PCBN刀具在切削加工中的应用

优胜编程龚老师

PCBN刀具在切削加工中的应用


1PCBN刀具材料的性能PCBN的组成成分对刀具性能的影响1.1.1结合剂对PCBN刀具性能的影响属，主要影响PCBN的韧性和导电性；陶瓷结合剂有TiN、TiN-AlN、Al23等，主要影响PCBN的热稳定性；也有同时加入金属和陶瓷结合剂的。



　　1.1.2CBN的含量对PCBN刀具性能的影响CBN是人工合成的，硬度仅次于金刚石，其晶粒硬度可达HV80009000，远远高于陶瓷和硬质合金。PCBN复合片的硬度（通常为HV30005000）主要取决于CBN的含量（如所示），一般CBN含量在40%95%之间。随着CBN含量的增高，PCBN的硬度随之增加；而耐磨性与CBN含量之间不是单调关系，不同加工条件下对应不同的最佳值。如所示，加工模具钢时，CBN含量为55%左右条件下，刀具最耐磨；加工Cr06合金工具钢时，CBN含量越高，1.1.3CBN的晶粒尺寸对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%. PCBN复合片合金）制造（高温高压烧结体）和把复合片进行切割、焊接、刃磨制成各种刀具。PCBN刀具由于能耐12001300C的高温，而且在1200C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时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。在加工HRC50以上硬度的工件时，PCBN刀具才发挥出其超硬性能。如加工HRC60左右硬度的工件，其寿命要高于硬质合金刀具寿命10倍以上。

　　PCBN刀具的结构将大颗粒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：一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；二是烧结块大小有限，因此重磨次数少，且重磨时需磨3个刀面。

　　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：刀头部分可重磨，增加了刀具的使用寿命；刀杆可重复使用，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。这种结构的缺点：一是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；二是刀尖部分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，当切削温度增高时，焊接部分软化，强度下降，整个PCBN复合片脱落，造成打刀。

　　在可转位硬质合金刀片的一个角（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转位刀杆之上。而且除了同上述（1）的结构具有同样缺点外，还有一个缺点是不能重磨。因此，刀具的成本较高。目前，此刀具主要用于自动化程度较高的加工中心及数控机床上。

　　焊接式PCBN刀具结构。其特点是重磨次数多，且PCBN复合片与刀具连接可靠。但这种刀具要求PCBN复合片质量要高，否则若产生大面积崩刀，则整个刀具报废。

　　2PCBN刀具的应用2.1用PCBN刀具精车淬硬钢淬硬钢工件常规的加工工艺是粗磨、精磨。随着现代切削加工与刀具材料技术的发展，可采用高精度的车削工艺代替磨削加工，为淬硬工件的精加工开辟了一条快而经济的新途径。

　　对于精车淬硬钢工件，只有硬度高于HRC45时最为有利（不需断屑）。切削速度F―般为80150m/min.工件硬度较高时，切削速度宜取低值。

　　如车削HRC70左右的工件，F=6080m/min.精车的切削深度在0.10.3mm，进给量在0.050.25 mm/r，精车后的工件表面粗糙度值可达也0.30.6，尺寸精度可达0.013mm.若采用刚性较好的标准数控车床加工，PCBN刀具刚性和刃口保护较好，则精车后的表面粗糙度可达也0.3，尺寸精度可达0.01mm，达到使用数控磨削的水平。

　　另外，也可精车断续表面，只是切削速度要适当，机床加工系统刚性要非常好，应选用高含量的PCBN复合刀片。

　　精车时，加工余量一般为0.3mm左右。在条件允许时，尽可能保证余量均匀，即提高淬火之前的尺寸精度，因为均匀的加工余量可以延长PCBN刀具寿命。精车一般不用切削液，因为它使用较高的切削速度，大量的热量将由切屑带走，很少会在工件表面产生热损伤及热变形。

　　精车刀片宜选择韧性和强度高的80菱形刀片，刀尖半径在0.81.2mm之间。刀尖半径越大，加工后的工件表面粗糙度值越低，但切削力增大，会使刚性不足的加工系统产生振颤。



　　PCBN刀具在使用前有必要用油石轻轻对刃口倒角，以保护其刃口。当采用车削工艺时，事先需用淬火的棒料进行粗加工或精加工试验。目前，国内已有许多单位采用了这种精车工艺，如某集团公司用PCBN刀具加工经渗碳淬火（HRC5863）的刀具切削行程达到9.58km. 2.2用PCBN刀具加工硬铸铁及高速切削灰铸铁加工灰铸铁PCBN刀具用于车削钢件时，要求工件淬火硬度高于HRC4555.而加工铸铁时，只要工件硬度达到中硬水平（HRC45），就很有成效。例如，现代发动机缸盖上的排气阀座都是采用铜、钼高铬合金铸铁，硬度为HRC44.其加工方法一般有锪、车两种工艺，大多在自动生产线上与拉铰导管孔一道加工，焊接于刀体上），平均耐用度为1200个阀座，加工表面粗糙度值为也0.4，锥面摆差0.05mm，刀具寿命高，质量稳定。

　　高速端面铣削如果把一个装有8块刀片的端铣刀改成只装有对称式的两片PCBN刀片，而将切削速度提高4倍，其结果是金属切除率相同，而切削力降低3/4.若采用陶瓷刀片，则需采用较大的负前角，切削条件变差，刀具寿命与加工质量都远远赶不上PCBN刀具。高速切削铸铁时，一般粗加工当然可使用K类硬质合金，精加工可用复合氮化硅陶瓷或PCBN复合片。但高速加工珠光体铸铁或冷硬合金铸铁时，使用PCBN刀具可比其它材料获得更长的寿命与更低的表面粗糙度值。

　　2.3难加工材料的切削加工钢、高强度钢及高镍合金等难加工材料，由于材料含有微观硬点，宏观硬度高，导热系数小，强度高，切削时塑性变形大，切削力剧增，切削温度高，刀具磨损剧烈，表面粗糙度值很低。唯有采用前角较大的PCBN刀具，选取适当的切削参数，如F=70100m/min，可以获得较高的加工效率与质量。

　　3结束语PCBN刀具是一种非常有前途的刀具材料，虽然具有很好的切削性能，但是对使用条件要求也很高。

　　因此只有正确选择PCBN刀具及结构，充分了解发挥PCBN刀具切削性能的使用条件，才能降低单件刀具费用，创造巨大的经济效益。