PCBN刀具技术最新进展

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1 引言

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随着制造技术的发展，切削加工作为制造技术的主要基础工艺，进入了以发展高速切削、开发新的切削工艺和加工方法、提供成套技术为特征的发展新阶段。与此同时，刀具技术也向着高硬度、高速度、高精度和干式加工方向发展，在汽车、航空航天、能源、军事、模具等领域发挥着重要作用。

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PCBN刀具、陶瓷刀具、涂层刀具等均具有很高的硬度、耐磨性和化学稳定性，适于高速切削、干式切削、硬态切削等绿色制造的要求。由于PCBN刀具在加工精度、切削效率、刀具寿命等各个方面具有无可比拟的优越性，因此，PCBN刀具的推广应用可创造巨大的经济效益。

2 PCBN刀具的性能

立方氮化硼(CBN)是氮化硼(BN)的同素异构体之一，其结构与金刚石相似，化学键类型相同，晶格常数相近，因此具有与金刚石相近的硬度和强度。聚晶立方氮化硼(PCBN)是由CBN作为主要成分与结合剂在高温高压下烧结而成的聚晶体，结合剂主要有金属型(以CO、Ni为代表)或陶瓷型(以TiC、TiN、Al₂O₃为代表)。 9 d* z4 u' b- ]5 N' R: c; @

1. PCBN刀具的特性
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   1. 具有较高的硬度和耐磨性 * s# T, v9 T# T; j" O
      CBN微粉的显微硬度为8000～9000HV，其烧结体PCBN的硬度一般为3000～5000HV。在切削耐磨材料时其耐磨性是硬质合金刀具的50倍、涂层硬质合金刀具的30倍、陶瓷刀具的25倍。
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   2. 具有很高的热稳定性 2 D3 x' _/ G' g
      CBN的耐热性可达1400℃～1500℃，PCBN在800℃时的硬度还高于陶瓷和硬质合金的常温硬度。因此PCBN刀具适于加工淬硬钢、铸铁、高温合金钢等高硬度耐磨材料。
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   3. 具有优良的化学稳定性 # E7 K7 m1 f% k2 J8 I9 P
      CBN的化学惰性特别大，在1200℃～1300℃时也不与铁系材料发生化学反应，与碳在2000℃时才发生反应；在中性、还原性的气体中，对酸、碱都是稳定的；其对各种材料的粘结、扩散作用比硬质合金小得多，因此PCBN刀具特别适合加工钢铁材料。
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   4. 具有较好的导热性 % P2 O/ X, S8 Z5 {0 i
      在各类刀具材料中CBN的导热性仅次于金刚石，导热系数为1300W/(m·℃)，而且随着温度的升高，PCBN的导热系数是增加的。
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   5. 具有较低的摩擦系数 z; p" K2 A; O9 N# H
      CBN的摩擦系数为0.1～0.3，随着切削速度的提高，摩擦系数减小。这一特性导致切削时刀屑间摩擦减小，切削变形减小，切削力降低，加工表面质量提高。
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2. PCBN刀具的应用 # u r% S Z/ g1 v" Z
   制造技术和难加工材料的发展推动着刀具技术的发展。PCBN刀具的红硬性、耐磨性在硬态干式切削难加工材料中具有很大的优势。PCBN刀具比陶瓷刀具有较高的冲击强度和抗破碎性能，通常用来加工硬度高于50HRC 的材料，在切削温度高达2000℃时仍具有很高的硬度，而在同样条件下金刚石可能会溶解并转化成石墨。因此，在切削淬硬金属时，机床刚性可以稍差。此外，一些特制的PCBN刀具能抵御高功率粗加工的切削负荷、间断切削的冲击以及精加工时的磨损和切削热。
   早期的PCBN刀具坚硬但缺乏足够的韧性，随着刀具材料技术的发展和制造工艺的日益先进，使PCBN刀具的材料和韧性发生了很大的变化。目前PCBN刀具能够更加广泛地满足特殊工件材料加工过程的要求，已广泛应用于车削、铣削和膛削等加工领域。如汽车工业运用新的大颗粒整体PCBN刀片高效切削难加工合金铸铁而取代原先的磨削加工；模具行业采用PCBN刀具高速精铣淬硬钢模具完成型面精加工已成为模具制造行业的新工艺。

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图1 Wiper设计

图2 Secomax CBN300刀片

3 PCBN刀具的设计

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PCBN刀具作为21世纪更新换代的新型刀具材料，已显示出巨大的经济效益，引起了世界各工业国家的密切关注。PCBN刀具在设计和制造使用方面取得了很大的进展。

1. 修光刃(Wiper)技术
   如图1所示，由于改变了刀尖圆角半径，进给率提高一倍，可实现高进给切削；如果切削参数不变，则表面质量提高一倍。因此Sandvik Coromant公司将wipeer技术引入PCBN刀片的范围，用于高生产率和高表面质量外圆和内圆切削工序，在精加工以及半精加工和粗加工车削中都取得了巨大的成功。在越来越多淬硬材料的加工方法中，利用wipeer技术，车削已经增强了对磨削的竞争优势。 & j3 ?" E0 b5 X+ e
   东芝公司采用Wipeer技术研制出4种新型PCBN刀片，BX310、BX330型刀片适于连续或断续切削硬度为50～65HRC的淬硬钢。这种刀片由中等CBN颗粒与耐热陶瓷粘结剂烧结而成，可提高刀具的表面质量，增强刀具的抗磨损性能；BX930、BX950型刀片适于高速精加工耐热合金钢、铸铁、铁系物质。这种刀片是由高含量的CBN颗粒与Co及碳化物烧结而成，增强了刀具横向抗断裂的性能。
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2. PCBN刀片的断屑槽设计 % p1 e u o& ]* n& U
   对整体PCBN刀片进行断屑槽设计是切削刀具设计的新发展。断屑槽可增加切削刃前角并改善切屑在刀片上的流出，降低切削力和切削区温度，从而延长刀具使用寿命。较低的切削力还可提高刀具的精度并且优化切屑的流出，使表面粗糙度更好。Seco公司开发的Secomax CBN300刀片如图2所示，它是在CBN30基础上用粗颗粒粉末和新工艺烧结成的，具有很高的抗冲击性能，通过使用特殊技术，将经济性好的多切削刃整体PCBN刀片和切削刃剪切角增大的优点结合起来，制造出带断屑槽的切削刃，使PCBN刀具能从传统的车削淬硬钢和冷硬铸铁等硬材料、以车代磨等加工领域跨入铣削加工的应用领域。该刀具已在上海通用汽车公司新建的一条发动机柔性生产线上使用，取得了良好效果。用其铣削发动机缸体平面，切削速度高达2000m /min，刀具寿命为一般PCBN刀具的4倍。PCBN的断屑槽对精加工珠光体灰铸铁来说是一种理想的刀片，尤其是膛孔加工。用这种刀片进行汽车发动机缸体膛孔加工的试验显示，刀具寿命比同等的负前角刀片增加50%。
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   图3 BB槽型与普通刀片切屑对比

   $ E! o0 H2 h( N* r+ u 图4 PCBN刀具寿命对比

   $ O7 w c+ n) }0 C9 C/ R 图5 新型Safe-Lock结构的CB7015刀片

   
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   日本京瓷(Kyocera)公司于2004年4月开发出适于加工淬硬钢的三维槽型BB 型PCBN刀片。如图3所示BB型与普通刀片加工时的切屑对比，刀片采用新型三维槽型设计，在整个加工过程中可通过一次装夹完成零件各部分的加工而不需要更换刀具，在切削过程中可对不同硬度的淬硬钢进行有效的断屑控制，从而提高加工效率，获得更好的加工表面质量。
3. PCBN刀片涂层
   刀具表面涂层是提高刀具寿命、提高被加工零件的精度和表面质量、降低切削成本的有效手段。
   涂层PCBN刀片在车削硬材料时表现出很大的优势。Seco已经开发出Secomax CBN100 PVD涂层刀片。这些新涂层的设计用于保证涂层和PCBN基体结合面之间具有极佳的黏着性能。它由总厚度2～4µm 的Ti(C, N)+(Ti, Al)N+TiN组成，适用于珠光体灰铸铁和硬钢、硬铸铁的粗精加工。在Secomax CBN100 刀片与Secomax CBN100 PVD涂层刀片硬车62HRC的轴承钢精加工试验对比中发现，当切削速度达到130m/min时，刀具寿命从不涂层刀片的24min增加到涂层刀片的33min；在更高的速度下也观察到相似的增加(见图4)。在工业发达国家，涂层刀具已占所用全部刀具的80%以上，预计近年超硬涂层工具的市场将达到每年20亿美元，并且应用领域主要集中在汽车工业，而我国这一比例尚不及20%。因此推广涂层刀具的应用、开发新的涂层刀具材料具有重大意义。
   另一种研究趋势是将CBN薄膜作为刀具的耐磨涂层，可以成倍乃至几十倍地提高刀具的使用寿命。由于形成CBN涂层时总是伴随着很大的内应力，因此CBN涂层极易从基体上脱落。目前最大的难题是要解决CBN涂层与硬质合金基体之间的结合力。较为有效的方法是在基体与涂层之间增加过渡层，如氮化钛、氮化硅、富硼梯度层等。工业发达国家在此方面进行了大量投资，以充分开发CBN材料的潜在优势，要制备实用的BCN刀具涂层已为时不远。
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4. 新型Safe-Lock(安全锁)结构刀片 $ E7 J8 Y# I! @8 _5 \) w
   图5 所示为Sandvik Coromant公司推出的具有新型Safe-Lock(安全锁)结构的CB7015刀片。此系列刀片主要是针对淬硬钢零件加工时的高质量表面以及高生产率加工而开发的。Safe -Lock(安全锁)多角技术采用机械锁定PCBN刀片并使其远离高温切削区域，因此提供了优于常规刀尖结构的强度和安全性。在连续和轻微断续条件下的精加工可以采用高速切削；在切削台阶、退刀槽和其它仿形切削时，较大的PCBN切削刃提供了更好的切削性能。

4 结语

PCBN刀具在节省资源、减少环境污染、降低制造成本方面具有明显优势，PCBN刀具的设计和使用为不同的制造行业提供了提高生产率的新动力。在工业发达国家，PCBN刀具已取得广泛应用，虽然上海大众汽车有限公司、长春一汽集团公司和东风汽车集团公司已在生产中广泛使用PCBN刀具，但我国PCBN刀具的制造和使用还处于发展阶段，因此应加强PCBN刀具制造技术和应用技术的研究，加强PCBN刀具的宣传和推广，引导用户正确合理使用PCBN刀具，使难加工材料的切削加工技术步入新阶段。