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。 1 {7 z" {4 h6 g- H. q S2 }( j

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。
   4 K) u& z) Y/ A v U+ e/ q
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。
* i+ i8 i* h( p* l5 [- |' Q* W- g, k0 V7 G: s+ N6 _5 b/ _8 c2 Y3 l! ~5 a( }$ h4 M$ ]4 F2 t) o; c _/ p# Z( b# T* J6 z+ s$ f2 G* v1 Q5 C" Q- T8 e$ l6 _* i- p- e) w( |

表1 PCBN与其它刀具材料的性能比较

主要性能 ' G M+ M0 Z, ?# O	PCBN	PCD	Al2O3 6 e' Q2 S. u" K9 T' o	WC(K20) ! Z7 |% e! f& y- ?4 w
Knoop硬度(GPa) # n( R: O4 L. E1 M+ y	30～45 % p/ j* Y9 W k/ M7 N	80～120	16～24	17 ( C/ s0 J3 ~* F" V( }1 f
抗弯强度(GPa)	0.8～1.54	1.1～2.8	0.4～1.0 ; E+ q* n7 a9 z) `. l	1.7 0 C6 o7 A8 F1 b+ d6 I. G
弹性模量(GPa)	680～815	560～840	420 - W: m3 l; s: o1 G6 y+ y	593 2 [4 n3 c* X9 l* q7 P/ S8 t
断裂韧性(MPa√m) * F& ?9 S% S3 N. p	3.7～6.4 6 ^$ B' U2 [( V$ q1 X	7.0～9.0 9 E! F. g* i7 B' u6 C- t	2.3～3.1 / M; Q3 v6 o0 c3 O6 n	10.5
热导率(W/(m•K)) % a( u; Z; [3 w7 ~7 K5 k	44～100	200～560 . L9 a' [% y0 B( W I3 z3 L	20.9	100

二、PCBN刀具切削特点——硬态切削

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。 % `" v8 l* n( M" {

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。
7 j. N1 N4 X; `) }* l/ g }5 Z" Y$ g q1 z9 E9 G9 l, A/ m4 _4 L1 u! @: L) F, i' v( {* r6 k; j! Q, Q' b) m; L# z i

表2 国外主要PCBN的型号及特点

型号	特点 ! W2 I" ]0 {4 l	公司 8 L% S9 y: `6 H* B# g
AMBORITE DBA80 AMB90 DBC50 - l$ H/ t+ B) c" U	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 $ y" P- D1 S$ O" {3 D0 b	英国De Beers _6 h _* y( @6 _; [- M4 P
BZN6000 BZN7000S BZN8100 BZN8200 - n0 L8 @5 q7 U) W7 {	90%CBN、0.3µm、金属相 82%CBN、陶瓷相、整体式 65CBN、0.3µm、TiN相 65%CBN、TiN相 . V' ?. z/ T& x	美国GE
BN600 BN100 BN300 BNX20	高含量 80%CBN <1.0µm、陶瓷相 陶瓷相 * y9 ~ }% s1 c C! o- Y	日本住友电工Sumitomo " t5 C, M j0 i' T7 p7 X
MB710 MB710 MB810 MB810 + S- I# C: w0 S. n/ H- d	陶瓷相 高含量、金属相 粗粒度 细粒度	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 " E& l* I2 _, D! H+ e	日本黛杰工业Dijet 5 O3 E4 m$ Y1 s1 r. m7 g8 v3 `
KBN30S KBN30B KBN10B 4 Y4 |' B- I1 i7 ^6 G	重、中切削用 中、轻切削用 精切削用 0 I3 C/ n% G' `. F4 x8 R& u1 Z& b	日本京瓷会社Kyocera
KB90 KB80 KB60 KB50	90%CBN 80%CBN 60%CBN 50%CBN ( F0 C3 o0 w4 b	韩国Korea Tungstem 3 L9 S- o$ B7 Z2 T
CBN10 CBN20 CBN10 5 o a- B8 w8 N2 A' W% v' S; h	90%CBN、粗粒度、整体式 80%CBN、中等粒度 00%CBN、细粒度	瑞典seco Tools
CB7050	' X# {4 }, {7 p5 S/ i	瑞典Sandvik Coromant 3 h" d# h% v- c4 c$ z
Kusopum-p 7 C7 ^7 Y8 J; ?4 c; `6 L	! B4 w# f3 ^9 W' c$ x5 b4 L% 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。 7 B7 D1 R. f) p3 j7 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

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%。
3. 按加工工序来分，车削占60%、镗削32.5%、端铣7.5%。 ; p# s& l/ y8 H7 Y' C( H" r u
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 9 q f5 H1 X$ b* Y3 |$ B ~9 o	切削速度(m/min)	进给量(mm/r)	切削深度(mm)
淬硬钢 2 b9 K4 _9 K& X) z0 {* F& R	50～160	0.02～0.2 0 I) Q& O# R# K- f	≤0.3 6 r6 o# [& b: A" W! y \) E) J
灰口铸铁	200～1500 0 E8 f; E6 M# L( @8 q1 m+ j	0.1～0.5	≤1.0
灰口铸铁(铣削) " d9 H1 Z3 c g( @! X	800～1500 1 C! I2 M: a2 f& t9 l. {	0.1～0.1 / \! z( \' _) m( ?' P9 V	≤0.5
合金铸铁 / c! x9 b. Q0 }! S7 ?& b7 g	200～800 . Y# f+ a% o& ~' f4 f	0.1～0.4 $ R/ G' p/ d9 {0 M9 s/ }3 w	≤0.5 : k/ j8 d& q8 L: [* c
球墨铸铁	100～350	0.1～0.4	≤0.5 9 a% o: o1 {- f
铁基烧结材料 ; k1 A; W) X! o" K& D$ T	50～250 Z' Y/ P% g4 S" E+ A$ G8 V) d5 v	0.03～0.2 ) K" j' C, j: t; a; W7 b" V	0.1～1.0
冷硬铸铁 6 e& b$ i* }( l6 i* u% V	40～130 l$ M+ ~8 a8 l! B	0.1～0.5 3 r+ v5 U) G& N/ {% X3 c5 I	0.2～3.0
高速钢	20～80 $ }& B# W1 a' J8 |3 K* c0 y( ~# Y# j	0.1～0.4	0.1～3.0 4 l, p. h6 ]5 B: V1 g+ o9 I d
Ni基耐热合金	110～160 . C. P9 M( R0 P+ B( \! m" f6 Z: w	0.05～0.2 # Y7 k G* b/ w7 c1 Z7 E" \	0.1～1.0
Co基耐热合金 ' e2 g3 q$ N8 m! g/ _) p8 O	50～100 & z9 z# o; O# S* z# u' M	0.05～0.2	0.1～1.0

% l$ \/ r5 x, P. @$ O I; K/ f

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。 1 b5 w$ V. ^% W0 ?7 O- h( y

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。

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