国外PCBN切削刀具应用技术

                       郑州航空工业管理学院 华红艳

    立方氮化硼(CBN)是纯人工合成材料，是继人造金刚石之后，美国GE公司于1957年首先宣布利用高温超高压装置合成的另一种新型超硬材料。聚晶立方氮化硼(PCBN)是由CBN微粉与少量结合剂烧结而成的多晶体，PCBN自1973年研制成功以来，经过众多材料专家及刀具专家的努力，PCBN材料及其刀具已完全进入实用阶段，在工业发达国家PCBN刀具已应用于汽车、重型机械等机械加工行业，据资料介绍1995年全世界PCBN刀具的销售额达1.35亿美元，而我国由于对CBN材料及其应用技术的研究不够，PCBN刀具的年产量仅数百万元人民币，年消耗也仅千万元左右，且绝大部分PCBN刀坯或刀具是从国外进口。 

   一、PCBN材料的性能 

   1. CBN的主要特性  

   氮化硼有多种同分异构体。CBN是氮化硼的致密相，具有很高的硬度，其Knoop硬度47000N/mm2,，仅次于金刚石。同时，CBN具有良好的热导性，其热导率是硬质合金的13倍、铜的3倍。另外，CBN还具有远优于金刚石的热稳定性和化学稳定性，可耐1300～1500℃的高温，并且与Fe族元素有很大的化学惰性。可见CBN是制作切削黑色金属的理想刀具材料。 

    2. PCBN的特性 

    由于受CBN本身特性及其制造技术的限制，生产直接用于切削刀具的大颗粒CBN单晶目前仍很困难。为此，通过结合剂使CBN烧结而成的PCBN多晶材料得到较快发展，其尺寸大小基本不受限制。PCBN组织中各微小晶粒呈无序排序，硬度均匀、没有方向性，具有一致的耐磨性和抗冲击性，克服了单晶CBN易解理和各向异性等不足。 

    PCBN属CBN的聚集体，除具有CBN的特点外，PCBN还与CBN的含量、粒径大小及结合剂的种类等因素有关。CBN含量主要影响PCBN的硬度和热导率，含量高，PCBN的硬度和热导率就高。CBN粒径大小是影响PCBN韧性的重要因素，粒径越大，其抗破损性就越弱，用此制作的刀具切削刃锋利性就差。PCBN中的结合剂主要有以Co、Ni为代表的金属型，以TiC、TiN、Al2O3为主的陶瓷型和金属陶瓷混合型。金属材料作结合剂时，PCBN有较好的韧性和导电性；陶瓷材料作结合剂，则有较优的热稳定性。PCBN除具有以上优良的性能外，为进一步提高其强度，目前各PCBN制造商多将0.5mm左右的PCBN层直接烧结或焊接在硬质合金基体上，使之形成一个复合整体(也称PCBN复合片)。这样PCBN材料的高硬度、高热稳定性和高化学稳定性与硬质合金基体的强度优、可焊性好等一起，使PCBN刀具不仅可切削各种硬度的工件，而且也易于生产制造。 

    表1是PCBN材料与其它刀具材料的性能比较。  

    主要性能 PCBN PCD Al2O3 WC(K20)  
    Knoop硬度(GPa) 30～45 80～120 16～24 17  
    抗弯强度(GPa) 0.8～1.54 1.1～2.8 0.4～1.0 1.7  
    弹性模量(GPa) 680～815 560～840 420 593  
    断裂韧性(MPa√m) 3.7～6.4 7.0～9.0 2.3～3.1 10.5  
    热导率(W/(m•K)) 44～100 200～560 20.9 100 

    二、PCBN刀具切削特点——硬态切削  

    硬态切削是指在铁族零件淬硬热处理后的切削加工，而过去磨削仍是其唯一的加工方法。随着陶瓷刀具，特别是PCBN刀具(PCBN材料有优良的红硬性。在1000℃下的硬度仍高于硬质合金在室温下的硬度)的研制成功，硬态切削得到飞速飞展。  

    PCBN刀具进行硬态切削时，由于PCBN不粘刀、磨损小，可获得极高的加工精度和表面质量( Ra0.2～2.0µm)，实现以车代磨。据日本切削协会对本国53个大公司的调查表明，日本PCBN刀具的应用有55%是替代原来的磨削和珩磨。  

    PCBN刀具主要适用于切削45HRC以上的淬硬钢、耐磨铸铁，35HRC以上的耐热合金或其它刀具很难加工的特殊铸铁。如果被加工材料硬度过低，则PCBN刀具的优势将不大明显。  

    三、国外主要PCBN刀坯的种类和型号  

    国外主要PCBN刀坯的种类和型号，大致可分为两大类，即高含量PCBN和低含量陶瓷结合剂PCBN(也称陶瓷CBN)。高含量PCBN(一般CBN含量80%～90%)是以CBN之间直接结合为主，具有高硬度、高热导性和良好韧性，这类PCBN刀具适合于加工高硬度合金和组织中含有高硬质点的材料，如冷硬铸铁、硬质合金、耐热合金等。目前此类PCBN刀坯主要有GE公司的BZN6000，De Beers公司的Amborite、DBC80，住友电工的BN100、BN600等。  

    在切削淬硬钢(合金钢、轴承钢、模具钢、碳钢等)时，由于切削温度较高，要求PCBN刀具不仅有高的硬度，还要求有较高抗氧化能力和抗扩散磨损的能力，对此应采用陶瓷作结合剂的低含量PCBN刀坯。尽管此类PCBN较高含量PCBN的硬度、热导率和韧性稍低，但是正因为陶瓷材料的耐热性好与热导性差的特点，使切削区形成热滞留温度升高，工件局部迅速形成塑性变形而易于切削，可获得较好的效果(也称软化效应)。目前此类刀坯主要有GE公司的BZN8100、BZN8200，De Beers公司的DBC50，住友电工的BN300、BN220 等。
    表2 为国外主要PCBN刀坯的型号及特点。    
    型号 特点 公司  
    AMBORITE 
    DBA80 
    AMB90 
    DBC50 高含量、粗粒度、陶瓷相、整体式 
    80%CBN、中等粒度 
    90%CBN、Al/AlB2相 
    50%CBN、细粒度、陶瓷相 英国De Beers  
    BZN6000 
    BZN7000S 
    BZN8100 
    BZN8200 90%CBN、0.3µm、金属相 
    82%CBN、陶瓷相、整体式 
    65CBN、0.3µm、TiN相 
    65%CBN、TiN相 美国GE  
    BN600 
    BN100 
    BN300 
    BNX20 高含量 
    80%CBN 
    <1.0µm、陶瓷相 
    陶瓷相 日本住友电工Sumitomo  
    MB710 
    MB710 
    MB810 
    MB810 陶瓷相 
    高含量、金属相 
    粗粒度 
    细粒度 日本三菱マテリアル  
    JBN500 
    JBN300 
    JBN330 
    JBN20 80%～90%CBN、2～3、金属相 
    55%～65%CBN、4～5µm、TiN相 
    45%～55%CBN、3～4µm、TiN相 
    40%～00%CBN、2～3µm、Al2O3相 日本黛杰工业Dijet  
    KBN30S 
    KBN30B 
    KBN10B 重、中切削用 
    中、轻切削用 
    精切削用 日本京瓷会社Kyocera  
    KB90 
    KB80 
    KB60 
    KB50 90%CBN 
    80%CBN 
    60%CBN 
    50%CBN 韩国Korea Tungstem  
    CBN10 
    CBN20 
    CBN10 90%CBN、粗粒度、整体式 
    80%CBN、中等粒度 
    00%CBN、细粒度 瑞典seco Tools  
    CB7050 瑞典Sandvik Coromant  
    Kusopum-p 乌克兰超硬材料所 

    四、PCBN刀具的应用范围  

    ·按行业来分，汽车工业占50.37%、重型机械～20.74%、泵业8.89%、轴承齿轮5.93%、轧滚5.19%、航空航天2.90%，其它5.93%。  
    ·按加工材料来分，淬火钢占65%、铸铁28%、耐热钢7%。  
    ·按加工工序来分，车削占60%、镗削32.5%、端铣7.5%。  
    ·按替代原加工来分，50%为替代磨削、30%替代硬质合金刀具、10%替代金属陶瓷刀具、5%替代陶瓷刀具、5%替代珩磨加工。  

    五、PCBN刀具应用技术  

    硬态切削时，径向力很大，机床和系统的刚性必须很好、功率足够大。装夹PCBN刀具时，刀具的悬伸长度要尽可能短，以防止刀杆的颤振和变形，使PCBN刀具保持良好的状态。  

    PCBN刀具比硬质合金刀具韧性差，因此在切削时，一般都采用负前角(0°～-10°)、较小的后角(6°～8°)和负倒棱[(0.1～0.2)×(10°～30°)]。若进一步对切削刃适当钝化处理，则会更好。另外，在可能的情况下，尽可能采用小主偏角和大的刀尖圆弧半径，这有助于保护切削刃、延长刀具使用寿命。  

    合理使用PCBN刀具，准确判断PCBN刀具的耐用度是关键。建议PCBN刀具后刀面磨损标准达0.3～0.5mm(精车时取小值)，进行定期重磨为好。但是重磨需要一定的设备和技巧，大多数工厂的机床不具备适合的条件，PCBN刀具重磨应由专业厂商来完成。确定切削速度、进给量及切削深度要综合考虑生产效率和加工成本。通常情况下其切削速度可比硬质合金刀具高2 倍左右，高的切削速度产生大的切削热，使被加工材料的塑性增大，有利于降低切削力。表3是PCBN刀具的经济切削速度。  
    表3 PCBN刀具的经济切削速度  
    工件材料 切削速度(m/min) 进给量(mm/r) 切削深度(mm)  
    淬硬钢 50～160 0.02～0.2 ≤0.3  
    灰口铸铁 200～1500 0.1～0.5 ≤1.0  
    灰口铸铁(铣削) 800～1500 0.1～0.1 ≤0.5  
    合金铸铁 200～800 0.1～0.4 ≤0.5  
    球墨铸铁 100～350 0.1～0.4 ≤0.5  
    铁基烧结材料 50～250 0.03～0.2 0.1～1.0  
    冷硬铸铁 40～130 0.1～0.5 0.2～3.0  
    高速钢 20～80 0.1～0.4 0.1～3.0  
    Ni基耐热合金 110～160 0.05～0.2 0.1～1.0  
    Co基耐热合金 50～100 0.05～0.2 0.1～1.0 

    PCBN刀具在使用时以干切削为好，如果需要切削液时，一定要冷却充分，禁用水溶性切削液。  

    随着技术的进步，PCBN刀坯系列越来越多，专用性越来越强，对于不同材质和要求的工件应选用相应的PCBN材料，以取得满意的加工效果。