立方氮化硼刀具.doc

立方氮化硼刀具一、 立方氮化硼介绍立方氮化硼（cubic boron nitride）：立方结构的氮化硼,分子式为BN,其晶体结构(图1)类似金刚石,硬度略低于金刚石，为HV7200098000兆帕,常用作磨料和刀具材料。1957年,美国的R.H.温托夫首先研制成立方氮化硼。但至今尚未发现天然的立方氮化硼。立方氮化硼有单晶体和多晶烧结体两种。单晶体是把六方氮化硼和触媒在压力为30008000兆帕、温度为8001900 范围内制得。典型的触媒材料选自碱金属、碱土金属、锡、铅、锑和它们的氮化物。立方氮化硼的晶形有四面体的截锥、八面体、歪晶和双晶等。工业生产的立方氮化硼有黑色、琥珀色和表面镀金属的,颗粒尺寸通常在1毫米以下。它具有优于金刚石的热稳定性和对铁族金属的化学惰性，用以制造的磨具，适于加工既硬又韧的材料，如高速钢、工具钢、模具钢、轴承钢、镍和钴基合金、冷硬铸铁等。用立方氮化硼磨具磨削钢材时，大多可获得高的磨削比和加工表面质量。二、PCBN刀具的制造工艺PCBN刀具的制造主要通过CBN粉末和结合剂经超高压高温烧结而成.大致步骤有;混合粉末-模压成型/与硬质合金底层组装成整体-超高压高温烧结-深加工. 关键技术在于CBN与结合剂的选择与配比,超高压高温烧结工艺参数的确定. 三、PCBN刀具特点PCBN刀具是人造立方氮化硼刀具，在高温的时候还能保持高硬度的特性，主要做加工铁件之用。其硬度仅次于金刚石而远远高于其它材料，因此它与金刚石统称为超硬材料。1、PCBN刀具材料的种类按添加成分分：有直接由CBN单晶烧结而成的PCBN和添加一定比例粘结剂的PCBN烧结体两大类；按制造复合方式分：有整体PCBN烧结块和与硬质合金复合烧结的PCBN复合片两类。目前应用较广的是带粘结剂的PCBN复合片，根据添加的粘结剂比例不同则PCBN硬度也不同，粘结剂含量越多则硬度越低、韧性越好；粘结剂种类不同，则PCBN的用途也不同，表1所示为常见粘结剂的PCBN刀具及其用途。CBN含量(%)粘结剂种类主要用途60TiN淬火钢70TiC铸铁70Al2O3铸铁90AlN高强度铸铁80Co耐热合金钢铸铁2、PCBN刀具的切削性能A、具有很高的硬度和耐磨性CBN单晶的显微硬度为HV80009000，是目前已知的第二高硬度的物质，PCBN复合片的硬度一般为HV30005000。因此用于加工高硬度材料时具有比硬质合金及陶瓷更高的耐磨性，能减少大型零件加工中的尺寸偏差或尺寸分散性，尤其适用于自动化程度高的设备中，可以减少换刀调刀辅助时间，使其效能得到充分发挥。B、具有很高的热稳定性和高温硬度CBN的耐热性可达14001500，在800时的硬度为Al2O3/TiC陶瓷的常温硬度，因此，当切削温度较高时，会使被加工材料软化，与刀具间硬度差增大，有利于切削加工进行，而对刀具寿命影响不大。C、具有较高的化学稳定性CBN具有很高的抗氧化能力，在1000时也不产生氧化现象，与铁系材料在12001300时也不发生化学反应，但在1000左右时会与水产生水解作用，造成大量CBN被磨耗，因此用PCBN刀具湿式切削时需注意选择切削液种类。一般情况下，湿切对PCBN刀具寿命无明显提高，所以使用PCBN刀具时往往采用干切方式。 D、具有良好的导热性CBN材料的导热系数低于金刚石但大大高于硬质合金，并且随着切削温度的提高，PCBN刀具的导热系数不断增大，因此可使刀尖处热量很快传出，有利于工件加工精度的提高。E、具有较低的摩擦系数CBN与不同材料的摩擦系数在0.10.3之间，大大低于硬质合金的摩擦系数(0.40.6)，而且随摩擦速度及正压力的增大而略有减小。因此低的摩擦系数及优良的抗粘结能力，使CBN刀具切削时不易形成滞留层或积屑瘤，有利于加工表面质量的提高。F、PCBN复合片显微硬度与抗弯强度(TRS)温度是影响PCBN复合片烧结好环的主要因素之一。测试发现，随着温度的升高TRS值明显变大。当CBN颗粒间结合能大于单晶的解理能时就表现为穿晶断裂，反之为沿晶断裂。通过电镜观测断口的形貌发现，沿晶断裂和穿晶断裂共存。但随着温度的升高或颗粒粒度的增大，穿晶断裂逐渐增多而且从PCBN层中心沿径向到边缘穿晶断裂也逐渐增多。G、硬质合金对PCBN硬度与导电性的影响 在合成PCBN的过程中，硬质合金中的钴扫越CBN层，尽管Co与CBN不反应，少量的钴还是残留在PCBN中作为CBN颗粒间“孔隙”的填充剂。而Co的硬度与CBN颗粒的硬度相比要低得多，因而导致CBN层硬度的降低。H具有很高杨氏模量。PCBN杨氏模量约为750GPa，高于WC、TiC、Al2O3等材料。I具有很小热膨胀。PCBN热膨胀系数约为（2.12.3）10-6/K，而硬质合金热膨胀系数为（57）10-6/K。 J具有较小密度。PCBN密度为3.48g/cm3，与Al2O3、Si3N4密度相近.K具有较低断裂韧性。PCBN断裂韧性约为（3.55）Pa?m0.5，仅为陶瓷刀具材料一半。这PCBN唯一不足之处。3、PCBN刀具应用于先进切削加工工艺A、适用于高速及超高速切削加工技术PCBN刀具最适合于铸铁、淬硬钢等材料的高速切削加工。当切削速度超过一定限度后，切削速度越高，PCBN刀具后刀面磨损速度反而越小，即高速切削下刀具的寿命反而高，这一特点尤其适合现代高速切削加工。B、硬态切削加工技术的最佳刀具材料对淬硬件(硬度HRC55以上)的精加工，通常采用磨削加工方法来完成，然而随着刀具材料发展及车床(尤其是数控车床)加工精度的提高，以硬态切削代替磨削来完成零件的最终加工已成为一个新的精加工途径，这种以车代磨的工艺方法有以下优点： （1）可提高加工柔性，突破了砂轮磨削的限制，通过改变切削刃及走刀方式可以加工出几何形状各异的工件； （2）切削加工中的环保问题日益严峻，磨削加工产生的废液和废弃物越来越难以处理和清除，而且对人体有害，而硬态切削无须加冷却液，意义重大； （3）切削效率高，加工时间短，设备投资费用小，可降低加工成本； （4）切除相同体积所消耗的能量仅为磨削的20%，因此产生的切削热较少，加工表面不易引起烧伤和微小裂纹，易于保持工件表面性能的完整性； （5）同样金属去除率情况下，硬态切削较磨削节省能源。C、进行干切削加工工艺的理想刀具材料干切工艺：机理是由于切削速度很高，产生的热量聚集于刀具前部，使切削区附近材料达到红热状态，屈服强度下降，进而达到提高切削效率的效果。采用红月牙干切削工艺的前提条件是在较高切削温度下，被切材料强度有明显下降，变得易切削，而刀具材料的强度在同样状态下要有较好的红硬性及热稳定性，还要有较好的耐磨性和抗粘结性。 就红硬性和热稳定性来说，PCBN材料是最适合干切工艺的刀具材料，且由于PCBN刀具材料具有上述优点，更适于高速条件下的干式切削加工。D、适应于自动化加工及难加工材料加工PCBN刀具有很高的硬度及耐磨性，能在高切削速度下长时间地加工出高精度零件（尺寸分散性小），大大减少换刀次数和刀具磨损补偿停机所花费的时间。因此，很适合于数控机床及自动化程度较高的加工设备，并且能使设备的高效能得到充分发挥。 在难加工材料应用方面，PCBN刀具也显示了其卓越的性能，如表面喷焊(涂)材料的加工，用其它材料刀具加工，刀具寿命极低，也无法采用磨削方法加工，而PCBN是惟一适合的刀具材料；又如，在石油电站设备中使用的高合金耐磨铸铁，采用PCBN刀具较硬质合金刀具提高切削效率4倍以上，单件刀具成本下降为原来的1/5。另外在硬质合金等烧结材料的切削加工方面，PCBN刀具也显示了很好的切削性能。4、PCBN 刀具的合理使用由于 PCBN 刀具材料具有优良的切削性能，所以特别适合加工其硬度在 HRC45 以上的淬火钢、耐磨铸铁、 HRC35 以上的耐热合金以及 HRC30 以下而其它刀片很难加工的珠光体灰口铸铁。（1）硬态切削时，径向力很大，这就要求机床功率要大，机床系统刚性要好，这既可保护 PCBN 刀具，又可获得满意的加工效果。PCBN 刀片常用切削用量工件材料 切削速度 (m/min) 进给量 (mm/r) 切削深度 (mm)灰铸铁 180 230HB 400 1000 0.15 0.5 0.12 2.0硬铸铁 400HB 70 150 0.15 0.5 0.12 2.0淬火钢 45HRC 60 140 0.15 0.5 0.2 2.5耐热合金 35HRC 100 240 0.05 0.3 0.1 2.5（2）PCBN 刀具的强度比硬质合金刀具低，因此在硬态切削加工时，一般都采用负前角、较大的后角和负倒棱，这不仅有利于对切削刃进行补强，而且具有很好的耐磨性。（3）为很好地使用 PCBN 刀具，稳定地控制工件质量，准确判断 PCBN 刀具的耐用度至关重要。（4）对于硬度高和不规则的工件，由于 PCBN 刀片较脆、怕冲击。从工件端面切入、切出，尤其在表面有夹渣、砂眼、凹凸不平的时候，最易发生冲击，使刃口破裂，造成耐用度降低。（5）PCBN 刀具不适于加工较软的黑色金属材料。 （6）确定切削速度、进给量及切削深度要综合考虑生产效率和加工成本。（7）使用 PCBN 刀具时，可加冷却液，也可不加，使用冷却液时则一定要充分冷却。PCBN 刀片的磨损形式、原因及预防措施 四、PCBN刀具的磨损形式 主要原因 预防措施月牙洼磨损 工件硬度太软；切速太快；产生化学和扩散磨损 改用硬质合金刀具或陶瓷刀具；降低切速 使用冷却液。压力面磨损 切削速度太快；进给量太大；刀具后角太小 增大切速和进给量；增大后角。边界磨损 主偏角太大；进给量太大；切速太小 减小主偏角；减小进给量；增大切速。断裂磨损 系统刚性差；刀尖角太小；进给量与切速太大；刀具刃口脆 提高系统刚性，增大刀尖角；降低进给量和切速并采用负倒棱刀具。PCBN 层破裂 系统刚性差；工件冲击太大； PCBN 层太薄，刀具刃口过脆 提高工艺系统刚性；工件表面预加工和倒角；采用厚的 PCBN 层；采用负倒棱刀具。五、PCBN刀具的修磨陶瓷结合剂金刚石砂轮结合金刚石和陶瓷结合剂的共同特点，具有磨削力强，磨削时温度比较低，磨具磨损比较小；可以适应各种冷却液的作用；磨削时磨具的形状保持性好，磨出工件的精度高；磨具内有较多的气孔，磨削时有利于