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 - ~2 U* x4 ?( Q0 P) d
   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。
   , Q" Q* F" i7 ]$ @8 E7 ~
2. PCBN的特性 3 L5 F3 x8 c0 O# r, |$ n! G8 S
   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。 ( V( [, @/ P2 g* D# y
   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	Al2O3 % R8 W- ?2 M: l. i	WC(K20)
Knoop硬度(GPa) - s$ @9 S* ?1 H9 k	30～45 1 d( K% S7 s& r% c2 D. ]. x5 [	80～120	16～24	17
抗弯强度(GPa) # i) P) F+ p5 _) i$ w# B	0.8～1.54	1.1～2.8 ! z9 f* d2 c% i6 M1 N3 m5 [5 F1 G	0.4～1.0 U; K* Q6 Z" _& R9 R5 J1 l	1.7
弹性模量(GPa) 0 f8 Q# m4 H" ]8 q	680～815 1 w3 f& [8 R& C V A) H; x- s	560～840 , i! l2 z( b7 k( {7 V+ V	420 " p$ R' E8 x, V	593
断裂韧性(MPa√m)	3.7～6.4	7.0～9.0 ' U$ n, L" k1 I) |3 u# ?2 U* a	2.3～3.1	10.5
热导率(W/(m•K)) " O7 H) r6 f- p! i7 R. y- g. `	44～100	200～560	20.9 , {( @6 O3 E1 |; w	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。

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。
8 f( L2 `) e/ p Z2 h0 o C$ X3 K- s( _& Q2 N* ]0 r+ M) s* D* ~. X0 a. I% ]0 g1 G- r7 j# d5 n) J% o* C( ~+ L3 Y; Q7 \! F; [ Y+ p! H6 X( l5 U; X( N3 w/ Q& g; L& A8 `- n" }/ e# ?0 g9 L" A4 M4 Z# J) ]- w' B) _5 V4 h) k# d+ L8 i5 i* q6 J$ E9 F5 x4 j& B. l2 C

表2 国外主要PCBN的型号及特点

型号 1 _9 K, P& N. m1 a. b	特点 % a2 ^5 U6 e$ T/ Y	公司
AMBORITE DBA80 AMB90 DBC50 , Z9 i6 {$ R; v* C	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 ! W4 q J( k5 | N: N	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 $ r% j' X) n* E2 P8 H$ T. R6 D	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 + L' f- `6 [0 I1 S0 G3 p J8 v
JBN500 JBN300 JBN330 JBN20 6 Y# {! A( {1 f: m	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 ! \& C, S* Q- z% h/ ?	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 ! j2 S7 B% T% A. f/ i		瑞典Sandvik Coromant
Kusopum-p		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。 4 _/ A5 N2 y; u' E* e5 }+ o! P

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。 : k: V5 m. j/ j2 o8 G a8 X

表2 为国外主要PCBN刀坯的型号及特点。 : E$ r$ C" }8 i0 ?: W( p

四、PCBN刀具的应用范围

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%。 1 j. V0 w0 n6 L- q9 i
2. 按加工材料来分，淬火钢占65%、铸铁28%、耐热钢7%。 6 F8 Q4 ?0 d& H2 P3 D
3. 按加工工序来分，车削占60%、镗削32.5%、端铣7.5%。 9 Y/ E; ?- H" Q
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 % N' w! j: T, c. J& N, Q4 K	切削速度(m/min) + N6 u# l0 l" c	进给量(mm/r)	切削深度(mm) - N3 \* o7 W R1 Y$ x
淬硬钢 8 E: b0 t/ K9 A$ v$ I. f	50～160 9 f; G X) ]( f	0.02～0.2 - ^5 U& e# e4 t6 U	≤0.3
灰口铸铁	200～1500 / W2 R5 S' [5 {( Y) T2 |) b* L	0.1～0.5 + Z f ^9 Y* ?% w	≤1.0
灰口铸铁(铣削) 3 z% m3 _% ^; l6 X) U" d	800～1500	0.1～0.1 ! V1 n" K/ n& S6 ~2 ^ W	≤0.5
合金铸铁 1 F( t C1 N, Y4 d9 f6 b	200～800	0.1～0.4	≤0.5 4 l% ^" B7 R8 L0 Q# K2 q9 W0 j
球墨铸铁	100～350 2 s7 G' _1 @2 w, E% }0 j	0.1～0.4 1 w! O; P! U& s6 b% P. V B	≤0.5 / E0 e1 r( B$ M
铁基烧结材料 ; h2 k6 L% B0 l8 m8 V	50～250 7 G$ ?+ h9 I% ]2 J	0.03～0.2	0.1～1.0 7 B# I! F$ ~$ c
冷硬铸铁	40～130	0.1～0.5	0.2～3.0 # \0 N b1 f$ Q8 ^; i6 N& ~
高速钢 # v$ C/ n" [1 Z, n8 g8 c	20～80 " v I8 ]2 u7 R1 P v+ O	0.1～0.4	0.1～3.0
Ni基耐热合金 - H- l" h) r( C( L" S	110～160	0.05～0.2 ) N& w+ e6 w6 T: ~) [	0.1～1.0
Co基耐热合金 ) p/ G/ c7 v: P2 _	50～100	0.05～0.2 4 S5 x* t$ w& X	0.1～1.0

: t1 g# L4 |$ f8 f: [6 v: X

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。 & Y% d; @4 W4 j" y: c

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。