2 PCBN刀具的性能

1. PCBN刀具的特性
   1. 具有較高的硬度和耐磨性
      CBN微粉的顯微硬度為8000～9000HV，其燒結(jié)體PCBN的硬度一般為3000～5000HV。在切削耐磨材料時(shí)其耐磨性是硬質(zhì)合金刀具的50倍、涂層硬質(zhì)合金刀具的30倍、陶瓷刀具的25倍。
   2. 具有很高的熱穩(wěn)定性
      CBN的耐熱性可達(dá)1400℃～1500℃，PCBN在800℃時(shí)的硬度還高于陶瓷和硬質(zhì)合金的常溫硬度。因此PCBN刀具適于加工淬硬鋼、鑄鐵、高溫合金鋼等高硬度耐磨材料。
   3. 具有優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性
      CBN的化學(xué)惰性特別大，在1200℃～1300℃時(shí)也不與鐵系材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，與碳在2000℃時(shí)才發(fā)生反應(yīng)；在中性、還原性的氣體中，對(duì)酸、堿都是穩(wěn)定的；其對(duì)各種材料的粘結(jié)、擴(kuò)散作用比硬質(zhì)合金小得多，因此PCBN刀具特別適合加工鋼鐵材料。
   4. 具有較好的導(dǎo)熱性
      在各類刀具材料中CBN的導(dǎo)熱性僅次于金剛石，導(dǎo)熱系數(shù)為1300W/(m·℃)，而且隨著溫度的升高，PCBN的導(dǎo)熱系數(shù)是增加的。
   5. 具有較低的摩擦系數(shù)
      CBN的摩擦系數(shù)為0.1～0.3，隨著切削速度的提高，摩擦系數(shù)減小。這一特性導(dǎo)致切削時(shí)刀屑間摩擦減小，切削變形減小，切削力降低，加工表面質(zhì)量提高。
2. PCBN刀具的應(yīng)用
   制造技術(shù)和難加工材料的發(fā)展推動(dòng)著刀具技術(shù)的發(fā)展。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(shì)。PCBN刀具比陶瓷刀具有較高的沖擊強(qiáng)度和抗破碎性能，通常用來(lái)加工硬度高于50HRC 的材料，在切削溫度高達(dá)2000℃時(shí)仍具有很高的硬度，而在同樣條件下金剛石可能會(huì)溶解并轉(zhuǎn)化成石墨。因此，在切削淬硬金屬時(shí)，機(jī)床剛性可以稍差。此外，一些特制的PCBN刀具能抵御高功率粗加工的切削負(fù)荷、間斷切削的沖擊以及精加工時(shí)的磨損和切削熱。
   早期的PCBN刀具堅(jiān)硬但缺乏足夠的韌性，隨著刀具材料技術(shù)的發(fā)展和制造工藝的日益先進(jìn)，使PCBN刀具的材料和韌性發(fā)生了很大的變化。目前PCBN刀具能夠更加廣泛地滿足特殊工件材料加工過(guò)程的要求，已廣泛應(yīng)用于車削、銑削和膛削等加工領(lǐng)域。如汽車工業(yè)運(yùn)用新的大顆粒整體PCBN刀片高效切削難加工合金鑄鐵而取代原先的磨削加工；模具行業(yè)采用PCBN刀具高速精銑淬硬鋼模具完成型面精加工已成為模具制造行業(yè)的新工藝。

圖1 Wiper設(shè)計(jì)

圖2 Secomax CBN300刀片

3 PCBN刀具的設(shè)計(jì)

1. 修光刃(Wiper)技術(shù)
   如圖1所示，由于改變了刀尖圓角半徑，進(jìn)給率提高一倍，可實(shí)現(xiàn)高進(jìn)給切削；如果切削參數(shù)不變，則表面質(zhì)量提高一倍。因此Sandvik Coromant公司將wipeer技術(shù)引入PCBN刀片的范圍，用于高生產(chǎn)率和高表面質(zhì)量外圓和內(nèi)圓切削工序，在精加工以及半精加工和粗加工車削中都取得了巨大的成功。在越來(lái)越多淬硬材料的加工方法中，利用wipeer技術(shù)，車削已經(jīng)增強(qiáng)了對(duì)磨削的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。
   東芝公司采用Wipeer技術(shù)研制出4種新型PCBN刀片，BX310、BX330型刀片適于連續(xù)或斷續(xù)切削硬度為50～65HRC的淬硬鋼。這種刀片由中等CBN顆粒與耐熱陶瓷粘結(jié)劑燒結(jié)而成，可提高刀具的表面質(zhì)量，增強(qiáng)刀具的抗磨損性能；BX930、BX950型刀片適于高速精加工耐熱合金鋼、鑄鐵、鐵系物質(zhì)。這種刀片是由高含量的CBN顆粒與Co及碳化物燒結(jié)而成，增強(qiáng)了刀具橫向抗斷裂的性能。
2. PCBN刀片的斷屑槽設(shè)計(jì)
   對(duì)整體PCBN刀片進(jìn)行斷屑槽設(shè)計(jì)是切削刀具設(shè)計(jì)的新發(fā)展。斷屑槽可增加切削刃前角并改善切屑在刀片上的流出，降低切削力和切削區(qū)溫度，從而延長(zhǎng)刀具使用壽命。較低的切削力還可提高刀具的精度并且優(yōu)化切屑的流出，使表面粗糙度更好。Seco公司開(kāi)發(fā)的Secomax CBN300刀片如圖2所示，它是在CBN30基礎(chǔ)上用粗顆粒粉末和新工藝燒結(jié)成的，具有很高的抗沖擊性能，通過(guò)使用特殊技術(shù)，將經(jīng)濟(jì)性好的多切削刃整體PCBN刀片和切削刃剪切角增大的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來(lái)，制造出帶斷屑槽的切削刃，使PCBN刀具能從傳統(tǒng)的車削淬硬鋼和冷硬鑄鐵等硬材料、以車代磨等加工領(lǐng)域跨入銑削加工的應(yīng)用領(lǐng)域。該刀具已在上海通用汽車公司新建的一條發(fā)動(dòng)機(jī)柔性生產(chǎn)線上使用，取得了良好效果。用其銑削發(fā)動(dòng)機(jī)缸體平面，切削速度高達(dá)2000m /min，刀具壽命為一般PCBN刀具的4倍。PCBN的斷屑槽對(duì)精加工珠光體灰鑄鐵來(lái)說(shuō)是一種理想的刀片，尤其是膛孔加工。用這種刀片進(jìn)行汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸體膛孔加工的試驗(yàn)顯示，刀具壽命比同等的負(fù)前角刀片增加50%。
   

   
   圖3 BB槽型與普通刀片切屑對(duì)比

   
   圖4 PCBN刀具壽命對(duì)比

   
   圖5 新型Safe-Lock結(jié)構(gòu)的CB7015刀片

   
   
   日本京瓷(Kyocera)公司于2004年4月開(kāi)發(fā)出適于加工淬硬鋼的三維槽型BB 型PCBN刀片。如圖3所示BB型與普通刀片加工時(shí)的切屑對(duì)比，刀片采用新型三維槽型設(shè)計(jì)，在整個(gè)加工過(guò)程中可通過(guò)一次裝夾完成零件各部分的加工而不需要更換刀具，在切削過(guò)程中可對(duì)不同硬度的淬硬鋼進(jìn)行有效的斷屑控制，從而提高加工效率，獲得更好的加工表面質(zhì)量。
3. PCBN刀片涂層
   刀具表面涂層是提高刀具壽命、提高被加工零件的精度和表面質(zhì)量、降低切削成本的有效手段。
   涂層PCBN刀片在車削硬材料時(shí)表現(xiàn)出很大的優(yōu)勢(shì)。Seco已經(jīng)開(kāi)發(fā)出Secomax CBN100 PVD涂層刀片。這些新涂層的設(shè)計(jì)用于保證涂層和PCBN基體結(jié)合面之間具有極佳的黏著性能。它由總厚度2～4µm 的Ti(C, N)+(Ti, Al)N+TiN組成，適用于珠光體灰鑄鐵和硬鋼、硬鑄鐵的粗精加工。在Secomax CBN100 刀片與Secomax CBN100 PVD涂層刀片硬車62HRC的軸承鋼精加工試驗(yàn)對(duì)比中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)切削速度達(dá)到130m/min時(shí)，刀具壽命從不涂層刀片的24min增加到涂層刀片的33min；在更高的速度下也觀察到相似的增加(見(jiàn)圖4)。在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，涂層刀具已占所用全部刀具的80%以上，預(yù)計(jì)近年超硬涂層工具的市場(chǎng)將達(dá)到每年20億美元，并且應(yīng)用領(lǐng)域主要集中在汽車工業(yè)，而我國(guó)這一比例尚不及20%。因此推廣涂層刀具的應(yīng)用、開(kāi)發(fā)新的涂層刀具材料具有重大意義。 #p#分頁(yè)標(biāo)題#e#
   另一種研究趨勢(shì)是將CBN薄膜作為刀具的耐磨涂層，可以成倍乃至幾十倍地提高刀具的使用壽命。由于形成CBN涂層時(shí)總是伴隨著很大的內(nèi)應(yīng)力，因此CBN涂層極易從基體上脫落。目前最大的難題是要解決CBN涂層與硬質(zhì)合金基體之間的結(jié)合力。較為有效的方法是在基體與涂層之間增加過(guò)渡層，如氮化鈦、氮化硅、富硼梯度層等。工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家在此方面進(jìn)行了大量投資，以充分開(kāi)發(fā)CBN材料的潛在優(yōu)勢(shì)，要制備實(shí)用的BCN刀具涂層已為時(shí)不遠(yuǎn)。
4. 新型Safe-Lock(安全鎖)結(jié)構(gòu)刀片
   圖5 所示為Sandvik Coromant公司推出的具有新型Safe-Lock(安全鎖)結(jié)構(gòu)的CB7015刀片。此系列刀片主要是針對(duì)淬硬鋼零件加工時(shí)的高質(zhì)量表面以及高生產(chǎn)率加工而開(kāi)發(fā)的。Safe -Lock(安全鎖)多角技術(shù)采用機(jī)械鎖定PCBN刀片并使其遠(yuǎn)離高溫切削區(qū)域，因此提供了優(yōu)于常規(guī)刀尖結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和安全性。在連續(xù)和輕微斷續(xù)條件下的精加工可以采用高速切削；在切削臺(tái)階、退刀槽和其它仿形切削時(shí)，較大的PCBN切削刃提供了更好的切削性能。

4 結(jié)語(yǔ)