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PCBN刀具材料在数控机床上及不同应用领域的应用

本文对PCBN刀具用于高速与超高速切削、硬态干式切削、在数控机床上加工淬火钢加工以及不同应用领域对PCBN刀具材料的要求均有描述。指出，为达到我国未来工业经济的高速发展，超硬刀具的成功应用是一个关键因素。

1.引言

单晶立方氮化硼的颗粒很小，目前人工合成的单晶立方氮化硼的最大粒径为3mm左右。鉴于培育立方氮化硼大单晶在技术上存在难度，所以，苏联、美国、英国、日本和中国相继研制出聚晶立方氮化硼[1]。

聚晶立方氮化硼可以分为整体PCBN烧结块和带硬合金基体的PCBN复合片。整体PCBN烧结块是由CBN颗粒在高压高温下烧结而成的;PCB手动蝶阀N复合片是由CBN层与硬质合金基体在高压高温下烧结而成的。多晶体的结构使聚晶立方氮化硼具有各向同性，克服了单晶存在解理面的缺陷，同时，PCBN具有硬质合金基体的抗冲击韧性[2]。这些优点使聚晶立方氮化硼的应用广泛，特别是作为刀具材料在切削加工方面发挥了极大作用，被广泛应用于汽车、机床、航空航天、仪器仪表等制造领域。PCBN刀具可以实现以车代磨，并且刀具寿命比硬质合金刀具提高几十倍到几百倍。随着科技的进步和技术水平的提高，它的应用领域将会不断扩大。PCBN刀具的1/2用于汽车制造业，约20%用于重型设备（如轧辊等）的加工[3]。

BN刀具的应用

2.1常用刀具的综合性能及PCBN刀具的应用范围

图1大致说明了几种刀具材料的硬度、耐磨性和韧性、强度的关系，可见理想的刀具材料应位于该图右上角，即应既具有极高的耐磨性，有利于延长刀具耐用度，同时又具有好的断裂韧性，使得其能够承受大的切削力。

图1常用刀具材料综合性能

PCBN刀具按加工方式分，车削占60%，镗削占32.5%，端铣占7.5%。按加工材料分，淬火钢占65%，铸铁占28%，耐热钢占7%。按替代原加工分，50%替代磨削，30%替代硬质合金刀具，10%替代金属陶瓷刀具，5%替代陶瓷刀具。

PCBN刀具按加工方式分，车削占60%，镗削占32.5%，端铣占7.5%。按加工材料分，淬火钢占65%，铸铁占28%，耐热钢占7%。按替代原加工分，50%替代磨削，30%替代硬质合金刀具，10%替代金属陶瓷刀具，5%替代陶瓷刀具，5%替代磨加工。

PCBN已广泛用于数控机床、多用途机床、自动化、专用高速机床、柔性生产单元或柔性生产系统为基础的自动化生产线，用于各种高硬度材料（如冷热作工具钢、高速钢、轴承钢、粉末冶金钢、粉末冶炼金属、马氏体不锈钢、高强度钢、高锰钢、白口铸铁、奥氏体软铁等）的切削加工[4]。

2.2不同应用领域对PCBN刀具材料的要求

图2勾画出了不同应用领域对PCBN刀具材料的要求。硬质钢的加工对PCBN性能要求的范围最广，这是因为硬质钢成分多样和加工材料量大。

图2是不同的应用领域对PCBN强度、抗磨损性和抗化学摩擦性的要求[5]

2.3与应用领域相对应的PCBN材料的组成

BN刀具的高速与超高速切削

现代切削加工技术的发展趋势是切削加工的高速、超高速发展。高必须保证橡胶拉力实验机的夹持器有足够的行程速、超高速加工技术是指采用超硬材料的刀具，通过极大地提高切削速度和进给速度来提高材料切除率、加工精度和巴特尔成立于1929年加工质量的现代加工技术。超高速加工的切削速度范围因不同的工件材料、不同的切削方式而异。目前，一般认为，超高速切削各种材料的切削速度范围为:铝合金巳超1600m/min，铸铁1500m/min，超耐热镍合金达300m/min，钛合金达150~1000m/min，纤维增强塑料为200~9000m/min。各种切削工艺的切削范围:车削为m/min，铣削为300~6000m/min，钻削为200~1100m/min，磨削为250m/s以上。因此，对刀具适用性和使用寿命提出了更高的需求，而PCBN刀具是迄今世界上最能满足这一要求的首选刀具。

高速切削是一个相对的概念，通常认为，高速加工时切削速度要比常规切削高5~10倍以上。高速切削时随切削速度的提高，切削力降低，切削温度的增加逐渐缓慢，可以提高生产效率和加工质量，降低制造成本，加快产品的开发周期。一般来说，切削力降低15%~30%以上，表面质量提高1~2级，切削速度和进给速度提高15%~20%，可降低制造成本10%~15%[6]。

高速切削现已广泛用于航天航空、汽车和摩托车、模具、机床等工业中的钢、铸铁、有色金属及其合金、高温耐热合金以及碳纤维增强塑料等材料的加工，其中以铝合位移分解度：0.001mm金和铸铁的高速加工最为普遍。而高速切削是指刀具切削刃相对于零件表面的切削运动（或移动）速度超过普通切削5~10倍，主要体现在刀具快进、快切、快退三个环节上。

2.5PCBN刀具的硬态干式切削

人们普遍认为PCBN刀具硬态干式切削，一方面可以充分发挥刀具优秀的切削性能和金属软化作用，另一方面加工过程中省去了切削液的使用（通常切削液占加工总成本的16%~20%左右），为企业带来巨大的经济效益，而且有利于环境保护和工人身体健康，是一种较为理想的加工方法。

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然而在干切削带来众多优点的同时，也应看到，干切削加工时的恶劣环境，使工件与刀具都承受着高机械载荷和高热载荷，工件表面质量必然会受电镀线到切削温度的影响，因此要想使干切削技术完全被人们所接受，为了降低表层和亚表层缺陷，获得更好的加工表面质量，适当的冷却润滑是必要的[7]。

Kennametal推出了一种新型的、高耐磨性的、有涂覆膜的PCBN，其型号为KB9610。高速加工硬材料时，其切削速度至少能提高20%，因此可获得高的生产率。

KB9610的硬质合金基体上的PCBN含有低浓度的CBN，PCBN上涂有多层铝合金层，这种产品完全可以防止化学磨蚀并且耐高温，KB9610主要用于连续精加工和半精加工淬火材料（HRC>45）、硬的涂层和冷硬铸铁，吃刀量可达0.5mm[8]。

2.6PCBN刀具用于淬火钢加工

用PCBN刀具实施硬度切削工艺可改变传统切削—淬火—磨削多串口卡的制造工序，能有效地提高生产效率和降低能量消耗[9]。虽然PCBN刀具在淬硬钢的切削加工中具有很多优势，但国内没有推广使用这种新型超硬刀具材料，最重要的原因是工厂缺乏对PCBN刀具切削性能和使用技术的了解。

PCBN刀具切削淬硬钢时切削力的特征及其变化规律是衡量PCBN刀具切削性能的重要指标之一。冯吉福，吕智等指出，PCBN刀具切削淬硬高速钢时切削力与切削深度呈线性上升的关系;主切削力和轴向力和进给量也呈线性上升关系;主切削力和轴向力随切削速度增大而降低;切削深度减小时切削形态从锯齿形切屑向带状切屑过渡的趋势[10]。

2.7高速切削钛合金

钛合金由于高的强度/重量比和较高的抗腐蚀能力，被应用于航空业。但钛合金的切削速度低、导热系数低以及很容易跟刀具材料发生化学反应等难加工性已成为生产中的辣手问题。实际生产中加工钛合金的切削速度多在50m/min以下，因此，钛合金的高速切削加工是当前亟待解决的生产难题，也是当今研究的热点问题。采用PCBN刀具对钛合金TC4进行高速切削的试验表明，PCBN刀具加工钛合金TC4与硬质合金刀具相比，有着切削力高、表面粗糙度低和刀具寿命长等特点，并且在高速、低进给量、低背吃刀量的条件下，有更长约刀具寿命和更好的工件加工表面粗糙度。因此，PCBN刀具更适合用作钛合金的精加工[11，12]。

3.结语

上世纪制造技术的进步可据两个趋势做出终肯的总结:一是所达到的精度呈指数级增产，二是每隔10年生产率增长2倍。后一趋势主要是由更硬、熔点更高的切割工具的使用产生的。在过去的25年中，PCBN的应用在很大程度上大与这一趋势相关联。

高效切削已经成为现代制造的主流，而聚晶立方氮化硼刀具在其中扮演着不可缺少的角色。目前，我国刀具制造业还停留在传统的发展模式上，无法满足现代制造业对高效刀具的需求。

超硬材料刀具发展是现代制造业发展的重要基础。美、德、日等世界制造业的国家无一例外都是刀具工业先进的国家。超硬材料刀具不但推动制造技术发展进步的重要动力，还是提高产品质量、降低加工成本的重要手段。

今天先进的数控机床已经成为现代制造业的主要装备，它与同步发起来的先进超硬材料刀具一起共同推动了加工技术的进步，使制造技术进入了现代制造的新时代。

由于我国机床工具行业对现代金属切削刀具与传统刀具的差别缺乏足够的认识，长期以来重主机、轻工具，在发展战略上超硬材料刀具与数控机床的发展严重脱节，使我国超硬材料刀具技术的发展和行业水平与现代制造业的要求相差甚远。

超硬刀具的应用程度将取决于技术和经济两方面的考虑。然而有一点是显而显见的，即朝着具有更高生产率、更高切削速度和更低成本的方向发展。随着更耐磨和更难加工工件材料的增多，各类超硬刀具的应用将持续大量增加。亳无疑问，为达到我未来工业经济的高速发展，超硬刀具的成功应用是一个关键因素。

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