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(jìn)生產(chǎn)工藝，控制原料純度和晶粒尺寸，采用復(fù)合材料和熱壓工藝等，其脆性有了重大改進(jìn)，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(yīng)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(diǎn)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(dá)80009000HV）,且熱穩(wěn)定性高（達(dá)12501350c）,對鐵族元素化學(xué)惰性大，抗黏結(jié)能力強(qiáng)，用金剛石砂輪即可磨削開刃

2、，故適于加工35HRCZ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，精度可達(dá)IT7IT6。上海通用汽車公司在一條發(fā)動機(jī)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CBN30CH片面銃刀銃削發(fā)動機(jī)缸體平面（鑄件），切削速度高達(dá)1600m/min,進(jìn)給速度為5000mm/min立方氮化硼刀具也有使用上的局限，如其脆性較大，強(qiáng)度和韌性較差，不適用于沖擊負(fù)荷下的間

3、斷表面加工。此外，用它加工軟的鐵族元素材料時(shí)，因易于產(chǎn)生長切屑，擦傷刀具前刀面并形成積屑瘤，會導(dǎo)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WBINJ料（WBN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)镃BN并易于和CBN#同燒結(jié)成強(qiáng)度和硬度接近CBNK準(zhǔn)的聚晶體。WBNiCBN勺兩相燒2體是用WBN勺韌性去彌補(bǔ)CBN勺脆性，其抗沖擊強(qiáng)度較單純的CBNO結(jié)體提高60%斷裂韌度提高2.53倍，抗撓曲強(qiáng)度提高1倍左右，抗壓強(qiáng)度與硬質(zhì)合金相當(dāng)，熱穩(wěn)定性為11001200?？捎脕砑庸らg

4、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，WBNtCBNB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(yīng)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、聚品立方氮化硼和硬質(zhì)合金的復(fù)合刀片（PCBN/CC）口電鍍立方氮化硼刀具。其中，前兩類刀具使用最多。PCBN在高溫、高壓下，將許多CBN單晶粉聚晶成的多晶體材料，是CBN單晶粉的燒結(jié)體。PCBN/CO在強(qiáng)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P

5、CBNW成的一種復(fù)合刀片，它解決了立方氮化硼刀片的抗彎強(qiáng)度低和鑲焊困難等問題。PCBN/C3用焊或機(jī)夾方式制作刀具。例如美國GE（ffi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(fù)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勺細(xì)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(dāng)修磨制成。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

6、很大差異，選用時(shí)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(shí)須參照廠家產(chǎn)品樣本選擇。PCBN勺性能與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CBNa粒直接燒結(jié)而成，CBN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、AlN、Al2O3等）燒結(jié)而成，這類PCBNfrCBNa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PCBNW品種

7、SumiboronBNX25,它具有高的抗月牙洼磨損能力，在高速斷續(xù)切削時(shí)對斷裂和折斷引起的刀具失效有很高的抵抗能力。用BNX2劭口工淬硬鋼時(shí)推薦的切削條件是切削速度為120200m/min，進(jìn)給量為0.150.3mm/r和背吃刀量為0.20.5mm。CBN勺晶粒尺寸大致分為三類：粗晶粒（晶粒的平均尺寸為2050Nm）、中晶粒（1020叱m開口細(xì)晶粒（210叱m）0晶粒尺寸越大，耐磨性越好，刀具壽命越高，但刃口品質(zhì)差，難以制成高精度刀具。相反，細(xì)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(xì)化，并已有1甚至有0.5m以下的細(xì)晶，需根據(jù)粗、精加工等不同工序要求，選用不同大

8、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(qiáng)度較低，故刀具前角通常取丫0=0°-5,后角a0=6015°。為了提高刀刃學(xué)度，刃口上須磨出負(fù)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(dāng)修圓，修圓半徑re=0.20.8mm但刀尖修圓半徑和負(fù)倒棱越大，會使切削力增大，發(fā)生顫振的機(jī)會也增多。因此當(dāng)機(jī)床夾具刀具工件的系統(tǒng)剛性不足時(shí)，尤其是在加工細(xì)長工件時(shí)，不宜采用過大的刀尖半徑和負(fù)倒棱。用立方氮化硼可轉(zhuǎn)位面銃刀銃削45HRCZ上的鋼及鑄件時(shí)，背前角和側(cè)前角的組合常采用雙負(fù)前角型結(jié)構(gòu)，一般為-5。-7。

9、，主偏角為45075。，負(fù)倒棱尺寸為br1X丫01=0.2mm<-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2mmit下；進(jìn)給量為0.050.4mm/r。但由于刀具上作有負(fù)倒棱，因此進(jìn)給量選擇時(shí)必須大于負(fù)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(shí)，當(dāng)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(shí)刀具壽命不但不會降低，反而會有所增加。這是因?yàn)?，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

10、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(jìn)行，這一特性稱為金屬軟化效應(yīng)。只有當(dāng)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(shí)，都有一個(gè)最佳切削速度范圍，使用時(shí)必須注意。例如，用DLS-F刀具切削高速鋼（6264HRC）時(shí)的最佳切削速度以6070m/min為宜。由于有金屬軟化效應(yīng)，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(jìn)切削加工工藝，如加工60HRCZ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砒S刀具能承受1300140

11、0c的切削溫度，但應(yīng)注意，CBNft高溫（1000左右）下，會同水蒸氣及空氣中的氧起反應(yīng)，生成氨和硼酸（BN+3H2O>H3BO3+NH3）這種化學(xué)反應(yīng)稱為水解作用，會加速刀具的磨損。因此在濕式切削時(shí)，忌用水溶液作切削液，須用帶極壓添加劑的水溶液或極壓切削油以減弱水解作用。還應(yīng)指出，由于CBNW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(shí)金屬有軟化效應(yīng)，所以有條件時(shí)可采用高速干式切削，并且干式切削還有利于環(huán)境保護(hù)和操作工人健康，降低生產(chǎn)成本。5. 選用合適的機(jī)床設(shè)備使用立方氮化硼刀具的機(jī)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(jì)

12、效益。此外，機(jī)床精度也要好，裝夾工件的夾具和夾緊裝置，必須可靠性強(qiáng)，以免加工時(shí)產(chǎn)生振動，使刀具破損。必須指出，目前生產(chǎn)中不少機(jī)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(jī)床(NC)和加工中心(MC)等高效設(shè)備應(yīng)用的增多，必將進(jìn)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(yàn)立方氮化硼刀具使用前，需將前、后刀面進(jìn)行研磨，以減小切削過程中的摩擦，同時(shí)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

13、人們通常認(rèn)為，PCBhW具不適于切削低碳鋼類的工件，因?yàn)闀a(chǎn)生長切屑，擦傷刀具前刀面并產(chǎn)生很高的熱量，進(jìn)而加快刀具的熱化學(xué)磨損。然而這種情況只有在高溫時(shí)才會發(fā)生，PCBNH具的硬度在600c左右時(shí)才會降至與室溫時(shí)的硬質(zhì)合金相當(dāng)，在切削溫度不高時(shí)，PCBNH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(jìn)的切削刀具，應(yīng)用前景廣闊。首先在精加工和半精加工時(shí)，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

14、材料也是有效的。例如，俄羅斯的T-10(PCBN)刀片具有較好的抗沖擊性能，它既可用于精加工和平精加工，也可用于背吃刀量達(dá)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(qiáng)度、多功能方向發(fā)展。日本無機(jī)材料所生產(chǎn)的單晶CBN直徑達(dá)3mmDeBeers公司生產(chǎn)的PCBN產(chǎn)品，最大直徑達(dá)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(jià)格較貴，為了擴(kuò)大其應(yīng)用范圍，國外已研制出比價(jià)格相對較低的立方氮化硼涂層刀具。它是采用化學(xué)氣相沉積法(CVDm通用型鴇鈷(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PCBhW片上用CVDt涂覆一層鍥、銅、鈦、銘、鑰、鉆的混合物，以及TiN或TiC的防護(hù)涂層，具耐磨性可比普通PCBNW片高3倍。Lellond公司開發(fā)出了一種由陶瓷