PCBN刀具的概念与应用(一)

魔神

    

　　立方氮化硼CBN(Cubic Boron Nitride)是20世纪50年代首先由美国通用电气(GE)公司利用人工方法在高温高压条件下合成的，其硬度仅次于金刚石而远远高于其它材料，因此它与金刚石统称为超硬材料。

　　CBN具有较高的硬度、化学惰性及高温下的热稳定性，因此作为磨料CBN砂轮广泛用于磨削加工中。由于CBN具有优于其它刀具材料的特性，因此人们一开始就试图将其应用于切削加工，但单晶CBN的颗粒较小，很难制成刀具，且CBN烧结性很差，难于制成较大的CBN烧结体，直到20世纪70年代，前苏联、中国、美国、英国等国家才相继研制成功作为切削刀具的CBN烧结体——聚晶立方氮化硼PCBN(Polycrystalline Cubic Boron Nitride)。从此，PCBN以它优越的切削性能应用于切削加工的各个领域，尤其在高硬度材料、难加工材料的切削加工中更是独树一帜。经过30多年的开发应用，现在已出现了用以加工不同材料的PCBN刀具材质。|MechNet|欢迎登陆中国机械专家网#/

　　1 PCBN刀具材料及其切削性能|MechNet|欢迎登陆中国机械专家网#/

　　1.1 PCBN刀具材料的种类

　　按添加成分分：有直接由CBN单晶烧结而成的PCBN和添加一定比例粘结剂的PCBN烧结体两大类；按制造复合方式分：有整体PCBN烧结块和与硬质合金复合烧结的PCBN复合片两类。目前应用较广的是带粘结剂的PCBN复合片，根据添加的粘结剂比例不同则PCBN硬度也不同，粘结剂含量越多则硬度越低、韧性越好；粘结剂种类不同，则PCBN的用途也不同，如表1所示为常见粘结剂的PCBN刀具及其用途。

　　表1常见粘结剂的PCBN刀具及其用途

　　CBN含量(%)-粘结剂种类-主要用途

　　～60-TiN-淬火钢

　　～70-TiC-铸铁

　　～70-Al2O3-铸铁

　　～90-AlN-高强度铸铁

　　～80-Co-耐热合金钢铸铁

　　1.2 PCBN刀具的切削性能

　　由于CBN晶体与金刚石晶体都属闪锌矿型，且晶格常数相近，化学键类型相同，因而CBN具有接近金刚石的硬度和抗压强度，又因为其是由N、B原子所组成，因此具有比金刚石更高的热稳定性和化学惰性。PCBN刀具材料主要性能如下：

　　(1)具有很高的硬度和耐磨性。CBN单晶的显微硬度为HV8000～9000，是目前已知的第二高硬度的物质，PCBN复合片的硬度一般为HV3000～5000。因此用于加工高硬度材料时具有比硬质合金及陶瓷更高的耐磨性，能减少大型零件加工中的尺寸偏差或尺寸分散性，尤其适用于自动化程度高的设备中，可以减少换刀调刀辅助时间，使其效能得到充分发挥。

　　(2)具有很高的热稳定性和高温硬度。CBN的耐热性可达1400～1500℃，在800℃时的硬度为Al2O3/TiC陶瓷的常温硬度，因此，当切削温度较高时，会使被加工材料软化，与刀具间硬度差增大，有利于切削加工进行，而对刀具寿命影响不大。

　　(3)具有较高的化学稳定性。CBN具有很高的抗氧化能力，在1000℃时也不产生氧化现象，与铁系材料在1200～1300℃时也不发生化学反应，但在1000℃左右时会与水产生水解作用，造成大量CBN被磨耗，因此用PCBN刀具湿式切削时需注意选择切削液种类。一般情况下，湿切对PCBN刀具寿命无明显提高，所以使用PCBN刀具时往往采用干切方式。

　　(4)具有良好的导热性。CBN材料的导热系数低于金刚石但大大高于硬质合金，并且随着切削温度的提高，PCBN刀具的导热系数不断增大，因此可使刀尖处热量很快传出，有利于工件加工精度的提高。

　　(5具有较低的摩擦系数。CBN与不同材料的摩擦系数在0.1～0.3之间，大大低于硬质合金的摩擦系数(0.4～0.6)，而且随摩擦速度及正压力的增大而略有减小。因此低的摩擦系数及优良的抗粘结能力，使CBN刀具切削时不易形成滞留层或积屑瘤，有利于加工表面质量的提高。

　　2 PCBN刀具应用于先进切削加工工艺

　　2.1适用于高速及超高速切削加工技术

　　PCBN刀具最适合于铸铁、淬硬钢等材料的高速切削加工。由PCBN刀具切削铸铁及淬硬钢时刀具后刀面磨损与切削距离的关系可以看出：当切削速度超过一定限度后，切削速度越高，PCBN刀具后刀面磨损速度反而越小，即高速切削下刀具的寿命反而高，这一特点尤其适合现代高速切削加工。