国外PCBN切削刀具应用技术

HEATS · 发表于 2010-9-12 11:11:44

马上注册，结交更多好友，享用更多功能，让你轻松玩转磨削论坛

您需要登录才可以下载或查看，没有账号？注册会员

×

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

3 C# b/ j/ K! }0 g+ ^0 R U! i$ Q6 T

CBN的主要特性 $ G1 V1 O; A: i/ F- a# v2 {* W, K4 H
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。
' ~ v0 {8 ~; Z8 E% S$ j# x8 O
PCBN的特性 / D7 @9 i, m( l: j/ C
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。 9 U$ k3 K& j' P7 U2 w ~6 R9 `; U2 E
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。

**表1 PCBN与其它刀具材料的性能比较**
主要性能 - ~( ]$ p7 \|, w	PCBN . n, \|# f" E; c _" t2 l' [	PCD - G6 o* E. u* o1 ^3 X	Al₂O₃ $ D& u* d, }! q# [6 w. I4 N	WC(K20) 4 \|, n$ O4 L9 P5 n3 w7 F$ E3 ]
Knoop硬度(GPa) 8 o) k$ y) R2 [4 U	30～45 ' N- m n; A! [5 c	80～120 $ d: A v+ L. [	16～24 9 h3 s1 E% D% {: M t* P1 e	17 " F. D2 j! T" }2 _3 O' ]4 I1 N( j
抗弯强度(GPa) & F' K$ g) N* P	0.8～1.54 & F2 [3 ^2 i3 N" N9 Q6 ?. f, G	1.1～2.8 ! M2 h& S3 F' C+ \1 o	0.4～1.0 9 j a; e& d/ ]) Y! Q) M	1.7 6 I, @6 ?' K. A$ U" w4 ?, ]% _+ A
弹性模量(GPa) 9 f6 l: M) S: m2 K/ W	680～815 8 I% n+ y( @. T, L( \|" R$ R	560～840 6 I4 P i. E- s	420 0 @& H$ S! Z( c' W8 @9 \|& _	593 ( U; ?+ x4 o( p
断裂韧性(MPa√m) % z, C' _& O" k7 k	3.7～6.4 / y9 \' B6 X6 y* V	7.0～9.0 7 s5 ~0 d+ E2 K5 ?& ]2 D0 M! {	2.3～3.1 9 Q6 n) ~' g7 Y2 _. \|7 ]	10.5 ) A7 t# \|% o: Z7 I+ \|4 z0 m5 j
热导率(W/(m•K)) - z; k- g! m, E4 }	44～100 8 }! w: ~$ U9 P+ Z6 }	200～560 . w; i! A1 o1 Z" L/ D	20.9 ( z/ ^/ Q3 i9 ]- _) K	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。

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。

**表2 国外主要PCBN的型号及特点**
型号 5 \$ e2 i8 F$ o" V	特点 , U3 s' b' d3 ~9 `	公司 ( C! z, K& F3 n C, Q
AMBORITE DBA80 AMB90 DBC50 ( ^5 I# g# a8 J- S( Y0 I7 [	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 # Y1 _$ \ R S. n3 _	英国De Beers ( C# q' Z1 Z, j( W% o, S, C0 ~9 \
BZN6000 BZN7000S BZN8100 BZN8200 - {% ^" N; x. ^1 x+ T7 `	90%CBN、0.3µm、金属相 82%CBN、陶瓷相、整体式 65CBN、0.3µm、TiN相 65%CBN、TiN相 ) q' [: B& {5 t4 R$ L1 ~8 p	美国GE 5 E7 [2 \# B9 T3 F/ N
BN600 BN100 BN300 BNX20 3 D! {! m# r8 z	高含量 80%CBN <1.0µm、陶瓷相陶瓷相 % V, z3 w4 a4 a) F9 d	日本住友电工Sumitomo ( E- q/ M& L) k8 m. h' P+ x
MB710 MB710 MB810 MB810 3 q# w6 ~, `$ j# \|9 ~& h, i" s	陶瓷相高含量、金属相粗粒度细粒度 3 V8 P7 D9 M/ R8 M( L	日本三菱マテリアル 5 t0 \/ R+ c* u* `, b5 R
JBN500 JBN300 JBN330 JBN20 * a$ x4 L* _% \|& i7 b: u0 O	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 5 B; c0 X# t6 k5 H) J# _! \|	日本黛杰工业Dijet n6 k0 m6 Q& A2 z- a5 i. Y& P
KBN30S KBN30B KBN10B / E$ y% ~: M* H	重、中切削用中、轻切削用精切削用 6 q: a c2 j! L8 z6 T$ \|+ e7 m5 E	日本京瓷会社Kyocera " p6 t% y! ~) O/ y; ~
KB90 KB80 KB60 KB50 2 V' e: C9 e" }! S; `0 _	90%CBN 80%CBN 60%CBN 50%CBN 5 H. ^2 ~( X- w8 E* c0 M& J	韩国Korea Tungstem , G+ f/ ?- E% q/ D7 n* k, g! n
CBN10 CBN20 CBN10 3 Z3 X5 o$ M, ?6 ]3 }	90%CBN、粗粒度、整体式 80%CBN、中等粒度 00%CBN、细粒度 ) u. K) \|+ n; Y1 ]( F: A# D% _	瑞典seco Tools ' j- l) G$ T% ]1 X" M; n C
CB7050 3 W& \|( C$ ]8 E9 H( q	% X d: A4 N* Q7 W+ c9 E' l4 Z. R	瑞典Sandvik Coromant ( w% c1 `0 d& G) V! @9 M; d1 j% u
Kusopum-p , x! j9 N* w1 N, V	. B6 I: p" \|" C; z' z	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。

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

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%。 ! f) I$ \$ M A% F# t
按加工材料来分，淬火钢占65%、铸铁28%、耐热钢7%。 4 Q0 k" L2 R( X0 p4 {
按加工工序来分，车削占60%、镗削32.5%、端铣7.5%。 $ V. L" |1 P. r5 I
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。

**表3 PCBN刀具的经济切削速度**
工件材料 , }2 \. S y) m5 x g3 F	切削速度(m/min) 1 b# `) m. T. Z% I. X# k$ ~0 B	进给量(mm/r) 8 ~' w# c/ G7 b9 T. \|8 p	切削深度(mm) 7 W8 d; {" N' \|5 i& j
淬硬钢 ) b$ y0 f. B5 V* Q+ _; Z	50～160 ! o* V: q) J) [1 [	0.02～0.2 1 e; }8 ?6 ^/ W) l- r/ y7 h	≤0.3 , `( r; ^/ \|3 S) w9 q
灰口铸铁 3 S9 B5 r' \/ M' a& \	200～1500 $ b! `* g4 R% j `7 {4 g	0.1～0.5 ' B8 v* f; z, M/ p0 Z; T9 A	≤1.0 - z6 _" ~ {0 ~
灰口铸铁(铣削) : E) Y! t5 P" n+ j+ n	800～1500 6 @" L8 B* v. J& r	0.1～0.1 ! M# z3 a0 H- i" P) X% f/ g	≤0.5 ! G+ T4 H. ?( D* C' s+ H
合金铸铁 4 Y0 F/ ~3 k. z% j/ F! \. m	200～800 # o- B7 B" J' M: b, R	0.1～0.4 ! w# n9 i, f! t, _: d	≤0.5 * x0 X2 d7 W# n/ A) m/ z
球墨铸铁 . I6 D4 p" M1 F: J	100～350 - H Y6 ^/ l& J5 ?6 n6 q	0.1～0.4 " j! s% \|& ]4 _( J' w5 H	≤0.5 ) }. T& J9 [' H
铁基烧结材料 2 ]9 P# S$ ? r5 l. z	50～250 ; T7 w+ o2 V* C' ]	0.03～0.2 ! h- r$ P. a$ ^5 q7 G5 y, S	0.1～1.0 5 Z& l9 c4 w+ }. T
冷硬铸铁 ; T, ~, _5 T F4 f9 z/ d% w2 M$ B	40～130 7 e2 d! a7 Q3 [. p' g4 H	0.1～0.5 7 P* h+ N' `- q6 i0 q	0.2～3.0 : A2 Z# I2 g0 H9 l* Z1 p# X
高速钢 - [8 A1 c) r1 \# d. a* h4 M	20～80 : J4 T" V W# _) ], ?7 z	0.1～0.4 * l ]' k1 c5 q# g	0.1～3.0 ) y5 A- U) m. z, A+ i" I6 Q9 K
Ni基耐热合金 5 _' A7 t+ I0 o% U' x- r	110～160 0 L: s! r. [& o) D: N	0.05～0.2 ! h! Y& \|3 N- d% Y- c. p& h. M	0.1～1.0 , h) }: z. A7 w, f Y. q
Co基耐热合金 / v0 _& \|: z6 ]	50～100 , _6 A+ ~' b- A* M0 v	0.05～0.2 & k$ \0 [3 U8 { I0 Q) X	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。

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。

账号		自动登录	找回密码
密码			注册会员