立方氮化硼刀具的種類與使用

1、立方氮化硼刀具的種類與使用立方氮化硼刀具過去主要用于精加工， 近十幾年來通過改進生產(chǎn)工藝， 控制原料 純度和晶粒尺寸，采用復合材料和熱壓工藝等， 其脆性有了重大改進， 韌性提高， 使用可靠性大大改善， 已可作為常規(guī)刀具在生產(chǎn)中應用， 對提高工效、 保證產(chǎn)品 質(zhì)量起重要作用。立方氮化硼刀具材料的性能特點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B(yǎng)N的同素異構(gòu)體之一，結(jié)構(gòu)與金剛石相似，是用超高溫超高 壓技術(shù)人工合成的超硬材料。其硬度僅次于金剛石（顯微硬度可達 80009000HV）,且熱穩(wěn)定性高（達12501350C），對鐵族元素化學惰性大，抗黏結(jié)能 力

2、強，用金剛石砂輪即可磨削開刃，故適于加工35HRC以上的硬質(zhì)材料，如各種 淬硬鋼（碳素工具鋼、合金工具鋼、高速鋼、軸承鋼、模具鋼等 ）、冷硬鑄鐵、鈷 基和鎳基高溫合金、 硬質(zhì)合金、表面噴涂 （焊）材料等高硬及耐磨材料， 也可用于 鈦合金、純鎳、純鎢及其它材料的加工。 它是以車、銑代替磨削的最佳刀具之一。 用立方氮化硼刀具加工淬硬鋼的表面粗糙度為Ra1.60.4卩m精度可達IT7IT6。上海通用汽車公司在一條發(fā)動機柔性生產(chǎn)線上， 用山高刀具（上海）公司生 產(chǎn)的立方氮化硼CBN30C刀片面銑刀銑削發(fā)動機缸體平面（鑄件），切削速度高 達 1600m/min，進給速度為 5000mm/min立方氮化硼

3、刀具也有使用上的局限， 如其脆性較大， 強度和韌性較差， 不適 用于沖擊負荷下的間斷表面加工。 此外， 用它加工軟的鐵族元素材料時， 因易于 產(chǎn)生長切屑，擦傷刀具前刀面并形成積屑瘤，會導致切削力的波動而損壞刀具。為了提高氮化硼刀具的抗沖擊性能，目前已研制出以類石墨的六方氮化硼 （g-BN或h-BN）為原料，用爆炸法合成出的一種新型 WBI材料（WBN是屬鉛鋅礦結(jié) 構(gòu)的BN）。它具有很高的韌性和燒結(jié)活性，極易轉(zhuǎn)變?yōu)?CBN并易于和CBN共同 燒結(jié)成強度和硬度接近CBN水準的聚晶體。WB及CBN的兩相燒結(jié)體是用 WBN勺韌性去彌補CBN的脆性，其抗沖擊強度 較單純的CBN燒結(jié)體提高60%斷裂韌度提

4、高2.53倍，抗撓曲強度提高1倍左 右，抗壓強度與硬質(zhì)合金相當，熱穩(wěn)定性為 11001200C?？捎脕砑庸らg斷表面 的工件，例如齒輪的齒面、堆焊表面或有溝槽的工件。目前，WBF及CBN的兩相燒結(jié)體刀具已在美國、日本和俄羅斯等國家的汽車 行業(yè)中廣泛應用， 如用於加工連桿、 挺柱體、汽缸套、剎車制動輪、 曲軸、飛輪、 各種泵殼類零件的車、鏜和銑削等工序中1. 立方氮化硼刀具的種類目前生產(chǎn)上常用的立方氮化硼刀具有三種：整體聚晶立方氮化硼（PCBN）刀具、聚晶立方氮化硼和硬質(zhì)合金的復合刀片 （PCBN/CC和電鍍立方氮化硼刀具。 其中，前兩類刀具使用最多。PCBN是在高溫、高壓下，將許多 CBN單晶粉

5、聚晶成的多晶體材料，是 CBN 單晶粉的燒結(jié)體。PCBN/C（是在強度和韌性較好的硬質(zhì)合金基體上，燒結(jié)或壓制 一層0.51mm厚的PCBNW成的一種復合刀片，它解決了立方氮化硼刀片的抗彎 強度低和鑲焊困難等問題。PCBN/C（可用焊或機夾方式制作刀具。例如美國GE通 用電器）公司生產(chǎn)的BZN刀片、俄羅斯的Toma-10刀片、日本住友電工公司的 BN 刀片，以及我國生產(chǎn)的 LDP-J-CF、DLS-F、LF和LBN-Y型等系列刀片均為 PCBN 復合刀片。電鍍立方氮化硼刀具是用電鍍埋砂的方法，以金屬鎳、銅和鈷等作結(jié)合劑， 把CBN的細小顆粒包鑲在一定尺寸和幾何形狀的刀具基體表面上，再經(jīng)過適當修磨

6、制成。鄭州磨料磨具磨削研究所生產(chǎn)的電鍍立方氮化硼鉸刀即屬此類刀具。正確選用刀片的品種與牌號不同品種的PCBNW具，由于其組成成份不同，切削性能有很大差異，選用 時須加以注意。目前PCBhW具不像硬質(zhì)合金那樣在國際上有統(tǒng)一的分類，各生 產(chǎn)廠都有各自的品種與牌號，使用時須參照廠家產(chǎn)品樣本選擇。PCBN的性能與CBN的粒度、含量及結(jié)合劑的種類有關(guān)，按其組織大致可分 為兩大類：一類是不加結(jié)合劑由 CBN晶粒直接燒結(jié)而成，CBN含量多（70%以上）， 硬度高，適用於耐熱合金、鑄鐵和鐵系燒結(jié)金屬的切削加工；另一類是以CBN晶粒為主體，通過陶瓷結(jié)合劑（主要有TiN、TiC、TiCN、AIN、AI2O3 等）

7、燒結(jié)而 成,這類PCBN中 CBN含量少（70%以下），硬度低，適用於淬硬鋼的連續(xù)切削加工。而對于淬硬鋼的高速斷續(xù)切削加工，可選用國外新開發(fā)出來的PCBN新品種Sumiboron BNX25,它具有高的抗月牙洼磨損能力，在高速斷續(xù)切削時對斷裂和 折斷引起的刀具失效有很高的抵抗能力。用BNX25加工淬硬鋼時推薦的切削條件 是切削速度為120200m/min,進給量為0.150.3mm/r和背吃刀量為0.20.5mmoCBN的晶粒尺寸大致分為三類：粗晶粒（晶粒的平均尺寸為2050卩m）、中晶 粒（1020卩m）和細晶粒（210卩m）。晶粒尺寸越大，耐磨性越好，刀具壽命越高， 但刃口品質(zhì)差， 難以制

8、成高精度刀具。 相反，細晶粒刀具， 切削刃的刃口品質(zhì)好， 加工表面品質(zhì)好。因而目前聚晶的晶粒不斷細化，并已有 1卩m甚至有0.5卩m 以下的細晶，需根據(jù)粗、精加工等不同工序要求，選用不同大小的晶粒。2. 選用合理的刀具幾何參數(shù)由于立方氮化硼材料的脆性較大， 強度較低， 故刀具前角通常取 丫 0=0°5°，后角a 0=6° 15°。為了提高刀刃強度，刃口上須磨出負倒棱， 倒棱寬度可取br1=0.10.3mm，倒棱前角丫 0=-6°20°刀尖需適當修圓，修 圓半徑r & =0.20.8mm但刀尖修圓半徑和負倒棱越大，會使切削力增大

9、，發(fā)生顫振的機會也增多。 因此當機床夾具刀具工件的系統(tǒng)剛性不足時， 尤其 是在加工細長工件時，不宜采用過大的刀尖半徑和負倒棱。用立方氮化硼可轉(zhuǎn)位面銑刀銑削 45HRC以上的鋼及鑄件時，背前角和側(cè)前角 的組合常采用雙負前角型結(jié)構(gòu)，一般為-5°-7°，主偏角為45°75°，負倒棱尺寸為br1 X 丫 01=0.2mrrX-20°,切削刃鈍圓半徑 rn=0.050.13mm3. 選取合適的切削用量立方氮化硼刀具主要用于精加工和半精加工， 因此背吃刀量一般較小， 通常 在2mm以下；進給量為0.050.4mm/r。但由于刀具上作有負倒棱，因此進給量 選

10、擇時必須大于負倒棱的寬度值。此外，用立方氮化硼刀具切削淬硬鋼及冷硬鑄鐵等高硬度材料時， 當切削速 度高于一定數(shù)值后， 切削速度與刀具壽命之間的關(guān)系不再符合泰勒公式， 即隨切 削速度的提高，此時刀具壽命不但不會降低，反而會有所增加。這是因為， 隨切削速度的提高和切削溫度上升， 被切削層金屬軟化， 硬度降 低，而立方氮化硼刀具由于熱穩(wěn)定性較高而并不軟化， 致使刀具與工件二者的硬 度差加大，刀具磨損減慢， 使切削加工更易于進行， 這一特性稱為金屬軟化效應。 只有當切削溫度超過刀具耐熱溫度后，刀具壽命才會降低。因此，在用不同牌號的立方氮化硼刀具切削不同的工件材料時， 都有一個最 佳切削速度范圍，使用時

11、必須注意。例如，用DLS-F刀具切削高速鋼（6264HRC） 時的最佳切削速度以6070m/min為宜。由于有金屬軟化效應，所以立方氮化硼刀具最適用于硬態(tài)材料的高速切削、 干式切削等先進切削加工工藝，如加工60HRC以上硬度的工件，其壽命要高出硬 質(zhì)合金刀具 10倍以上。4. 防止水解作用的方法盡管立方氮化硼刀具能承受13001400C的切削溫度，但應注意，CBN在高 溫（1000 °C左右）下，會同水蒸氣及空氣中的氧起反應，生成氨和硼酸 （BN+3H23H3BO3+ NH3,）這種化學反應稱為水解作用，會加速刀具的磨損。因此在濕式切削時，忌用水溶液作切削液，須用帶極壓添加劑的水溶液

12、或極壓切 削油以減弱水解作用。還應指出，由于CBN刀具的熱穩(wěn)定性高，切削液對刀具壽命和加工表面粗糙 度的影響不大， 加之高速切削硬質(zhì)材料時金屬有軟化效應， 所以有條件時可采用 高速干式切削，并且干式切削還有利于環(huán)境保護和操作工人健康， 降低生產(chǎn)成本。5. 選用合適的機床設(shè)備使用立方氮化硼刀具的機床必須剛度高、 功率大、轉(zhuǎn)速高， 才能充分發(fā)揮它 的性能，取得良好經(jīng)濟效益。此外，機床精度也要好，裝夾工件的夾具和夾緊裝 置，必須可靠性強，以免加工時產(chǎn)生振動，使刀具破損。必須指出，目前生產(chǎn)中不少機床設(shè)備還不能滿足立方氮化硼刀具的加工要求，所以立方氮化硼刀具的潛力未能得到充分發(fā)揮，今后隨著數(shù)控機床(NC

13、)和加工中心(MC)等高效設(shè)備應用的增多，必將進一步推動立方氮化硼刀具的使用。6. 刀具使用前的刃磨與檢驗立方氮化硼刀具使用前， 需將前、后刀面進行研磨， 以減小切削過程中的摩 擦，同時也可提高切削刃的直線度，防止刀具的非正常磨損。另外，在使用前要 用 50 倍以上的放大鏡檢查切削刃的刃口品質(zhì)，以控制刃口的鋸齒邊，不然會影 響刀具使用壽命和加工品質(zhì)。7. PCBN刀具的非常規(guī)使用人們通常認為，PCBN具不適于切削低碳鋼類的工件，因為會產(chǎn)生長切屑， 擦傷刀具前刀面并產(chǎn)生很高的熱量， 進而加快刀具的熱化學磨損。 然而這種情況 只有在高溫時才會發(fā)生，PCBNH具的硬度在600C左右時才會降至與室溫時

14、的硬 質(zhì)合金相當，在切削溫度不高時，PCBF刀具是不會產(chǎn)生熱磨損的。因此，只要選用合適的切削用量，PCBN刀具同樣可以切削低碳鋼，并且比 使用涂層硬質(zhì)合金刀具和金屬陶瓷刀具有更高的使用壽命。立方氮化硼刀具發(fā)展新趨勢立方氮化硼刀具是一種先進的切削刀具， 應用前景廣闊。 首先在精加工和半 精加工時，在某些情況下甚至粗加工工序中，用其加工淬硬鋼、冷硬鑄鐵、35HRC 以上的鈷基和鎳基高溫合金及其它難加工材料也是有效的。例如，俄羅斯的 T-IO(PCBN)刀片具有較好的抗沖擊性能，它既可用于精加工和半精加工，也可用 于背吃刀量達6mm勺粗加工。目前世界上立方氮化硼的年耗量大約以 10%15% 的速度增

15、長。人造立方氮化硼超硬刀具材料， 目前單晶的向粗顆粒、 高強度、 多功能方向 發(fā)展。日本無機材料所生產(chǎn)的單晶 CBN直徑達3mm De Beers公司生產(chǎn)的PCBN 產(chǎn)品，最大直徑達101.6mm然后用激光切割成所需要的任何形狀， 可加工70HRC 的高硬度材料。立方氮化硼刀具材料的價格較貴， 為了擴大其應用范圍， 國外已研制出比價 格相對較低的立方氮化硼涂層刀具。它是采用化學氣相沉積法(CVD)在通用型鎢鉆(K)類硬質(zhì)合金基體上(原則上可涂覆在任何基體上)涂覆一薄層立方氮化硼的 超硬材料。英國還研制出了一種在 PCBN刀片上用CVD法涂覆一層鎳、銅、鈦、 鉻、鉭、鉆的混合物，以及 TiN或TiC的防護涂層，其耐磨性可比普通 PCBN刀 片高3倍。Lellond公司開發(fā)出了一種由陶瓷與 C