国外PCBN切削刀具应用技术

HEATS

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

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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。
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2. PCBN的特性 9 }" d6 U! ~7 l8 \1 m l
   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。
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表1 PCBN与其它刀具材料的性能比较

主要性能	PCBN * A# c+ B9 e% \9 @$ e6 h0 M1 k$ ~	PCD 7 e7 s; z! T% @7 t3 w- P	Al2O3	WC(K20)
Knoop硬度(GPa)	30～45	80～120 ! g) y. ^8 R% C( c- U4 d	16～24 ' I9 \/ K% ?' d m$ U* t9 C	17
抗弯强度(GPa) 7 F5 V) M# y# C' b/ o u	0.8～1.54 ]5 X" k6 U/ q6 v) U' l `/ d; _	1.1～2.8 0 B( p! ?1 Q _# d9 ?	0.4～1.0 ' d3 ?9 }! _" m4 Y$ d	1.7
弹性模量(GPa)	680～815	560～840 - v- v( w$ s, d! O. P	420 / H0 e+ `2 G" K* z; ]( L! Y1 K# g	593
断裂韧性(MPa√m) 8 N; w5 N, L9 t x9 N& v% ?	3.7～6.4 ' {0 v2 h" F4 b& Q3 G8 Q	7.0～9.0 0 {+ R9 v8 a4 D* D, l6 x	2.3～3.1	10.5
热导率(W/(m•K)) 6 U+ F* P) r6 _5 j2 c	44～100	200～560 1 R$ ~' X0 G! a* O	20.9 7 p. f/ T9 g3 \9 U0 H	100

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二、PCBN刀具切削特点——硬态切削

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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。 5 I' l/ _+ _& F: N7 m9 E% q

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。
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表2 国外主要PCBN的型号及特点

型号	特点 , `3 H+ I0 m) A1 |* K	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 5 @& ?6 n. \+ P8 D# O
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 7 \0 D; n$ c3 I2 i0 k7 u% ~" s# m8 m
BN600 BN100 BN300 BNX20 3 i `) \' x! Z# o, ^5 P) X5 |	高含量 80%CBN <1.0µm、陶瓷相 陶瓷相 ; P0 D1 R" r% l) l	日本住友电工Sumitomo 4 `" J2 O/ [. ~" L$ ^& c
MB710 MB710 MB810 MB810 8 \6 L+ [6 y: C- Q& D1 Z2 P	陶瓷相 高含量、金属相 粗粒度 细粒度 / }, V) s7 K0 A( S, I* m	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 , S" R. }6 E2 d. @- y8 e
KB90 KB80 KB60 KB50	90%CBN 80%CBN 60%CBN 50%CBN ( b. F2 g6 R7 d- T* v	韩国Korea Tungstem . P4 B# a+ s3 g# e) J
CBN10 CBN20 CBN10 , K3 b4 P) \3 [	90%CBN、粗粒度、整体式 80%CBN、中等粒度 00%CBN、细粒度 . h' z* I' n E @: _8 D	瑞典seco Tools
CB7050 ) X7 O! Y2 G9 a1 o	8 u9 ^+ E# H! N" O	瑞典Sandvik Coromant 2 {2 p+ u# R0 j5 G
Kusopum-p . t; ?) O3 v" I6 A		乌克兰超硬材料所

三、国外主要PCBN刀坯的种类和型号

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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。 - {+ x) j$ y& p) U

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。

四、PCBN刀具的应用范围

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1. 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%。
2. 按加工材料来分，淬火钢占65%、铸铁28%、耐热钢7%。 # ~' V% L/ J) P9 x7 S. c- p3 F4 j
3. 按加工工序来分，车削占60%、镗削32.5%、端铣7.5%。 , g5 }. }1 s1 O6 p9 N
4. 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。

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表3 PCBN刀具的经济切削速度

工件材料 - _+ e8 U6 {7 t& |5 ~- B2 b	切削速度(m/min) " g' ?7 m1 F6 s	进给量(mm/r) / z% v! ?" r& F# l; O5 n	切削深度(mm)
淬硬钢 1 M# k% }% ]9 K7 ?" Y	50～160 9 U6 j! } @: l2 E* J6 J- W	0.02～0.2	≤0.3 ! ]' ~/ [8 Y! d4 C# N
灰口铸铁	200～1500 - N# d: i( x9 _3 a4 }	0.1～0.5	≤1.0
灰口铸铁(铣削)	800～1500	0.1～0.1 8 V! N. J4 y# x. i7 ~	≤0.5
合金铸铁	200～800	0.1～0.4	≤0.5 # k" s- S/ I- m- q- a7 j1 }- T$ H
球墨铸铁	100～350 ) _2 e8 v! h5 D. B o7 ?	0.1～0.4	≤0.5
铁基烧结材料 , b3 n) h# H* z( @( n! p& s/ s	50～250 ! j% H8 ~* V4 I' }	0.03～0.2	0.1～1.0
冷硬铸铁 & p* r- _! e8 g1 P5 k	40～130 ) e; R( {+ H; @5 @	0.1～0.5 0 m$ p4 A1 y, { U, X O	0.2～3.0 8 P4 A# w/ A7 ]/ o6 {$ W* j3 n
高速钢	20～80 3 v' O6 ~. x" O: e9 t0 y( e2 v	0.1～0.4	0.1～3.0 , u# z# L3 M$ n7 U l
Ni基耐热合金	110～160	0.05～0.2	0.1～1.0
Co基耐热合金 5 p! z8 X& g: [* J$ Y2 ]: i6 M	50～100 7 u) H2 D* A9 z7 ]% R	0.05～0.2 3 Q) X U5 h: i3 u; M) a	0.1～1.0

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五、PCBN刀具应用技术

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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。 ' _) z& L( [1 H) S

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。

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