PCBN刀具及其在切削加工中的应用

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　　1.引言

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　　PCBN(聚晶立方氮化硼)刀具具有硬度高、韧性好、热稳定性好和化学惰性大等特点，并可用金刚石砂轮开刃修磨，在切削加工的各个方面都表现出了优异的切削性能，特别适合加工各种淬硬钢、冷硬铸铁等难加工材料。

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　　2.PCBN刀具材料的性能

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　　2.1 PCBN的组成成分对刀具性能的影响

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　　(1)结合剂对PCBN刀具性能的影响

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　　PCBN是CBN(立方氮化硼)的烧结体，通常是不加粘结剂烧结直接由CBN原子间的结合而成的，也有加入不同的粘结剂，由粘结剂结合烧结而成的。前者因CBN含量高，所以硬度高，但较脆；后者除所加粘结剂比例不同外，其种类还有金属粘结剂和陶瓷粘结剂之分。常用的金属粘结剂有Co、Ni、Ti、Ni-Al等金属；陶瓷粘结剂有TiN、TiN-AlN、Al2O3等，也有同时加入金属和陶瓷粘结剂的。一般加陶瓷粘结剂的PCBN刀具具有较高的耐高温磨损能力和较强的抗粘结能力。

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　　(2)CBN含量对PCBN刀具性能的影响

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　　目前，CBN是人工合成的，硬度仅次于金刚石，其晶粒硬度可达8000～9000HV，远远高于陶瓷和硬质合金。PCBN复合片的硬度(通常为3000～5000HV)主要取决于CBN的含量，一般CBN含量在40%～95%之间，随着CBN含量的增高，PCBN的硬度增加；而耐磨性与CBN含量之间不是简单的关系，不同加工条件下有不同最佳值。加工模具钢时，CBN含量为55%左右时，刀具最耐磨；加工Cr06合金工具钢时，CBN含量越高越耐磨。

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　　(3)CBN晶粒尺寸对PCBN刀具性能的影响

　　CBN晶粒的大小影响刀具的强度，细晶粒可使晶粒的晶界面积增加，提高烧结强度及抗裂纹扩展能力，从而使PCBN刀具耐磨性增加，当粒径增加1倍时，刀具寿命要降低30%～50%。

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　　2.2 PCBN复合片

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　　PCBN刀具的制造分为PCBN复合片(PCBN/硬质合金)制造(高温高压烧结体)和将复合片进行切割、焊接、刃磨制成各种刀具。PCBN刀具由于能耐1200～1300℃的高温，而且在1200℃以上也不与铁系金属产生化学反应，因此，目前PCBN刀具多用于淬硬钢、冷硬铸铁及表面热喷涂材料的切削加工，而加工中等硬度的材料往往体现不出较好的切削性能，如加工中、低硬度的工件时，PCBN刀具寿命还没有硬质合金刀具寿命高，只有在加工硬度为50HRC以上的工件时，刀具才发挥出其超硬性能，如加工硬度为60HRC左右的工件，其寿命要高出硬质合金刀具10倍以上。因此，PCBN刀具用于加工高硬度材料才能发挥出其优越的性能。

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　　2.3 PCBN刀具的结构

　　常见PCBN刀具切削部分的结构有以下4个种类。

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　　(1)将大颗粒PCBN烧结块固定于刀头之上，然后将此刀头再通过机夹方式夹于刀杆之上。这种结构容易出现的问题是当切削时间较长或选择的切削用量较大时，切削温度升高，刀头材料软化，并在切削力作用下容易将PCBN烧结块顶入刀头之中，造成打刀或脱落。另一个问题是烧结块大小有限，因此重磨次数少，且重磨时需磨3个刀面。

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　　(2)机夹可重磨式复合片刀头，这种结构具有一般机夹刀具的优点，即刀头部分可重磨，增加了刀具的使用寿命，刀杆又可重复使用不造成浪费。但就刀具整体而言，刀头部分占整个刀具成本的90%左右，刀杆成本占相当小的比例。而这种结构带来一个缺点，即增加了一个连接部分，刀头夹固不好时，产生微小窜动也会造成打刀，刀具的可靠性有所降低。另一个弱点是刀尖部分PCBN复合片面积小，重磨次数非常有限，同时PCBN复合片与刀头焊接面积小，当切削温度一高，焊接部分软化，强度下降，整个PCBN复合片脱落造成打刀。

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　　(3)在可转位硬质合金刀片一个角(也有两个角或整个面都是PCBN复合片的)上焊有PCBN复合片。这种结构同标准硬质合金刀片一样可直接用于可转位刀杆之上。这种结构除了同上述(1)的结构具有同样缺点外，还不能重磨，因此刀具成本较高。这种结构刀具目前主要用于自动化程度较高的加工中心及数控机床上。

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　　(4)焊接式PCBN刀具结构，其特点是重磨次数多，且PCBN复合片与刀具连接可靠。但这种刀具要求PCBN复合片质量要高，不然如产生大面积崩刀，则整个刀具报废。

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　　3.PCBN刀具的应用

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　　PCBN刀具经过20年的发展及推广应用，获得了巨大的经济效益和社会效益。下面以精车淬硬钢等举例说明PCBN刀具在生产中的应用特点。

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　　3.1用PCBN刀具精车淬硬钢

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　　淬硬钢工件常规的加工工艺是粗磨、精磨，现代切削加工与刀具材料技术的发展，可采用高精度的车削工艺代替磨削加工，为淬硬工件的精加工开辟了一条快捷经济的新途径。精车淬硬钢工件，只有硬度高于45HRC时最为有利(不需断屑)。切削速度v一般为80～150m/min，工件硬度越高，切削速度宜越低，如车削70HRC左右的工件，v=60～80m/min。精车切削深度0.1～0.3mm，进给量0.05～0.25mm/r，精车后的工件表面粗糙度可达Ra0.3～0.6，尺寸精度可达0.013mm。若采用刚性较好的标准数控车床加工，PCBN刀具刚性和刃口保护较好，则精车后的表面粗糙度可达Ra0.3，尺寸精度可达0.01mm，达到使用数控磨削的水平。也可精车断续表面，只是切削速度要适当，机床加工系统刚性要非常好，要选用高含量的PCBN复合刀片。精车时一般加工余量为0.3mm左右，在条件允许下尽可能保证余量均匀，即需提高淬火之前的尺寸精度，因为均匀的加工余量可以延长PCBN刀具寿命。精车一般不用切削液，因为切削速度较高，大量的热量将由切屑带走，很少会在工件表面产生热损伤及热变形。刀片宜选择韧性和强度高的80°菱形刀片，刀尖半径在0.8～1.2mm之间，虽然刀尖半径越大，加工后的工件表面粗糙度值越低，但切削力会增大，导致刚性不足的加工系统产生振颤。

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　　PCBN刀具在使用前有必要用油石轻轻对刃口倒角，以保护其刃口。当采用车削工艺时，事先须用淬火的棒料进行粗加工或精加工试验。目前，国内已有许多单位采用了这种精车工艺，如某集团公司用PCBN刀具加工渗碳淬火(58～63HRC)的20CrMnTi变速箱齿轮拨叉槽，采用v=150mm/min，f=0.1mm/r，ap=0.2～0.3mm，实现了以车代磨，刀具切削行程达到9.58km。

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　　3.2用PCBN刀具加工硬铸铁及高速切削灰铸铁

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　　(1)加工灰铸铁PCBN刀具用于车削钢件时，要求工件淬火硬度高于45～55HRC。而加工铸铁时，只要工件硬度达到中硬水平(45HRC)就很有成效。例如，现代发动机缸盖上的排气阀座，都是采用铜、钼高铬合金铸铁，硬度为44HRC，其加工方法一般有铣、车两种工艺，大多在自动线上进行，与拉铰导管孔一道加工，v=71.6m/min，f=26.5mm/min，apmax=1.0mm，采用PCBN整体刀片焊接于刀体上，平均耐用度为1200个阀座，加工表面粗糙度值为Ra0.4，锥面摆差≤0.05mm，刀具寿命高，质量稳定。

　　(2)高速端面铣削如在一个装有8块刀片的端铣刀上改成只装对称式的两片PCBN刀片，而将切削速度提高4倍，其结果是金属切除率相同，而切削力降低3/4。若采用陶瓷刀片则需采用较大的负前角，切削条件变差，刀具寿命与加工质量都远远赶不上PCBN刀具。高速切削铸铁时，一般粗加工当然可使用K类硬质合金，精加工可用复合氮化硅陶瓷或PCBN复合片。但高速加工珠光体铸铁或冷硬合金铸铁时，使用PCBN刀具要比其它材料可获得较高的寿命与较低的表面粗糙度值。

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　　3.3难加工材料的切削加工

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　　难加工材料如奥氏体不锈钢(45HRC)、高温合金钢、高锰钢、高强度钢及高镍合金等，由于材料含有微观硬点，宏观硬度也高，导热系数小，强度高，切削时塑性变形大，切削力剧增，切削温度高，刀具磨损剧烈，表面粗糙度值很低。唯有采用较大前角的PCBN刀具，适当的切削参数，如v=70～100m/min，f=0.05～0.2mm/r，ap=0.1～0.2mm，才可以获得较高的加工效率与质量。

　　4.结语

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　　PCBN刀具是一种非常有前途的刀具材料，虽然具有很好的切削性能，但是对使用条件要求也很高，因此只有正确选择PCBN刀具及结构，充分了解PCBN刀具切削性能的使用条件，才能降低单件刀具费用，创造巨大的经济效益。【MechNet】