立方氮化硼刀具及其应用
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摘要：时下，切削技术亦已进入了高速切削阶段。随之刀具的使用也将越来越广泛。由此，刀具材料门类也是日趋丰富。本文详细介绍了一种立方氮化硼刀具的特点及实际使用实例。
关键词：切削；刀具；模具
立方氮化硼（CBN）是上世纪70年代初发明的一种新型刀具材料，国外应用相当普及，特别适用于切削难加工材料，效果不错，我国还处于起步阶段，在汽车、轴承、工具等领域的应用刚刚开始，随着世界制造技术向中国内地转移，数控技术和微电子技术的飞快发展，高效率、高质量、高精度切削加工日趋成熟，对CBN刀具需求量大幅提升，认识和了解CBN并应用于实践是大势所趋。
1 立方氮化硼刀具的主要性能特点
1.1 很高的硬度和耐磨性
CBN晶体结构与金刚石相似，同属面心立方晶系，不仅晶格常数相近，且晶体中化学键的类型也相同，因此具有与金刚石相近的硬度。CBN微粉的显微硬度为8000～9000HV，聚晶立方氮化硼（PCBN）烧结体的硬度达到3000～5000HV。在切削耐磨材料时其耐磨性为硬质合金刀具的50倍，为涂层硬质合金刀具的30倍，为陶瓷刀具的25倍。PCBN特别适用于以前只能磨加工的高硬度材料，能获得较好的表面粗糙度，实现"以车代磨"。从而可以消除"磨退火"弊病，并简化工艺，大幅度节约工时，增加经济效益。
1.2 较高的热稳定性
CBN的耐热性达到1400～1500℃，比金刚石的耐热性（700～800℃）几乎高1倍。CBN在1370℃以上由立方晶体变为六方晶体而开始软化。PCBN在800℃时的硬度还高于陶瓷和硬质合金的室温硬度。因此PCBN刀具可用比硬质合金刀具高3～5倍的速度切削高温合金和淬硬钢。
1.3 优良的化学稳定性
CBN是化学惰性特别大的物质，在中性的、还原性的气体介质中，对酸和碱都是稳定的，在大气和水蒸气中，900℃以下无任何反应，且稳定。与铁系材料到1200～1300℃时也不发生化学作用，与碳在2000℃时才起反应。实践证明，CBN与各种材料的粘接和扩散作用比硬质合金小得多。CBN具有很高的抗氧化能力，在1000℃时也不会产生氧化现象。因此，PCBN刀具很适合切削淬火过的零件和冷硬铸铁。
但是，CBN在1000℃以上会与水起化学反应，因此湿切削时要选择好切削液，最好使用干切削。
1.4 良好的热导性
CBN的热导性虽然赶不上金刚石，但是在各类刀具材料中PCBN的热导性仅次于金刚石，大大高于高速钢和硬质合金。热导率高可使刀尖温度下降快，减少刀具的磨损，有利于加工精度的提高。
1.5 较低的摩擦系数
CBN与不同材料间的摩擦系数约为0.1～0.3，比硬质合金的摩擦系数（0.4～0.6）小得多。随着切削温度的提高，摩擦系数减少。低的摩擦系数可使切削力减少，切削温度降低，被加工表面质量提高。
CBN刀具有很多优点，但也有软肋，如脆性大，强度及韧性较差，我们要扬长避短，充分发挥其效能。
2 立方氮化硼刀具在切削加工中的应用实例
2.1 高速、高精度加工模具用CBN立铣刀
近年来，加工中心机床的高速化极大地促进了模具加工的高速化。早期，高速钢立铣刀是模具加工的主流刀具，当机床主轴超过1万转后，涂层硬质合金立铣刀成为主流加工刀具；如今，主轴最高转数达4～6万转的加工中心机床开始普及使用，CBN立铣刀就成为模具加工的主流刀具了。
日本佳友电工超硬材料公司与不二越工具公司首次合作，开发了转速超过2万转/min的高速铣削的CBN球头立铣刀，刀具直径Φ0.4～20mm，共10种规格。该铣刀的使用寿命是同规格硬质合金球头的立铣刀的4倍以上，价格为2.43～2.55万日元。2006年两个公司的刀具销售额高达1亿日元。今后随着模具高效加工的需求不断增加以及每分钟2～2.5万转高性能高速机床的普及使用，对CBN刀具需求量会快速增加[1]。
2.2 用PCBN刀片精车淬硬钢
采用PCBN刀片精车硬度高于45HRC的淬硬钢工件，可取得很好的加工效果。精车时的切削速度一般为80～120m/min，若工件的硬度较高时宜取低值；如车削硬度为70HRC的工件（如粉末高速钢）时其车削速度一般取60～80m/min。精车时选择切深为0.10～0.30mm，进给量为0.05～0.025mm/r，精车后的表面粗糙度可达Ra0.3～0.6μm，尺寸精度可达0.013mm。由于PCBN刀具的刚性好且刀口锋利，若能在刚性好的标准数控车床或车削加工中心上使用，则精车后工件表面的粗糙度可达Ra0.3μm以下，尺寸精度可达0.01mm，达到数控磨床的加工水平。
精车时一般不用冷却液，因为在较高的切削速度下，大量的切削热被切屑带走。精车刀片宜选用强度和韧性高的80°菱形刀片，刀尖半径为0.8～1.2mm，为保护刀具刀口，提高刀具耐用度，使用前应用细油石倒棱。
2.3 用PCBN刀具加工铸铁
在现代切削加工中，灰铸铁由于其内部结构的特性原因，一直是切削加工中的难题。如果切削刀具选用不当，切削工艺不正确，不但切削费用高，原材料浪费大，且生产效率低，产品质量差。针对这种情况，美国通用电气公司（GE）经过多次实验和应用实践，证明PCBN刀具是加工灰铸铁的理想刀具[2]。
采用PCBN刀具车削灰铸铁时，许多可变因素如切削参数、刀具几何形状、机床性能及工件材料都会影响车削加工的效果。以下仅举车削参数为例。
PCBN车刀在加工灰铸铁时，其切削用量的正确选择是加工中非常重要的一环，实践证明，其切削速度选择在600～1200m/min范围内，进给量应在1.52～10.16mm之间，吃刀量（DOC）应在0.12～2.54mm区间。如果偏离这个范围加工，则会出现刀具使用寿命缩短，加工精度降低和表面质量差等问题。在切削速度、进给量和切刀量三个因素中，切削速度是最主要的因素。GE公司的经验表明，按照推荐的参数进行车削时，刀具的磨损量是随着切削速度的增加而降低，也就是说切削速度的快慢直接影响刀具的磨损程度。
为了解决PCBN刀具在切削中的磨损问题，GE公司在试验中发现，刀具的氧化磨损与切削时间和切削温度有关，只有将切削温度和切屑接触区降至最低程度，才能消除或降低刀具氧化磨损问题。
2.4 用PCBN刀具精密切削GCr15淬硬钢
按照传统工艺，精磨往往是淬硬轴承钢常用机械加工方法，随着数控机床等加工设备精度的提高及PCBN刀具的成功应用，以车代磨完成精加工已成为加工淬硬轴承钢的新途径。
由于PCBN刀具材料脆性大，因此使用前一般都要进行倒圆（R200～400μm）和倒棱处理。在切削过程中，由于切削深度和进给量均很小，大钝圆和负倒棱实际上成为刀具主要参与切削的部分。
用PCBN刀具连续切削淬硬轴承钢时，常用切削速度为90～200m/min，进给量为0.05～0.20mm/r，切削深度为0.10～0.50mm，所需的切削功率并不大，但刀具所承受的冲击力却是普通切削的3倍以上[3]，单位切削力高达5000MPa。
2.5 机夹PCBN可转位刀片面铣刀端铣加工Cr12MoV钢模具
Cr12MoV钢模具经淬火回火后硬度为60～62HRC，机夹PCBN可转位刀片端面铣刀切削参数为：主轴转速110m/min，进给量0.40mm/r，铣深0.2～0.3mm，铣削表面粗糙度Ra0.4～0.8μm，实现了以铣代磨，工效提高5倍以上。
2.6 CBN铰刀铰削淬硬钢
在经调质的刀体上镶CBN刀刃的铰刀，用这种铰刀在C620-3车床上加工硬度为60～63HRC的GCr15钢环和硬度为62～64HRC M2钢轴套上铰孔，在转速30～130m/min，进给量0.07～0.20mm/r，铰深0.1～0.4mm时，都能获得满意的效果，且没有振动和切削刃严重磨损的情况，表面粗糙度可达Ra0.2μm。
3 展望
CBN是继人工合成金刚石之后出现的利用超高压高温技术获得的第二种无机超硬刀具材料。在数控技术和刀具技术的共同推动下，切削加工技术已进入了高速切削的阶段，近20年切削速度提高了5～10倍。现在CBN等超硬刀具已开始用于汽车、航空、航天和模具等行业各种材料的高速切削加工，效果卓著。
在现代加工中刀具费用占制造成本的3%～4%，但它对总制造成本的影响却要大得多[4]。加工效率提高20%，加工成本可降低15%，而刀具价格下降20%，加工成本只能降低0.6%，刀具寿命延长1倍加工成本也只能降低1.5%。不少企业化巨额引进高效率的机床，却使用低性能的焊接刀具，好马未有配好鞍，难以发挥引进设备的作用反而造成更大的浪费。
于是，人们似乎领悟到，加大刀具投入应着眼于高速切削，只有切削速度加快了，才是提高效率和降低成本的有效途径。这是近年来切削理论的一大进步，切削加工也因此进了高速切削的时代。
难加工材料越来越多，作为切削难加工刀具主要材料的CBN前途一片光明。
参考文献
[1] 廖先富译.高速加工用CBN立铣刀.工具展望.2007（2）：17～18.
[2] 拾贝编译.PCBN刀具在灰铸铁在车削中的正确使用.工具技术.1995（2）：47～48.
[3] 文东辉等.用PCBN刀具精密切削GCr15淬硬轴承钢.工具技术.2002（3）：11～12.
[4] 高翔.不断更新切削理念发展切削技术.金属切削.2006年10月号：56～57.