超硬材料網(wǎng)

　　立方氮化硼CBN(Cubic 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，其硬度僅次于金剛石而遠遠高于其它材料，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70年代，前蘇聯(lián)、中國、美國、英國等國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樹一幟。經(jīng)過30多年的開發(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所示為常見粘結(jié)劑的PCBN刀具及其用途。
　　表1 常見粘結(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，化學鍵類型相同，因而CBN具有接近金剛石的硬度和抗壓強度，又因為其是由N、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，尤其適用于自動化程度高的設(shè)備中，可以減少換刀調(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1400～1500℃，在800℃時的硬度為Al2O3/TiC陶瓷的常溫硬度，因此，當切削溫度較高時，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）具有較高的化學穩(wěn)定性。CBN具有很高的抗氧化能力，在1000℃時也不產(chǎn)生氧化現(xiàn)象，與鐵系材料在1200～1300℃時也不發(fā)生化學反應(yīng)，但在1000℃左右時會與水產(chǎn)生水解作用，造成大量CBN被磨耗，因此用PCBN刀具濕式切削時需注意選擇切削液種類。一般情況下，濕切對PCBN刀具壽命無明顯提高，所以使用PCBN刀具時往往采用干切方式。
　　（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。由PCBN刀具切削鑄鐵及淬硬鋼時刀具后刀面磨損與切削距離的關(guān)系可以看出：當切削速度超過一定限度后，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
　　對淬硬件(硬度HRC55以上)的精加工，通常采用磨削加工方法來完成，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)切削代替磨削來完成零件的最終加工已成為一個新的精加工途徑，這種以車代磨的工藝方法有以下優(yōu)點：
　　（1）可提高加工柔性，突破了砂輪磨削的限制，通過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)保問題日益嚴峻，磨削加工產(chǎn)生的廢液和廢棄物越來越難以處理和清除，而且對人體有害，而硬態(tài)切削無須加冷卻液，意義重大；
　　（3）切削效率高，加工時間短，設(shè)備投資費用小，可降低加工成本；
　　（4）切除相同體積所消耗的能量僅為磨削的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磨削工藝的1/3～1/2。
　　2.3 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，近幾年干切削加工方法已成為機械制造領(lǐng)域中的重點研究課題。我們首先來看一下濕切工藝由于使用切削液帶來的問題：
　　（1）長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，切削液占生產(chǎn)成本的15%，而刀具費用僅占3%～4%；
　　（3）切削液的滲漏、溢出會污染環(huán)境，易發(fā)生安全、質(zhì)量事故；
　　（4）切削液的傳輸、回收、過濾等裝置及其維護費用較高，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)達國家有了相當?shù)膽?yīng)用。由美國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)附近材料達到紅熱狀態(tài)，屈服強度下降，進而達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，且由于PCBN刀具材料具有上述優(yōu)點，更適于高速條件下的干式切削加工，用PCBN刀具切削灰口鑄鐵干切削和濕切削兩種情況下的對比可以看出：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時間地加工出高精度零件（尺寸分散性小），大大減少換刀次數(shù)和刀具磨損補償停機所花費的時間。因此，很適合于數(shù)控機床及自動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齒輪(20CrMnTi，硬度為HRC58～62)時，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
　　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是一種高效長壽命刀具，能創(chuàng)造很高的經(jīng)濟效益，但如果使用方法不當，則會造成很大的浪費。
　　（1）合理選擇切削用量：切削速度要根據(jù)被加工材料進行選擇，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)域的金屬軟化而進行的，因此切削速度過低時，就不能發(fā)揮PCBN刀具的切削性能。進給量一般不能大于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，為保證刀尖強度，刀尖角一般不要小于90°；刃口要磨出負倒棱，一般取為0.2mm×(-15°～-30°)，使用前要用30～50倍放大鏡對刀具進行檢查，確保刃口無崩刃。
　　（3）冷卻與潤滑：對其他材料刀具，采用冷卻潤滑液有利于提高加工表面和延長刀具壽命，但對PCBN刀具除極特殊情況下，不加冷卻液同樣可達到理想的加工質(zhì)量和較長的刀具壽命，對PCBN刀具來說是怕軟不怕硬。若使用冷卻液，則不能使用水溶性冷卻液，因為CBN易在1000℃產(chǎn)生水解作用，造成刀具嚴重磨損。
　　（4)對機床的工藝系統(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，且刀具有負倒棱，因而徑向力較大。這就要求機床剛度和精度要好，系統(tǒng)振動要小，刀具安裝時懸臂要小，PCBN刀具不宜用于荒面加工。
　　目前，雖然PCBN刀具材料的價格相對硬質(zhì)合金及陶瓷刀具的價格還偏高，但均攤到每個工件上的刀具成本卻低于其他材料刀具，采用先進切削加工工藝時，若將磨削機床等設(shè)備投資攤?cè)肷a(chǎn)成本，則PCBN刀具的使用會帶來更大經(jīng)濟效益。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，若購置性能好的車床，采用PCBN刀具，應(yīng)用以車代磨等先進切削加工工藝，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程的柔性。另外，目前由于人員費用的增大及環(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。