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当 前 ,切削加工的工作量约占整个机械制造业的 40 %左右 ,刀具在金属切削过程中起主导作用 ,刀具材料的性能和质量直接影响切削加工精度 ,我国刀具材料结构中高速钢占有绝对优势约 60 % ,硬质合金不到 40 % ,象 TIN涂层刀具、陶瓷刀具、金刚石以及立方氮化硼(CBN)等先进刀具材料应用很少。近年来 ,数控机床及自动线的广泛采用 ,要求刀具具有更大的尺寸、更高的耐用度和稳定性 ,而且机械零件也正朝着高强度、高硬度、高精度、耐腐蚀的方向发展 ,要求金属切削刀具能够加工高硬淬火钢 (HRC60以上 )、陶瓷及其它难加工材料 ,CBN刀具就在这种情况下产生 ,它的出现使刀具耐用度成倍、十几倍甚至几十倍地提高 ,使以前生产率极低的切削加工或不能切削的材料可以进行高效率切削加工 ,切削加工表面质量达到以前用磨削加工才能达到的水平。实践证明早先的刀具材料碳素工具钢的耐热度仅为 2 0 0°C,切削速度为 1 0 m/ min,硬质合金可耐热 80 0～ 1 0 0 0°C,其相应的切削速度可达 1 0 0 m/ min。陶瓷刀具的耐热温度在 1 2 0 0°C以上 ,因此其切削速度可达 1 0 0 0 m/ min以上 ,立方氮化硼 (CBN )刀具耐热度在 1 4 0 0～1 50 0°C,其切削速度可达 1 0 0 0 0 m/ min以上 ,故人们称立方氮化硼为 2 1世纪的材料。1 CBN的性能立方氮化硼 (CBN)是继人工合成金刚石后出现的利用超高温、高压技术获得的第二种无机超硬材料 ,它是由软的立方氮化硼在高温高压下加入催化剂合成的立方氮化硼单晶体和聚晶体。1 .1 高硬度和高耐磨性CBN的显微硬度 HV80 0 0～ 90 0 0 ,仅次于人造金刚石 HV1 0 0 0 0 ,比氮化硅陶瓷 HV50 0 0高出近一倍 ,在加工淬火钢及灰铸铁时 ,CBN刀具的耐磨性比硬质合金、陶瓷、金刚石刀具都高 (见图 1、图 2 ) ,因此 ,能保证高的加工精度和高的刀具耐用度。1- YT30硬质合金 ; 2 - Al2 O3 陶瓷 ;3-金刚石 ACB; 4 -立方氮化硼图 1 加工 W18Cr4 V(HRC6 4)1 .2 高热稳定性CBN耐热性可达 1 4 0 0～ 1 50 0°C,比金刚石的耐热性 (70 0～ 80 0°C)高得多 ,并具有抵抗周期性高温作用的能力 ,由于这一特性可用它来高速加工高温合金 ,其切削速度可为硬质合金刀具的 4～ 6倍。1- YT30硬质合金 ; 2 - Al2 O3 陶瓷 ;3-金刚石 ACB; 4 -立方氮化硼图 2 加工灰铸铁 (HB70 )1 .3 高化学惰性CBN本身结构稳定 ,化学惰性大 ,与别种材料的亲和力小 ,不易发生化学反应 ,它与金刚石不一样 ,与铁系材料直至 1 2 0 0～ 1 3 0 0°C时也不易起化学作用。因此在高温高压和高速运动的切削条件下 ,CBN刀具几乎不发生因粘结和化学扩散而引起的磨损 ,试验证明 ,CBN在空气中加热到 1 0 0 0°C时 ,其晶体氧化后在表面产生一层氧化硼薄膜 ,它可防止进一步氧化。不过 ,CBN在高温下与水起化学反应 ,由于水解作用造成大量 CBN被磨耗 ,因此 ,切不可用水或水溶性合成润滑剂作润滑冷却液 ,在高温下切削最好是干切。1 .4 良好的导热性CBN的导热性大大高于硬质合金 ,但比金刚石低 ,随着温度的升高 ,CBN的导热系数逐渐增大 ,这可导致入刀尖处切削温度的降低 ,提高刀具的耐用度。1 .5 较低的磨擦系数CBN刀具与淬火钢的磨擦系数约为 0 .2～0 .3 ,这样可减小切削力和降低切削温度。2 CBN适用范围CBN适用于数控机床、自动线、专用高速机床 ,主要对淬火钢、难加工材料进行高速车削、磨削等 ,CBN刀具使用后 ,改变了常规的多工序工艺 (粗加工 -热处理 -精或半精加工 -磨加工 )为单工序工艺 (热处理 -粗车 -半精车 -精车 ) ,CBN刀具主要用于粗车和精车。2 .1 加工淬火钢(1 )淬火钢轧辊 (HRC64-70 )的加工 ,一般都采用磨削的方法 ,现在则利用 CBN刀具进行加工 ,用圆形 CBN刀片 (r=-5°,α=5°)车削GCr1 5铬钢轧辊 HRC71时 ,切削用量选用切削速度 v为 84m/ min、ap为 8.9mm、f为 1 .6mm/ r,用乳化液冷却车削加工时只有磨削工时的四分之一 ,轧辊圆度及热处理时表面产生的氧化皮对刀具并无不良影响 ,而且能稳定地加工出较高的表面粗糙度 Ra 0 .8～ 3 .2μm,故可缩短精磨工时 ,而且刀刃长期保持锋利 ,切削功率小。(2 )以车代磨加工淬硬高速钢。用 CBN刀具以车代磨加工淬硬高速钢 W1 8Cr4V(HRC62 -65)切削用量为 ap为 0 .2 mm、f为0 .0 8mm/ r、切削速度 v为 3 4～ 84m/ min范围内发现 v为 54m/ min刀具磨损最小 ,连续切削2 0 min,刀具磨损量 Vb仅为 0 .1 5mm,被加工表面粗糙度可稳定在 Ra0 .4～ 1 .2 μm。(3 )镗孔。 CBN车刀在淬火的高速钢插齿刀上精镗孔时 ,精度可达一致 ,表面粗糙度Ra0 .8μm,在一次装夹中同时加工插齿刀的内孔和端面 ,则不仅能获得很高的生产率 ,而且可得到高的相互位置精度。(4)加工平面。用直径为 50 0 mm端铣刀盘 ,其上采用机械夹固式固定 CBN复合刀片 3～ 5片 ,加工 2 m2的大平面 ,以铣代磨 ,工效提高几十倍 ,切削用量采用 ap为 0 .1 5～ 0 .3 mm、f为 58～ 1 0 0 mm/r、v为 50 0～ 80 0 m/min,被加工表面粗糙度达到 Ra0 .8～ 1 .6μm,平面度小于0 .0 2 mm,达到二级板的水平。2 .2 加工铸铁用锋刃 CBN铣刀铣削灰铸铁 HT2 0 0零件平面时 ,表面粗糙度 Ra0 .8～ 1 .6μm,而且由于刀具尺寸耐用度很高 ,在 2 .5～ 3 m长度上直线度偏差不超过 1 0～ 1 8μm,加工时切削速度应大于 40 0 m/min。CBN可用于加工特殊铸铁 ,如 :在硬度为HB1 87-2 55时 ,不均匀的特殊高合金铸件上镗孔 ( 1 9H7)时 ,原硬质合金 YG8镗刀 ,在 v为61 m/min、ap为 0 .3 mm、f为 0 .0 4mm/r,后刀面磨损为 0 .1 mm 时 ,可切削的总长度为1 0 0 0 m,改用立方氮化硼刀具 ,v为 2 1 0 m/min、ap为 0 .3 mm、f为 0 .0 4mm/r,后刀面磨损为 0 .1mm时 ,切削的总长度为 450 0 m,刀具耐用度显著提高。(4) CBN车刀加工铸铁的切削速度一般为 40 0～ 60 0 m/min。2 .3 加工高温合金由于 CBN具有高的热稳定性 ,故适于高速切削高温合金 ,例如象镍基金因镍 71 8成分 :C0 .0 4% ,Cr 1 8.6% ,Mo 3 .1 % ,Nb 5% ,Ti0 .9% ,Al 0 .4% ,Fe 1 8.5% ,Mn 0 .2 % ,Si0 .3 % ,其余为 Ni,这样的超级耐热合金 ,粗加工时 ,在切削深度相同的条件下 ,采用的走刀量可为硬质合金的 8% ,金属切除率可比硬质合金提高 5倍 ,加工表面粗糙度 Ra3 .2～ 0 .8μm,且硬质合金只能达到 Ra3 .2 μm。高速切削高温合金实际是一种高温切削加工 ,当切削温度达到 1 0 0 0°C时 ,工件材料的强度会下降 ,而 CBN仍能保持常温下的硬度和强度 ,因此有利于切削加工 ,在粗车高温合金时 ,常用的切削量 v 为 1 50～ 1 85m/min、f为0 .1 3～ 0 .1 5mm/r、ap最大可达到 3 mm。2 .4 加工高铝陶瓷高铝陶瓷的主要化学成分 :Al2 O395.71 % ,Ca O2 .3 1 % ,Mg O0 .1 8% ,Si O2 1 .76% ,Fe2 O30 .0 4% ,由于高铝陶瓷的化学成分决定了其切削性差 ,因为 Si O2 硬质点的硬度很高 ,对刀具有强烈的擦伤作用 ,加速刀具磨损 ,降低刀具的耐用度 ,高铝陶瓷的热膨胀系数低 ,在温度发生剧烈变化时 ,陶瓷在热应力下发生裂碎 ,而且高温特性好 ,在 1 80 0°C高温下仍能保持其强度和耐磨性 ,从而加剧刀具的磨损 ,显然硬质合金刀具不适合加工高铝陶瓷 ,而根据 CBN刀具的特性选用了 CBN刀具。CBN刀具切削高强度陶瓷的特点是吃刀拉力大 ,主切削力小 ,这是由于高铝陶瓷硬度高 ,造成刀具切削切入困难 ,因此 CBN刀具车陶瓷的几何角度和切削参数 :r0 为 -6°,α为 8°,λs为 -8°,rε为 0 .4,v为 40 m/min,f为 0 .1 mm/r,ap为 0 .3 mm。3 CBN的发展CBN刀具在今后的金属切削中必将占有主导地位 ,并可部分代替人造金刚石 ,其发展方向为 :(1 )用 CBN刀具切削已热处理的毛坯原料以一次性切削代替常规的加工 -热处理 -精加工 -磨削等多工序加工 ,这样可减轻毛坯重量 ,节省加工时间 ,达到较好的经济效果。(2 )用 CBN磨具对铸、锻件毛坯进行一次性成形强力磨削来达到技术条件要求CBN刀具的性能及其用途.
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