ＰＣＢＮ 刀具非常适合于硬态材料的高速切削、干式切削 ,并能加工金刚石刀具所不能加工的黑色金属材料 ,特别适合数控设备及自动化生产线的使用。ＰＣＢＮ刀具有很高的耐磨性 ,其使用寿命远远高于硬质合金 ,可加工大部分高硬度材料 ,在许多场合可以以车、镗、铣等代磨加工工艺 ,能使被加工零件获得高的精度和良好的表面质量 ,并大大提高生产效率。国外ＰＣＢＮ刀具已广泛用来加工淬硬钢、高硬度铸铁和抗磨零件 ,并带来了巨大的经济效益。随着机械零件的硬度和抗磨损性能要求的进一步提高 ,ＰＣＢＮ刀具的使用必将更加广泛。国内ＰＣＢＮ刀具的使用还不够广泛 ,主要是缺乏有关的系统性研究 ,认为它价格高 ,对使用条件要求高 ,多以单件刀具成本来片面地衡量经济效益 ,限制了ＰＣＢＮ刀具的推广使用。 一、ＰＣＢＮ刀具的性能特点1.具有较高的硬度和耐磨性 ＰＣＢＮ的硬度虽略低于金刚石 ,但却远远高于其它高硬度材料 ,并具有很高的耐磨性 ,适合于加工高硬度材料。 2 .具有很高的热稳定性 ＰＣＢＮ在 80 0℃时的硬图 1 高温下ＰＣＢＮ刀具的硬度度还高于陶瓷和硬质合金的常温硬度 ,如图 1所示。因此ＰＣＢＮ刀具可用比硬质合金刀具高 3～ 5倍的速度来高速切削高温合金和淬硬钢 ,并保持高硬度。 3.具有优良的化学稳定性 ＣＢＮ的化学惰性特别大 ,在 12 0 0～ 130 0℃时也不与铁系材料发生反应 ,与碳在 2 0 0 0℃时才发生反应 ;在中性、还原性的气体中 ,对酸碱都是稳定的 ;其对各种材料的粘结、扩散作用比硬质合金小得多 ,因此ＰＣＢＮ刀具特别适合加工钢铁材料。4 .具有较好的导热性 ＣＢＮ的导热性仅次于金刚石 ,导热系数为 130 0Ｗ (ｍ·℃ ) ,是紫铜的 3.2倍 ,是硬质合金的 2 0倍 ,立方氮化硼与陶瓷的导热系数的比率为 37.1(130 0∶35 ) ,且随着温度的升高ＰＣＢＮ导热系数是增加的 ,而氧化铝的导热系数是减少的 ,因此ＰＣＢＮ刀具适合精加工。5 .具有较低的摩擦系数 ＣＢＮ与不同材料间的摩擦系数为 0 .1～ 0 .3,随着切削速度的提高 ,摩擦系数是减小的 ,因此ＰＣＢＮ刀具非常适合高速切削加工。6.ＰＣＢＮ刀具切削淬硬钢时的金属软化效应 ＰＣＢＮ刀具的重要用途之一是加工硬质材料 ,由于它的高温硬度和热稳定性 ,因此可以进行高速切削 ,切削热使被切削层金属软化、硬度降低而易于切削加工 ,刀具仍然保持高硬度。ＰＣＢＮ刀具的这一特性被称为金属软化效应。产生金属软化效应的决定性因素是切削温度。实验证明 ,ＨＲＣ5 0是切削机理产生变化的临界点 ,产生金属软化效应的条件是工件材料的硬度要大于ＨＲＣ5 0。另外 ,ＨＲＣ5 0也是区分普通切削与硬态切削的临界点。 二、刀具结构及几何参数的优选目前常见ＰＣＢＮ刀具切削部分的结构形式大致可分为聚晶刀头式、机夹可重磨式、 可转位刀片式和焊接式 4类。切削部分几何参数选择的是否合理对ＰＣＢＮ刀具寿命有很大影响 ,设计时要着重考虑刀刃及刀尖强度。前角一般为 0°～ - 10° ,通常采用 0°前角的居多。后角一般选择的较小 ,在 6°～ 10° ,以保证刀具切削部分的楔角足够大。刃倾角无特殊要求时多取为 0°或负值 ,以保证刀刃切入时有较好的受力状态。刀尖角一般不要小于 90° ,并把刀尖研磨成ｒε=0 .4～ 1.2ｍｍ的圆弧以保证刀尖有足够的强度。在ＰＣＢＮ刀具切削部分几何参数中 ,负倒棱的选择是最重要的 ,一般通过负倒棱来增加切削刃强度 ,负倒棱宽度一般取为 0 .1～0 .3ｍｍ ,负倒棱前角为 - 15°～ - 30°。主偏角和副偏角的选取主要是根据具体加工情况而定。 三、ＣＢＮ刀具应用实例针对微型汽车发动机上进气门座、排气门座的压环 ,研制开发了ＰＣＢＮ系列刀具 ,通过一系列的跟踪记录、测试与调查显示 ,研制的刀具寿命明显高于其它厂家的同类产品 ,创造了较大的经济效益。1.刀具材料的选择通过刀具制造工艺的研制及生产现场的使用效果 ,从日本住友公司、美国ＧＥ公司及英国ＤｅＢｅｅｒｓ公司的系列产品中 ,优选出ＤｅＢｅｅｒｓ公司的ＡＭＢＯＲＩＴＥＤＢＡ80和ＡＭＢＯＲＩＴＥＤＢＣ5 0两种牌号刀具材料。ＰＣＢＮ超硬刀具材料由于不同的ＣＢＮ含量、晶粒尺寸和结合剂种类使得ＰＣＢＮ材料的性能有很大差异。适合精加工的 ＡＭＢＯＲＩＴＥＤＢＣ5 0 ,是一种复合片形式 ,ＣＢＮ含量为 5 0 % ,粘结剂是ＴｉＣ ,它具有优异的切削刃稳定性。目前该公司推出的增强型ＡＭＢＯＲＩＴＥＤＢＣ5 0产品 ,保持了原有ＤＢＣ5 0的优点 ,同时提高了“立方氮化硼复合片”(ＰＣＢＮ)的刃口强度。该产品在保持原来基本成分、ＣＢＮ含量、颗粒尺寸和粘接相成分的情况下 ,通过先进的制备技术 ,改善了颗粒间的结合强度 ,这是ＰＣＢＮ材料获得高质量刃口的关键因素。另外 ,提高颗粒间结合强度 ,减少了陶瓷基体裂纹 ,也可提高刃口的耐磨性 ,进而提高了刀具寿命。由ＡＭ ＢＯＲＩＴＥＤＢＣ5 0和ＡＭＢＯＲＩＴＥＤＢＡ80制造的代号为0 0 1、0 0 2、0 0 3、0 0 5的 4种型号刀具的化学成分如表 1所示。表 1 0 0 1、0 0 2、0 0 3、0 0 5型号刀具的化学成分刀具代号材料名称ＣＢＮ含量 (% )粒度 (μｍ) 粘结剂0 0 1、0 0 20 0 3、0 0 5ＡＭＢＯＲＩＴＥＤＢＣ50ＡＭＢＯＲＩＴＥＤＢＡ80508026ＴｉＣＴｉ、Ａ1 2 .被加工材料的性能微型汽车发动机的气门座压环有进气环和排气环两种 ,材料成分如表 2所示。排气门环的化学成分比进气环的多了Ｎｉ、Ｗ、Ｃｒ等元素 ,因此其强度、硬度比进气门环高一些 ,加工难度也大一些。表 2 发动机气门环、气缸盖材料化学成分及性能、组织进气门环排气门环气门座化学成分 Ｃ 0 .8～ 1 .2 %Ｍｏ 0 .3～ 0 .6%Ｃｕ 2 .0～ 4 .0 %其它 <2 %其余Ｆｅ Ｃ 0 .8～ 1 .3 %Ｎｉ 1 .5～ 4 .0 %Ｍｏ 0 .5～ 2 .0 %Ｃｕ 1 .5～ 4 %Ｗ0 .5～ 2 % ,Ｃｒ1 .0～ 4.0 %其它 <1 % ,其余ＦｅＳｉ4 .5～ 5 .5%Ｃｕ 1 .0～ 1 .5 %Ｍｇ 0 .35～ 0 .6 %Ｆｅ <0 .8%其余Ａ1 压溃强度 343ＭＰａ 441ＭＰａ金相组织 珠光体≥ 60 %渗碳体≤ 7%珠光体≥ 60 %渗碳体≤ 7% 3.刀具的几何形状针对进气门环和排气门环的不同特点研制的 4种成型刮刀的几何形状如图 2～图 4所示。图 2 0 0 1刀 具形状图 3 0 0 2、0 0 5 刀具形状图 4 0 0 3刀 具形状 0 0 1、0 0 2型车刀的材料是ＡＭＢＯＲＩＴＥＤＢＣ5 0 ,0 0 3、0 0 5型车刀的材料是ＡＭＢＯＲＩＴＥＤＢＡ80 ,均为焊接式结构。ＰＣＢＮ复合片与刀杆连接可靠 ,可进行多次重磨。各种型号刀具的几何参数是 :0 0 1型车刀的主偏角为30° ,0 0 3型车刀的主偏角为 4 5°,0 0 2、0 0 5型刀具的主偏角均为 75°,副偏角均为 30°,它们的前角均为 0° ,后角均为 6°,刃倾角均为 0°。负倒棱宽度在 0 .15～ 0 .2 5ｍｍ之间 ,负倒棱前角在 - 10°～ - 2 0°之间。其用途分别为 :0 0 1、0 0 2、0 0 3用于加工进气门 ,0 0 1、0 0 3、0 0 5用于加工排气门。在精加工进、排气门环及导套孔工序中 ,因为被加工表面多 ,又需同时对气门座和气门环进行切削以确保加工质量 ,因此将多把车刀同时安装在一个刀柄上。用以上ＰＣＢＮ系列刀具加工的气门环及气门座的加工表面如图 5所示。图 5 气门环及气门座 加工表面示意图4 .ＰＣＢＮ刀具的损伤特征及显微分析现代制造工程 2 0 0 2 ( 5 ) 在进行切削的过程中 ,刀具的前刀面、后刀面经常与工件、切屑产生强烈的摩擦 ,使切削区的温度、压力很高 ,尽管有冷却液的作用 ,但刀具的前刀面、后刀面随着切削的进行都会产生磨损或破损。ＰＣＢＮ系列刀具在加工发动机气门环的过程中 ,因刀具的材料不同及加工部位的不同 ,所产生的损伤情况也不同 ,通过对复合片原始表面及已损伤刀具的表面进行的微观形貌观察及化学元素的分析可以查明ＰＣＢＮ刀具切削气门环时的损伤原因。ＰＣＢＮ系列刀具在切削气门 环的过程中 ,产生的损伤形态主要有 :1)刀具的前、后刀面在工作部位同时产生磨损带 ,一般是前刀面上产生月牙洼磨损 ,后刀面上产生宽度基本均匀的磨损带 ,使后角变为 0°。0 0 3型、0 0 5型车刀的材料相同 ,磨损形式基本相同。前刀面上形成的月牙洼磨损带在切削过程中 ,磨损量逐渐增加 ,使实际切削刃低于未磨损刃的高度 ,但由于ＰＣＢＮ刀具的高温硬度高 ,只有达到一定的温度和压力后才能产生磨损 ,况且又有切削液的作用 ,因此月牙洼磨损只产生在距离刀刃很近的部分 ,且很窄。月牙洼实际上起源于ＰＣＢＮ材料早期脆性损伤而引起的剥落。用ＡＭＢＯＲＩＴＥＤＢＡ80制造的刀具在应用中主要是磨损失效 ,经过重磨后能继续使用 ,所以 0 0 3、0 0 5型刀具的使用寿命较高。2 )刀具主切削刃的工作部位产生微小的锯齿崩刃或大块剥落。
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