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 4 I0 @. o3 M* o3 T+ A
   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
   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。 . y/ l( \: s& @ t4 x/ i7 `6 _
   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。

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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	PCD 1 j2 ]) p9 ]$ X9 A	Al2O3	WC(K20)
Knoop硬度(GPa) $ D& q3 T2 I- G	30～45	80～120 - w8 a% ^! X8 E	16～24 : }2 m9 z4 K% L6 R$ w7 G5 l6 I	17
抗弯强度(GPa)	0.8～1.54 " D; p4 {8 f$ L E0 A. @1 X	1.1～2.8 ' p9 a2 h$ x# U	0.4～1.0 ' n6 C3 z6 k8 @5 X5 s# T	1.7
弹性模量(GPa)	680～815 9 L* s2 ?# D- F6 f	560～840 9 ~2 S% {: L1 {; X2 u) {	420	593
断裂韧性(MPa√m) " b$ `. o8 |& C% T* q0 V* h: l	3.7～6.4	7.0～9.0	2.3～3.1	10.5 v, e0 c3 J& u; x' D+ k, M
热导率(W/(m•K)) ; j, _4 `- s! A- r; E3 Z9 R	44～100 ; k+ P1 d$ {3 N; f( b	200～560	20.9 ' }5 r' J- W; N) Q9 F	100

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。 ! J, @% z3 L2 ]! b7 l4 Z2 _

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。 - X% I- u% z1 M; v3 M

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。
/ E3 X) E" Z# R' @$ [$ b$ r3 R- t3 a5 c) k% S8 g7 G; o, B1 ^! b7 F9 Y5 {5 x( U+ N- _, e% ?. i) I1 `# y7 }3 W r) C" r( [5 u* r# n2 u# T2 R: P( y# ~' z4 Q# T5 h$ h. e2 ]3 G9 ^, D( _/ S1 [9 P5 c- w# M

表2 国外主要PCBN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 * F+ x" V+ M7 c! z7 \) g" m- U/ K	英国De Beers 2 V2 Z5 T( S4 |9 n5 R
BZN6000 BZN7000S BZN8100 BZN8200 ) ^1 |1 {3 A) N& D	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 " V1 g, w, d2 l# `2 X; c	日本住友电工Sumitomo . P+ D- P7 Q- v N3 }
MB710 MB710 MB810 MB810 ! ?$ y8 {2 `1 N' P6 z4 z, u	陶瓷相 高含量、金属相 粗粒度 细粒度 5 C; i6 w9 G! v; Q( M	日本三菱マテリアル
JBN500 JBN300 JBN330 JBN20 2 |% H1 V, S- a0 ?	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 4 R, H8 [2 ], V+ F7 o# h
KBN30S KBN30B KBN10B : {7 x6 U6 }' y% C3 k	重、中切削用 中、轻切削用 精切削用	日本京瓷会社Kyocera % B) U2 H ?/ }) j" J
KB90 KB80 KB60 KB50 , X1 {2 G" x5 i( O( K# |	90%CBN 80%CBN 60%CBN 50%CBN / n* z0 e4 {. O _( c2 `	韩国Korea Tungstem
CBN10 CBN20 CBN10 3 Y/ z) n3 I) c8 z. E	90%CBN、粗粒度、整体式 80%CBN、中等粒度 00%CBN、细粒度	瑞典seco Tools
CB7050	: _; _6 {3 Q; q# \	瑞典Sandvik Coromant ( o- U) @6 ~. c: }/ P9 ]
Kusopum-p / C5 Z$ R; j# ?		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。 8 k }% c6 I9 p$ a7 ^

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。 7 m2 j! p) l5 u( e: @/ p. z

表2 为国外主要PCBN刀坯的型号及特点。 ) o( X+ P6 {. z. c

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%。 : p1 }' W2 K( l: [, t
2. 按加工材料来分，淬火钢占65%、铸铁28%、耐热钢7%。 $ Q/ F$ a# {- k
3. 按加工工序来分，车削占60%、镗削32.5%、端铣7.5%。
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。

2 U+ s# a/ _, t( [) Y+ a: ^2 H5 N1 P0 U$ [+ X2 N/ K8 ]1 T3 `& y- u$ Q1 L7 t9 Z0 V4 S/ Y, ?5 ~/ E" q7 P% \& J) L5 u2 f5 }$ ^# k: S+ A3 W- D( P( s: x, i: Z. Z- i3 T! I. j* I' u8 L" i% f- P: I, S$ r6 c1 C8 u9 I. Q+ w9 Z' M' Z7 R( D; U0 C, e7 o# W# ^8 I" ]

表3 PCBN刀具的经济切削速度

工件材料 5 y0 l3 p1 F$ ^. Z; g+ U9 Z	切削速度(m/min) 1 c% C0 X: P5 Z. C! ~- T5 \+ V	进给量(mm/r)	切削深度(mm) 7 g0 @- I- {) D- x
淬硬钢	50～160	0.02～0.2 7 @0 F% `: S' [5 c	≤0.3 4 x( y8 f& A7 w8 ] `, ?' ?
灰口铸铁	200～1500 " n9 Q1 i& }+ u	0.1～0.5	≤1.0
灰口铸铁(铣削) / D. I0 N6 |$ t" e3 }4 [	800～1500 * H( @* v. [( j& q	0.1～0.1	≤0.5
合金铸铁	200～800 2 T, V$ a3 I1 n8 w: b" M	0.1～0.4 + G* \ t# D1 I2 W1 l( N, K7 c3 {	≤0.5 ' I( _5 M0 i5 v* R3 |) [3 k4 ^
球墨铸铁 / f% C- y4 w2 G( I r	100～350 # M' { F3 I! s5 R	0.1～0.4	≤0.5 - O- s/ O( L% a
铁基烧结材料 " `8 L w7 |5 i$ D2 A	50～250 $ g* I- A6 j4 c0 S3 n: Z6 U+ j	0.03～0.2 & l- E7 \& Z* y2 T# V5 K	0.1～1.0
冷硬铸铁	40～130 6 W1 v9 \4 B6 w	0.1～0.5	0.2～3.0 2 G7 R7 [! n! f$ Y! s9 e
高速钢 $ E2 U8 q* @5 S5 ~8 x: ~) _# T: i	20～80 - n5 f2 r/ y+ a. k) W. x2 Z% t	0.1～0.4	0.1～3.0
Ni基耐热合金 : b0 H5 v8 K2 V9 @9 B# R	110～160	0.05～0.2	0.1～1.0
Co基耐热合金	50～100 - S5 d+ j: L% d$ O	0.05～0.2 * [0 o- d9 j; P, }	0.1～1.0

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。 ( K: D/ X: v5 `. [" X5 R

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。

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。