PCBN 초경절삭 공구의 연구 및 발전

현대 절삭 속도의 지속적인 개선과 첨단 통합 제조 속도의 지속적인 개발로 인해 현대 공구의 성능에 대한 요구가 높아지면서 높은 열 안정성과 높은 내마모성을 갖춘 초경 공구의 개발 동향이 오늘날의 발전추세입니다. PCBN 초경절삭 공구의 고강도, 내마모성, 높은 열전도성, 고온 기계적 안정성 및 고온 화학적 안정성으로 PCBN 초경 절삭 공구는 국내외 공업 국가의 연구 중심으로 되었습니다.

1. PCBN 초경절삭공구개발에 대한 간략한 소개

1957 년 미국 GE회사에서 처음으로 입방정 질화 붕소를 합성하였고, 1973 년에 입방질화붕소 절삭 공구를 합성하였으며 그 재료와 제품은 60 년 동안 발전해 왔습니다. 각국에서 또한 뛰어난 성능을 가진 초 경질 CBN 툴을 개발하기 위해 경쟁하고 있습니다. 중국은 1967 년에 입방질화붕소샘플을 합성하였고 1973 년에 초 경질 공구를 만들어 생산에 투입했습니다. 중국의 절단기 모델과 종류는 점점 더 풍부 해지고 있지만 제품의 성능과 계열화는 여전히 외국과 비교할 때 거리가 큽니다. PCBN 초경 절삭 공구 산업이 선진국과의 격차를 줄이기 위해 중국은 2010 년에 "하이 엔드 CNC 공작 기계 및 기본 제조 장비"라는 국가 첨단 기술 특별 프로젝트를 제출하고 초경도 재료 공구의 설계 및 제조를 명확하게 제안했습니다. 정밀 공구의 연구 개발, 고정밀 및 고효율 절삭 장치 구축, 다양한 부품 및 가공 요구 사항에 따라 많은 실험을진행하였고, 부동한 공구가부동한 조건에서 부동한 부품을 가공하는 데이터베이스를 구축 및 개선하였습니다; 철강 부품 , 티타늄 합금, 고온 합금 등 가공하기 어려운 재료에 적합한 고효율 절삭 공구 시리즈를 연구 개발 하였습니다.

2. PCBN 절삭 공구의 특징 및 응용

PCBN 공구는 경도가 높고 내마모성이 우수합니다. 점착제  함량이 다른 PCBN의 경도는 40-60GPa입니다. 내열성 및 적색 경도가 우수하고 내열성이 1400 ℃에 도달 할 수 있습니다. 고속 절삭 특성과 높은 가공 정밀도를구비하고 있으며 스핀들 속도가 1000 m / min 이상인 조건에서 연속 건식 절삭으로 광택 표면 조도를 달성합니다. 고강도, 높은 내마모성, 높은 열 전도성, 우수한 고온 기계적 안정성 및 고온 화학적 안정성 등으로 인해 PCBN 초경 공구는 현재 엄격한 절삭 요구 사항을 충족시키는 가장 선호되는 절삭 공구로 되었습니다.

제조 통계에 따르면, 제조 산업에서의 PCBN 적용은 그림 1과 같습니다. PCBN 초경절삭공구는 주로 자동차 산업, 대형 기계 등 분야의 담금질한 강철 부품 절삭 가공에 사용되며 측면에서 PCBN 초경절삭공구의 우수한 절삭 성능을 반영합니다. CBN은 일반 절삭뿐만 아니라 고속 가공에도 적합하며, PCBN은 가공 공정 중 경질 건식 절삭을 달성 할 수 있습니다. 이는 녹색 절삭을 달성하는 데 도움이되며 동시에 공구의 절삭 성능과 금속 연화 효과를 최대한 발휘하여 경제적 효익을 크게 향상시킬 수 있습니다.

부동한 CBN 함량을 가진 PCBN 공구는 부동한 절단 분야에 적합합니다. 표 1과 같이 HALPIN 등 부동한 CBN 함량을 가진 PCBN의 절단 분야에 대해 요약하였습니다.

그림 1국내외 PCBN 초경 절삭 공구의 응용 상황

표 1부동한CBN 함량의부동한 PCBN 공구 절삭 분야

3. PCBN 초경절삭공구의 분류

PCBN 초경절삭공구는 성분에 따라 다음과 같이 나눌수 있습니다. 특정 비율의 바인더로 CBN 소결체로 처리된 PCBN 슈퍼 하드 툴과 CBN 단결정 소결으로 직접 처리 된 PCBN 초경절삭공구입니다. 부동한점착제에 따라또한 금속 점착제와 세라믹 점착제 로 나뉩니다. 금속 점착제의 금속 연화 온도는 일반적으로 낮으며, 공구의 절삭 과정에서 국부적인 고온은 점착제를 연화 및 산화시켜 PCBN의 고온 경도 및 안정성을 감소시킵니다. 세라믹 점착제의 경도가 높고, 고온 안정성 및 화학적 안정성이 우수합니다. 그러나 충격 인성이 열악하고 공구가 쉽게 부서지고  서비스 수명이 짧습니다. 시중에 판매되는 대부분의 PCBN은 금속-세라믹 점착제를 사용하며, 금속세라믹 PCBN 초경 절삭 공구는 금속 및 세라믹 PCBN 초경 절삭 공구의 장점을 모두 가지고 있으며, 금속 점착제의 고온 연화 문제를 해결할뿐만 아니라 세라믹 점착제의충격인성이열악하다는단점도 극복하였습니다.

연구자들은 화학량 론적 바인더외에도 PCBN의 성능을 향상시키기 위해 비 화학량 론적 바인더를 탐색하고 비 화학량 론적 비율의 공실 효과를 사용하여 소결 온도를 낮추기 위해 소결을 활성화했습니다. CBN과 반응하여 상응하는 질화물 및 붕소화물을 형성하는 것은 또한 점착제  및 CBN의 결합 강도를 크게 향상시킬뿐만 아니라 동시에 공구의 내마모성도 향상시킵니다. 비 화학량 론적 바인더에 대한 연구는 PCBN의 인기있는 방향이되었습니다.

바인더는 PCBN의 경도, 강도 및 내마모성을 감소시키기 때문에 최근 몇 년 동안 순수한 PCBN이 급속히 발전하고 있습니다. 스미토모는 고온 및 고압하에서 육방 정계 질화 붕소 질화물을 순수한 상 PCBN으로 직접 변환하기 위해 촉매를 사용하며, 그 경도 및 열 안정성은 일반적인 합성 PCBN의것보다 큽니다. DUB 등 열분해 흑연과 같은 BN을 사용하여 8 GPa의 압력과 2,200 ~ 2,550 ℃의 온도에서 고농도 PCBN을 합성했습니다 .PCB의 입자 크기는 100 ~ 400 nm입니다. SUMIYA 등에 의해 제조 된 PCBN. 2000 ~ 2500 ℃ 7.7 GPa에서, CBN 부피 분율 ≥99.9 %, 입자 크기 <0.5 μm, 제조 된 PCBN은 모든 온도에서 높은 파괴 강도 및 경도를 갖고 있습니다.

4. PCBN 초경절삭공구제조

PCBN 콤팩트는 고온 및 고압에서 CBN 재료 층과 초경합금 기판의 복합 재료이며 레이저 또는 전선 절단, 용접 및 샤프닝 공정을 통해 다양한 용접 성형 절삭 공구 또는 인서트로 만들어집니다. 일체형 PCBN 소결 블록은 합금 기판없이 직접 소결되어 일체형 PCBN 블랭크를 형성하며 샤프닝 후 PCBN 툴로 만들어집니다.

PCBN 초경 절삭 공구는 신소재의 특성을 충분히 활용할 수있는 칩 브레이커로 설계되었으며, 부동한 가공 상황에 따라 (절삭 선명도, 툴팁 강도)에 따라 브레이커의 형상을 선택할수 있습니다. 칩 브레이커는 (1) 칩의 흐름, 컬링 및 브레이킹 제어합니다 (2) 절삭력, 절삭공률 및 절삭 온도에 영향을 미칩니다 (3) 공구의 내구성에 영향을 미치므로 칩 브레이커는 칩을보다 잘 제어 할 수 있습니다. (4) 공작 기계 및 공작물의 진동에 영향을 미칩니다. (5) 가공 된 공작물의 표면 품질등에 영향을 미칩니다.

PCBN 초경 절삭 공구의 스무딩 에지 기술은 가공 표면의 거칠기를 개선하고 이송 속도를 높이며 고속 절삭을 이룰수 있습니다.절삭 매개 변수가 변경되지 않은 경우 표면 품질이 크게 향상 될수 있습니다. 샌드 빅 코로만 트는 초경인서트 분야에 스무딩 엣지 기술을 도입하여 외부 및 내부 원을 마무리 할 때 표면 품질과 생산 효율성을 향상시키는데서 큰 성공을 거두었습니다.

PCBN 코팅 기술을 적용하면 PCBN 초경도 공구의 열 안정성 및 내마모성을 향상시킬수 있습니다. 일반적인 코팅에는 물리 기상 증착 기술 질화 코팅와 화학 기상 증착 기술 산화물 코팅이 있습니다;코팅의 두께는 1-20 미크론에 달할 수 있습니다. 고경도 선삭 조건과 거칠고 미세한 연속적이고 간헐적인 처리 요구 사항을 충족하며 부품의 효율적인 처리에서 더 높은 생산 효율과 비용 효율성을 달성 할수 있습니다.

5. 시뮬레이션 기술의 적용

과학기술의 발전으로 유한 요소법과 인공 지능 알고리즘은 시뮬레이션 기술을 사용하여 현장 도구 테스트를 시뮬레이션하여 예비 실험 및 고객 테스트의 빈도를 크게 줄일수 있습니다. 시뮬레이션 소프트웨어는 다음과 같은 절단 중에 측정 할수없는 데이터를 관찰 할수 있습니다. 각 단계에서 마모의 형태, 절삭 온도, 절삭 응력, 가공 부품의 내부 응력 및 칩의 모양, 공구 및 공작물 상태를 관찰 할 수 있으며, 툴 개발자는 소프트웨어를 사용하여 데이터를 신속하게 분석하고 툴 가공 프로세스의 문제를 예측하고 공구의 재료와 형상을 즉시에 효과적으로 조정합니다.

절삭 공구 개발 단계에서 점점 더 많은 국내외 초경 재료 회사들이 시뮬레이션 기술에 중요성을 부여하기 시작했습니다. 시뮬레이션 기술은 실제로 실험 횟수를 줄이고 비용을 줄이며 실험 데이터를 쉽게 관찰 할 수 있지만 이상적인 시뮬레이션 기술은 시뮬레이션을 제한하므로 나중에 실험을 수행하여 시뮬레이션의 진위와 정확성을 검증해야 합니다. 동시에, 완전한 절삭 시뮬레이션 데이터베이스의 구축에주의를 기울이고, 공구 재료 방정식 및 모델의 완전한 데이터베이스를 구축하고, 실제 요구를 충족시키는 시뮬레이션 소프트웨어를 개발해야합니다.

6. 결론

국내 PCBN 절삭 공구 재료는 수십 년의 개발 끝에 탁월한 결과를 얻었지만 PCBN 공구 재료와 공구 연구 개발 및 적용은 다른 제조 능력만큼 좋지 않습니다. 우리는 외국 연구개발경험을 활용하고, 산업 기반을 강화하고, 과학 연구 플랫폼을 적용하고, 국제 경쟁력을 갖춘 PCBN 초경량 공구 제품을 혁신적으로 개발하고 지능형 설계 및 제조를 실현해야합니다. 주요 국가 프로젝트 및 전략적 신흥 산업을 지원하고 수입 제품을 대체하며 녹색의 고정밀, 고효율, 고속의 새로운 초 경질 재료 도구를 실현할 수있는 최고급 초 경질 재료를 개발하여야 합니다.