國外PCBN切削刀具應(yīng)用技術(shù)

                       鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院 華紅艷

    立方氮化硼(CBN)是純?nèi)斯ず铣刹牧�，是繼人造金剛石之后，美國GE公司于1957年首先宣布利用高溫超高壓裝置合成的另一種新型超硬材料。聚晶立方氮化硼(PCBN)是由CBN微粉與少量結(jié)合劑燒結(jié)而成的多晶體，PCBN自1973年研制成功以來，經(jīng)過眾多材料專家及刀具專家的努力，PCBN材料及其刀具已完全進(jìn)入實(shí)用階段，在工業(yè)發(fā)達(dá)國家PCBN刀具已應(yīng)用于汽車、重型機(jī)械等機(jī)械加工行業(yè)，據(jù)資料介紹1995年全世界PCBN刀具的銷售額達(dá)1.35億美元，而我國由于對(duì)CBN材料及其應(yīng)用技術(shù)的研究不夠，PCBN刀具的年產(chǎn)量僅數(shù)百萬元人民幣，年消耗也僅千萬元左右，且絕大部分PCBN刀坯或刀具是從國外進(jìn)口。 

   一、PCBN材料的性能 

   1. CBN的主要特性  

   氮化硼有多種同分異構(gòu)體。CBN是氮化硼的致密相，具有很高的硬度，其Knoop硬度47000N/mm2,，僅次于金剛石。同時(shí)，CBN具有良好的熱導(dǎo)性，其熱導(dǎo)率是硬質(zhì)合金的13倍、銅的3倍。另外，CBN還具有遠(yuǎn)優(yōu)于金剛石的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性，可耐1300～1500℃的高溫，并且與Fe族元素有很大的化學(xué)惰性。可見CBN是制作切削黑色金屬的理想刀具材料。 

    2. PCBN的特性 

    由于受CBN本身特性及其制造技術(shù)的限制，生產(chǎn)直接用于切削刀具的大顆粒CBN單晶目前仍很困難。為此，通過結(jié)合劑使CBN燒結(jié)而成的PCBN多晶材料得到較快發(fā)展，其尺寸大小基本不受限制。PCBN組織中各微小晶粒呈無序排序，硬度均勻、沒有方向性，具有一致的耐磨性和抗沖擊性，克服了單晶CBN易解理和各向異性等不足。 

    PCBN屬CBN的聚集體，除具有CBN的特點(diǎn)外，PCBN還與CBN的含量、粒徑大小及結(jié)合劑的種類等因素有關(guān)。CBN含量主要影響PCBN的硬度和熱導(dǎo)率，含量高，PCBN的硬度和熱導(dǎo)率就高。CBN粒徑大小是影響PCBN韌性的重要因素，粒徑越大，其抗破損性就越弱，用此制作的刀具切削刃鋒利性就差。PCBN中的結(jié)合劑主要有以Co、Ni為代表的金屬型，以TiC、TiN、Al2O3為主的陶瓷型和金屬陶瓷混合型。金屬材料作結(jié)合劑時(shí)，PCBN有較好的韌性和導(dǎo)電性；陶瓷材料作結(jié)合劑，則有較優(yōu)的熱穩(wěn)定性。PCBN除具有以上優(yōu)良的性能外，為進(jìn)一步提高其強(qiáng)度，目前各PCBN制造商多將0.5mm左右的PCBN層直接燒結(jié)或焊接在硬質(zhì)合金基體上，使之形成一個(gè)復(fù)合整體(也稱PCBN復(fù)合片)。這樣PCBN材料的高硬度、高熱穩(wěn)定性和高化學(xué)穩(wěn)定性與硬質(zhì)合金基體的強(qiáng)度優(yōu)、可焊性好等一起，使PCBN刀具不僅可切削各種硬度的工件，而且也易于生產(chǎn)制造。 

    表1是PCBN材料與其它刀具材料的性能比較。  

    主要性能 PCBN PCD Al2O3 WC(K20)  
    Knoop硬度(GPa) 30～45 80～120 16～24 17  
    抗彎強(qiáng)度(GPa) 0.8～1.54 1.1～2.8 0.4～1.0 1.7  
    彈性模量(GPa) 680～815 560～840 420 593  
    斷裂韌性(MPa√m) 3.7～6.4 7.0～9.0 2.3～3.1 10.5  
    熱導(dǎo)率(W/(m•K)) 44～100 200～560 20.9 100 

    二、PCBN刀具切削特點(diǎn)——硬態(tài)切削  

    硬態(tài)切削是指在鐵族零件淬硬熱處理后的切削加工，而過去磨削仍是其唯一的加工方法。隨著陶瓷刀具，特別是PCBN刀具(PCBN材料有優(yōu)良的紅硬性。在1000℃下的硬度仍高于硬質(zhì)合金在室溫下的硬度)的研制成功，硬態(tài)切削得到飛速飛展。  

    PCBN刀具進(jìn)行硬態(tài)切削時(shí)，由于PCBN不粘刀、磨損小，可獲得極高的加工精度和表面質(zhì)量( Ra0.2～2.0µm)，實(shí)現(xiàn)以車代磨。據(jù)日本切削協(xié)會(huì)對(duì)本國53個(gè)大公司的調(diào)查表明，日本PCBN刀具的應(yīng)用有55%是替代原來的磨削和珩磨。  

    PCBN刀具主要適用于切削45HRC以上的淬硬鋼、耐磨鑄鐵，35HRC以上的耐熱合金或其它刀具很難加工的特殊鑄鐵。如果被加工材料硬度過低，則PCBN刀具的優(yōu)勢(shì)將不大明顯。  

    三、國外主要PCBN刀坯的種類和型號(hào)  

    國外主要PCBN刀坯的種類和型號(hào)，大致可分為兩大類，即高含量PCBN和低含量陶瓷結(jié)合劑PCBN(也稱陶瓷CBN)。高含量PCBN(一般CBN含量80%～90%)是以CBN之間直接結(jié)合為主，具有高硬度、高熱導(dǎo)性和良好韌性，這類PCBN刀具適合于加工高硬度合金和組織中含有高硬質(zhì)點(diǎn)的材料，如冷硬鑄鐵、硬質(zhì)合金、耐熱合金等。目前此類PCBN刀坯主要有GE公司的BZN6000，De Beers公司的Amborite、DBC80，住友電工的BN100、BN600等。  

    在切削淬硬鋼(合金鋼、軸承鋼、模具鋼、碳鋼等)時(shí)，由于切削溫度較高，要求PCBN刀具不僅有高的硬度，還要求有較高抗氧化能力和抗擴(kuò)散磨損的能力，對(duì)此應(yīng)采用陶瓷作結(jié)合劑的低含量PCBN刀坯。盡管此類PCBN較高含量PCBN的硬度、熱導(dǎo)率和韌性稍低，但是正因?yàn)樘沾刹牧系哪蜔嵝院门c熱導(dǎo)性差的特點(diǎn)，使切削區(qū)形成熱滯留溫度升高，工件局部迅速形成塑性變形而易于切削，可獲得較好的效果(也稱軟化效應(yīng))。目前此類刀坯主要有GE公司的BZN8100、BZN8200，De Beers公司的DBC50，住友電工的BN300、BN220 等。
    表2 為國外主要PCBN刀坯的型號(hào)及特點(diǎn)。    
    型號(hào) 特點(diǎn) 公司  
    AMBORITE 
    DBA80 
    AMB90 
    DBC50 高含量、粗粒度、陶瓷相、整體式 
    80%CBN、中等粒度 
    90%CBN、Al/AlB2相 
    50%CBN、細(xì)粒度、陶瓷相 英國De Beers  
    BZN6000 
    BZN7000S 
    BZN8100 
    BZN8200 90%CBN、0.3µm、金屬相 
    82%CBN、陶瓷相、整體式 
    65CBN、0.3µm、TiN相 
    65%CBN、TiN相 美國GE  
    BN600 
    BN100 
    BN300 
    BNX20 高含量 
    80%CBN 
    <1.0µm、陶瓷相 
    陶瓷相 日本住友電工Sumitomo  
    MB710 
    MB710 
    MB810 
    MB810 陶瓷相 
    高含量、金屬相 
    粗粒度 
    細(xì)粒度 日本三菱マテリアル  
    JBN500 
    JBN300 
    JBN330 
    JBN20 80%～90%CBN、2～3、金屬相 
    55%～65%CBN、4～5µm、TiN相 
    45%～55%CBN、3～4µm、TiN相 
    40%～00%CBN、2～3µm、Al2O3相 日本黛杰工業(yè)Dijet  
    KBN30S 
    KBN30B 
    KBN10B 重、中切削用 
    中、輕切削用 
    精切削用 日本京瓷會(huì)社Kyocera  
    KB90 
    KB80 
    KB60 
    KB50 90%CBN 
    80%CBN 
    60%CBN 
    50%CBN 韓國Korea Tungstem  
    CBN10 
    CBN20 
    CBN10 90%CBN、粗粒度、整體式 
    80%CBN、中等粒度 
    00%CBN、細(xì)粒度 瑞典seco Tools  
    CB7050 瑞典Sandvik Coromant  
    Kusopum-p 烏克蘭超硬材料所 

    四、PCBN刀具的應(yīng)用范圍  

    ·按行業(yè)來分，汽車工業(yè)占50.37%、重型機(jī)械～20.74%、泵業(yè)8.89%、軸承齒輪5.93%、軋滾5.19%、航空航天2.90%，其它5.93%。  
    ·按加工材料來分，淬火鋼占65%、鑄鐵28%、耐熱鋼7%。  
    ·按加工工序來分，車削占60%、鏜削32.5%、端銑7.5%。  
    ·按替代原加工來分，50%為替代磨削、30%替代硬質(zhì)合金刀具、10%替代金屬陶瓷刀具、5%替代陶瓷刀具、5%替代珩磨加工。  

    五、PCBN刀具應(yīng)用技術(shù)  

    硬態(tài)切削時(shí)，徑向力很大，機(jī)床和系統(tǒng)的剛性必須很好、功率足夠大。裝夾PCBN刀具時(shí)，刀具的懸伸長度要盡可能短，以防止刀桿的顫振和變形，使PCBN刀具保持良好的狀態(tài)。  

    PCBN刀具比硬質(zhì)合金刀具韌性差，因此在切削時(shí)，一般都采用負(fù)前角(0°～-10°)、較小的后角(6°～8°)和負(fù)倒棱[(0.1～0.2)×(10°～30°)]。若進(jìn)一步對(duì)切削刃適當(dāng)鈍化處理，則會(huì)更好。另外，在可能的情況下，盡可能采用小主偏角和大的刀尖圓弧半徑，這有助于保護(hù)切削刃、延長刀具使用壽命。  

    合理使用PCBN刀具，準(zhǔn)確判斷PCBN刀具的耐用度是關(guān)鍵。建議PCBN刀具后刀面磨損標(biāo)準(zhǔn)達(dá)0.3～0.5mm(精車時(shí)取小值)，進(jìn)行定期重磨為好。但是重磨需要一定的設(shè)備和技巧，大多數(shù)工廠的機(jī)床不具備適合的條件，PCBN刀具重磨應(yīng)由專業(yè)廠商來完成。確定切削速度、進(jìn)給量及切削深度要綜合考慮生產(chǎn)效率和加工成本。通常情況下其切削速度可比硬質(zhì)合金刀具高2 倍左右，高的切削速度產(chǎn)生大的切削熱，使被加工材料的塑性增大，有利于降低切削力。表3是PCBN刀具的經(jīng)濟(jì)切削速度。  
    表3 PCBN刀具的經(jīng)濟(jì)切削速度  
    工件材料 切削速度(m/min) 進(jìn)給量(mm/r) 切削深度(mm)  
    淬硬鋼 50～160 0.02～0.2 ≤0.3  
    灰口鑄鐵 200～1500 0.1～0.5 ≤1.0  
    灰口鑄鐵(銑削) 800～1500 0.1～0.1 ≤0.5  
    合金鑄鐵 200～800 0.1～0.4 ≤0.5  
    球墨鑄鐵 100～350 0.1～0.4 ≤0.5  
    鐵基燒結(jié)材料 50～250 0.03～0.2 0.1～1.0  
    冷硬鑄鐵 40～130 0.1～0.5 0.2～3.0  
    高速鋼 20～80 0.1～0.4 0.1～3.0  
    Ni基耐熱合金 110～160 0.05～0.2 0.1～1.0  
    Co基耐熱合金 50～100 0.05～0.2 0.1～1.0 

    PCBN刀具在使用時(shí)以干切削為好，如果需要切削液時(shí)，一定要冷卻充分，禁用水溶性切削液。  

    隨著技術(shù)的進(jìn)步，PCBN刀坯系列越來越多，專用性越來越強(qiáng)，對(duì)于不同材質(zhì)和要求的工件應(yīng)選用相應(yīng)的PCBN材料，以取得滿意的加工效果。