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標(biāo)題: PCBN刀具的性能及其應(yīng)用 [打印本頁(yè)]

作者: cni23cefr 時(shí)間: 2008-11-3 15:53
標(biāo)題: PCBN刀具的性能及其應(yīng)用

立方氮化硼CBN(Cubic Boron Nitride)是20世紀(jì)50年代首先由美國(guó)通用電氣(GE)公司利用人工方法在高溫高壓條件下合成的,，其硬度僅次于金剛石而遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其它材料，因此它與金剛石統(tǒng)稱為超硬材料,。

CBN具有較高的硬度,、化學(xué)惰性及高溫下的熱穩(wěn)定性，因此作為磨料CBN砂輪廣泛用于磨削加工中,。由于CBN具有優(yōu)于其它刀具材料的特性,，因此人們一開(kāi)始就試圖將其應(yīng)用于切削加工，但單晶CBN的顆粒較小,，很難制成刀具,，且CBN燒結(jié)性很差，難于制成較大的CBN燒結(jié)體,，直到20世紀(jì)70年代,，前蘇聯(lián)、中國(guó),、美國(guó),、英國(guó)等國(guó)家才相繼研制成功作為切削刀具的CBN燒結(jié)體——聚晶立方氮化硼PCBN(Polycrystalline Cubic Boron Nitride)。從此,，PCBN以它優(yōu)越的切削性能應(yīng)用于切削加工的各個(gè)領(lǐng)域,，尤其在高硬度材料、難加工材料的切削加工中更是獨(dú)樹(shù)一幟,。經(jīng)過(guò)30多年的開(kāi)發(fā)應(yīng)用,，現(xiàn)在已出現(xiàn)了用以加工不同材料的PCBN刀具材質(zhì)。

1 PCBN刀具材料及其切削性能

1.1 PCBN刀具材料的種類

按添加成分分：有直接由CBN單晶燒結(jié)而成的PCBN和添加一定比例粘結(jié)劑的PCBN燒結(jié)體兩大類,；按制造復(fù)合方式分：有整體PCBN燒結(jié)塊和與硬質(zhì)合金復(fù)合燒結(jié)的PCBN復(fù)合片兩類,。目前應(yīng)用較廣的是帶粘結(jié)劑的PCBN復(fù)合片，根據(jù)添加的粘結(jié)劑比例不同則PCBN硬度也不同,，粘結(jié)劑含量越多則硬度越低,、韌性越好；粘結(jié)劑種類不同,，則PCBN的用途也不同,，如表1所示為常見(jiàn)粘結(jié)劑的PCBN刀具及其用途。

表1 常見(jiàn)粘結(jié)劑的PCBN刀具及其用途

CBN含量(%)	粘結(jié)劑種類	主要用途
～60	TiN	淬火鋼
～70	TiC	鑄鐵
～70	Al2O3	鑄鐵
～90	AlN	高強(qiáng)度鑄鐵
～80	Co	耐熱合金鋼鑄鐵

1.2 PCBN刀具的切削性能

由于CBN晶體與金剛石晶體都屬閃鋅礦型,，且晶格常數(shù)相近,，化學(xué)鍵類型相同，因而CBN具有接近金剛石的硬度和抗壓強(qiáng)度,，又因?yàn)槠涫怯蒒,、B原子所組成，因此具有比金剛石更高的熱穩(wěn)定性和化學(xué)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單晶的顯微硬度為HV8000～9000,，是目前已知的第二高硬度的物質(zhì)，PCBN復(fù)合片的硬度一般為HV3000~5000,。因此用于加工高硬度材料時(shí)具有比硬質(zhì)合金及陶瓷更高的耐磨性,，能減少大型零件加工中的尺寸偏差或尺寸分散性，尤其適用于自動(dòng)化程度高的設(shè)備中,，可以減少換刀調(diào)刀輔助時(shí)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(dá)1400～1500℃,，在800℃時(shí)的硬度為Al2O3/TiC陶瓷的常溫硬度，因此,，當(dāng)切削溫度較高時(shí),，會(huì)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(jìn)行,，而對(duì)刀具壽命影響不大。

3) 具有較高的化學(xué)穩(wěn)定性,。CBN具有很高的抗氧化能力,，在1000℃時(shí)也不產(chǎn)生氧化現(xiàn)象，與鐵系材料在1200～1300℃時(shí)也不發(fā)生化學(xué)反應(yīng),，但在1000℃左右時(shí)會(huì)與水產(chǎn)生水解作用,，造成大量CBN被磨耗，因此用PCBN刀具濕式切削時(shí)需注意選擇切削液種類,。一般情況下,，濕切對(duì)PCBN刀具壽命無(wú)明顯提高，所以使用PCBN刀具時(shí)往往采用干切方式,。

4) 具有良好的導(dǎo)熱性,。CBN材料的導(dǎo)熱系數(shù)低于金剛石但大大高于硬質(zhì)合金，并且隨著切削溫度的提高,，PCBN刀具的導(dǎo)熱系數(shù)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的提高,。

5) 具有較低的摩擦系數(shù),。CBN與不同材料的摩擦系數(shù)在0.1～0.3之間，大大低于硬質(zhì)合金的摩擦系數(shù)(0.4～0.6),，而且隨摩擦速度及正壓力的增大而略有減小,。因此低的摩擦系數(shù)及優(yōu)良的抗粘結(jié)能力，使CBN刀具切削時(shí)不易形成滯留層或積屑瘤,，有利于加工表面質(zhì)量的提高,。

2 PCBN刀具應(yīng)用于先進(jìn)切削加工工藝

2.1 適用于高速及超高速切削加工技術(shù)

PCBN刀具最適合于鑄鐵、淬硬鋼等材料的高速切削加工,。圖1示為PCBN刀具切削鑄鐵及淬硬鋼時(shí)刀具后刀面磨損與切削距離的關(guān)系,，可以看出：當(dāng)切削速度超過(guò)一定限度后，切削速度越高,，PCBN刀具后刀面磨損速度反而越小,，即高速切削下刀具的壽命反而高，這一特點(diǎn)尤其適合現(xiàn)代高速切削加工,。

2.2 硬態(tài)切削加工技術(shù)的最佳刀具材料

對(duì)淬硬件(硬度HRC55以上)的精加工,，通常采用磨削加工方法來(lái)完成，然而隨著刀具材料發(fā)展及車床(尤其是數(shù)控車床)加工精度的提高,，以硬態(tài)切削代替磨削來(lái)完成零件的最終加工已成為一個(gè)新的精加工途徑,，這種以車代磨的工藝方法有以下優(yōu)點(diǎn)：

1) 可提高加工柔性，突破了砂輪磨削的限制,，通過(guò)改變切削刃及走刀方式可以加工出幾何形狀各異的工件,；
2) 切削加工中的環(huán)保問(wèn)題日益嚴(yán)峻，磨削加工產(chǎn)生的廢液和廢棄物越來(lái)越難以處理和清除,，而且對(duì)人體有害,，而硬態(tài)切削無(wú)須加冷卻液，意義重大,；
3) 切削效率高,，加工時(shí)間短，設(shè)備投資費(fèi)用小,，可降低加工成本,；
4) 切除相同體積所消耗的能量?jī)H為磨削的20%，因此產(chǎn)生的切削熱較少,，加工表面不易引起燒傷和微小裂紋,，易于保持工件表面性能的完整性；
5) 同樣金屬去除率情況下,，硬態(tài)切削較磨削節(jié)省能源,。

通常用于硬態(tài)切削的刀具材料有陶瓷、TiC涂層刀片及PCBN刀具材料,，但要在較高速度(1000m/min以上)下進(jìn)行硬態(tài)車削,，PCBN是最佳刀具材料品種。如在汽車變速箱同步器套撥叉(材料為20CrMnTi,，硬度為HRC58～62)加工采用以車代磨后,，效率提高4倍以上，加工成本降低為原來(lái)磨削工藝的1/3～1/2,。

2.3 進(jìn)行干切削加工工藝的理想刀具材料

由于經(jīng)濟(jì)與環(huán)保方面的原因,，近幾年干切削加工方法已成為機(jī)械制造領(lǐng)域中的重點(diǎn)研究課題,。我們首先來(lái)看一下濕切工藝由于使用切削液帶來(lái)的問(wèn)題：

1) 長(zhǎng)期暴露在空氣中或切削加工中由切削熱造成的切削液霧狀揮發(fā)，容易污染環(huán)境,、危害操作者健康,，切削液中的硫、氯等添加劑危害更大,，影響加工表面質(zhì)量,；
2) 切削液的使用影響加工成本，據(jù)統(tǒng)計(jì),，切削液占生產(chǎn)成本的15%,，而刀具費(fèi)用僅占3%~4%；
3) 切削液的滲漏,、溢出會(huì)污染環(huán)境,，易發(fā)生安全、質(zhì)量事故,；
4) 切削液的傳輸,、回收、過(guò)濾等裝置及其維護(hù)費(fèi)用較高,，增加了生產(chǎn)成本,。

由于以上原因，干切削加工工藝已在西方工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家有了相當(dāng)?shù)膽?yīng)用,。由美國(guó)Makino公司推薦的“紅月牙”(Red Crescent)干切工藝,，既可以充分發(fā)揮刀具的切削性能，與濕切相比又能大大提高生產(chǎn)率,。其機(jī)理是由于切削速度很高,，產(chǎn)生的熱量聚集于刀具前部，使切削區(qū)附近材料達(dá)到紅熱狀態(tài),，屈服強(qiáng)度下降,，進(jìn)而達(dá)到提高切削效率的效果。采用紅月牙干切削工藝的前提條件是在較高切削溫度下,，被切材料強(qiáng)度有明顯下降,，變得易切削，而刀具材料的強(qiáng)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刀具材料等等 ,，但就紅硬性和熱穩(wěn)定性來(lái)說(shuō)，PCBN材料是最適合干切工藝的刀具材料,，且由于PCBN刀具材料具有上述優(yōu)點(diǎn),，更適于高速條件下的干式切削加工,，圖2為用PCBN刀具切削灰口鑄鐵干切削和濕切削兩種情況下的對(duì)比，可以看出：PCBN在高速干切情況下,，比濕切削具有更高的刀具壽命,。

2.4 適應(yīng)于自動(dòng)化加工及難加工材料加工

PCBN刀具有很高的硬度及耐磨性，能在高切削速度下長(zhǎng)時(shí)間地加工出高精度零件（尺寸分散性�,。�,，大大減少換刀次數(shù)和刀具磨損補(bǔ)償停機(jī)所花費(fèi)的時(shí)間,。因此,，很適合于數(shù)控機(jī)床及自動(dòng)化程度較高的加工設(shè)備，并且能使設(shè)備的高效能得到充分發(fā)揮,。

在難加工材料應(yīng)用方面,，PCBN刀具也顯示了其卓越的性能，如表面噴焊(涂)材料的加工,，用其它材料刀具加工,，刀具壽命極低，也無(wú)法采用磨削方法加工,，而PCBN是惟一適合的刀具材料,；又如，在石油電站設(shè)備中使用的高合金耐磨鑄鐵,，采用PCBN刀具較硬質(zhì)合金刀具提高切削效率4倍以上,，單件刀具成本下降為原來(lái)的1/5。另外在硬質(zhì)合金等燒結(jié)材料的切削加工方面,，PCBN刀具也顯示了很好的切削性能,。

2.5 PCBN刀具的應(yīng)用事例

由于PCBN具有較高的硬度和耐磨性，在高溫下不與鐵族金屬起反應(yīng)的化學(xué)惰性,，因此主要用于高硬度材料及難加工材料的切削加工,，如淬硬鋼、高合金耐磨鑄鐵,、高溫合金,、高速鋼、表面噴焊材料,、燒結(jié)金屬材料等難加工材料的切削加工,。

1) 加工淬硬鋼，可起到以車代磨的效果,，由于切削深度比磨削深度大十幾倍以上,，因此加工效率高，表面不產(chǎn)生燒傷,。如以車代磨加工變速滑動(dòng)齒輪(20CrMnTi,，硬度為HRC 58～62)時(shí),，切削比原磨削加工效率提高4倍以上。

2) 加工高合金(含鎢或鉻18%)耐磨鑄鐵,，切削速度較硬質(zhì)合金刀具提高10倍以上,，切削效率提高4倍以上。

3) 加工高鈷鉻鉬耐蝕耐熱合金,，PCBN刀具切削速度為160m/min,，是硬質(zhì)合金刀具的8倍。

4) 加工熱噴涂(噴焊)材料,，表面噴焊件無(wú)法用磨削加工,，而用硬質(zhì)合金刀具切削效率極低，改用PCBN刀具后可提高加工效率,，節(jié)省加工費(fèi)用50%以上,。PCBN刀具還可用于有色金屬的精密切削及燒結(jié)金屬的切削加工等等。

3 PCBN刀具使用上的注意點(diǎn)

如果正確選擇切削用量,、刀具幾何參數(shù)及其他加工條件,，則PCBN是一種高效長(zhǎng)壽命刀具，能創(chuàng)造很高的經(jīng)濟(jì)效益,，但如果使用方法不當(dāng),，則會(huì)造成很大的浪費(fèi)。

1) 合理選擇切削用量：切削速度要根據(jù)被加工材料進(jìn)行選擇,，一般要大大高于硬質(zhì)合金刀具,。切削硬度HRC55～65的淬硬鋼可選切削速度為80～120m/min，由于PCBN切削硬材料是將切削區(qū)內(nèi)微小區(qū)域的金屬軟化而進(jìn)行的,，因此切削速度過(guò)低時(shí),，就不能發(fā)揮PCBN刀具的切削性能。進(jìn)給量一般不能大于0.2mm/r,，背吃刀量一般選擇小于0.3mm,。

2) 合理選擇刀具幾何參數(shù)：由于PCBN刀具的韌性高于陶瓷，低于硬質(zhì)合金,，因此刀具幾何參數(shù)的選擇主要考慮的就是保證刃口強(qiáng)度,，刀具前角一般選擇(0°～-10°)，后角選擇較小,，為10°左右,。除特殊要求外，為保證刀尖強(qiáng)度,，刀尖角一般不要小于90°,；刃口要磨出負(fù)倒棱，一般取為0.2mm×(-15°～-30°)，使用前要用30～50倍放大鏡對(duì)刀具進(jìn)行檢查,，確保刃口無(wú)崩刃,。

3) 冷卻與潤(rùn)滑：對(duì)其他材料刀具，采用冷卻潤(rùn)滑液有利于提高加工表面和延長(zhǎng)刀具壽命,，但對(duì)PCBN刀具除極特殊情況下,，不加冷卻液同樣可達(dá)到理想的加工質(zhì)量和較長(zhǎng)的刀具壽命，對(duì)PCBN刀具來(lái)說(shuō)是怕軟不怕硬,。若使用冷卻液,，則不能使用水溶性冷卻液，因?yàn)镃BN易在1000℃產(chǎn)生水解作用,，造成刀具嚴(yán)重磨損,。

4) 對(duì)機(jī)床的工藝系統(tǒng)：由于PCBN刀具多用于淬硬鋼及耐磨鑄鐵等難加工材料的切削加工，且刀具有負(fù)倒棱,，因而徑向力較大,。這就要求機(jī)床剛度和精度要好,，系統(tǒng)振動(dòng)要小,，刀具安裝時(shí)懸臂要小，PCBN刀具不宜用于荒面加工,。

目前,，雖然PCBN刀具材料的價(jià)格相對(duì)硬質(zhì)合金及陶瓷刀具的價(jià)格還偏高，但均攤到每個(gè)工件上的刀具成本卻低于其他材料刀具,，采用先進(jìn)切削加工工藝時(shí),，若將磨削機(jī)床等設(shè)備投資攤?cè)肷a(chǎn)成本，則PCBN刀具的使用會(huì)帶來(lái)更大經(jīng)濟(jì)效益,。對(duì)一般中小企業(yè)來(lái)說(shuō),，精加工工序的磨削加工始終是制造過(guò)程的瓶頸，若購(gòu)置性能好的車床,，采用PCBN刀具,，應(yīng)用以車代磨等先進(jìn)切削加工工藝，即可節(jié)省設(shè)備投資,、提高生產(chǎn)率,，又可大大增加加工過(guò)程的柔性。另外,，目前由于人員費(fèi)用的增大及環(huán)境保護(hù)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

作者: cni23cefr 時(shí)間: 2008-11-3 16:00
有興趣的朋友可以站短或留言,，我們共同探討！

作者: 指甲刀 時(shí)間: 2008-11-5 16:27
頂，學(xué)習(xí)了

作者: 新藍(lán) 時(shí)間: 2008-11-8 17:28
我做的項(xiàng)目就選了cbn刀片

作者: 狙擊手 時(shí)間: 2008-11-8 17:42
那你打算如何修磨,？

作者: 新藍(lán) 時(shí)間: 2008-11-8 17:52
標(biāo)題: 回復(fù) 5# 狙擊手的帖子
這個(gè)不能修磨的～

作者: 哈吧 時(shí)間: 2008-11-9 10:18
謝謝,，學(xué)習(xí)一下拉

作者: 狙擊手 時(shí)間: 2008-11-9 18:00
標(biāo)題: 回復(fù) 6# 新藍(lán) 的帖子
能把你用過(guò)的CBN刀片賣給我嗎？全部的,！

作者: 新藍(lán) 時(shí)間: 2008-11-9 19:07
標(biāo)題: 回復(fù) 8# 狙擊手的帖子
我不用,，只不過(guò)項(xiàng)目里選用了cnb

作者: 新藍(lán) 時(shí)間: 2008-11-9 19:08
我做的是前期工作，就是說(shuō)項(xiàng)目還沒(méi)有實(shí)施呢

作者: cni23cefr 時(shí)間: 2008-11-10 16:53

原帖由 新藍(lán) 于 2008-11-8 17:52 發(fā)表
. x# ]- A8 o! K- u1 U$ n% B這個(gè)不能修磨的～

CBN刀具是可以修磨的,，我們那就可以,。

作者: 光明磊落1976 時(shí)間: 2011-1-20 21:57
現(xiàn)在剛開(kāi)始用cbn刀片，樓主提供的資料太有用,，謝謝

作者: 鮑小隆 時(shí)間: 2011-3-2 16:18
樓主一些參數(shù)包括研磨都是針對(duì)復(fù)合片式CBN的,。如果是通體CBN的，就有區(qū)別了,。

作者: hanzhong007 時(shí)間: 2011-3-2 22:26
學(xué)習(xí)的了,謝謝樓主

作者: 楊帥 時(shí)間: 2011-3-5 01:49
回復(fù) cni23cefr 的帖子

朋友,，加QQ探討一下，我的：284998016,，不勝榮幸

作者: 少年游 時(shí)間: 2011-3-6 16:49
在去年,，幾個(gè)刀具商都拿來(lái)直徑20的CBN球頭刀片。進(jìn)行淬火后形面精仿,。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)用立軸仿形后各位置的坐標(biāo)精度沒(méi)問(wèn)題,。但表面粗糙度太高。使用30°頭用刀片側(cè)刃仿,，表面粗糙度就非常低,。不知道那位大俠知道這是為什么，如果只能使用立軸仿（使用CBN或PCBN刀片）,，怎樣才能提高表面粗糙度,？

作者: 少年游 時(shí)間: 2011-3-7 21:25
沒(méi)人回答我呀.頂一下

作者: 天空的櫻花 時(shí)間: 2011-5-9 20:48
好東西，先要了,，先謝謝LZ了

作者: gavin.ji 時(shí)間: 2012-4-27 17:45
謝謝樓主了

作者: GoCo 時(shí)間: 2013-8-25 10:29
很有價(jià)值

作者: 吃玩樂(lè) 時(shí)間: 2013-9-3 10:40
好東西�,。《嘀x樓主分享,！呵呵,！

作者: xiaosanpi 時(shí)間: 2013-9-5 13:49
樓主辛苦了，寫(xiě)得非常好,，剛?cè)氲毒咪N售這行,，希望能在論壇里多學(xué)習(xí)學(xué)習(xí)

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