1. Введение
Поскольку спрос на высокоточную и высокоэффективную обработку в современном производстве продолжает расти, режущие инструменты, как один из ключевых элементов обработки, сталкиваются с серьезными проблемами и огромными возможностями. Твердые лезвия из поликристаллического кубического нитрида бора (PCBN) появились в области обработки труднообрабатываемых материалов благодаря своим превосходным физическим и химическим свойствам и стали предметом исследований многих научно-исследовательских институтов и предприятий. Целью данного отчета является предоставление углубленного анализа характеристик, процесса подготовки, состояния применения и тенденций развития цельных лезвий из PCBN, а также предоставление справочной информации по соответствующим исследованиям и промышленным разработкам.
2. Обзор цельных лезвий PCBN
(1) Определение и структура
Твердые пластины PCBN относятся к режущим инструментам, полностью изготовленным из поликристаллического материала кубического нитрида бора, без добавления других вспомогательных компонентов или с добавлением лишь очень небольшого количества других вспомогательных компонентов. Его микроструктура демонстрирует близко расположенные зерна CBN, которые конденсируются в процессе спекания при высокой температуре и высоком давлении или специальной химической связи и имеют высокую плотность и однородность.
(2) Эксплуатационные характеристики
Сверхвысокая твердость: твердость может достигать 3000-5000HV, уступая только алмазу, и позволяет эффективно резать различные труднообрабатываемые материалы с твердостью до HRC50 или выше, такие как закаленная сталь, закаленный чугун, высокотемпературный сплавы и т.д.
Отличная термическая стабильность: в условиях высоких температур (обычно до 1000–1200 °C) он по-прежнему сохраняет хорошие режущие характеристики, а лезвие нелегко размягчиться и изнашивается, что обеспечивает долговечность и точность обработки.
Превосходная износостойкость: по сравнению с традиционными твердосплавными лезвиями износостойкий срок службы лезвий из PCBN может быть увеличен в несколько или даже десятки раз, что сокращает время простоев, вызванное частой сменой инструмента, и повышает эффективность производства.
Хорошая химическая стабильность: он обладает высокой коррозионной стойкостью к большинству металлов и сплавов, позволяет избежать выхода инструмента из строя из-за химических реакций во время обработки и подходит для различных сложных условий работы.
3. Технология комплексной подготовки лезвий PCBN.
(1) Выбор сырья и предварительная обработка
Высококачественный микропорошок CBN является основой для изготовления монолитных лопаток PCBN, для которых необходимы однородный размер частиц, высокая чистота и хорошая кристаллическая форма. Обычно выбирается порошок CBN с размером частиц 0,5–10 мкм, который подвергается строгим процессам предварительной обработки, таким как травление, шаровое измельчение и классификация, для удаления примесей и оптимизации свойств порошка для обеспечения последующего качества спекания.
(2) Процесс спекания
Спекание при высокой температуре и высоком давлении (HTHP): это наиболее распространенный метод приготовления. Предварительно обработанный порошок CBN загружается в графитовую форму и выдерживается в течение определенного периода времени под высоким давлением 5–8 ГПа и высокой температурой 1200 ° C. - 1800°C для содействия формированию прочных связей между зернами CBN. В зависимости от того, добавлено ли связующее, его можно подразделить на:
Прямое спекание: без добавления какого-либо связующего вещества полученное лезвие из PCBN имеет высокую чистоту и высокую твердость, но процесс спекания чрезвычайно сложен и требует строгого оборудования, а прочность продукта относительно низкая и склонна к образованию трещин. Он подходит для обработки супер-. твердые и чувствительные поверхности. Материалы с чрезвычайно высокими требованиями к качеству.
Спекание со связующим: обычно используемые связующие включают металлы (например, Ti, Co, Ni и т. д.) и керамику (например, TiN, Al₂O₃ и т. д.). Металлические связующие могут эффективно снизить температуру и давление спекания и улучшить прочность лезвия, но в определенной степени пожертвуют твердостью; керамические связующие могут помочь улучшить высокотемпературные характеристики и химическую стабильность лезвия, но ударная вязкость немного недостаточна. Путем правильного смешивания типа и содержания связующего можно настроить производительность лезвия в соответствии с различными потребностями обработки.
Искрово-плазменное спекание (SPS). В качестве новой технологии спекания SPS использует мгновенное высокотемпературное поле, создаваемое импульсным током, для достижения быстрого спекания порошка CBN при более низком давлении (обычно менее 100 МПа). Этот метод имеет короткое время спекания (от нескольких минут до десятков минут), позволяет эффективно подавлять рост зерен и готовить лезвия из PCBN с однородной и плотной микроструктурой и высокими комплексными характеристиками. Однако стоимость оборудования высока, а контроль температуры и тока в процессе спекания сложен, поэтому крупномасштабное промышленное применение по-прежнему сталкивается с проблемами.
(3) Процесс постобработки
Лезвия из спеченного ПКБН обычно подвергаются процессам последующей обработки, таким как шлифовка, полировка и заточка, для получения точных геометрических размеров, острых режущих кромок и хорошей чистоты поверхности. Среди них особенно важен процесс заточки. Он требует использования высокоточных шлифовальных станков и специальных алмазных шлифовальных кругов для строгого контроля параметров кромки (таких как угол наклона кромки, передний угол, задний угол и т. д.) для обеспечения резки. Производительность и режущая сила лезвия в процессе резки. Распределение разумное.
4. Области применения и анализ случаев цельных лезвий из PCBN.
(1) Автомобильная промышленность
Обработка блока двигателя. Блоки двигателей автомобилей в основном изготавливаются из чугуна или алюминиевого сплава и имеют более высокую твердость после процессов термообработки, таких как закалка. Твердые вставки PCBN позволяют эффективно и с высокой точностью фрезеровать и растачивать внутреннюю стенку блока цилиндров, монтажные отверстия гильзы цилиндра и другие детали. Шероховатость поверхности может достигать Ra0,8–Ra1,6 мкм, а точность размеров контролируется в пределах ±0,01. мм, что значительно повышает эффективность производства двигателей и качество сборки.
Обработка коленчатого вала: Коленчатый вал, являющийся ключевым компонентом трансмиссии двигателя, требует чрезвычайно высокой точности размеров и качества поверхности. Пластины PCBN хорошо работают при точении и шлифовании коленчатых валов, эффективно уменьшая деформацию обработки и пригары поверхности, продлевая срок службы инструмента и снижая производственные затраты. Например, компания-производитель автомобилей использует лезвия из PCBN для обработки коренных шеек коленчатого вала. По сравнению с традиционными твердосплавными лезвиями эффективность обработки увеличивается на 30%, а срок службы инструмента увеличивается в 5 раз.
(2) Аэрокосмическая промышленность
Обработка деталей из жаропрочных сплавов. Диски турбин, лопатки, камеры сгорания и другие компоненты авиационных двигателей часто изготавливаются из жаропрочных сплавов на основе никеля и кобальта, которые имеют высокую твердость, плохую теплопроводность и сильное деформационное упрочнение. Благодаря отличным характеристикам при высоких температурах и износостойкости твердые пластины PCBN демонстрируют значительные преимущества при фрезеровании, сверлении и точении жаропрочных сплавов. Они могут обеспечить стабильную резку и обеспечить точность и целостность поверхности деталей сложной формы. На примере компании по производству аэрокосмических деталей лопатки из PCBN используются для обработки пазов турбинных дисков из жаропрочных сплавов на основе никеля с точностью обработки ±0,005 мм и шероховатостью поверхности Ra0,4 мкм, что соответствует строгим требованиям к качеству в аэрокосмической области.
Обработка конструкционных деталей из титанового сплава: Титановый сплав обладает характеристиками низкой плотности, высокой прочности и высокой коррозионной стойкости и широко используется в конструкционных деталях, таких как фюзеляжи самолетов и шасси. Однако титановые сплавы имеют чрезвычайно плохую обрабатываемость и склонны к таким проблемам, как прихватывание инструмента и пружинение. Пластины PCBN эффективно решают эти проблемы за счет оптимизации конструкции кромки и параметров резания, обеспечивая эффективную черновую и прецизионную чистовую обработку титановых сплавов. Например, при обработке балок из титановых сплавов для определенного типа самолетов после использования лопастей PCBN цикл обработки сократился на 25 %, а процент брака снизился с 5 % до менее 1 %.
(3) Производство пресс-форм
Существует множество типов литейных сталей с широким диапазоном твердости, а поверхности форм имеют сложную структуру, что предъявляет чрезвычайно высокие требования к износостойкости и сохранению точности режущего инструмента. Твердые пластины PCBN играют важную роль в таких процессах, как фрезерование полостей пресс-форм, очистка углов и полировка после электроэрозионной обработки. Например, при обработке литьевых форм лезвия из PCBN позволяют быстро удалить излишки и получить высокоточную поверхность полости. Впоследствии для достижения зеркального эффекта требуется лишь небольшое количество ручной полировки, что значительно повышает эффективность производства и. качество пресс-формы и сокращает время производства нового продукта.
5. Состояние рынка и ситуация с конкуренцией цельных лезвий из PCBN.
(1) Размер рынка
В последние годы, в связи с быстрым развитием автомобильной, аэрокосмической, энергетической и других отраслей, общий рынок лезвий PCBN демонстрирует устойчивый рост. По данным институтов рыночных исследований, объем мирового рынка лезвий из PCBN вырастет с [X] миллиардов долларов США в 2020 году до [X] миллиардов долларов США в 2025 году, при этом совокупный годовой темп роста составит примерно [X]%. Среди них, благодаря развитой обрабатывающей промышленности в Азиатско-Тихоокеанском регионе, особенно в Китае, как крупнейшем в мире производителе и потребителе автомобилей, спрос на лезвия из PCBN является самым сильным, занимая большую долю мирового рынка.
(2) Основные компании-производители и бренды
В настоящее время глобальное производство цельных лезвий из PCBN сосредоточено в основном в нескольких известных компаниях, таких как Kennametal в США, Iscar в Израиле, Sumitomo Electric в Японии и Walter в Германии. Благодаря своим передовым технологическим возможностям в области исследований и разработок, богатому производственному опыту и развитой сети продаж, эти компании занимают доминирующее положение на рынке высококачественных лезвий из PCBN. Их продукция охватывает различные спецификации, модели и области применения, с высокой узнаваемостью бренда и сильными клиентами. верность.
Существует также ряд отечественных компаний, занимающихся исследованиями, разработками и производством лезвий из PCBN, таких как Zhengzhou Abrasives Grinding Research Institute Co., Ltd., Funake Superhard Materials Co., Ltd., Zhuzhou Diamond Cutting Tool Co., Ltd., и т. д. Несмотря на то, что все еще существует определенный разрыв между техническим уровнем и передовыми международными предприятиями, благодаря постоянным технологическим инновациям и ценовым преимуществам, компания постепенно закрепилась на внутреннем рынке среднего и низкого уровня и начала выходить на рынок высокого класса. , причем ее доля на рынке увеличивается с каждым годом.
(3) Конкурентная стратегия
Международные бренды в основном сосредоточены на технологических исследованиях и инновациях в разработке и постоянно выпускают новые лезвия из PCBN с более высокими характеристиками, более подходящие для сложных задач обработки, такие как разработка специальных лезвий для новых труднообрабатываемых материалов, оптимизация микроструктуры и технологии нанесения покрытий. лезвия и т. д., одновременно укрепляя глобальную маркетинговую сеть для предоставления клиентам полного спектра технических решений и качественных услуг. Отечественные предприятия, стремясь догнать международный технологический рубеж, в полной мере используют свои ценовые преимущества, сосредотачиваются на разработке экономически эффективной продукции, глубоко изучают внутренний рынок, укрепляют сотрудничество с местными производственными предприятиями, быстро реагируют удовлетворения потребностей клиентов с помощью локализованных услуг и постепенного расширения влияния на рынке.
6. Проблемы и тенденции развития, с которыми сталкиваются цельные лезвия из PCBN.
(1) Проблемы, с которыми пришлось столкнуться
Техническое узкое место: хотя технология подготовки лезвий PCBN в целом достигла большого прогресса, все еще существуют некоторые технические проблемы, которые необходимо преодолеть. Например, как дополнительно улучшить ударную вязкость и ударопрочность лезвия для удовлетворения потребностей обработки в условиях высокоскоростной резки с большой подачей, как оптимизировать процесс спекания для достижения более точного и более равномерного контроля микроструктуры, тем самым улучшая; общая производительность лезвия, стабильность и т. д.
Ограничения по стоимости: процесс подготовки лезвий из PCBN сложен, а стоимость сырья высока, что приводит к его относительно высокой цене, что в определенной степени ограничивает его популярность на рынке, особенно для некоторых малых и средних предприятий и чувствительных к затратам. поля обработки. Снижение затрат и улучшение показателей затрат стали ключом к широкому применению лезвий из PCBN.
Нехватка талантов: исследования, разработки и производство лезвий из PCBN охватывают междисциплинарные области и требуют всесторонних талантов с профессиональными знаниями в области материаловедения, порошковой металлургии, механической обработки, термической обработки и т. д. В настоящее время кадровый резерв в смежных областях недостаточен, а система подготовки кадров несовершенна, что сдерживает быстрое развитие отрасли.
(2) Тенденции развития
Высокая производительность: в будущем цельные лезвия из PCBN будут развиваться в направлении более высокой твердости, большей износостойкости, лучшей термостабильности и прочности, чтобы справляться с появляющимися новыми сверхтвердыми и труднообрабатываемыми материалами и все более строгими технологиями обработки. Требовать. Разрабатывая новые связующие, оптимизируя зернистую структуру и внедряя нанотехнологии, мы продолжаем улучшать эксплуатационные показатели лопаток.
Многофункциональность: для адаптации к сложным и изменчивым условиям обработки пластины из PCBN будут иметь больше функциональных функций, таких как функция самосмазывания для уменьшения тепла и трения при резке, интеллектуальная функция резки для мониторинга износа инструмента и состояния обработки в режиме реального времени, а также антибактериальные свойства. функция обработки в специальных отраслях, таких как пищевая, медицинская и т. д., для расширения областей применения.
Экологичное производство: с ростом осведомленности о защите окружающей среды в процессе подготовки лезвий PCBN будет уделяться больше внимания энергосбережению, сокращению выбросов и вторичной переработке ресурсов. Внедрение новой технологии экологически чистого спекания для сокращения вредных выбросов газов и энергопотребления, а также изучение способов переработки использованных лезвий для достижения устойчивого развития.
Персонализированные потребности обрабатывающей промышленности становятся все более заметными. Производители лезвий из PCBN будут предоставлять индивидуальные решения для инструментов, основанные на конкретных требованиях различных клиентов и различных объектов обработки, включая материал лезвия, геометрию, покрытие, параметры резки и т. д. Точная обработка и повышение эффективности и качества обработки.
7. Заключение
Являясь высокотехнологичным продуктом в области современного режущего инструмента, твердые пластины PCBN играют ключевую роль во многих отраслях, таких как автомобилестроение, аэрокосмическая промышленность и производство пресс-форм, благодаря своим превосходным характеристикам, способствуя высококачественному развитию обрабатывающей промышленности. Несмотря на то, что в настоящее время мы сталкиваемся со многими проблемами, такими как технологии, затраты и кадры, с увеличением инвестиций в научные исследования, стремлением к технологическим инновациям и ростом рыночного спроса, интегрированные лезвия PCBN, несомненно, будут двигаться в сторону высокопроизводительных, многофункциональных, экологически чистых систем. и индивидуализация. Двигаясь вперед, мы откроем более широкие перспективы развития и придадим мощный импульс трансформации и модернизации мировой обрабатывающей промышленности.
