CBN刀具材料在數(shù)控機(jī)床上及不同應(yīng)用領(lǐng)域的應(yīng)用

    本文對(duì)PCBN刀具用于高速與超高速切削、硬態(tài)干式切削、在數(shù)控機(jī)床上加工淬火鋼加工以及不同應(yīng)用領(lǐng)域?qū)�PCBN刀具材料的要求均有描述。指出，為達(dá)到我國(guó)未來工業(yè)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，超硬刀具的成功應(yīng)用是一個(gè)關(guān)鍵因素。

1.引言

    單晶立方氮化硼的顆粒很小，目前人工合成的單晶立方氮化硼的最大粒徑為3mm左右。鑒于培育立方氮化硼大單晶在技術(shù)上存在難度，所以，蘇聯(lián)、美國(guó)、英國(guó)、日本和中國(guó)相繼研制出聚晶立方氮化硼[1]。

    聚晶立方氮化硼可以分為整體PCBN燒結(jié)塊和帶硬合金基體的PCBN復(fù)合片。整體PCBN燒結(jié)塊是由CBN顆粒在高壓高溫下燒結(jié)而成的;PCBN復(fù)合片是由 CBN層與硬質(zhì)合金基體在高壓高溫下燒結(jié)而成的。多晶體的結(jié)構(gòu)使聚晶立方氮化硼具有各向同性，克服了單晶存在解理面的缺陷，同時(shí)，PCBN具有硬質(zhì)合金基體的抗沖擊韌性[2]。這些優(yōu)點(diǎn)使聚晶立方氮化硼的應(yīng)用廣泛，特別是作為刀具材料在切削加工方面發(fā)揮了極大作用，被廣泛應(yīng)用于汽車、機(jī)床、航空航天、儀器儀表等制造領(lǐng)域。PCBN刀具可以實(shí)現(xiàn)以車代磨，并且刀具壽命比硬質(zhì)合金刀具提高幾十倍到幾百倍。隨著科技的進(jìn)步和技術(shù)水平的提高，它的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)��?huì)不斷擴(kuò)大。PCBN刀具的1/2用于汽車制造業(yè)，約20%用于重型設(shè)備（如軋輥等）的加工[3]。

2.PCBN刀具的應(yīng)用

2.1常用刀具的綜合性能及PCBN刀具的應(yīng)用范圍

    圖1大致說明了幾種刀具材料的硬度、耐磨性和韌性、強(qiáng)度的關(guān)系，可見理想的刀具材料應(yīng)位于該圖右上角，即應(yīng)既具有極高的耐磨性，有利于延長(zhǎng)刀具耐用度，同時(shí)又具有好的斷裂韌性，使得其能夠承受大的切削力。 

                             圖1 常用刀具材料綜合性能 

    PCBN刀具按加工方式分，車削占60%，鏜削占32.5%，端銑占7.5%。按加工材料分，淬火鋼占65%，鑄鐵占28%，耐熱鋼占7%。按替代原加工分，50%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。

    PCBN刀具按加工方式分，車削占60%，鏜削占32.5%，端銑占7.5%。按加工材料分，淬火鋼占65%，鑄鐵占28%，耐熱鋼占7%。按替代原加工分，50%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%替代磨加工。

PCBN已廣泛用于數(shù)控機(jī)床、多用途機(jī)床、自動(dòng)化、專用高速機(jī)床、柔性生產(chǎn)單元或柔性生產(chǎn)系統(tǒng)為基礎(chǔ)的自動(dòng)化生產(chǎn)線，用于各種高硬度材料（如冷熱作工具鋼、高速鋼、軸承鋼、粉末冶金鋼、粉末冶煉金屬、馬氏體不銹鋼、高強(qiáng)度鋼、高錳鋼、白口鑄鐵、奧氏體軟鐵等）的切削加工[4]。

2.2 不同應(yīng)用領(lǐng)域?qū)?PCBN刀具材料的要求

    圖2勾畫出了不同應(yīng)用領(lǐng)域?qū)�PCBN刀具材料的要求。硬質(zhì)鋼的加工對(duì)PCBN性能要求的范圍最廣，這是因?yàn)橛操|(zhì)鋼成分多樣和加工材料量大。 

    圖2是不同的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)�PCBN強(qiáng)度、抗磨損性和抗化學(xué)摩擦性的要求[5]

2.3與應(yīng)用領(lǐng)域相對(duì)應(yīng)的PCBN材料的組成 

2.4.PCBN刀具的高速與超高速切削

    現(xiàn)代切削加工技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)是切削加工的高速、超高速發(fā)展。高速、超高速加工技術(shù)是指采用超硬材料的刀具，通過極大地提高切削速度和進(jìn)給速度來提高材料切除率、加工精度和加工質(zhì)量的現(xiàn)代加工技術(shù)。超高速加工的切削速度范圍因不同的工件材料、不同的切削方式而異。目前，一般認(rèn)為，超高速切削各種材料的切削速度范圍為:鋁合金巳超1600m/min，鑄鐵1500m/min，超耐熱鎳合金達(dá)300m/min，鈦合金達(dá)150~1000m/min，纖維增強(qiáng)塑料為 200~9000m/min。各種切削工藝的切削范圍:車削為7007000m/min，銑削為300~6000m/min，鉆削為200~1100m /min，磨削為250m/s以上。因此，對(duì)刀具適用性和使用壽命提出了更高的需求，而PCBN刀具是迄今世界上最能滿足這一要求的首選刀具。

    高速切削是一個(gè)相對(duì)的概念，通常認(rèn)為，高速加工時(shí)切削速度要比常規(guī)切削高5~10倍以上。高速切削時(shí)隨切削速度的提高，切削力降低，切削溫度的增加逐漸緩慢，可以提高生產(chǎn)效率和加工質(zhì)量，降低制造成本，加快產(chǎn)品的開發(fā)周期。一般來說，切削力降低15%~30%以上，表面質(zhì)量提高1~2級(jí)，切削速度和進(jìn)給速度提高15%~20%，可降低制造成本10%~15%[6]。

    高速切削現(xiàn)已廣泛用于航天航空、汽車和摩托車、模具、機(jī)床等工業(yè)中的鋼、鑄鐵、有色金屬及其合金、高溫耐熱合金以及碳纖維增強(qiáng)塑料等材料的加工，其中以鋁合金和鑄鐵的高速加工最為普遍。而高速切削是指刀具切削刃相對(duì)于零件表面的切削運(yùn)動(dòng)（或移動(dòng)）速度超過普通切削5~10倍，主要體現(xiàn)在刀具快進(jìn)、快切、快退三個(gè)環(huán)節(jié)上。

2.5 PCBN刀具的硬態(tài)干式切削

    人們普遍認(rèn)為PCBN刀具硬態(tài)干式切削，一方面可以充分發(fā)揮刀具優(yōu)秀的切削性能和金屬軟化作用，另一方面加工過程中省去了切削液的使用（通常切削液占加工總成本的16%~20%左右），為企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益，而且有利于環(huán)境保護(hù)和工人身體健康，是一種較為理想的加工方法。

   然而在干切削帶來眾多優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，也應(yīng)看到，干切削加工時(shí)的惡劣環(huán)境，使工件與刀具都承受著高機(jī)械載荷和高熱載荷，工件表面質(zhì)量必然會(huì)受到切削溫度的影響，因此要想使干切削技術(shù)完全被人們所接受，為了降低表層和亞表層缺陷，獲得更好的加工表面質(zhì)量，適當(dāng)?shù)睦鋮s潤(rùn)滑是必要的[7]。

    Kennametal推出了一種新型的、高耐磨性的、有涂覆膜的PCBN，其型號(hào)為KB9610。高速加工硬材料時(shí)，其切削速度至少能提高20%，因此可獲得高的生產(chǎn)率。

    KB9610的硬質(zhì)合金基體上的PCBN含有低濃度的CBN，PCBN上涂有多層鋁合金層，這種產(chǎn)品完全可以防止化學(xué)磨蝕并且耐高溫，KB9610主要用于連續(xù)精加工和半精加工淬火材料（HRC>45）、硬的涂層和冷硬鑄鐵，吃刀量可達(dá)0.5mm[8]。

2.6 PCBN刀具用于淬火鋼加工

    用 PCBN刀具實(shí)施硬度切削工藝可改變傳統(tǒng)切削—淬火—磨削的制造工序，能有效地提高生產(chǎn)效率和降低能量消耗[9]。雖然PCBN刀具在淬硬鋼的切削加工中具有很多優(yōu)勢(shì)，但國(guó)內(nèi)沒有推廣使用這種新型超硬刀具材料，最重要的原因是工廠缺乏對(duì)PCBN刀具切削性能和使用技術(shù)的了解。

    PCBN 刀具切削淬硬鋼時(shí)切削力的特征及其變化規(guī)律是衡量PCBN刀具切削性能的重要指標(biāo)之一。馮吉福，呂智等指出，PCBN刀具切削淬硬高速鋼時(shí)切削力與切削深度呈線性上升的關(guān)系;主切削力和軸向力和進(jìn)給量也呈線性上升關(guān)系;主切削力和軸向力隨切削速度增大而降低;切削深度減小時(shí)切削形態(tài)從鋸齒形切屑向帶狀切屑過渡的趨勢(shì)[10]。

2.7 高速切削鈦合金

    鈦合金由于高的強(qiáng)度/重量比和較高的抗腐蝕能力，被應(yīng)用于航空業(yè)。但鈦合金的切削速度低、導(dǎo)熱系數(shù)低以及很容易跟刀具材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)等難加工性已成為生產(chǎn)中的辣手問題。實(shí)際生產(chǎn)中加工鈦合金的切削速度多在50m/min 以下，因此，鈦合金的高速切削加工是當(dāng)前亟待解決的生產(chǎn)難題，也是當(dāng)今研究的熱點(diǎn)問題。采用PCBN刀具對(duì)鈦合金TC4進(jìn)行高速切削的試驗(yàn)表明，PCBN 刀具加工鈦合金TC4與硬質(zhì)合金刀具相比，有著切削力高、表面粗糙度低和刀具壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，并且在高速、低進(jìn)給量、低背吃刀量的條件下，有更長(zhǎng)約刀具壽命和更好的工件加工表面粗糙度。因此，PCBN刀具更適合用作鈦合金的精加工[11，12]。

3.結(jié)語

    上世紀(jì)制造技術(shù)的進(jìn)步可據(jù)兩個(gè)趨勢(shì)做出終肯的總結(jié):一是所達(dá)到的精度呈指數(shù)級(jí)增產(chǎn)，二是每隔10年生產(chǎn)率增長(zhǎng)2倍。后一趨勢(shì)主要是由更硬、熔點(diǎn)更高的切割工具的使用產(chǎn)生的。在過去的25年中，PCBN的應(yīng)用在很大程度上大與這一趨勢(shì)相關(guān)聯(lián)。

    高效切削已經(jīng)成為現(xiàn)代制造的主流，而聚晶立方氮化硼刀具在其中扮演著不可缺少的角色。目前，我國(guó)刀具制造業(yè)還停留在傳統(tǒng)的發(fā)展模式上，無法滿足現(xiàn)代制造業(yè)對(duì)高效刀具的需求。

    超硬材料刀具發(fā)展是現(xiàn)代制造業(yè)發(fā)展的重要基礎(chǔ)。美、德、日等世界制造業(yè)的國(guó)家無一例外都是刀具工業(yè)先進(jìn)的國(guó)家。超硬材料刀具不但推動(dòng)制造技術(shù)發(fā)展進(jìn)步的重要?jiǎng)恿Γ�還是提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低加工成本的重要手段。

    今天先進(jìn)的數(shù)控機(jī)床已經(jīng)成為現(xiàn)代制造業(yè)的主要裝備，它與同步發(fā)起來的先進(jìn)超硬材料刀具一起共同推動(dòng)了加工技術(shù)的進(jìn)步，使制造技術(shù)進(jìn)入了現(xiàn)代制造的新時(shí)代。

    由于我國(guó)機(jī)床工具行業(yè)對(duì)現(xiàn)代金屬切削刀具與傳統(tǒng)刀具的差別缺乏足夠的認(rèn)識(shí)，長(zhǎng)期以來重主機(jī)、輕工具，在發(fā)展戰(zhàn)略上超硬材料刀具與數(shù)控機(jī)床的發(fā)展嚴(yán)重脫節(jié)，使我國(guó)超硬材料刀具技術(shù)的發(fā)展和行業(yè)水平與現(xiàn)代制造業(yè)的要求相差甚遠(yuǎn)。

    超硬刀具的應(yīng)用程度將取決于技術(shù)和經(jīng)濟(jì)兩方面的考慮。然而有一點(diǎn)是顯而顯見的，即朝著具有更高生產(chǎn)率、更高切削速度和更低成本的方向發(fā)展。隨著更耐磨和更難加工工件材料的增多，各類超硬刀具的應(yīng)用將持續(xù)大量增加。亳無疑問，為達(dá)到我未來工業(yè)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，超硬刀具的成功應(yīng)用是一個(gè)關(guān)鍵因素。