PCBN刀具的新進展及趨勢展望

    1．PCBN刀具材料的優(yōu)勢?
    在機械加工制造領域，切削加工技術已經(jīng)進入以高速銑削、CNC多功能切削、微細形狀/超精切削等為代表的變革創(chuàng)新時期。與此同時，切削刀具的變革創(chuàng)新也有了新的進展�，F(xiàn)階段的刀具材料以涂層硬質(zhì)合金為主導，最高切削速度范圍300～600m/min�？梢灶A測，今后切削高速化的發(fā)展會更加迅猛，當 1000m/min以上的超高速切削時代到來時，PCBN將是最強有力的刀具材料，具有極大的優(yōu)勢。
   （1）與金剛石的對比優(yōu)勢?
    CBN（立方氮化硼）的常溫硬度僅次于金剛石，而它的熱傳導性和對鐵系金屬的熱化學穩(wěn)定性則優(yōu)于金剛石。金剛石刀具僅適用于有色金屬及其合金的切削加工，而PCBN刀具也適用于黑色金屬及其合金的切削加工。?
   （2）與硬質(zhì)合金的對比優(yōu)勢?
    PCBN（聚晶立方氮化硼）的高溫化學穩(wěn)定性和紅硬性優(yōu)于硬質(zhì)合金，是高速切削高硬材料的最佳刀具材料。PCBN刀具的切削特性隨CBN的含量、粒度以及結合劑種類的不同而變化。最近開發(fā)成功了無結合劑的單相PCBN，在切削高速化和提高刀具壽命方面可望獲得更顯著的效果。PCBN中CBN含量越高，耐磨性就越高，但韌性有所降低，特別是用于如立銑等斷續(xù)切削加工時，在切削刃形狀、切削條件（尤其是切深量）等方面應采取特殊對策，以確保切削刃的強度，充分發(fā)揮PCBN刀具的優(yōu)勢。例如，采用PCBN和硬質(zhì)合金球頭立銑刀高速銑削自硬鋼時，由切削速度和刀具壽命的比較可知，PCBN刀具具有超群的壽命特性。用PCBN立銑刀高速銑削HRC60以上的高硬鋼時，可實現(xiàn)超過2000m/min的超高速高精度切削。雖然尚未確認其后刀面發(fā)生快速磨損的切削速度，但由于PCBN刀具的高溫硬度優(yōu)異，因此可用于干式切削。在切削速度極限范圍以內(nèi)，可以發(fā)現(xiàn)切削速度越高，PCBN刀具壽命越長的現(xiàn)象，這是硬質(zhì)合金等其它刀具所不具有的獨特性能。PCBN刀具在鑄鐵的切削加工中也顯示出很高的刀具壽命，在從較低切削速度直至高速切削的速度范圍內(nèi)，均能獲得良好的加工效果。在汽車零件（如發(fā)動機缸體等）的鏜孔加工中，PCBN刀具顯示出高精度、高效率和長壽命的特點。由高速銑削灰口鑄鐵的刀具磨損特性實例可知， 500～2000m/min是有利于發(fā)揮刀具壽命特性的切削速度范圍。?
    如今，切削加工正朝著微細化、精密化的方向快速發(fā)展，尤其在精加工刀具和長壽命刀具方面，PCBN刀具的技術動向令人關注。此外，用PCBN車刀實現(xiàn)高硬度鋼的高效率、高精度車削已得到人們再次認可，可以說PCBN刀具無論現(xiàn)在還是將來都是大有希望的刀具。
    2．PCBN刀具的應用及注意事項?
    在模具零件的加工中，用球頭立銑刀高速銑削高硬度鋼的切削方法出現(xiàn)以后，其高生產(chǎn)效率倍受關注。在銑削加工方面，已迎來了普遍使用主軸轉速達每分鐘數(shù)萬轉以上的加工中心的時代。高速銑削用刀具已有陶瓷類涂層硬質(zhì)合金刀具，可以說廣泛采用高速銑削加工的條件已經(jīng)成熟。近年來，切削加工追求的精度越來越高，必然要求換刀判斷標準——后刀面磨損寬度值減�。〒Q刀周期時間縮短）；同時要求不斷提高切削速度和進給速度，以進一步提高切削加工效率；主軸轉速超過4～5 萬轉/分的高速銑削加工中心被大量使用，其結果是必須使用耐熱性和耐磨性優(yōu)良、最適合高速銑削的PCBN球頭立銑刀，且使用量不斷增加。
    但是，PCBN球頭立銑刀的材料成本和磨削加工費用都比硬質(zhì)合金高，而且還有加工時容易發(fā)生崩刃的缺點，因此需要開發(fā)新的適用技術。其中一項新的技術措施是在銑削高硬度鋼時，為了提高韌性，抑制崩刃的發(fā)生，多采用CBN含量為50～60vol%的PCBN刀具。由CBN含量低的PCBN刀具的后刀面磨損形態(tài)、前刀面月牙洼磨損形態(tài)和切削刃部分發(fā)生崩刃時對應磨損形態(tài)的實例可知，這種磨損形態(tài)是在高速切削時產(chǎn)生高溫及在此高溫條件下發(fā)生熱擴展而導致結合劑劣化造成的。?
    作為解決結合劑劣化問題的技術措施，可考慮減少結合劑，提高CBN含量，以獲得耐熱性和耐磨性優(yōu)良并適合刀具要求的PCBN刀具材料。但以往的實踐證明，提高CBN含量意味著刀具韌性降低，容易發(fā)生刀尖崩刃。防止刀尖崩刃的最佳解決方案是采用負前角和對刀尖圓弧進行鈍化處理，該方案能有效抑制切削時發(fā)生崩刃，是充分發(fā)揮PCBN刀具特長的關鍵技術措施之一。?
    3．PCBN刀具的設計和應用實例?
    在模具零件的精加工中，PCBN刀具在加工效率、加工精度和刀具壽命方面發(fā)揮出卓越的特殊性能。市售的球頭立銑刀切削刃形狀有兩類，一類是軸向前角和徑向前角均為0°、刀尖部分進行了負倒棱處理的切削刃；另一類是獨特的負倒棱形狀切削刃。?
    對CBN含量高的PCBN刀具的切削刃刀尖部分進行倒棱，將刃口部分鈍化成R圓弧形狀，是解決切削時發(fā)生崩刃的重要措施。在平面銑削時，為超高速銑削加工設計的負前角、無中心切削刃球頭立銑刀與有中心切削刃的球頭立銑刀相比，能改善加工表面粗糙度。因此，設計PCBN刀具切削刃時，需要采用能充分發(fā)揮刀具材質(zhì)特性的刀具形狀。在銑削加工高韌性特殊鑄鐵時，與涂層硬質(zhì)合金球頭立銑刀相比，即使是CBN含量較低的PCBN刀具，其壽命也要長得多，磨損緩慢的 PCBN刀具還能保持最高的加工表面精度。
    在微細形狀、亞微米級超精切削加工中，刀具壽命的管理是重要的關鍵技術之一，要求使用具有高壽命特性的刀具�？梢詳嘌裕�在此加工領域，與其說對PCBN刀具的關注度最高，不如說它是唯一的適用刀具。
    可進行高硬度鋼微細形狀切削加工的機床是具有超高速精密切削功能的加工中心，它具有與原有加工中心不同的新型主軸結構，如在驅動軸上各配置有2臺直線電機，能實現(xiàn)靈敏而無振動的切削進給動作；主軸采用了能將熱影響限制到最小程度的空氣透平/空氣靜壓軸承，能承載轉速高達每分鐘12萬轉的主軸。
    用無結合劑PCBN刀具高速銑削高硬度鋼的試驗結果表明，該刀具在最佳加工條件（切削刃形狀、切削條件、刀具夾持方式等）下使用時，與有結合劑的PCBN刀具比較，顯示出超群的刀具壽命特性。?
    4．越來越受關注的PCBN刀具技術?
    在切削加工領域，高速銑削技術已實現(xiàn)了高附加值化，瞄準更高目標的技術進展仍在不斷繼續(xù)。PCBN刀具已從適用于特殊加工領域逐步發(fā)展為主流刀具之一。但如前所述，必須清醒地認識到，在技術方面還存在許多需要攻克的課題，為了PCBN刀具時代的真正到來，需要盡早解決存在的技術難題。