實用的加工經驗。
　　
　　“以車代磨”工藝在我公司重型汽車變速器批量生產中的應用，解決了傳統工藝難以實現的加工難題，生產效益顯著。另外，“以車代磨”工藝產生的切屑可回收處理，不象傳統磨削工藝產生的特殊垃圾難以處理。因此，新工藝的應用對保護環境也是十分有利的。
　　
　　CBN成形磨削工業應用
　　
　　CBN砂輪可以高效高質量地高速磨削金屬工件，在德國乃至歐洲的磨床上已得到了廣泛的應用。應用CBN砂輪的磨削速度已接近于聲速，從而大大提高了生產效率。由于CBN砂輪的損耗非常小，其成型磨削的精度極易保證。但是，CBN砂輪的制作技術卻制約著高速磨削技術的發展。因此，如何高精度地制作CBN砂輪成為了高速磨削技術的關鍵。
　　
　　我公司近年來引進的HOFFLERHELIX400、Gleason®245TWGThreadedWheelGrinder等高端數控磨床均能很好地實現CBN砂輪成形磨削工藝，但由于綜合成本高昂，同類設備的總體數量又不多，難以形成經濟的規模加工能力。
　　
　　我公司自1996年開始批量生產重型汽車變速器時，其中的中間軸由于結構限制，一端齒寬125mm的直齒無法使用普通磨齒設備磨削。為此，我們分析了該零件的精度要求和現有設備的可用性，提出了一種比較經濟的CBN砂輪成形磨削工藝(如圖3、4所示)。首先，我們利用公司內部現有的高精度CNC車床、CNC磨床突破了CBN砂輪基體的加工難題。然后，工藝部門的工程師通過技術文獻檢索和技術試驗，較好地掌握了CBN鍍覆技術(TheElectroplatingProcess)。此外，CBN砂輪的重鍍與翻新技術(TheReplatingandRefurbishment)在保持砂輪重復使用精度的條件下，也保證了砂輪基體的高利用率，降低刀具制造成本。第三，我們通過改造M8612A花鍵軸磨床作為專用磨床，節省了高昂的設備投資。第四，通過工藝實驗，選用適當的礦物油作為冷卻潤滑液，并確定了合適的切削參數。
　　
　　通過上述工作，我們實現了滿足產品零件精度要求的CBN成形磨削工業應用。在設備投資、CBN磨輪制造成本和刀具使用壽命等方面，我們現有的工藝均具有較好的經濟性。
　　
　　結論
　　
　　PCBN刀具應用目前是相當普遍的，CBN成形磨削由于設備、刀具的經濟性，普及面不廣。我公司的CBN成形磨削雖然是因陋就簡的“土辦法”，卻具有較好的經濟性。國外進口CBN磨輪、CNC設備的優越性當然是無法回避的，所以我在本文中的敘述更多地強調了“滿足產品零件精度要求”的“實用”型工業應用。
　　
　　盡管我們在實踐中取得了進步，但實際生產中仍然存在許多不足，主要表現在以下四方面。
　　
　　合理使用PCBN刀具，準確判斷PCBN刀具的耐用度是關鍵。
　　
　　有關文獻要求在PCBN刀具后刀面磨損標準達0.3～0.5mm(精車時取小值)時，進行定期重磨為好。但是重磨需要一定的設備和技巧，最好是能引進多功能工具磨床。由于條件所限，我公司目前仍在普通工具磨床上刃磨，就設備、人員技術素質而言，難以保證刀具的重磨質量；
　　
　　PCBN刀具焊接技術仍需提高，目前仍有10％～30％的刀具損壞是由焊接質量不好所引起；
　　
　　CBN磨輪使用壽命仍有待于提高，其中CBN鍍覆技術的切實提高是關鍵；
　　
　　CBN磨輪基體的制造精度仍不能令人十分滿意。