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，其燒結體PCBN的硬度一般為3000～5000HV。在切削耐磨材料時其耐磨性是硬質合金刀具的50倍、涂層硬質合金刀具的30倍、陶瓷刀具的25倍。
   2. 具有很高的熱穩定性
      CBN的耐熱性可達1400℃～1500℃，PCBN在800℃時的硬度還高于陶瓷和硬質合金的常溫硬度。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. 具有優良的化學穩定性
      CBN的化學惰性特別大，在1200℃～1300℃時也不與鐵系材料發生化學反應，與碳在2000℃時才發生反應；在中性、還原性的氣體中，對酸、堿都是穩定的；其對各種材料的粘結、擴散作用比硬質合金小得多，因此PCBN刀具特別適合加工鋼鐵材料。
   4. 具有較好的導熱性
      在各類刀具材料中CBN的導熱性僅次于金剛石，導熱系數為1300W/(m·℃)，而且隨著溫度的升高，PCBN的導熱系數是增加的。
   5. 具有較低的摩擦系數
      CBN的摩擦系數為0.1～0.3，隨著切削速度的提高，摩擦系數減小。這一特性導致切削時刀屑間摩擦減小，切削變形減小，切削力降低，加工表面質量提高。
2. PCBN刀具的應用
   制造技術和難加工材料的發展推動著刀具技術的發展。PCBN刀具的紅硬性、耐磨性在硬態干式切削難加工材料中具有很大的優勢。PCBN刀具比陶瓷刀具有較高的沖擊強度和抗破碎性能，通常用來加工硬度高于50HRC 的材料，在切削溫度高達2000℃時仍具有很高的硬度，而在同樣條件下金剛石可能會溶解并轉化成石墨。因此，在切削淬硬金屬時，機床剛性可以稍差。此外，一些特制的PCBN刀具能抵御高功率粗加工的切削負荷、間斷切削的沖擊以及精加工時的磨損和切削熱。
   早期的PCBN刀具堅硬但缺乏足夠的韌性，隨著刀具材料技術的發展和制造工藝的日益先進，使PCBN刀具的材料和韌性發生了很大的變化。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，已廣泛應用于車削、銑削和膛削等加工領域。如汽車工業運用新的大顆粒整體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的新工藝。

圖1 Wiper設計

圖2 Secomax CBN300刀片

3 PCBN刀具的設計

1. 修光刃(Wiper)技術
   如圖1所示，由于改變了刀尖圓角半徑，進給率提高一倍，可實現高進給切削；如果切削參數不變，則表面質量提高一倍。因此Sandvik Coromant公司將wipeer技術引入PCBN刀片的范圍，用于高生產率和高表面質量外圓和內圓切削工序，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，車削已經增強了對磨削的競爭優勢。
   東芝公司采用Wipeer技術研制出4種新型PCBN刀片，BX310、BX330型刀片適于連續或斷續切削硬度為50～65HRC的淬硬鋼。這種刀片由中等CBN顆粒與耐熱陶瓷粘結劑燒結而成，可提高刀具的表面質量，增強刀具的抗磨損性能；BX930、BX950型刀片適于高速精加工耐熱合金鋼、鑄鐵、鐵系物質。這種刀片是由高含量的CBN顆粒與Co及碳化物燒結而成，增強了刀具橫向抗斷裂的性能。
2. PCBN刀片的斷屑槽設計
   對整體PCBN刀片進行斷屑槽設計是切削刀具設計的新發展。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化切屑的流出，使表面粗糙度更好。Seco公司開發的Secomax CBN300刀片如圖2所示，它是在CBN30基礎上用粗顆粒粉末和新工藝燒結成的，具有很高的抗沖擊性能，通過使用特殊技術，將經濟性好的多切削刃整體PCBN刀片和切削刃剪切角增大的優點結合起來，制造出帶斷屑槽的切削刃，使PCBN刀具能從傳統的車削淬硬鋼和冷硬鑄鐵等硬材料、以車代磨等加工領域跨入銑削加工的應用領域。該刀具已在上海通用汽車公司新建的一條發動機柔性生產線上使用，取得了良好效果。用其銑削發動機缸體平面，切削速度高達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。用這種刀片進行汽車發動機缸體膛孔加工的試驗顯示，刀具壽命比同等的負前角刀片增加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結構的CB7015刀片

   
   
   日本京瓷(Kyocera)公司于2004年4月開發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的切屑對比，刀片采用新型三維槽型設計，在整個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量、降低切削成本的有效手段。
   涂層PCBN刀片在車削硬材料時表現出很大的優勢。Seco已經開發出Secomax CBN100 PVD涂層刀片。這些新涂層的設計用于保證涂層和PCBN基體結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對比中發現，當切削速度達到130m/min時，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)。在工業發達國家，涂層刀具已占所用全部刀具的80%以上，預計近年超硬涂層工具的市場將達到每年20億美元，并且應用領域主要集中在汽車工業，而我國這一比例尚不及20%。因此推廣涂層刀具的應用、開發新的涂層刀具材料具有重大意義。 #p#分頁標題#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涂層時總是伴隨著很大的內應力，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涂層與硬質合金基體之間的結合力。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。工業發達國家在此方面進行了大量投資，以充分開發CBN材料的潛在優勢，要制備實用的BCN刀具涂層已為時不遠。
4. 新型Safe-Lock(安全鎖)結構刀片
   圖5 所示為Sandvik Coromant公司推出的具有新型Safe-Lock(安全鎖)結構的CB7015刀片。此系列刀片主要是針對淬硬鋼零件加工時的高質量表面以及高生產率加工而開發的。Safe -Lock(安全鎖)多角技術采用機械鎖定PCBN刀片并使其遠離高溫切削區域，因此提供了優于常規刀尖結構的強度和安全性。在連續和輕微斷續條件下的精加工可以采用高速切削；在切削臺階、退刀槽和其它仿形切削時，較大的PCBN切削刃提供了更好的切削性能。

4 結語