立方氮化硼刀具在切削加工中的應(yīng)用

劉薇娜，鞠巖松，楊立峰

（長春理工大學(xué) 機電工程學(xué)院，長春130022）

0 引 言

1957 年，美國通用電氣公司率先由人工合成了一種新型的超硬材料——立方氮化硼(CBN)，隨著現(xiàn)代加工技術(shù)的迅速發(fā)展，CBN 材料受到了人們廣泛關(guān)注，主要原因是這種材料的刀具能高效切削難加工材料，從而大大縮短了工件的加工時間，有效節(jié)約了生產(chǎn)成本。本文主要通過對立方氮化硼刀具物理機械性能及其在切削加工中應(yīng)用的研究，提出發(fā)展CBN 材料刀具的觀點。

1 立方氮化硼的物理機械性能

立方氮化硼是一種人工合成的無機新型超硬材料，在現(xiàn)代機械加工技術(shù)中具有重要作用和地位，CBN 材料具有硬度高、熱穩(wěn)定性及導(dǎo)熱性良好等物理性能。

1.1 立方氮化硼的硬度

圖1 CBN 含量與硬度的關(guān)系

立方氮化硼結(jié)構(gòu)與金剛石相似，其硬度（單晶的顯微硬度可達8 000～9 000 HV，燒結(jié)體的顯微鏡硬度為3 000～5 000 HV）僅次于金剛石，立方氮化硼的含量與硬度關(guān)系如圖1 所示，CBN 的含量一般在40%～95%之間［1］，它的硬度遠遠超過碳化硼（4 000～5000HV）和碳化鎢（2 400 HV），并且它沒有金剛石的脆性，更適合于加工硬度高、強度大的鋼件與合金材料。圖2所示為立方氮化硼刀具在高溫下的硬度［2］。

圖2 高溫下立方氮化硼刀具的硬度

1.2 立方氮化硼的化學(xué)穩(wěn)定性

立方氮化硼具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性，對各種材料的黏性和擴散作用都比硬質(zhì)合金小很多。在1 200～1 300 ℃的高溫下，也不會與鐵族金屬發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在溫度達到2 000 ℃時才會與碳發(fā)生反應(yīng)，因此立方氮化硼特別適用于制作刀具，以此加工鋼鐵材料［3］。

1.3 立方氮化硼的熱穩(wěn)定性

立方氮化硼具有較好的熱穩(wěn)定性，其耐熱度高達1 400～1 500 ℃，并在1 000 ℃以下不會發(fā)生氧化現(xiàn)象，這對用立方氮化硼材料制成的刀具來說具有很大優(yōu)勢，使其在切削硬質(zhì)合金時特別鋒利。

1.4 立方氮化硼的導(dǎo)熱性

立方氮化硼具有良好的導(dǎo)熱性，其導(dǎo)熱系數(shù)僅低于金剛石，是硬質(zhì)合金的20 倍［4］。并且立方氮化硼的導(dǎo)熱系數(shù)是隨著溫度的升高而逐漸增大的（如圖3 所示）［2］，因此在切削中溫度可以很快散去，有利于加工精度和抗機械磨損能力的提高。

基于以上敘述，可以發(fā)現(xiàn)立方氮化硼在制作刀具中具有很大的優(yōu)勢，因此立方氮化硼刀具在現(xiàn)代制造業(yè)中具有重要的價值，其應(yīng)用也十分廣泛。

圖3 立方氮化硼刀具的導(dǎo)熱系數(shù)

2 立方氮化硼刀具在切削加工中的主要用途

在機械加工領(lǐng)域中，高速切削技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛，其中刀具材料的快速發(fā)展是其得到廣泛關(guān)注的重要原因，高速切削刀具所使用的材料多種多樣，包括金剛石、立方氮化硼、陶瓷等。其中立方氮化硼以其優(yōu)越的物理機械性能應(yīng)用最為廣泛。

2.1 高速切削超合金

在高速切削材料中，立方氮化硼刀具比硬質(zhì)合金刀具切除率高出5 倍。立方氮化硼刀具的優(yōu)點表現(xiàn)在兩方面：1）當(dāng)溫度達到1 800～2 000 ℃時，超合金的強度就會明顯降低，這樣就使超合金更利于切削加工，然而在此高溫下立方氮化硼刀具卻仍然保持著硬度和強度；2）立方氮化硼刀具切削超合金可以有效地保持工件下表面和表面冶金組織的完善性。

任何加工切削技術(shù)都會在工件表面下留有殘余應(yīng)力，抗拉應(yīng)力會大大縮短零件的疲勞壽命，然而抗拉應(yīng)力卻最具相反作用。實踐證明，立方氮化硼刀具在高速切削時所產(chǎn)生的抗壓應(yīng)力遠遠超過了硬質(zhì)合金刀具，而這一點正是燃氣輪機制造中須重要考慮的。

2.2 加工精密小零件

立方氮化硼刀具切削效率比硬質(zhì)合金刀具高出2倍，并且在加工質(zhì)量上也有所提高。立方氮化硼刀具刃口十分鋒利，所以加工出來的零件表面光潔度很高。例如用立方氮化硼刀具切削加工閥座圈，眾所周知閥座圈一般是用不銹鋼制造的，而不銹鋼的硬度可達20～25 HRC，這對于立方氮化硼刀具來說是很容易做到的，并且加工出來的閥座圈表面十分光滑，受到人們的廣泛歡迎。

2.3 加工淬硬鋼

淬硬鋼是典型的難加工和耐磨材料，以前一直采用磨削來完成淬硬鋼零件的精加工，而立方氮化硼刀具的出現(xiàn)取代了原有磨削技術(shù)，使淬硬鋼零件的加工更為精密和方便。在切削加工淬硬鋼時切削速度一般可達85～150 m/min，而工件硬度和切削速度一般成反比；切削深度方面，立方氮化硼刀具一般可達0.15～0.35 mm，進給量在0.05～0.25 mm/r，切削后的工件表面粗糙度可達Ra0.3～0.5，尺寸精度可達0.014 mm。在選取立方氮化硼刀具加工材料時，我們盡可能采用強度高的刀片形狀，當(dāng)進行粗加工時，盡量選擇圓弧半徑大的刀尖，而當(dāng)進行精細加工時一般宜采用韌性和強度較好的、80°的菱形刀片，這樣有利于避免機床震顫產(chǎn)生的誤差。

2.4 加工鑄鐵

鑄鐵因其價格便宜而成為世界上應(yīng)用較為廣泛的材料之一，在切削鑄鐵中，立方氮化硼同樣也起到了不可替代的作用，立方氮化硼刀具加工鋼件時，工件的淬火硬度一般為45～55 HRC。加工鑄鐵工件硬度達到中硬水平就很有成效。例如，東風(fēng)汽車發(fā)動機廠在加工排氣閥座時，現(xiàn)在都采用立方氮化硼整體刀片焊接在刀體上，這樣可使切削速度達到71.5 m/min，進給速度達到25.5 m/min，加工質(zhì)量穩(wěn)定。

在高速加工冷硬合金鑄鐵時，一般采用立方氮化硼刀具進行加工，這是因為它比硬質(zhì)合金刀具或陶瓷刀具更容易加工出表面粗糙度較低的零件，并且立方氮化硼刀具的壽命也比其他材料刀具壽命長得多。所以說立方氮化硼刀具在加工鑄鐵方面具有重要作用，是促進汽車等相關(guān)行業(yè)發(fā)展的重要材料。

3 結(jié) 語

相關(guān)數(shù)據(jù)表明，目前在我國硬質(zhì)合金刀具的用量大概占總刀具的65%，高速鋼大約占30%，而立方氮化硼刀具卻相對較少。鑒于立方氮化硼刀具具有良好的物理機械性能，因此，大力研制開發(fā)更高級立方氮化硼刀具是今后努力的一個方向，而立方氮化硼刀具成本也在逐漸降低，所以說發(fā)展立方氮化硼刀具具有十分重要的意義。

［1］ 杜國臣.PCBN 刀具的切削性能及應(yīng)用［J］.組合機床與自動化加工技術(shù)，2004（7）：94-95，98.

［2］ 劉獻禮，肖露，嚴復(fù)鋼，等.PCBN 刀具的發(fā)展性能及應(yīng)用.現(xiàn)代制造工程，2002（1）：37-39.

［3］ 文東輝，劉獻禮，胡榮生.PCBN 刀具的硬態(tài)切削加工原理［J］.機電工程，2001，18（6）：76-79.

［4］ 宋昌才.PCD 與PCBN 刀具在精密與超精密加工中的應(yīng)用［J］.江蘇理工大學(xué)學(xué)報，2001，22（4）：54-59.

［5］ 張彥博.立方氮化硼在金屬切削刀具方面的應(yīng)用及發(fā)展［J］.攀枝花大學(xué)學(xué)報，1995，12（3）：57-62.

［6］ 張奎，張相法，王光祖.立方氮化硼在現(xiàn)代加工技術(shù)中的地位和作用［J］.超硬材料工程，2013，25（1）：47-52.