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。 * O$ P+ g) I+ v+ Q7 C, k

一、PCBN材料的性能

# N8 ?0 l9 m: ^& H, W7 H/ ^+ `& H

. B$ |' F0 i8 F' f. E+ Z) y
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。
& m: @. R+ L* n3 Q3 Q% J; e$ k- M* t0 {9 ~% |7 Y+ _, i/ B: o: |' D# f9 q7 K3 [/ e) W& O; R8 u2 `9 C' n f* R" X' s X9 R/ w; Q

表1 PCBN与其它刀具材料的性能比较

主要性能 & L2 w. l( q' t	PCBN	PCD	Al2O3	WC(K20) $ Y# p# k9 V. ?- Y- D9 U
Knoop硬度(GPa)	30～45	80～120 ( l' [# r* D$ S2 S' X- x	16～24 8 l; u+ B! w/ i	17
抗弯强度(GPa) 6 D1 F3 f a3 `) s2 R6 `	0.8～1.54	1.1～2.8 4 x! R/ u' Q+ n	0.4～1.0 1 h. o( o! `- f. l8 f4 N. u	1.7
弹性模量(GPa)	680～815	560～840	420 ) a6 |: a, z9 F* P" ]8 N" h, c	593 3 z6 `/ G1 o9 M
断裂韧性(MPa√m) 5 i% H# Y2 S" T/ O5 {	3.7～6.4	7.0～9.0 $ f Y; c( v8 R/ v	2.3～3.1 1 \+ o; r7 l3 w! S	10.5
热导率(W/(m•K))	44～100 7 M, J n) {- k$ K) A) k! Z, `	200～560	20.9 ( z) p) ~; b5 U+ P4 Z' N0 H: b	100

0 Z# v3 r5 V v" a& K ?

二、PCBN刀具切削特点——硬态切削

- X( ^3 O% @0 j3 }- x

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。
2 o- V7 @8 n# d/ b8 D( |4 |# b$ ]( z8 G8 N8 p5 A" A$ g* T+ c; r& e8 z2 J' H% v* L) W0 e$ t8 V' t5 C6 g, k2 f! L" W4 [, M9 P7 D6 `3 ?% H2 {# N8 I) B$ a0 ?. D, y$ z7 B5 w7 Z$ X$ N& ~! F! H: J: o3 k h

表2 国外主要PCBN的型号及特点

型号	特点 ( p( Z" b( j* h3 p	公司 $ T0 g3 t" Q( n% V3 ]' V0 T
AMBORITE DBA80 AMB90 DBC50 / f7 ~/ J$ F9 h9 U z7 l	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 % w0 r& j: v7 M; I& h' I9 v	90%CBN、0.3µm、金属相 82%CBN、陶瓷相、整体式 65CBN、0.3µm、TiN相 65%CBN、TiN相 1 ?; s4 ^3 q- Z5 A! {: s$ Q3 Z- u	美国GE
BN600 BN100 BN300 BNX20 & B! S$ ^2 O; n$ t	高含量 80%CBN <1.0µm、陶瓷相 陶瓷相	日本住友电工Sumitomo / T, t4 v/ T. g$ I( C7 e( L0 b, I1 c
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 ' t$ S- U8 u6 [) O5 {$ r- c. ]
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 ) Q# c( K$ i1 G# P8 Z9 b; @	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 9 N0 K) E2 X0 K1 i* s	90%CBN 80%CBN 60%CBN 50%CBN ' Z x6 S: a% @. c! z9 k: U" k	韩国Korea Tungstem
CBN10 CBN20 CBN10 ( g$ j, |# c4 P* }* r( p	90%CBN、粗粒度、整体式 80%CBN、中等粒度 00%CBN、细粒度 ) t8 H( w, V% Q1 K) ?* A	瑞典seco Tools 3 X" H! l H& M% q- i. Y4 K
CB7050 & |: J# z3 Z( Y	- q3 {& j7 f1 R	瑞典Sandvik Coromant % E. s9 S4 b8 m3 b
Kusopum-p + n3 `% L' f8 _% N& ]$ [		乌克兰超硬材料所

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。 7 t; J8 b3 Z% i

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。 9 w7 p/ }. l S

表2 为国外主要PCBN刀坯的型号及特点。 # t3 a" S; G- G$ @+ f

四、PCBN刀具的应用范围

8 s1 a1 S& B% `* q+ {, J
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%。 : Y# G' c. P* I9 f) b
2. 按加工材料来分，淬火钢占65%、铸铁28%、耐热钢7%。 4 x% n/ j! i; [2 t$ K
3. 按加工工序来分，车削占60%、镗削32.5%、端铣7.5%。 7 @) k# t8 r* d
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。

: C8 z6 S2 ~3 P W) n0 i7 t7 s' }6 d- P, _- z2 h; d' M# \' Y3 _ Q5 e% `, H1 r) {! x9 A' F! K% R6 i0 i) ]5 I; A% {5 P# t E/ g7 T I0 Q! ?4 v6 P% b9 |& R. e0 Q; l; Q6 X- ?( u1 H o+ L$ m) y4 A

表3 PCBN刀具的经济切削速度

工件材料	切削速度(m/min) ) J" h7 m7 J7 y4 z! _	进给量(mm/r)	切削深度(mm) ! _. l# c: h/ J9 v9 K5 r- q/ k4 V
淬硬钢	50～160 & h; e' \. {( x: J	0.02～0.2	≤0.3 5 p7 J4 r- I7 {5 `4 a4 K; d
灰口铸铁	200～1500 3 u6 y- ^' Q! H& S& ^	0.1～0.5	≤1.0
灰口铸铁(铣削)	800～1500	0.1～0.1	≤0.5
合金铸铁 ' N" z/ V" b2 p. ?5 S, S4 w	200～800	0.1～0.4 % ~0 ]0 @: l. f" l! t6 A4 _ f	≤0.5
球墨铸铁	100～350 2 u0 p6 \/ v% P( o( m	0.1～0.4	≤0.5 # w1 X+ |' W- m- g; \: f
铁基烧结材料	50～250 ! D! ?# i' e6 R/ U	0.03～0.2 % a) i2 D' c$ @	0.1～1.0
冷硬铸铁	40～130 . j5 C/ P; P3 s: D	0.1～0.5 " [6 a1 k8 a" A8 f* R	0.2～3.0
高速钢 & i% @. K8 y& f: S: ~$ `	20～80 7 n3 l: c- j/ ^$ [1 s	0.1～0.4 + Q/ I! O, b+ K2 l1 q! p* N	0.1～3.0 0 m/ G5 C% K8 R# t) r/ L
Ni基耐热合金	110～160 1 A7 U) F4 B( \* E' U' M/ X	0.05～0.2	0.1～1.0
Co基耐热合金 : T7 j4 ?* z' ~# t: J+ V @6 Y6 z! G	50～100	0.05～0.2	0.1～1.0

; Y! e P; { T5 @% O, y: T+ X

五、PCBN刀具应用技术

; U. j8 R/ x; w

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。 8 I' D& v9 L0 m1 J0 R3 r; D

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。 " z5 n/ z. R! V1 {$ G! c* e* }

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。 & X/ o% |, V1 Y

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。 - U' L; p g! b; q, D% Z

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。

% }4 t) \" O. H6 t. h1 Q