立方氮化硼刀具的種類與使用

    立方氮化硼刀具過去主要用于精加工，近十幾年來通過改進(jìn)生產(chǎn)工藝，控制原料純度和晶粒尺寸，采用復(fù)合材料和熱壓工藝等，其脆性有了重大改進(jìn)，韌性提高，使用可靠性大大改善，已可作為常規(guī)刀具在生產(chǎn)中應(yīng)用，對提高工效、保證產(chǎn)品質(zhì)量起重要作用。

立方氮化硼刀具材料的性能特點

    立方氮化硼刀具是指用立方氮化硼（CBN）做成切削部分的刀具。立方氮化硼（CBN）是氮化硼B(yǎng)N的同素異構(gòu)體之一，結(jié)構(gòu)與金剛石相似，是用超高溫超高壓技術(shù)人工合成的超硬材料。其硬度僅次于金剛石(顯微硬度可達(dá)8000～9000HV)，且熱穩(wěn)定性高(達(dá)1250～1350℃)，對鐵族元素化學(xué)惰性大，抗黏結(jié)能力強，用金剛石砂輪即可磨削開刃，故適于加工35HRC以上的硬質(zhì)材料，如各種淬硬鋼(碳素工具鋼、合金工具鋼、高速鋼、軸承鋼、模具鋼等)、冷硬鑄鐵、鈷基和鎳基高溫合金、硬質(zhì)合金、表面噴涂(焊)材料等高硬及耐磨材料，也可用于鈦合金、純鎳、純鎢及其它材料的加工。它是以車、銑代替磨削的最佳刀具之一。用立方氮化硼刀具加工淬硬鋼的表面粗糙度為Ra1.60.4μm，精度可達(dá)IT7IT6。

    上海通用汽車公司在一條發(fā)動機柔性生產(chǎn)線上，用山高刀具（上海）公司生產(chǎn)的立方氮化硼CBN300刀片面銑刀銑削發(fā)動機缸體平面（鑄件），切削速度高達(dá)1600m/min，進(jìn)給速度為5000mm/min。

    立方氮化硼刀具也有使用上的局限，如其脆性較大，強度和韌性較差，不適用于沖擊負(fù)荷下的間斷表面加工。此外，用它加工軟的鐵族元素材料時，因易于產(chǎn)生長切屑，擦傷刀具前刀面并形成積屑瘤，會導(dǎo)致切削力的波動而損壞刀具。

    為了提高氮化硼刀具的抗沖擊性能，目前已研制出以類石墨的六方氮化硼(g-BN或h-BN)為原料，用爆炸法合成出的一種新型WBN材料(WBN是屬鉛鋅礦結(jié)構(gòu)的BN)。它具有很高的韌性和燒結(jié)活性，極易轉(zhuǎn)變?yōu)镃BN，并易于和CBN共同燒結(jié)成強度和硬度接近CBN水準(zhǔn)的聚晶體。

    WBN及CBN的兩相燒結(jié)體是用WBN的韌性去彌補CBN的脆性，其抗沖擊強度較單純的CBN燒結(jié)體提高60%，斷裂韌度提高2.53倍，抗撓曲強度提高1倍左右，抗壓強度與硬質(zhì)合金相當(dāng)，熱穩(wěn)定性為1100~1200℃。可用來加工間斷表面的工件，例如齒輪的齒面、堆焊表面或有溝槽的工件。

    目前，WBN及CBN的兩相燒結(jié)體刀具已在美國、日本和俄羅斯等國家的汽車行業(yè)中廣泛應(yīng)用，如用於加工連桿、挺柱體、汽缸套、剎車制動輪、曲軸、飛輪、各種泵殼類零件的車、鏜和銑削等工序中。

1.立方氮化硼刀具的種類

    目前生產(chǎn)上常用的立方氮化硼刀具有三種：整體聚晶立方氮化硼(PCBN)刀具、聚晶立方氮化硼和硬質(zhì)合金的復(fù)合刀片(PCBN/CC)和電鍍立方氮化硼刀具。其中，前兩類刀具使用最多。

    PCBN是在高溫、高壓下，將許多CBN單晶粉聚晶成的多晶體材料，是CBN單晶粉的燒結(jié)體。PCBN/CC是在強度和韌性較好的硬質(zhì)合金基體上，燒結(jié)或壓制一層0.5~1mm厚的PCBN而成的一種復(fù)合刀片，它解決了立方氮化硼刀片的抗彎強度低和鑲焊困難等問題。PCBN/CC可用焊或機夾方式制作刀具。例如美國GE(通用電器)公司生產(chǎn)的BZN刀片、俄羅斯的Toma-10刀片、日本住友電工公司的BN刀片，以及我國生產(chǎn)的LDP-J-CF、DLS-F、LF和LBN-Y型等系列刀片均為PCBN復(fù)合刀片。

    電鍍立方氮化硼刀具是用電鍍埋砂的方法，以金屬鎳、銅和鈷等作結(jié)合劑，把CBN的細(xì)小顆粒包鑲在一定尺寸和幾何形狀的刀具基體表面上，再經(jīng)過適當(dāng)修磨制成。鄭州磨料磨具磨削研究所生產(chǎn)的電鍍立方氮化硼鉸刀即屬此類刀具。

正確選用刀片的品種與牌號

    不同品種的PCBN刀具，由于其組成成份不同，切削性能有很大差異，選用時須加以注意。目前PCBN刀具不像硬質(zhì)合金那樣在國際上有統(tǒng)一的分類，各生產(chǎn)廠都有各自的品種與牌號，使用時須參照廠家產(chǎn)品樣本選擇。

    PCBN的性能與CBN的粒度、含量及結(jié)合劑的種類有關(guān)，按其組織大致可分為兩大類：一類是不加結(jié)合劑由CBN晶粒直接燒結(jié)而成，CBN含量多(70%以上)，硬度高，適用於耐熱合金、鑄鐵和鐵系燒結(jié)金屬的切削加工；另一類是以CBN晶粒為主體，通過陶瓷結(jié)合劑(主要有TiN、TiC、TiCN、AlN、Al2O3等)燒結(jié)而成，這類PCBN中CBN含量少(70%以下)，硬度低，適用於淬硬鋼的連續(xù)切削加工。

    而對于淬硬鋼的高速斷續(xù)切削加工，可選用國外新開發(fā)出來的PCBN新品種Sumiboron BNX25，它具有高的抗月牙洼磨損能力，在高速斷續(xù)切削時對斷裂和折斷引起的刀具失效有很高的抵抗能力。用BNX25加工淬硬鋼時推薦的切削條件是切削速度為120~200m/min，進(jìn)給量為0.15~0.3mm/r和背吃刀量為0.2~0.5mm。

    CBN的晶粒尺寸大致分為三類：粗晶粒(晶粒的平均尺寸為20~50μm)、中晶粒(10~20μm)和細(xì)晶粒(2~10μm)。晶粒尺寸越大，耐磨性越好，刀具壽命越高，但刃口品質(zhì)差，難以制成高精度刀具。相反，細(xì)晶粒刀具，切削刃的刃口品質(zhì)好，加工表面品質(zhì)好。因而目前聚晶的晶粒不斷細(xì)化，并已有1μm、甚至有0.5μm以下的細(xì)晶，需根據(jù)粗、精加工等不同工序要求，選用不同大小的晶粒。

2.選用合理的刀具幾何參數(shù)

    由于立方氮化硼材料的脆性較大，強度較低，故刀具前角通常取γ0=0°~-5°，后角α0=6°~15°。為了提高刀刃強度，刃口上須磨出負(fù)倒棱，倒棱寬度可取br1=0.1~0.3mm，倒棱前角γ0=-6°~-20°；刀尖需適當(dāng)修圓，修圓半徑rε=0.2～0.8mm。但刀尖修圓半徑和負(fù)倒棱越大，會使切削力增大，發(fā)生顫振的機會也增多。因此當(dāng)機床－夾具－刀具－工件的系統(tǒng)剛性不足時，尤其是在加工細(xì)長工件時，不宜采用過大的刀尖半徑和負(fù)倒棱。

    用立方氮化硼可轉(zhuǎn)位面銑刀銑削45HRC以上的鋼及鑄件時，背前角和側(cè)前角的組合常采用雙負(fù)前角型結(jié)構(gòu)，一般為-5°～-7°，主偏角為45°～75°，負(fù)倒棱尺寸為br1×γ01=0.2mm×-20°，切削刃鈍圓半徑rn=0.05～0.13mm。

3.選取合適的切削用量

    立方氮化硼刀具主要用于精加工和半精加工，因此背吃刀量一般較小，通常在2mm以下；進(jìn)給量為0.05～0.4mm/r。但由于刀具上作有負(fù)倒棱，因此進(jìn)給量選擇時必須大于負(fù)倒棱的寬度值。

    此外，用立方氮化硼刀具切削淬硬鋼及冷硬鑄鐵等高硬度材料時，當(dāng)切削速度高于一定數(shù)值后，切削速度與刀具壽命之間的關(guān)系不再符合泰勒公式，即隨切削速度的提高，此時刀具壽命不但不會降低，反而會有所增加。

    這是因為，隨切削速度的提高和切削溫度上升，被切削層金屬軟化，硬度降低，而立方氮化硼刀具由于熱穩(wěn)定性較高而并不軟化，致使刀具與工件二者的硬度差加大，刀具磨損減慢，使切削加工更易于進(jìn)行，這一特性稱為金屬軟化效應(yīng)。只有當(dāng)切削溫度超過刀具耐熱溫度后，刀具壽命才會降低。

    因此，在用不同牌號的立方氮化硼刀具切削不同的工件材料時，都有一個最佳切削速度范圍，使用時必須注意。例如，用DLS-F刀具切削高速鋼(62~64HRC)時的最佳切削速度以60~70m/min為宜。

    由于有金屬軟化效應(yīng)，所以立方氮化硼刀具最適用于硬態(tài)材料的高速切削、干式切削等先進(jìn)切削加工工藝，如加工60HRC以上硬度的工件，其壽命要高出硬質(zhì)合金刀具10倍以上。

4.防止水解作用的方法

    盡管立方氮化硼刀具能承受1300～1400℃的切削溫度，但應(yīng)注意，CBN在高溫(1000℃左右)下，會同水蒸氣及空氣中的氧起反應(yīng)，生成氨和硼酸(BN+3H2O→H3BO3+ NH3)，這種化學(xué)反應(yīng)稱為水解作用，會加速刀具的磨損。因此在濕式切削時，忌用水溶液作切削液，須用帶極壓添加劑的水溶液或極壓切削油以減弱水解作用。

    還應(yīng)指出，由于CBN刀具的熱穩(wěn)定性高，切削液對刀具壽命和加工表面粗糙度的影響不大，加之高速切削硬質(zhì)材料時金屬有軟化效應(yīng)，所以有條件時可采用高速干式切削，并且干式切削還有利于環(huán)境保護(hù)和操作工人健康，降低生產(chǎn)成本。

5.選用合適的機床設(shè)備

    使用立方氮化硼刀具的機床必須剛度高、功率大、轉(zhuǎn)速高，才能充分發(fā)揮它的性能，取得良好經(jīng)濟效益。此外，機床精度也要好，裝夾工件的夾具和夾緊裝置，必須可靠性強，以免加工時產(chǎn)生振動，使刀具破損。

    必須指出，目前生產(chǎn)中不少機床設(shè)備還不能滿足立方氮化硼刀具的加工要求，所以立方氮化硼刀具的潛力未能得到充分發(fā)揮，今后隨著數(shù)控機床(NC)和加工中心(MC)等高效設(shè)備應(yīng)用的增多，必將進(jìn)一步推動立方氮化硼刀具的使用。

6.刀具使用前的刃磨與檢驗

    立方氮化硼刀具使用前，需將前、后刀面進(jìn)行研磨，以減小切削過程中的摩擦，同時也可提高切削刃的直線度，防止刀具的非正常磨損。另外，在使用前要用50倍以上的放大鏡檢查切削刃的刃口品質(zhì)，以控制刃口的鋸齒邊，不然會影響刀具使用壽命和加工品質(zhì)。

7.PCBN刀具的非常規(guī)使用

    人們通常認(rèn)為，PCBN刀具不適于切削低碳鋼類的工件，因為會產(chǎn)生長切屑，擦傷刀具前刀面并產(chǎn)生很高的熱量，進(jìn)而加快刀具的熱化學(xué)磨損。然而這種情況只有在高溫時才會發(fā)生，PCBN刀具的硬度在600℃左右時才會降至與室溫時的硬質(zhì)合金相當(dāng)，在切削溫度不高時，PCBN刀具是不會產(chǎn)生熱磨損的。

    因此，只要選用合適的切削用量，PCBN刀具同樣可以切削低碳鋼，并且比使用涂層硬質(zhì)合金刀具和金屬陶瓷刀具有更高的使用壽命。

立方氮化硼刀具發(fā)展新趨勢

    立方氮化硼刀具是一種先進(jìn)的切削刀具，應(yīng)用前景廣闊。首先在精加工和半精加工時，在某些情況下甚至粗加工工序中，用其加工淬硬鋼、冷硬鑄鐵、35HRC以上的鈷基和鎳基高溫合金及其它難加工材料也是有效的。例如，俄羅斯的T-10(PCBN)刀片具有較好的抗沖擊性能，它既可用于精加工和半精加工，也可用于背吃刀量達(dá)6mm的粗加工。目前世界上立方氮化硼的年耗量大約以10％～15％的速度增長。

    人造立方氮化硼超硬刀具材料，目前單晶的向粗顆粒、高強度、多功能方向發(fā)展。日本無機材料所生產(chǎn)的單晶CBN直徑達(dá)3mm。De Beers公司生產(chǎn)的PCBN產(chǎn)品，最大直徑達(dá)101.6mm，然后用激光切割成所需要的任何形狀，可加工70HRC的高硬度材料。

    立方氮化硼刀具材料的價格較貴，為了擴大其應(yīng)用范圍，國外已研制出比價格相對較低的立方氮化硼涂層刀具。它是采用化學(xué)氣相沉積法(CVD)在通用型鎢鈷(K)類硬質(zhì)合金基體上(原則上可涂覆在任何基體上)涂覆一薄層立方氮化硼的超硬材料。英國還研制出了一種在PCBN刀片上用CVD法涂覆一層鎳、銅、鈦、鉻、鉭、鈷的混合物，以及TiN或TiC的防護(hù)涂層，其耐磨性可比普通PCBN刀片高3倍。Lellond公司開發(fā)出了一種由陶瓷與CBN的超硬復(fù)合材料，它兼有上述兩種材料優(yōu)點，是高速加工高硬耐磨鑄鐵的理想材料。

    立方氮化硼刀具的廣泛使用取決于高速、高剛性、高抗振性的金屬切削機床，以及高強度新品種的刀片牌號，并應(yīng)根據(jù)具體加工條件選取合適的切削用量，使其與被加工材料相“匹配”。當(dāng)前發(fā)展立方氮化硼刀具，一方面要設(shè)法提高刀片品質(zhì)，降低刀片成本；另一方面要進(jìn)一步研制出晶粒更細(xì)的材料，以提高其致密度，減少刃口鋸齒邊，使其能刃磨得更為鋒利，同時要解決提高立方氮化硼刀具的刃磨效率和質(zhì)量問題。