21世紀PCBN刀具的發(fā)展與展望

1、21 世紀 PCBN 刀具的開展與展望隨著制造技術(shù)的迅猛開展， 切削加工作為制造技術(shù)的根底工藝， 進入了以開展高效切削、 開 發(fā)新切削工藝和加工方法、 提供成套技術(shù)為特征的新開展階段。 與此同時， 制造技術(shù)和難加 工材料的開展推動著刀具技術(shù)的開展， 刀具技術(shù)也向著高態(tài)切削、 高速切削、 高精度和干式 加工的方向開展?？蓪崿F(xiàn)高效率、高穩(wěn)定性、 長壽命加工的超硬刀具的應用也日漸普及，在 汽車、航空航天、能源、軍事、模具等領域發(fā)揮著重要作用。在機械加工中， 刀具材料是決定加工效率、 加工質(zhì)量和加工本錢的關鍵因素之一， 正確 選擇和應用刀具材料至關重要。 現(xiàn)代刀具材料主要是高速鋼、 硬質(zhì)合金和陶瓷，

2、它們主要的 硬質(zhì)相成分是碳化物、氮化物和氧化物，加上粘結(jié)材料后，刀具的硬度在 HV2000 以下。對 于某些現(xiàn)代難加工材料的加工，上述硬度已不能滿足要求，于是超硬刀具材料便應運而生。PCBN 聚晶立方氮化硼刀具、陶瓷刀具、涂層刀具等均具有很高的硬度、耐磨性和化學 穩(wěn)定性，能滿足高速切削、干式切削、硬態(tài)切削等綠色制造的要求。由于PCBN 刀具在加工精度、切削效率、刀具壽命等各個方面具有無可比較的優(yōu)越性，因此，PCBN 刀具的推廣和應用可創(chuàng)造巨大的經(jīng)濟效益。文主要闡述 CBN 刀具材料的制造方法、物理性能及其應用和新開展，并展望了 21 世 紀 PCBN 刀具開展的前景。CBN 刀具材料的制造方法

3、立方氮化硼 CBNCubic Boron Nitride是20世紀50年代首先由美國通用電氣 GE公司 利用人工方法在高溫高壓條件下合成的，其硬度達HV8000 ,僅次于金剛石HV10000 而遠遠高于其他材料，它與金剛石統(tǒng)稱為超硬材料。CBN 晶體與金剛石晶體都屬于閃鋅礦型，且晶格常數(shù)相近，化學鍵類型相同，故CBN具有接近金剛石的硬度和抗壓強度，又因為它是由N、B原子組成，因此具有比金剛石更高的熱穩(wěn)定性和化學惰性。CBN 刀具材料的制造方法主要是熱壓法， 將壓制 CBN 單晶粉的原料 六方氮化硼粉HBN 置于葉蠟石的腔體中，加上觸媒劑，用六面頂或兩面頂?shù)囊簤簷C，在1600 C、56GPa下熱

4、壓10min形成CBN單晶粉。單晶粉可用于磨料、磨具。用CBN單晶粉加上觸媒劑和粘結(jié)劑，在1800 C、56GPa下再壓3min便可得到PCBN整體刀片或復合刀片 硬質(zhì) 合金墊底，上有 0.5mm 左右的 CBN 薄層。PCBN 刀具材料的性能1具有很高的硬度和耐磨性。CBN單晶顯微硬度為 HV8000HV9000，是目前的第二高硬度的物質(zhì)。不同量粘 結(jié)劑的PCBN刀具材料的硬度在 HV40006000之間，而硬質(zhì)合金刀具材料的硬度僅為 HV11001800; Al 2O3陶瓷刀具材料硬度為 HV2000。由此可見，用于加工高硬度材料時PCBN 刀具具有比硬質(zhì)合金及陶瓷更高的耐磨性， 可減少大

5、型零件加工中的尺寸偏差或尺寸 分散性，減少換刀調(diào)刀輔助時間，使其效能得到充分發(fā)揮。2具有很高的熱穩(wěn)定性和高溫硬度。CBN的耐熱性可達14001500C,在800C時的硬度為 AI2O3/TQ復合陶瓷的常溫硬度。 切削溫度較高時，會使被加工材料軟化， 與刀具間硬度差增大，有利于切削加工進行， 而對 刀具壽命影響不大。3具有很好的導熱性。CBN的熱導率達1300W/ m?K，是紫鋼的3.5倍。而硬質(zhì)合金的熱導率僅為3575W/m?K。 CBN 材料的導熱系數(shù)低于金剛石但大大高于硬質(zhì)合金，并且， PCBN 刀具的導 熱系數(shù)隨著切削溫度的提高不斷增大， 因此可使刀尖處熱量很快傳出， 有利于工件加工精度

6、 的提高。 4具有很高的楊氏模量。PCBN的楊氏模量約為 750GPa,高于 WC、TiC、Al 2O3等材料。 5 具有很小的熱膨脹。PCBN的熱膨脹系數(shù)約為2.12.3 X10-6/K,而硬質(zhì)合金的熱膨脹系數(shù)為57X10-6/K。 6 具有較小的密度。PCBN的密度為3.48g/cm3，與AI2O3、SisZ的密度相近。7具有較低的斷裂韌性。PCBN的斷裂韌性約為3.55 Pa?m0.5,僅為陶瓷刀具材料的一半。這是PCBN唯一缺乏之處。皿刀片(8) 具有優(yōu)良的化學穩(wěn)定性。CBN具有很高的抗氧化能力， 在大氣中，1000 C時也不產(chǎn)生氧化現(xiàn)象，PCBN在1300 1500 C尚不分解；在酸

7、中不受侵蝕；對鐵族材料呈惰性，在12001300 C時也不發(fā)生化學反應。但1000 C左右時會與水產(chǎn)生水解作用，造成大量CBN磨耗，因此使用PCBN刀具時宜采用干切方式。(9) 具有較低的摩擦系數(shù)。CBN與不同材料的摩擦系數(shù)在 0.10.3之間，低于硬質(zhì)合金的摩擦系數(shù) (0.40.6)，摩 擦系數(shù)隨摩擦速度及正壓力的增大而略有減小。切削時不易形成滯留層或積屑瘤， 有利于表面加工質(zhì)量的提高。PCBN刀具分類及對其性能的影響因素PCBN刀具材料同其他種類的刀具材料一樣，由于組成成分的不同，具有很多牌號，適 應于不同的用途。PCBN的性能與CBN的含量、粒徑及結(jié)合劑的種類有關，通過調(diào)整CBN的含量、

8、晶粒大小和結(jié)合劑比例及種類可以獲得不同性能、適應不同加工要求的PCBN刀具。(1) PCBN刀具按添加成分大致可分為兩大類：一類直接由CBN單晶熱壓燒結(jié)而成， CBN含量較多(70%以上)，硬度高，適用于耐熱合金、鑄鐵和鐵系燒結(jié)金屬的切削加工；另一類是以CBN晶粒為主體，添加一定比例的陶瓷結(jié)合劑(主要有TiN、TiC、TiCN、AIN、AI2O3等)燒結(jié)而成的熱壓體，這類PCBN中CBN含量較少(70%以下)，硬度較低，適用于淬硬鋼的切削加工。(2) PCBN的結(jié)合劑主要有3類：金屬結(jié)合劑，由金屬或合金組成，如Co、Ni等，金 屬結(jié)合劑PCBN燒結(jié)體的韌性和導電性好，缺點是高溫下結(jié)合劑軟化，耐

9、磨性能下降；陶瓷結(jié)合劑，如 A1203等，陶瓷結(jié)合劑 PCBN燒結(jié)體具有較高的耐高溫磨損能力和較強的抗 粘接能力， 這解決了金屬結(jié)合劑高溫軟化的問題， 但其抗沖擊性較差， 脆性大；金屬陶瓷結(jié) 合劑，如 TiN 、 TiC 、 TiCN 、AlN 等，解決了上述存在的問題，具有較好的綜合性能。 3PCBN 刀具按制造復合方式可分為：整體PCBN 熱壓塊和與硬質(zhì)合金復合熱壓的PCBN 復合片。整體 PCBN 刀片剛性好，適用于粗加工；復合 PCBN 刀片的本錢較低，適 用于精加工或半精加工。 4已有的研究說明，采用純 CBN 材料制備的刀具在很多情況下并不能獲得最正確加 工效果，CBN的含量一般在

10、50%95%之間。CBN含量主要影響PCBN的硬度和熱導率， 隨著 CBN 含量的增加， PCBN 的硬度、耐磨性和熱導率升高，韌性下降；當 CBN 的含量低 于 50%時， PCBN 的硬度下降，導致切削刃發(fā)生塑性變形而使刀片破損。當 CBN 含量超過 95%時， PCBN 性能變差，脆性加大， CBN 晶粒易脫落，耐磨性大減。PCBN 刀具的應用1 PCBN 是硬態(tài)切削加工技術(shù)的最正確刀具材料1利用超硬材料制備的刀具具有高硬度、高楊氏模量、高導熱性能、低摩擦和低熱 膨脹的特點，可切削各種硬材料和難加工材料。 PCBN 刀具的紅硬性、耐磨性在硬態(tài)干式切 削難加工材料中具有很大的優(yōu)勢。 PCB

11、N 刀具通常用來加工硬度高于 HRC50 的材料，在切 削溫度高達1500 C時仍具有很高的硬度，最適合各種淬硬鋼、冷硬鑄鐵及其他高硬黑色金 屬的切削。2對淬硬件硬度高于HRC55的精加工，通常采用磨削加工的方法完成，然而隨著 刀具材料的開展及數(shù)控機床加工精度的提高， 以硬態(tài)切削代替磨削完成零件的最終加工已成 為一個新的精加工途徑。2 PCBN 是進行干切削加工工藝的理想刀具材料由于經(jīng)濟與環(huán)保方面的原因， 近幾年來， 干切削加工工藝已成為機械制造領域中的重點研究課題。 干切削加工工藝已在西方工業(yè)興旺國家有了相當好的應用。與濕切相比， 干切又能大大提高生產(chǎn)率， 其機理是由于切削速度很高時， 產(chǎn)生

12、的熱量聚集于刀具前部， 使切削區(qū) 附近材料到達紅熱狀態(tài)， 屈服強度下降， 進而獲得提高切削效率的效果。 采用干切削工藝的 前提條件是在較高切削溫度下， 被切材料強度有明顯下降， 變得易切削， 而刀具材料的強度 在同樣狀態(tài)下要有較好的紅硬性及熱穩(wěn)定性， 還要有較好的耐磨性和抗粘結(jié)性。 適用于干切 工藝的刀具材料有陶瓷、金屬陶瓷、涂層硬質(zhì)合金及 PCBN 刀具材料等，但就紅硬性和熱 穩(wěn)定性來說， PCBN 材料是最適合干切工藝的刀具材料。3 PCBN 刀具適應于自動化加工及難加工材料加工 1 PCBN 刀具具有很高的硬度及耐磨性，能在高切削速度下長時間地加工高精度零 件尺寸離散性小， 大大減少換刀

13、次數(shù)和刀具磨損補償停機所花費的時間，適合于數(shù)控機床及自動化程度較高的加工設備。(2) PCBN刀具可成功實施硬態(tài)精加工工藝，除節(jié)省使用冷卻潤滑液和與此相關的原 料而具有經(jīng)濟上和生態(tài)上的優(yōu)點以外，它還能代替磨削工藝。在難加工材料應用方面，PCBN刀具也顯示出卓越的性能，如外表噴焊(涂)材料的加工，用其他材料的刀具加工，刀具壽 命極低，也無法采用磨削方法加工，而PCBN是惟一適合的刀具材料。(3) 在石油、電站設備中使用的高合金耐磨鑄鐵，采用PCBN刀具加工較硬質(zhì)合金刀具切削效率提高4倍以上，單件刀具本錢下降為原來的1/5。另外在硬質(zhì)合金等熱壓材料的切削加工方面，PCBN刀具也顯示了很好的切削性能

14、。PCBN刀具可用于精車淬硬鋼以及高速銃削灰鑄鐵和硬鑄鐵。精車后的淬硬鋼外表粗糙度Ra可達0.30.6卩珂尺寸精度可控制在0.013mm以內(nèi)。PCBN刀具還可用于加工高溫合金、硬質(zhì)合金、工程陶瓷及其他難加工材料。(4) 在切削冷硬鑄鐵方面,PCBN的耐用性能和加工效率遠遠好于硬質(zhì)合金刀具。由于 金剛石刀會與黑色金屬發(fā)生反響，不能用來切削鋼、鐵。在工業(yè)工程和機械制造中，黑色金屬尤其是鋼、鐵用量最大，所以PCBN在這方面有著得天獨厚的優(yōu)勢。(5) PCBN刀具能加工金剛石刀具所不能加工的黑色金屬材料，特別適合數(shù)控設備及 自動化生產(chǎn)線的使用。PCBN刀具具有很高的耐磨性，其使用壽命遠遠高于硬質(zhì)合金，

15、可加 工大局部高硬度材料，在許多場合可以以車、鏜、銃等代替磨削，能使被加工零件獲得較高的精度和良好的外表質(zhì)量，并大大提高生產(chǎn)效率。國外PCBN刀具已廣泛用來加工淬硬鋼、高硬度鑄鐵和抗磨零件，并帶來了巨大的經(jīng)濟效益。隨著機械零件的硬度和抗磨損性能要求 的進一步提高，PCBN刀具的使用必將更加廣泛。PCBN 刀具推廣應用現(xiàn)狀 1早期的 PCBN 刀具堅硬但缺乏足夠的韌性，因此，PCBN 刀具的使用范圍受到限制。 PCBN 刀具對中等硬度以下的調(diào)質(zhì)鋼和一般硬度的正火鋼不太適用，而在實際應用中， 中硬和低硬鋼用得很多，因此，人們用硬質(zhì)合金刀具比較多， PCBN 刀具主要用于硬材料的 精加工和半精加工。

16、 2PCBN 刀具在國內(nèi)已經(jīng)開展了近 30 年，但其使用比例始終有限。在全部刀具中所 占份額與高速鋼和硬質(zhì)合金相比微缺乏道，究其原因，主要是：人們對 PCBN 刀具的認識 缺乏； PCBN 制造本錢較高，價格昂貴；刀片的韌性受到加工條件的約束。 3目前國內(nèi)用戶使用較多的是 PCBN 車刀，這類刀具在冷硬鑄鐵、淬硬鋼，以及其 他一些難加工材料零件的連續(xù)車削加工中均取得了良好的效果，為推廣使用 PCBN 刀具奠 定了良好的根底。 PCBN 刀具在國內(nèi)的市場主要有以下幾個行業(yè)：汽車、石油勘探、礦業(yè)公 司、相關的各類鋼管廠、電站設備和汽輪機廠以及其他各類機械廠。 4我國專門用于軸承生產(chǎn)的磨床已經(jīng)超過4

17、000 臺， 軸承出口一直呈現(xiàn)良好形勢， 而且供不應求。 目前國內(nèi)軸承內(nèi)外圈的加工除采用磨削加工方式外， 主要采用陶瓷刀具進行加 工，PCBN刀具尚未有效地開發(fā)， 如果改用PCBN刀具進行軸承鋼的硬態(tài)切削，其經(jīng)濟效益將十分可觀。PCBN 刀具的新進展隨著刀片制造技術(shù)的開展，國產(chǎn) PCBN 刀具已經(jīng)取得了重要的進步，其刀片的物理性 能發(fā)生了重要的變化，無論從價格上還是從品質(zhì)上，PCBN 刀具都發(fā)生了革命。新型 PCBN刀具的應用必將會打破 PCBN 刀具不能在重載切削領域和斷續(xù)切削狀態(tài)應用的格局。1隨著科學技術(shù)的開展，人們通過以下調(diào)整和改良，提高了PCBN 刀具的性能，逐步擴大了其應用范圍。a改

18、良制造工藝，降低PCBN的制造本錢。改變粘結(jié)相材料及其與硬質(zhì)相的配比， 減少硬質(zhì)相，增多粘結(jié)相，使 PCBN 的韌性和熱壓效率得到提高。新型 PCBN 刀具的硬度 已到達HV30006000,可以對硬脆金屬或非金屬進行粗加工，效果很好。b提高機床設備級別，推廣使用較貴的PCBN刀具。雖然PCBN刀具的價格比硬質(zhì)合金刀具略貴, 但加工效率的提高所創(chuàng)造的收益足以彌補價格因素的影響。有數(shù)字說明, 在現(xiàn)代加工中刀具費用僅占制造本錢的 3% 4%,但它對總制造本錢的影響卻要大得多。 即使壓低 刀具價格的 30%或提高刀具壽命的 50%,所能節(jié)約的總本錢僅有 1%左右,可以說效果很小； 而如果刀具價格提高

19、 50%,由于性能改善,加工效率提高20%,就可使總本錢下降 15%左右,這個比值對于制造本錢產(chǎn)生了舉足輕重的影響。 不少企業(yè)花巨資引進高效率的機床, 卻 使用低性能的焊接刀具, 好馬未配好鞍, 難以發(fā)揮引進設備的作用, 反而造成了更大的浪費。假設購置性能好的對一般中小企業(yè)來說， 精加工工序的磨削加工始終是制造過程的瓶頸,車床，采用PCBN刀具，應用以車代磨等先進切削加工工藝，既可節(jié)省設備投資，提高生 產(chǎn)率，又可大大增加加工過程的柔性。另外，目前由于人員費用的增加及環(huán)境保護方面的要求，大力推廣使用 PCBN刀具，充分發(fā)揮其潛在效能，提高切削加工技術(shù)水平也是具有重 要意義的。2近年來，PCBN刀

20、具的應用逐漸增多，最明顯的是進入冶金工業(yè)中軋輥和汽車工 業(yè)中汽車剎車車轂以及鉆探工程的泥漿泵的加工。與原用的硬質(zhì)合金和陶瓷刀具相比， PCBN刀具取得了令人滿意的結(jié)果，其切削用量如表1所示。從表中可知，改良后的切削深度、進給量都很大，切削速度也較高，可以獲得較高的加工效率。過去這類產(chǎn)品加工都用硬質(zhì)合金和陶瓷車刀，現(xiàn)在已被PCBN刀具代替，這是一個很大的進步。工件軸幃巧巧d務叩urnHi?!* iIW嚴初*囲上- 1 J3 * 03耳 L：f eiS -?!p宀O.e -心CO F fljHV單0,6a. J2Ou】1WMns)s !3翻-3 在現(xiàn)代機械制造中，黑色金屬加工是機械加工的重頭戲。近

21、年來，PCBN刀具材 料的制造工藝和綜合力學性能有了很大的開展，可有效地對黑色金屬進行粗精加工。4 高科技的開展和自動化加工技術(shù)的普及對切削效率和精度提出了新的要求。同時，各種新型耐磨高硬度材料在工業(yè)中的應用日益增加，這都要求刀具具有良好的物理、 化學和機械性能，而PCBN的三高特性，完全符合這方面的要求。因此，研究PCBN刀具對機械制造行業(yè)的開展具有很大的意義。5 隨著刀具材料技術(shù)的開展和制造工藝的日益革新，PCBN刀具的材料和韌性都發(fā)生了很大的變化。新型的PCBN刀具比起那些早期缺乏韌性的牌號有了革命性的變化。PCBN刀具的設計和用途也出現(xiàn)了許多新的進展，PCBN刀具能夠更加廣泛地滿足特殊工件材料加工過程的要求，改善加工性能，擴大應用范圍。例如汽車工業(yè)運用新研制的PCBN整體式厚刀片，可以有效地切削以往只能磨削的難加工硬質(zhì)鑄鐵合金。目前PCBN刀具已廣泛應用于車削、銃削和鏜削等加工領域。21世紀PCBN刀具的展望1PCBN刀具作為21世紀的主要換代刀具之一，在工業(yè)興旺國家工具使用總量中所 占比重越來越大。難加工材料越來越多，作為切削難加工材料的主要刀具材料PCBN前途 一片光明。例如，飛機主體骨架超高強度鋼的加工十分困難，研究用 PCBN 刀具加工 就是一個方向。另外，航空發(fā)動機