PcBN刀具在難加工材料中的應用

王光祖

(鄭州磨料磨具磨削研究所，河南 鄭州 450001)

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PcBN刀具在難加工材料中的應用

王光祖

(鄭州磨料磨具磨削研究所，河南 鄭州 450001)

作為新一代刀具材料，PcBN刀具材料具有卓越的耐磨性、化學穩(wěn)定性以及抗沖擊性等特點，使其能特別適應現(xiàn)在日益嚴酷的競爭環(huán)境。PcBN刀具的干式硬態(tài)切削符合綠色制造發(fā)展的大方向，是現(xiàn)代機械制造技術實現(xiàn)高速高效技術的首選，使用壽命是提高工件質量和降低生產(chǎn)成本的關鍵。文章所引用的若干事例就是佐證。管中窺豹，從這些為數(shù)不多的事例中能夠領略業(yè)內研發(fā)者近年來所取得的技術成果。

PcBN;難加工材料;切削技術

隨著機械零件的硬度和抗磨損性能要求的進一步提高，以及各種各樣的難加工材料的出現(xiàn)，刀具面臨著更大的考驗。PcBN刀具將是未來制造業(yè)最具潛力的刀具之一。隨著對PcBN刀具加工各種難加工材料研究的進一步深入，其應用范圍必將得到進一步拓展。但囯內對PcBN材料的研究與開發(fā)遠遠落后于發(fā)達國家，大量PcBN產(chǎn)品從國外進口。因此，對PcBN材料的研究開發(fā)方面，應當投入更多的資金和技術力量，盡快占領國內市場，形成主要生產(chǎn)基地。我國有很多科研部門和企業(yè)正加緊新型PcBN材料的研究，與國外PcBN性能差別正在縮小，相信不久的將來一定會帶來我國PcBN應用的大發(fā)展。

1 干切削中的應用

干切削技術是為適應全球日益高漲的環(huán)保要求和可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略而發(fā)展起來的一項綠色加工技術。1995年干切削的科學意義被正式確立，1997年的國際生產(chǎn)工程研究會(CIRP)年會上，德國工業(yè)大學的F.Klocke教授作了干切削主題報告;1999年1月在美國國家科學基金“設計與制造學科”受資助者會議上，國際著名的刀具制造廠MAPAL公司的總裁B.P ERdel博士也作了有關美國干切削發(fā)展的主題報告，干切削技術已經(jīng)在各國工業(yè)界引起廣泛的關注。目前，我國對于干切削技術的研究還比較少，應用也只是傳統(tǒng)的鑄鐵銑削加工。干切削技術作為一種綠色制造加工工藝，對于節(jié)省資源、保護環(huán)境、降低成本具有重要意義。

鄧福銘，張丹[1]等探討了干切削發(fā)展對刀具、工件和機床的要求，并對PcBN刀具干切削金屬軟化效應，加工表面質量以及刀具磨損等方面進行了闡述。

1.1 干切削對刀具、工件和機床的要求

干式切削是隨著刀具材料，特別是隨著耐高溫刀具材料的不斷進步而發(fā)展起來的。

PcBN刀具摩擦系數(shù)小，排屑流暢，散熱迅速，是最適合干切工藝的刀具材料。切削力大，溫度高是干切削的特點，為減少高溫下刀具與工件之間的的散熱和粘結，應特別注意刀具材料與工件之間的合理匹配。干切削不但對刀具要求很高，也對機床的排屑、防塵和熱特性提出較高要求。干切削機床最好采用立式布局，至少床身應該是傾斜的，工作臺上的傾斜蓋板可用絕熱材料制成，總的原則是盡量依靠磨重力排屑。干切削易出現(xiàn)金屬懸浮顆粒，故機床噴漆、常加裝真空吸塵裝置和對關鍵部位進行密封。干切削機床的基礎大件要采用熱對稱結構盡量由熱膨脹系數(shù)小的材料制成，必要時還應進一步采取熱平衡和熱補償?shù)却胧?/p>

1.2 PcBN刀具干切削的金屬軟化效應

由于PcBN材料刀具具有較高的高溫硬度和熱穩(wěn)定性，因此可采用較高的切削速度進行切削，在較高的切削熱的作用下，被切削層金屬軟化，硬度降低，使切削加工易于進行，而刀具也保證了較高的壽命，這一效應稱為金屬軟化效應。產(chǎn)生金屬軟化效應的決定因素是切削溫度。切削速度對切削溫度的影響要大于進給量，且隨著進給量的增加其影響增大;吃刀量對切削溫度的影響也較大，且隨著工件材料硬度的增加其影響程度增大。

1.3 PcBN刀具干切削的加工表面質量

PcBN刀具硬態(tài)切削的加工一般在零件表面層以下產(chǎn)生殘余壓應力。壓應力有助于提高表面抗疲勞性能，這也是PcBN刀具一個很好性能。在使用PcBN刀具時，應注意加工條件的選擇，其中切削用量對殘余應力的分布情況影響較小，而刀具結構對殘余應力的分布影響很大，尤其是倒棱的幾何參數(shù)需要精心選擇。

1.4 PcBN刀具干切削的磨損與壽命

干切削比普通切削加工時的刀具前角要取大一些，以降低切削區(qū)溫度，并在刃口上做出負倒棱。為防止刀尖處熱磨損，主副切削刃連接處應采用修圓刀尖或倒角刀尖，以增大刀尖角，加大刀尖附近刃區(qū)切削刃的長度和刀尖材料的體積，以提高刀具剛性和減少切削刃破損的概率。

無論是后刀面磨損，還是月牙洼度磨損，都是當工件硬度在HRC50時的情況下最大，而在較高或較低硬度下，刀具 斷續(xù)干式切削ADI時切削力和壽命等(溫淬火球墨鑄鐵austempered ductile iron,簡稱ADI)具有許多優(yōu)良可靠的機械性能，例如彎曲疲勞和接觸疲勞等動載性能高、極好的抗磨性等。自20世紀80年代開始，ADI的應用獲得很大進展，產(chǎn)量以每年超過15%的速度增長。

但是，ADI的難加工性制約了它的應用，主要表現(xiàn)在：(1)切削溫度高，因為ADI的導熱性比球墨鑄鐵和鋼低，所以其與刀具的接觸面溫度更高;(2)易產(chǎn)生振動，ADI的屈服強度高于大部分鋼，但是它們的揚氏模量比鋼低20%,因而在機械加工時易產(chǎn)生振動，加劇刀具磨損。

作為新型刀具材料，PcBN刀具在硬態(tài)連續(xù)切削領域的使用技術已經(jīng)比較成熟，但是PcBN刀具在斷續(xù)切削方面的研究還是鮮見報道。李玉標，李嫚[2]等選擇四種PcBN復合片刀具斷續(xù)切削ADI,研究PcBN刀具斷續(xù)切削ADI的可行性以及PcBN復合片成分對刀具切削性能的影響，旨在為ADI的高速加工和PcBN新型刀具材料在我國的推廣應用提供參考。

試驗結果顯示：

(1)在所選用的四種牌號PcBN刀具中，高cBN含量的BN700和DBW85斷續(xù)加工的性能，要優(yōu)于低cBN含量的BN250和DBC50，其中DBW85性能最好。

(2)高cBN含量的BN700和DBW85加工ADI時，切削速度可選擇偏高一些，一般要大于130m/mim,低cBN含量PcBN刀具加工ADI時，切削速度要選擇偏低一些，在100m/mim左右。

(3)沾結劑中添加W元素可以有效抑制PcBN刀具切削ADI時的化學磨損，改善刀具韌性，有利于ADI的斷續(xù)切削。

3 車削鎳基高溫合金的切削性能研究

鎳基高溫合金GH4169在-253℃～700℃具有良好的綜合性能，主要用來制造火箭發(fā)動機和噴氣發(fā)動機部件，是目前航空航天領域應用最廣泛的高溫合金。由于鎳基合金微觀結構中含碳化物硬質點，導熱率低、比容小、高溫強度高、剪應力高、黏性大，故在切削過程中表現(xiàn)為切削溫度高、加工硬化嚴重、易形成積屑瘤、塑性變形切削力大和精度不易保證等特點，是最難加工的材料之一。目前國內外飛機制造公司均面臨該材料的加工問題。

為此，國內外相繼研究采用新型高性能刀具材料加工鎳基高溫合金。其中cBN具有很高的硬度和耐磨性、熱穩(wěn)定性(可達1400℃～1500℃)、優(yōu)良的化學穩(wěn)定性，較好的導熱性(是硬質合金的20倍)和較低的摩擦系數(shù)(系數(shù)值為0.1～0.3)，是加工鎳基高溫合金的理想材料。但是目前有關影響PcBN刀具加工鎳基高溫合金切削性能因素的系統(tǒng)研究還較少。

為使其在該領域能推廣應用，宋庭科等[3]人從刀具幾何參數(shù)、PcBN材質、切削用量、切削工藝等方面對其切削性能的影響作了針對性研究。他們得到的結論是：

(1)車削鎳基高溫合金時，刀具磨損會隨著刀尖圓弧半徑的增大而減小，當半徑超過0.8mm時，磨損率趨于平緩;負倒棱角度的增大或寬度的減小，會使刀具磨損減小?？蛇x刀尖圓弧半徑R0.8～1.9mm,負倒棱-280×0.1mm.

(2)使用BZN6 000和BTN100刀具切削時，當切削速度超過56m/min時，會發(fā)生微崩刃和溝槽磨損，而DBW85磨損均勻。在相同切削條件下，DBW85的磨損最小，壽命最長，其次是BZN6 000,BTN100最差。

(3)濕切比干切減小磨損40%～50%,可提高刀具壽命。

(4)隨著切削速度的提高，各PcBN刀具的磨損均隨之增大;DBW85的磨損率最小，且在高速下的磨損比另兩種材質低速下的磨損量還小，適合鎳基高溫合金的高速切削。

4 PcBN加工淬硬鋼刀具材料的研究

近年來，為了減少功率消耗，提高生產(chǎn)效率，在機械制造業(yè)，越來越多的廠家利用PcBN刀具實現(xiàn)以車代磨，以銑代磨工藝來制造零件，尤其是對淬硬鋼的加工。由于加工淬硬鋼時刀具切削刃口區(qū)域要承受較大的切削壓下力，刀具容易產(chǎn)生微崩刃而失效，刀具的使用壽命不穩(wěn)定。為了提高刀具的使用壽命和穩(wěn)定性，李啟泉[4]等進行了刀具材料的研究。

他們制備了兩類結合劑，不同cBN濃度的六種PcBN復合刀片材料，用來加工切削淬硬鋼。

從表1可以看出，隨著結合劑在PcBN中的比例增加，也就是cBN濃度的降低，在相同的切削參數(shù)、切削路程下，其后刀面磨損越小，刀具的耐用度越高。

通過切削實驗和性能檢測發(fā)現(xiàn)，PcBN刀具在加工淬硬鋼時cBN濃度起著關鍵作用，切削同樣的路程，低濃度PcBN的后刀面磨損最小。經(jīng)掃描電鏡觀察，CoAl合金粉能夠提高PcBN燒結刀具材料的致密度，從而使耐用度增加。

表1 不同配方的PcBN復合片的切削試驗和磨耗比測量結果

5 斷續(xù)車削淬硬鋼

對于PcBN刀具連續(xù)切削淬硬鋼的研究，國外已有許多文獻介紹，比如對切削力、切削溫度的測量，工件表面粗糙度，刀具磨損機理的研究。但在實際機械加工中，經(jīng)常會碰到如加工齒輪端面、帶數(shù)個油孔的端面、花鍵軸外圓這類需要斷續(xù)切削的零件，對于PcBN刀斷續(xù)切削淬硬鋼的研究，國外文獻報道不多，而國內對這一方面的報道也幾乎是空白，隨著PcBN刀具在汽車、重型機械、飛機制造業(yè)中的應用，這方面研究的缺失將制約PcBN刀具在斷續(xù)切削領域的推廣與應用。

亓磊，牛秋林[5]等，為了探索PcBN刀具在斷續(xù)切削條件下刀具的破損規(guī)律，選用兩種不同的PcBN刀具，在不同強度的斷續(xù)方式及不同切削速度下，對淬硬鋼進行車削實驗研究。結果表明，斷續(xù)強度嚴重影響PcBN刀具的使用壽命，斷續(xù)強度越高，刀具壽命越低;在相同強度的斷續(xù)條件下，切削速度影響刀具的使用壽命，切削速度越高，刀具的壽命越低;本實驗所用的切削參數(shù)：連續(xù)切削速度180m/min;斷續(xù)切削速度為120、150、180m/min。切深015mm，刀具失效判據(jù)為崩刃。

此外，根據(jù)實驗所拍的光學照片，分析了不同切削方式下切片失效機理：連續(xù)切削，刀片前刀面主要是月牙洼磨損，實驗初期后刀面的磨損很小，隨著實驗的進行，后刀面磨損逐漸加大，刀具最終以后刀面微崩刃而失效;斷續(xù)切削，前刀面的月牙洼磨損區(qū)域比連續(xù)切削小，試驗初期后刀面磨損幾乎看不出，試驗后期后刀面磨損寬度也不大，刀具以崩刃的方式失效。

6 干濕切削加工淬硬鋼

聚晶立方氮化硼(Polycrystalline Cubic Boron Nitride，簡稱PcBN)，既具有硬質合金的可焊性和良好的韌性，又具有立方氮化硼的高硬度、高耐磨性、高紅熱性和化學惰性，因此，用PcBN復合片材料制作的刀具具有極高的硬度以及良好的紅硬性(可耐受1400℃～1500℃的高溫)、抗氧化性(在1200℃～1300℃高溫下不與鐵系金屬發(fā)生反應)和抗斷裂韌性，是切削加工黑色金屬材料的理想刀具。

目前，PcBN刀具已在切加工淬硬鋼、冷硬鑄鐵、熱噴涂材料、純鎳等難加工材料和精密加工中得到廣泛應用，并取得了顯著的技術經(jīng)濟效益。張松鋒，謝輝[6]等研究了在一定切削參數(shù)下干、濕式切削加工淬硬鋼時四種PcBN刀具的刀具壽命、磨損形式和磨損機理。四種刀具是PcBN50、PcBN60、PcBN70、 PcBN75。

結果表明，濕式切削時的后刀面磨損量小于干式切削，說明刀具濕切比干切時具有較好的性能。PcBN刀具的磨損形式有前刀面磨損、后刀面磨損，其中前刀面磨損的表現(xiàn)形式為月牙洼磨損，磨損機理為機械磨損、氧化磨損和黏結磨損，而后刀面磨損機理有機械磨損、氧化磨損、黏結磨損和擴散磨損等;同時還發(fā)現(xiàn)cBN含量下降，刀具的后刀面磨損量也有下降的趨勢，即刀具的切削壽命有延長趨勢。

7 PcBN刀具加工鐵基粉末冶金材料

隨著一系列工業(yè)中大功率發(fā)動機的發(fā)展，粉末冶金氣門座也變得特別耐磨，更難以加工。為此選擇應用最普遍，加工要求最高的氣門座作為對象。工業(yè)生產(chǎn)中，氣門座的加工方法有很多種，其中一種是橫向切削，一種是用特制工具縱向切削(滾銑)，或者同時采用兩種方法。選擇橫向切削，目的就是要得到工件對刀具的磨損和沖擊的混合效果。

幾種工具的材料成分和試驗材料成分對切削性能的影響的試驗結果列于表2中。

表2 幾種工具材料成分和試驗結果

結果顯示，在控制PcBN的使用性能上，cBN的含量是一個關鍵的參數(shù)。cBN含量高的牌號在切削粉末冶金零件時不夠理想;同樣地，cBN含量低的材料，在硬切削時性能優(yōu)異，但在切削既耐磨又能產(chǎn)生一定沖擊的粉末冶金零件時也不理想。

為了進一步證實試驗室中的結果，進行了汽車氣門座的現(xiàn)場加工測試。采取橫向切削的方法加工氣門座錐面。由于要用這些錐面作氣門的配合面，因此，它的尺寸精度和表面粗糙度就顯得特別重要。

現(xiàn)場試驗結果與實驗室試驗結果一致，證明試驗室中的結論與工業(yè)應用的結果是相吻合的。

無論何種切削速度下，提高走刀速度都可以提高耐磨性能;相反，提高切削速度會加速刀具磨損，且比走刀速度的影響更大。當然提高切削速度可以提高生產(chǎn)率，所以應考慮綜合加工成本。得出最佳操作參數(shù)。

盡管提高走刀速度對PcBN刀具的耐磨性能有利，且可以提高生產(chǎn)率，但是，通常粉末冶金零件的尺寸精度要求限定了走刀速度的上限值。過大的走刀速度下產(chǎn)生過大的載荷，進而無法保證尺寸允差值。無論尺寸精度還是表面粗糙度都是氣門密封的重要因素。在用傳統(tǒng)的帶角半徑的刀具切削時，轉角半徑對表面粗糙度的影響很大。采用橫向切削時，直邊的切削刃已經(jīng)從理論上降低了刀具對表面粗糙度的影響[7]。

8 干濕切削淬硬鋼表面完整性研究

刀具壽命的長短與被加工工件表面質量的好壞，是硬態(tài)切削技術能否得到廣泛應用的兩個重要因素。這兩個因素中，表面質量的重要地位表現(xiàn)得更為突出。研究發(fā)現(xiàn)，即使可以接受的刀具磨損率也可能加工不出不可接受的表面質量。在企業(yè)生產(chǎn)中，工件表層殘余應力狀態(tài)和白層的厚度是刀具換刀的主要評定標準，比表面粗糙度或加工精度有著更加重要的地位，但是這些參數(shù)在制造企業(yè)里是很難進行測量的，因此更好的理解白層的表現(xiàn)形式及其影響因素，在實際生產(chǎn)中非常重要。

從研究的結果來看，在某些方面如被加工工件表面殘余應力的分布，白層對疲勞壽命的影響，白層形成的機理與成分等存在一定的爭議性，而且人們普遍認為，PcBN刀具硬態(tài)干切削一方面可以充分發(fā)揮刀具優(yōu)秀的切削性能和金屬軟化作用，另一方面加工過程中省去了切削液的使用(通常切削液占加工總成本的16%～20%)為企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟效益，而且有利于環(huán)境保護和工人身體健康是一種較為理想的加工方法。

然而，在干切削帶來眾多優(yōu)點的同時，我們也應該看到，干切削加工時的惡劣環(huán)境，使工件和刀具都存在高機械載荷和高熱載荷，工件表面質量必然會受到切削溫度的影響，因此耍想使干切削技術完全被人們所接受，它所加工的表面質量必須超過或相當于濕切削時的情況。為了更好地了解干濕切削加工表面質量的差異性，曹永泉，李嫚[8]等，以PCBN刀具干濕切削淬硬鋼GCr15為實驗研究對象，對被加工工件表面質量進行了對比研究，其結論是：

(1) 較高的切削速度下干切削初期工件表面即有白層出現(xiàn)，而濕切削因為有切削液的冷卻作用，在刀具達到劇烈磨損之前未發(fā)現(xiàn)明顯的白層出現(xiàn)，說明較高的切削溫度對白層的生成有很大的影響。

(2) 硬態(tài)切削中已加工表面質量與刀具后刀面磨損關系密切，伴隨后刀面磨損量的增加，已加工工件表面白層、黑層的厚度逐漸增大。

(3) 濕切削條件下加工工件表面粗糙度Ra值稍好于干切削時表面粗糙度Ra，而且刀具磨損范圍內，表面粗糙度Ra值變化很小。

(4) 為了降低表層和亞表層缺陷，獲得更好的加工表面質量，適量的冷卻潤滑是必要的。

9 高速切削淬硬模具鋼刀具磨損的對比

高速切削加工技術具有高效率、高精度和低成本的特點，在航空航天、汽車、模具等制造領域具有廣闊的應用前景[9]。相對于非金屬材料和有色金屬材料來說，黑色金屬及一些難加工材料尚不能很好地利用高速切削加工技術，主要原因在于高速切削這些工件材料時的刀具磨損非常嚴重[10]。所以，如何快速將高速切削技術應用到黑色金屬及難加工材料的加工中來，刀具磨損的研究進展顯得至關重要。

于靜，趙琰巍[11]等，使用PcBN和陶瓷兩種材質的刀具對淬硬模具鋼Cr12MoV進行高速切削對比試驗，深入研究了在高速切削時的刀具壽命、刀具磨損形態(tài)和磨損原因。

通過試驗得出如下結論：

(1)相同的切削條件下，PcBN刀具壽命均為陶瓷刀具的2～3倍，當切削速度由154m/min增加到241m/min時，兩種材質的刀具壽命均下降59%以上。

(2)切削速度相對較低時，PcBN刀具和陶瓷刀具磨損形態(tài)均為月牙洼和后刀面磨損;當切削速度相對較高時，兩種刀具均出現(xiàn)破損，破損形態(tài)包括崩刃和片狀剝落等。

(3)PcBN刀具磨損原因主要包括黏結磨損、氧化磨損和擴散磨損。相同的切削條件下，PcBN刀具抗磨粒磨損的能力好于陶瓷刀具，而陶瓷刀具的抗氧化性能更好。

(4)切削速度對刀具磨損原因有重要影響，切削速度從153m/mi增加241m/min時，磨粒磨損和黏結磨損程度均減弱。

[1] 鄧福銘，張丹,等.PcBN刀具在干切削中的應用研究[J].超硬材料工程，2012(3)：19-21．

[2] 李玉標，李嫚,等.PcBN刀具斷續(xù)干式切削ADI時切削力和壽命的研究[J].金剛石與磨料磨具工程，2010(1)：75-79．

[3] 宋庭科，李嫚,等.PcBN刀具車削鎳基高溫合金的切削性能研究[J].金剛石與磨料磨具工程，2011(1)：70-73．

[4] 李啟泉，張旺璽.PcBN加工淬硬鋼刀具材料的研究[J].金剛石與磨料磨具工程，2011(6)：75-78．

[5] 亓磊，牛秋林,等.PcBN刀具斷續(xù)車削淬硬鋼的試驗研究[J].金剛石與磨料磨具工程，2009(5)：23-27．

[6] 張松鋒，謝輝,等.PcBN刀具干濕切削加工淬硬鋼時的磨損對比[J].金剛石與磨料磨具工程，2009(3)：1-6．

[7] 田書躍編譯，PcBN刀具加工鐵基粉末冶金材科[C].中國超硬材料技術發(fā)展論壇論文集，2005(10)：168-170．

[8] 曹永泉，李嫚,等.PcBN刀具干濕的切削淬硬鋼表面完整性研究[J].金剛石與磨料磨具工程，2005(6)：50-53．

[9] 艾興.高速切削加工技術[M].北京：國防工業(yè)出版社，2003．

[10] HERBERT， SCHUIZ，何寧,等.高速加工理論與應用[M].北京：科學出版社，2010．

[11] 于靜，趙琰巍,等.高速切削淬硬模具鋼刀具磨損的對比實驗研究[J].金剛石與磨料磨具工程，2013(1)：48-52．

Applications of PcBN Tools for Difficult-to-Machine Materials

WANG Guang-zu

(ZhengzhouResearchInstituteforAbrasives&GrindingCo.,Ltd,China450001)

As a new-generation cutter material, PcBN cutter material has the characteristics of remarkable wear resistance, excellent chemical stability and prominent impact resistance which make it particularly adaptive to the increasing brutal competitive environment. The dry type hard cutting of PcBN cutter is consistent with the direction of the development of green manufacturing, and is the first choice to realize the high speed and high efficiency for modern machinery manufacturing technology. Service life is the key to improve the quality of workpiece and to lower the production cost. The examples referred in this article are the evidence. The few examples in this article offers a glimpse into the technological development achieved in the recent years by researchers inside this industry.

PcBN; difficult-to-machine material; cutting technology

2016-03-20

王光祖(1933-)，男，教授，長期從事超硬材料及制品的研發(fā)工作，出版多部專著，發(fā)表上百篇學術論文。

王光祖.PcBN刀具在難加工材料中的應用[J].超硬材料工程，2016，28(5)：43-48.

TQ164

A

1673-1433(2016)05-0043-06