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，對酸、堿都是穩(wěn)定的；其對各種材料的粘結(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。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)了對磨削的競爭優(yōu)勢。
   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，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的斷屑槽對精加工珠光體灰鑄鐵來說是一種理想的刀片，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比

   
   圖4 PCBN刀具壽命對比

   
   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)的切屑對比，刀片采用新型三維槽型設(shè)計(jì)，在整個(gè)加工過程中可通過一次裝夾完成零件各部分的加工而不需要更換刀具，在切削過程中可對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。Seco已經(jīng)開發(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(見圖4)。在工業(yè)發(fā)達(dá)國家，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)，而我國這一比例尚不及20%。因此推廣涂層刀具的應(yīng)用、開發(fā)新的涂層刀具材料具有重大意義。 #p#分頁標(biāo)題#e#
   另一種研究趨勢是將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渡層，如氮化鈦、氮化硅、富硼梯度層等。工業(yè)發(fā)達(dá)國家在此方面進(jìn)行了大量投資，以充分開發(fā)CBN材料的潛在優(yōu)勢，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