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立方氮化硼刀具的种类与使用 |
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作者： 来源：《中国机械与金属》 |
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立方氮化硼刀具过去主要用于精加工，近十几年来通过改进生产工艺，控制原料纯度和晶粒尺寸，采用复合材料和热压工艺等，其脆性有了重大改进，韧性提高，使用可靠性大大改善，已可作为常规刀具在生产中应用，对提高工效、保证产品质量起重要作用。
立方氮化硼刀具材料的性能特点
立方氮化硼刀具是指用立方氮化硼（CBN）做成切削部分的刀具。立方氮化硼（CBN）是氮化硼BN的同素异构体之一，结构与金刚石相似，是用超高温超高压技术人工合成的超硬材料。其硬度仅次于金刚石(显微硬度可达8000～9000HV)，且热稳定性高(达1250～1350℃)，对铁族元素化学惰性大，抗黏结能力强，用金刚石砂轮即可磨削开刃，故适于加工35HRC以上的硬质材料，如各种淬硬钢(碳素工具钢、合金工具钢、高速钢、轴承钢、模具钢等)、冷硬铸铁、钴基和镍基高温合金、硬质合金、表面喷涂(焊)材料等高硬及耐磨材料，也可用于钛合金、纯镍、纯钨及其它材料的加工。它是以车、铣代替磨削的最佳刀具之一。用立方氮化硼刀具加工淬硬钢的表面粗糙度为Ra1.60.4μm，精度可达IT7IT6。图1所示为用CBN刀具硬车削钨基合金的情形。
图1 用CBN刀具车削钨基合金
上海通用汽车公司在一条发动机柔性生产线上，用山高刀具（上海）公司生产的立方氮化硼CBN300刀片面铣刀铣削发动机缸体平面（铸件），切削速度高达1600m/min，进给速度为5000mm/min。表1中列出了立方氮化硼与金刚石两种超硬材料性能的对比。表1 立方氮化硼於金刚石的性能对比
 立方氮化硼刀具也有使用上的局限，如其脆性较大，强度和韧性较差，不适用于冲击负荷下的间断表面加工。此外，用它加工软的铁族元素材料时，因易于产生长切屑，擦伤刀具前刀面并形成积屑瘤，会导致切削力的波动而损坏刀具。
为了提高氮化硼刀具的抗冲击性能，目前已研制出以类石墨的六方氮化硼(g-BN或h-BN)为原料，用爆炸法合成出的一种新型WBN材料(WBN是属铅锌矿结构的BN)。它具有很高的韧性和烧结活性，极易转变为CBN，并易于和CBN共同烧结成强度和硬度接近CBN水准的聚晶体。
WBN及CBN的两相烧结体是用WBN的韧性去弥补CBN的脆性，其抗冲击强度较单纯的CBN烧结体提高60%，断裂韧度提高2.53倍，抗挠曲强度提高1倍左右，抗压强度与硬质合金相当，热稳定性为1100~1200℃。可用来加工间断表面的工件，例如齿轮的齿面、堆焊表面或有沟槽的工件。
目前，WBN及CBN的两相烧结体刀具已在美国、日本和俄罗斯等国家的汽车行业中广泛应用，如用於加工连杆、挺柱体、汽缸套、刹车制动轮、曲轴、飞轮、各种泵壳类零件的车、镗和铣削等工序中。
1.立方氮化硼刀具的种类
目前生产上常用的立方氮化硼刀具有三种：整体聚晶立方氮化硼(PCBN)刀具、聚晶立方氮化硼和硬质合金的复合刀片(PCBN/CC)和电镀立方氮化硼刀具。其中，前两类刀具使用最多。
PCBN是在高温、高压下，将许多CBN单晶粉聚晶成的多晶体材料，是CBN单晶粉的烧结体。PCBN/CC是在强度和韧性较好的硬质合金基体上，烧结或压制一层0.5~1mm厚的PCBN而成的一种复合刀片，它解决了立方氮化硼刀片的抗弯强度低和镶焊困难等问题。PCBN/CC可用焊或机夹方式制作刀具。例如美国GE(通用电器)公司生产的BZN刀片、俄罗斯的Toma-10刀片、日本住友电工公司的BN刀片，以及我国生产的LDP-J-CF、DLS-F、LF和LBN-Y型等系列刀片均为PCBN复合刀片。
电镀立方氮化硼刀具是用电镀埋砂的方法，以金属镍、铜和钴等作结合剂，把CBN的细小颗粒包镶在一定尺寸和几何形状的刀具基体表面上，再经过适当修磨制成。郑州磨料磨具磨削研究所生产的电镀立方氮化硼铰刀即属此类刀具。图2-图4所示为生产中常用的几种立方氮化硼刀具。 
图2 加工壳体零件的CBN装配式面铣刀
图3 装有CBN刀片的镗刀
图4 电镀CBN铰刀
正确选用刀片的品种与牌号
不同品种的PCBN刀具，由于其组成成份不同，切削性能有很大差异，选用时须加以注意。目前PCBN刀具不像硬质合金那样在国际上有统一的分类，各生产厂都有各自的品种与牌号，使用时须参照厂家产品样本选择。
PCBN的性能与CBN的粒度、含量及结合剂的种类有关，按其组织大致可分为两大类：一类是不加结合剂由CBN晶粒直接烧结而成，CBN含量多(70%以上)，硬度高，适用於耐热合金、铸铁和铁系烧结金属的切削加工；另一类是以CBN晶粒为主体，通过陶瓷结合剂(主要有TiN、TiC、TiCN、AlN、Al2O3等)烧结而成，这类PCBN中CBN含量少(70%以下)，硬度低，适用於淬硬钢的连续切削加工。
而对于淬硬钢的高速断续切削加工，可选用国外新开发出来的PCBN新品种Sumiboron BNX25，它具有高的抗月牙洼磨损能力，在高速断续切削时对断裂和折断引起的刀具失效有很高的抵抗能力。用BNX25加工淬硬钢时推荐的切削条件是切削速度为120~200m/min，进给量为0.15~0.3mm/r和背吃刀量为0.2~0.5mm。
CBN的晶粒尺寸大致分为三类：粗晶粒(晶粒的平均尺寸为20~50μm)、中晶粒(10~20μm)和细晶粒(2~10μm)。晶粒尺寸越大，耐磨性越好，刀具寿命越高，但刃口品质差，难以制成高精度刀具。相反，细晶粒刀具，切削刃的刃口品质好，加工表面品质好。因而目前聚晶的晶粒不断细化，并已有1μm、甚至有0.5μm以下的细晶，需根据粗、精加工等不同工序要求，选用不同大小的晶粒。
2.选用合理的刀具几何参数
由于立方氮化硼材料的脆性较大，强度较低，故刀具前角通常取γ0=0°~-5°，后角α0=6°~15°。为了提高刀刃强度，刃口上须磨出负倒棱，倒棱宽度可取br1=0.1~0.3mm，倒棱前角γ0=-6°~-20°；刀尖需适当修圆，修圆半径rε=0.2～0.8mm。但刀尖修圆半径和负倒棱越大，会使切削力增大，发生颤振的机会也增多。因此当机床－夹具－刀具－工件的系统刚性不足时，尤其是在加工细长工件时，不宜采用过大的刀尖半径和负倒棱。表2所示为我国贵州第六砂轮厂生产的DLS-F(PCBN)刀片在加工不同工件材料时刀具几何参数的应用实例。表2DLS-F(PCBN)刀片在加工不同工件材料时的刀具几何参数
 用立方氮化硼可转位面铣刀铣削45HRC以上的钢及铸件时，背前角和侧前角的组合常采用双负前角型结构，一般为-5°～-7°，主偏角为45°～75°，负倒棱尺寸为br1×γ01=0.2mm×-20°，切削刃钝圆半径rn=0.05～0.13mm。
3.选取合适的切削用量
立方氮化硼刀具主要用于精加工和半精加工，因此背吃刀量一般较小，通常在2mm以下；进给量为0.05～0.4mm/r。但由于刀具上作有负倒棱，因此进给量选择时必须大于负倒棱的宽度值。
此外，用立方氮化硼刀具切削淬硬钢及冷硬铸铁等高硬度材料时，当切削速度高于一定数值后，切削速度与刀具寿命之间的关系不再符合泰勒公式，即随切削速度的提高，此时刀具寿命不但不会降低，反而会有所增加。
这是因为，随切削速度的提高和切削温度上升，被切削层金属软化，硬度降低，而立方氮化硼刀具由于热稳定性较高而并不软化，致使刀具与工件二者的硬度差加大，刀具磨损减慢，使切削加工更易于进行，这一特性称为金属软化效应。只有当切削温度超过刀具耐热温度后，刀具寿命才会降低。
因此，在用不同牌号的立方氮化硼刀具切削不同的工件材料时，都有一个最佳切削速度范围，使用时必须注意。例如，用DLS-F刀具切削高速钢(62~64HRC)时的最佳切削速度以60~70m/min为宜。
由于有金属软化效应，所以立方氮化硼刀具最适用于硬态材料的高速切削、干式切削等先进切削加工工艺，如加工60HRC以上硬度的工件，其寿命要高出硬质合金刀具10倍以上。表3中列出了CIRP(国际生产工程学会)推荐的PCBN刀具的切削用量。表4为四川成都工具研究所同四川广汉超硬材料厂研制的LDP-J-CFⅡ型聚晶立方氮化硼刀具推荐的切削用量。表3中列出了CIRP(国际生产工程学会)推荐的PCBN刀具的切削用量
 表4 LDP-J-CFⅡ型聚晶立方氮化硼刀具的切削用量
 4.防止水解作用的方法
尽管立方氮化硼刀具能承受1300～1400℃的切削温度，但应注意，CBN在高温(1000℃左右)下，会同水蒸气及空气中的氧起反应，生成氨和硼酸(BN+3H2O→H3BO3+ NH3)，这种化学反应称为水解作用，会加速刀具的磨损。因此在湿式切削时，忌用水溶液作切削液，须用带极压添加剂的水溶液或极压切削油以减弱水解作用。
还应指出，由于CBN刀具的热稳定性高，切削液对刀具寿命和加工表面粗糙度的影响不大，加之高速切削硬质材料时金属有软化效应，所以有条件时可采用高速干式切削，并且干式切削还有利于环境保护和操作工人健康，降低生产成本。
5.选用合适的机床设备
使用立方氮化硼刀具的机床必须刚度高、功率大、转速高，才能充分发挥它的性能，取得良好经济效益。此外，机床精度也要好，装夹工件的夹具和夹紧装置，必须可靠性强，以免加工时产生振动，使刀具破损。
必须指出，目前生产中不少机床设备还不能满足立方氮化硼刀具的加工要求，所以立方氮化硼刀具的潜力未能得到充分发挥，今后随着数控机床(NC)和加工中心(MC)等高效设备应用的增多，必将进一步推动立方氮化硼刀具的使用。
6.刀具使用前的刃磨与检验
立方氮化硼刀具使用前，需将前、后刀面进行研磨，以减小切削过程中的摩擦，同时也可提高切削刃的直线度，防止刀具的非正常磨损。另外，在使用前要用50倍以上的放大镜检查切削刃的刃口品质，以控制刃口的锯齿边，不然会影响刀具使用寿命和加工品质。
7.PCBN刀具的非常规使用
人们通常认为，PCBN刀具不适于切削低碳钢类的工件，因为会产生长切屑，擦伤刀具前刀面并产生很高的热量，进而加快刀具的热化学磨损。然而这种情况只有在高温时才会发生，PCBN刀具的硬度在600℃左右时才会降至与室温时的硬质合金相当，在切削温度不高时，PCBN刀具是不会产生热磨损的。
因此，只要选用合适的切削用量，PCBN刀具同样可以切削低碳钢，并且比使用涂层硬质合金刀具和金属陶瓷刀具有更高的使用寿命，如图5所示。
图5 用CBN涂层硬合金和金属陶瓷刀具立铣低碳钢
立方氮化硼刀具发展新趋势
立方氮化硼刀具是一种先进的切削刀具，应用前景广阔。首先在精加工和半精加工时，在某些情况下甚至粗加工工序中，用其加工淬硬钢、冷硬铸铁、35HRC以上的钴基和镍基高温合金及其它难加工材料也是有效的。例如，俄罗斯的T-10(PCBN)刀片具有较好的抗冲击性能，它既可用于精加工和半精加工，也可用于背吃刀量达6mm的粗加工。目前世界上立方氮化硼的年耗量大约以10％～15％的速度增长。
人造立方氮化硼超硬刀具材料，目前单晶的向粗颗粒、高强度、多功能方向发展。日本无机材料所生产的单晶CBN直径达3mm。De Beers公司生产的PCBN产品，最大直径达101.6mm，然后用激光切割成所需要的任何形状，可加工70HRC的高硬度材料。
立方氮化硼刀具材料的价格较贵，为了扩大其应用范围，国外已研制出比价格相对较低的立方氮化硼涂层刀具。它是采用化学气相沉积法(CVD)在通用型钨钴(K)类硬质合金基体上(原则上可涂覆在任何基体上)涂覆一薄层立方氮化硼的超硬材料。英国还研制出了一种在PCBN刀片上用CVD法涂覆一层镍、铜、钛、铬、钽、钴的混合物，以及TiN或TiC的防护涂层，其耐磨性可比普通PCBN刀片高3倍。Lellond公司开发出了一种由陶瓷与CBN的超硬复合材料，它兼有上述两种材料优点，是高速加工高硬耐磨铸铁的理想材料。
立方氮化硼刀具的广泛使用取决于高速、高刚性、高抗振性的金属切削机床，以及高强度新品种的刀片牌号，并应根据具体加工条件选取合适的切削用量，使其与被加工材料相“匹配”。当前发展立方氮化硼刀具，一方面要设法提高刀片品质，降低刀片成本；另一方面要进一步研制出晶粒更细的材料，以提高其致密度，减少刃口锯齿边，使其能刃磨得更为锋利，同时要解决提高立方氮化硼刀具的刃磨效率和质量问题。(end)
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(投稿)
(8/25/2008) |
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