聚晶立方氮化硼复合片(PCBN)刀具的性能与应用

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摘要：聚晶立方氮化硼复合片刀具，具有仅次于金刚石的硬度和耐磨性，高的热稳定性，优良的化学惰性，良好的导热性和较低的摩擦系数。而较为广泛地用于制造车刀、铣刀、镗刀，高速切削各种淬火钢、高硬度铸铁、热喷涂材料和高温合金等难切削材料。     关键词：立方氮化硼  性能  应用一、前言     立方氮化硼是继人工合成金刚石后出现的利用高温高压技术获得的第二种超硬材料。用它来制作刀具，可以获得高的切削速度、很高的刀具耐磨性和耐热性。用它切削一般刀具很难切削的难切削材料，而受到国内外的重视和较为广泛的应用。根据1988年统计，世界工具市场中，立方氮化硼复合片刀具的费用估计为3.9亿美元，其中汽车行业占50％，重型机械行业占28％。我国早在60年代后就成功研制成立方氮化硼和以它为基础的聚晶复合片。尽管我国对超硬刀具材料开发较早，但由于种种原因，至今应用面还很窄。其主要原因是对它的特点、性能应用范围：宣传与推广的不够，对它的应用后其经济效益宣传不够而不被重视。所以加强对超便刀具材料的推广与应用，促进金属切削技术水平的提高与发展，以适应科学技术发展的需要，适应现代化的需二、立方氮化硼刀具的性能与应用 2.1  立方氮化硼刀具的性能特点     PCBN，它是在韧性较好的硬质合金基体上烧结一层厚约0.5～1mm的CBN而成。这种复合片既有硬质合金基体的耐冲击性(抗弯强度可达基体的强度)，而硬度不低于整体聚晶立方氮化硼的硬度，因此具有较高的耐磨性，故既可以做粗加工刀具，又可以做精加工刀具。聚晶层在烧结时，通常添加一定比例的粘结剂，如金属、碳化物、氮化物、氧化物等。也有不加粘结剂的。所添加的粘结剂的多少，影响CBN的硬度和耐磨性，即粘结荆少硬度和耐磨性高，粘结剂多硬度和耐磨性低。     (1)高的硬度和耐磨性：CBN的晶体结构与金刚石相似，具有接近金刚石的硬度(HV10000)和抗弯强度(210～490MPa)，CBN微粉的显微硬度为HV8000～9000，它的耐磨性一般为硬质合金刀具的几十倍至几百倍，为陶瓷刀具的10～60倍。CBN平均粒径越小，耐用度越高。     (2)很高的热稳定性：它的耐热性可达1400℃～1500℃，比金刚石的耐热性(700℃～800℃)高出一倍，是刀具材料中耐热性最高的。CBN在1370℃以上由立方晶体变为六方晶体而开始软化。因此可用它高速切削高温合金和淬火钢，用它切削镍基或钴基耐热合金的切削速度为硬质合金的4～6倍。     (3)优良的化学性能：CBN是化学惰性特别大的物质，与碳在2000℃时才起反应，与铁系材料到1200℃～1300℃也不起化学作用，因此CBN的粘结强度抗扩散系数低于陶瓷及金刚石，它的这一特性可用于金刚石不能加工的钢铁材料。     CBN有很高的抗氧化能力，在1000℃时，不会产生氧化现象。但是在1000℃以上高温时，CBN才会与水起化学反应，由于水解作用，造成CBN被消耗。因此湿切时，要注意选用切削液，避免选用水质切削液。一般的情况下采用干切。     (4)良好的导热性：CBN的导热系数(79.54 W/m.k)虽赶不上金刚石(146.5 W/m.k)，但大大高于高速钢(16.7～25.1 W/m.k)和硬质合金(20.33～80.77 W/m.k)。随着切削速度的提高，CBN的导热系数也逐渐增高。这有利于降低切削区的温度而减少扩散磨损。     (5)较低的摩擦系数：CBN与不同材料的摩擦系数为0.1～0.3，比硬质合金的摩擦系数(0.4～0.6)小得多。这样使切削时的切削力减小和切削热的降低。而且还不易产生积屑瘤。     (6)有较高的抗弯强度：CBN聚晶体的抗弯强度为300 MPa(30kg.f/mm2)，可它与抗弯强度高的硬质合金制成复合片后，其抗弯强度提高到1500 MPa(150 kg.f/mm2)，就能承受较大的冲击力而不至于损坏。
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) u- e% P  G7 t# g0 J2.2 PCBN的适用范围
    由于PCBN 用金刚石砂轮容易修磨，可用制造车刀、镗刀、端铣刀、枪钻、铰刀、齿轮刀具等。主要用于切削加工各种淬火钢、铸铁(各种铸铁)、高温合金(镍基、钴基)、硬质合金、表面喷涂材料等。但用CBN切削较软的铁族金属效果不好，也不适于低速切削。
) ~/ M6 H& _2 z$ e2.3 PCBN刀具的几何参数
采用PCBN刀具，在一般情况下，都应采用负值，推荐采用γ0=-5°，α0=5°～9°，κr >15°。铣削时应采用双负前角(γ01=-10°～-20°，bγ=0.3～0.8mm)，为了加强刀刃，PCBN刀具的刃口必须倒圆做成钝圆。钝圆半径为ρ=0.05mm，对于断续切削时钝圆半径ρ=0.1～0.13mm。
+ P  X2 ^: W6 v( g, s2.4 PCBN刀具的切削用量
2 t  c; R, s$ W采用高速切削是PCBN刀具的一大优势，而且刀具的耐用度很高，特别是切削难加工材料，几乎它均能切削。但是PCBN刀具切削各种材料的切削用量有所不同，下表1是各种材料的切削用量推荐值。
1 U7 b" R$ t+ q3 Z5 Y: H表1  切削用量推荐值
8 W: \1 D1 W# {% Y5 R

工件材料	Vc（m/min）	f(mm/r) & U6 p+ P  l" U	αp(mm)
淬火钢	80～130 * _  y' g% ?6 q* k) s6 ^	0.25～0.55 % K! v% ^/ ^+ _' K	0.1～2 ( L. L$ X, y% p6 p- K" ]
一般铸铁	300～1000 ( P3 S( m5 A, p+ J4 \" u4 x2 \9 n	0.25～0.55 1 g3 ?0 }2 g2 t# c% h! }	0.2～3
耐热合金	200～300 4 l! o; x, p% l8 y	0.15～0.23	0.2～2 7 n4 {$ q7 O) y  k* o* H
喷涂材料>HRC55 ( n1 `- L/ P2 j6 e	60～100 " B: E0 N- Y: D/ d1 _0 m	0.15～0.50 5 }1 q3 l- Q7 i1 T0 H# s	0.3
喷涂材料>HRC35 & X$ l- M* R$ Y$ Q' ~4 d	100～180	0.15～0.50	0.5 ; z+ H% t& U3 t' X

    为了延长刀具耐用度和使用寿命，在切削过程中，要在刀具未进入剧烈磨损前，及时修磨刀具，否则会使加工表面恶化和使刀具损坏。在切削过程中出现刀具磨损过快，主要原因是切削速度太低；切削刃掉皮的原因是进给量太小；刀具切不进的原因是切削深度太小；产生月牙洼，刃口剥落的原因是被切材料硬度太低。PCBN刀具在切削过程中，不能使用水基切削液，否则会加剧刀具磨损。
& Y& [% n' b) y* G% |4 ]2.5 PCBN刀具的刃磨
    采用粒度为280#金刚石浓度100、中等硬度的树脂结合剂的金刚石砂轮。精磨时采用15W粒度的金刚石微粉砂轮。砂轮的出刃修整，第一步采用400#碳化硅油石，第二步采用800#氧化铝油石，把砂轮上金刚石上颗粒上的镍层去掉，以使砂轮锋利。
7 l  P' g/ w/ U( [. Z4 X! \- y    刃磨时，必须使用冷却液。使用水与防锈剂的混合液，可获得好的磨削效果。粗磨时，砂轮的线速度Vc=24～26m/s；精磨时为Vc=13～18m/s。行程次数：粗磨时为5～600次/min，精磨时为30次/mm左右。磨削深度α0<0.01mm。磨削刀具时，要防磨削中的热损坏，因为热损坏的刀具切削时磨损很快而失去切削能力。
' E2 V% h, ], O( w三、结论
( q( X" c' l9 H7 k8 E" \' ?    1．由于PCBN刀具的硬度和耐热性很高，用它可高速切削金刚石刀具不能切削的高硬度黑色金属。
$ `$ T" \' V, V+ k3 a$ T% ]* S" d    2．CBN在高温时与水发生反应，所以在切削的过程中，不能使用水基切削液，否则会加剧刀具磨损。
    3．采用金刚石砂轮磨削PCBN刀具，较为容易，而且刃磨后的质量好。