PCBN刀具及其在切削加工中的应用

1．引言
　　PCBN（聚晶立方氮化硼）刀具具有硬度高、韧性好、热稳定性好和化学惰性大等特点，并可用金刚石砂轮开刃修磨，在切削加工的各个方面都表现出了优异的切削性能，特别适合加工各种淬硬钢、冷硬铸铁等难加工材料。
　　2．PCBN刀具材料的性能
　　2.1 PCBN的组成成分对刀具性能的影响
　　（1）结合剂对PCBN刀具性能的影响
　　PCBN是CBN（立方氮化硼）的烧结体，通常是不加粘结剂烧结直接由CBN原子间的结合而成的，也有加入不同的粘结剂，由粘结剂结合烧结而成的。前者因CBN含量高，所以硬度高，但较脆；后者除所加粘结剂比例不同外，其种类还有金属粘结剂和陶瓷粘结剂之分。常用的金属粘结剂有Co、Ni、Ti、Ni-Al等金属；陶瓷粘结剂有TiN、TiN-AlN、Al2O3等，也有同时加入金属和陶瓷粘结剂的。一般加陶瓷粘结剂的PCBN刀具具有较高的耐高温磨损能力和较强的抗粘结能力。
　　（2）CBN含量对PCBN刀具性能的影响
　　目前，CBN是人工合成的，硬度仅次于金刚石，其晶粒硬度可达8000～9000HV，远远高于陶瓷和硬质合金。PCBN复合片的硬度（通常为3000～5000HV）主要取决于CBN的含量，一般CBN含量在40%～95%之间，随着CBN含量的增高，PCBN的硬度增加；而耐磨性与CBN 含量之间不是简单的关系，不同加工条件下有不同最佳值。加工模具钢时，CBN含量为55%左右时，刀具最耐磨；加工Cr06合金工具钢时，CBN含量越高越耐磨。
　　（3）CBN晶粒尺寸对PCBN刀具性能的影响
　　CBN晶粒的大小影响刀具的强度，细晶粒可使晶粒的晶界面积增加，提高烧结强度及抗裂纹扩展能力，从而使PCBN刀具耐磨性增加，当粒径增加1倍时，刀具寿命要降低30%～50%。
　　2.2 PCBN复合片
　　PCBN刀具的制造分为PCBN复合片（PCBN/硬质合金）制造（高温高压烧结体）和将复合片进行切割、焊接、刃磨制成各种刀具。PCBN刀具由于能耐1200～1300℃的高温，而且在1200℃以上也不与铁系金属产生化学反应，因此，目前PCBN刀具多用于淬硬钢、冷硬铸铁及表面热喷涂材料的切削加工，而加工中等硬度的材料往往体现不出较好的切削性能，如加工中、低硬度的工件时，PCBN刀具寿命还没有硬质合金刀具寿命高，只有在加工硬度为50HRC以上的工件时，刀具才发挥出其超硬性能，如加工硬度为60HRC左右的工件，其寿命要高出硬质合金刀具10倍以上。因此，PCBN刀具用于加工高硬度材料才能发挥出其优越的性能。
　　2.3 PCBN刀具的结构
　　常见PCBN 刀具切削部分的结构有以下4个种类。
　　（1）将大颗粒PCBN烧结块固定于刀头之上，然后将此刀头再通过机夹方式夹于刀杆之上。这种结构容易出现的问题是当切削时间较长或选择的切削用量较大时，切削温度升高，刀头材料软化，并在切削力作用下容易将PCBN 烧结块顶入刀头之中，造成打刀或脱落。另一个问题是烧结块大小有限，因此重磨次数少，且重磨时需磨3个刀面。
　　（2）机夹可重磨式复合片刀头，这种结构具有一般机夹刀具的优点，即刀头部分可重磨，增加了刀具的使用寿命，刀杆又可重复使用不造成浪费。但就刀具整体而言，刀头部分占整个刀具成本的90%左右，刀杆成本占相当小的比例。而这种结构带来一个缺点，即增加了一个连接部分，刀头夹固不好时，产生微小窜动也会造成打刀，刀具的可靠性有所降低。另一个弱点是刀尖部分PCBN复合片面积小，重磨次数非常有限，同时PCBN复合片与刀头焊接面积小，当切削温度一高，焊接部分软化，强度下降，整个PCBN复合片脱落造成打刀。
　　（3）在可转位硬质合金刀片一个角（也有两个角或整个面都是PCBN复合片的）上焊有PCBN复合片。这种结构同标准硬质合金刀片一样可直接用于可转位刀杆之上。这种结构除了同上述（1）的结构具有同样缺点外，还不能重磨，因此刀具成本较高。这种结构刀具目前主要用于自动化程度较高的加工中心及数控机床上。

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