2 PCBN刀具干切削GCr15时的磨损机理

1. PCBN刀具的磨损机理
   1. 机械磨损
      切削加工时，刀具与工件之间的高速相对运动引起剧烈摩擦，工件材料中的硬质点对刀具表面具有划伤作用，这种由机械摩擦引起的刀具磨损是最常见的磨损因素之一。由于PCBN刀具的硬度相对被加工材料要高得多，因此其机械磨损并不明显。
   2. 粘结剂磨损
      PCBN刀具由CBN晶粒与结合剂混合烧结而成。切削加工时，作为粘结剂的陶瓷或金属首先被磨耗，从而使CBN晶粒凸出刀具表面而受力松动，直至剥落。
      氧化磨损
      在一定条件下，CBN可与氧发生化学反应，氧置换出CBN中的氮并生成B₂O₃，氧化结果造成CBN晶体晶面凹陷、晶棱缩小，使刀具产生“钝化”现象。CBN在650℃时开始氧化(此时有N₂释出)，在1035℃时氧化加剧，其化学反应式为4BN_(CBN)+3O₂→2N₂↑+ 2B₂O₃
      水在高温下也可与CBN发生反应，其化学反应式为BN_(CBN)+3H₂O→H₃BO₃+ NH₃
      由于这种“水解”作用可导致CBN磨损，因此采用PCBN刀具切削时一般应避免使用水剂切削液。
   3. 逆转化(相变)磨损
      CBN 在1234℃时会发生CBN→HBN(六方氮化硼)的逆转化，这种转化起始于晶界微晶区，已转化为HBN的部分因硬度极低而失去切削能力，极易被高速运动 的“热切屑流”带走，从而导致PCBN刀具磨损，这种磨损称为逆转化磨损(也称相变磨损)。PCBN刀具在高温(>1200℃)下切削一段时间后， 刀刃部分的高温区有时会出现由许多小凹坑构成的不均匀“麻斑”，这是因为切削温度超过了CBN→HBN转化的临界温度所致。产生逆转化磨损后的刀具表面白 色“麻斑”实际就是CBN单晶脱落后残留的、已转化的HBN。在CBN→HBN的逆转化中，氧和氧化物起到了催化剂的作用。与此相反，金属钴可通过降低氧 化气氛而抑制CBN→HBN转化倾向。
   4. 化学磨损
      PCBN刀具在高温、高压、高速条件下进行切削加工时，刀具工作层与被加工材料及周围介质发生化学反应，当反应生成物被溶化后，在刀具前刀面上将形成一层液态薄膜，其成分主要为化学反应生成的氧化物、碳化物、氮化物、硼化物等(如B₂O₃、Fe-FeB₂共 晶体)，另外还有一些金属间化合物。这种液态薄膜对PCBN刀具的磨损具有较大影响。当切削速度较低时，液态薄膜的粘度较大，易被切屑粘结带走，因此刀具 磨损较为严重；随着切削速度的升高，切削温度上升，液态薄膜动力粘度下降，对刀—屑间的摩擦可起到明显的润滑作用，且BN在薄膜中已饱和，此时液态薄膜可 起到保护层的作用，防止成分扩散和化学磨损的进一步发展，故刀具磨损较小。切削试验表明，刀具结合剂中的Al含量越高，刀具后刀面的磨损速度越快，刀具寿 命越短。
   5. 扩散磨损
      CBN对铁族元素(Fe、Ni、Co等)具有很强的化学惰性。有研究表明：在CBN晶粒与电解铁的 扩散实验中(1200℃，加热30min)未发现两者之间相互扩散；在PCBN与55钢的扩散实验中(1200℃，加热30min)发现，CBN聚晶后， 刀具中的B、Co向Fe中有少量扩散。另外的加热实验表明：TiN基、TiC基PCBN刀具中的Al与被加工材料中的Ni发生了扩散；Co基PCBN刀具 中的Co与被加工材料中的Ni也发生相互扩散；若刀具材料中含有Ni，则扩散磨损更为严重。另外，当PCBN刀具结合剂中含有Al、被加工材料中含有Si 时，Si会向刀具中扩散并与Al结合形成SiAlON，从而导致刀具磨损。有研究表明：几种刀具材料与铁之间的相互扩散强度由大到小依次为：金刚石→碳化 硅→立方氮化硼→氧化铝；而它们与钛合金之间的相互扩散强度的大小顺序则刚好相反，分别为：氧化硅→立方氮化硼→碳化硅→金刚石。
   6. 粘结磨损
      虽 然CBN对铁族元素具有较高化学惰性，但对其它元素并非如此。PCBN刀具在一定压力和温度条件下进行切削时，随着切屑不断流出，刀尖与被加工材料均不断 裸露出新鲜表面，不可避免地要产生元素间的相互扩散，扩散结果使CBN的惰性不断降低，与合金元素的亲合倾向不断增加，并为粘结磨损创造了条件。由于切削 时切屑、工件与刀具前、后刀面之间存在剧烈摩擦和较大压力，促使它们之间发生粘结。当双方的相对运动使粘结区材料发生破裂而被一方带走时，就造成了 PCBN刀具的粘结磨损。研究表明：粘结磨损一般是以微粒脱落的形式出现。金属Ni会增大刀具与工件材料间的粘结强度，从而加剧粘结磨损。
   7. 微裂解磨损
      PCBN 是由无数微小而无方向相性的CBN单晶组成。在CBN聚晶过程中，通过触媒或添加剂向材料中扩散进去一些“杂质”(如Si、Ca、Cu等元素)，这些“杂 质”存在于晶界间。由于晶界为杂质富集区，强度相对薄弱，从某种意义上可视为“裂纹”(称为“精细裂纹”)。此外，在先天或加工条件(即使烧结良好)作用 下，在原始晶粒内部以及晶界处均存在着内应力。“精细裂纹”和内应力的存在导致聚晶体的实际强度远低于其理论值。PCBN刀具切削时，刀刃部微小单晶颗粒 脱落现象称为微裂解，数个CBN颗粒的剥落称为微崩刃。微裂解与微崩刃混杂磨损是超硬刀具材料特有的磨损类型。
      PCBN刀具切削时，由于热切屑流的摩擦与刮研、被加工材料材质不均导致的微冲击、机床—工件—刀具系统的振动等因素，使聚晶体首先在晶界处产生裂纹，单晶颗粒的非连续脱落造成刀具的微裂解和微崩刃，在刃口处形成凸凹不平的裂解区并不断扩大，直至引起裂断。
   8. 非正常磨损
      非 正常磨损主要指PCBN刀具的崩刃型破损(CBN团块崩落)。产生崩刃型破损的原因与切削条件选用不当、刀具使用不合理、加工设备条件差、操作者缺乏经验 等因素有关(有时也与复合片质量问题有关)。刀具刃磨质量不高也是造成刀具碎裂的一个重要因素。刃磨时在刀具表面留下的划痕会大大降低刀具强度，进而会使 CBN晶粒从划痕处脱落，造成刀具的微裂解磨损和微崩刃，直至刀具破损。
   PCBN刀具的各种磨损形式是相互影响、 共同作用的，如氧化磨损和相变磨损必然伴随着粘结磨损，并可使机械磨损加剧，同时也会促进剥落磨损和微崩刃磨损的产生。由于各种磨损因素的综合作用，使不 同磨损形式相互渗透与交错。当月牙洼磨损出现时，说明切削温度已接近1200℃；当刀具表面出现微小乳突状麻点时，表明发生了相变磨损，切削高温区已超过 1200℃，此时必须对切削用量、刀具几何角度等作相应调整，必要时可采取使用冷却液或N₂保护等防护性措施。
2. PCBN刀具的磨损形式
   1. 前刀面磨损
      使用PCBN刀具切削GCr15淬硬轴承钢时，其前刀面磨损形式为月牙洼磨损，磨损形貌如图1所示。由于PCBN刀具的高温硬度高，只有达到一定温度和压力后才会产生磨损，因此月牙洼磨损只发生在距刀刃很近的部分，且宽度很窄，这一点有别于硬质合金刀具。
      

      图1 PCBN刀具前刀面磨损形貌

      图2 PCBN刀具后刀面磨损形貌

   2. 后刀面磨损
      PCBN刀具切削GCr15淬硬轴承钢时的后刀面磨损形貌如图2所示。从外观上可观察到以机械磨损为主的磨损带，同时粘有一些工件材料，并有CBN晶粒脱落现象。仅从磨损形式上看与硬质合金刀具的磨损并无明显区别，只是磨损量很小。
3. PCBN刀具磨损原因分析
   通 过对PCBN复合片原始表面及已磨损刀具的前、后刀面进行微观形貌拍照及化学元素分析，可查明PCBN刀具的磨损原因。为比较不同位置的磨损差异，在前刀 面上选取3个测试点，即距离刀刃较近的A点、月牙洼底部的B点和月牙洼背部的C点(参见图1)；在后刀面磨损带上选取2个测试点，即距离刀刃较近的D点和 磨损带结束部位的E点(参见图2)。用HITACHI X-650扫描电镜(配备电子探针)进行检测。
   图3所示的电子探针分析结果表明，BN500牌号的PCBN复合片所含主要元素有Ti、Al、Hf、N等(由于电子探针的性能关系，未检测出B元素)。
   GCr15轴承钢材料所含化学成分及其含量见表1。通过与PCBN刀具材料成分进行对比，可分析刀具的磨损原因。

   表1 GCr15的化学成分及含量

   成分	C	Mn	Si	Cr	S	P
   含量(%)	0.95～1.05	0.20～0.40	0.15～0.35	1.30～1.65	<0.020	<0.027

   通 过比较前刀面上A、B、C各点的检测结果可知，月牙洼磨损部位增加了Fe、O、C等元素，且其含量与月牙洼部位有关，月牙洼底部的元素含量最高，如图4所 示，其中Fe和O元素显示最为清晰。上述元素中，Fe和C来自工件材料，O来自空气，说明造成前刀面磨损的原因除机械磨损外，还有氧化磨损和化学磨损。来 自工件材料的Fe和C在高温高压作用下与BN500 结合剂中的金属元素生成金属间化合物，Fe还可与CBN中的B反应生成Fe-FeB₂共晶体，从而加快了PCBN复合片的磨损。
   

   图3 BN500 复合片原始表面化学元素分析结果

   图4 前刀面月牙洼底部化学元素分析

   图5 后刀面磨损带刀刃附近点的化学元素分析

   由微观形貌的电镜照片可见，刀具表面比复合片的原始表面粗糙得多，并有CBN晶粒凸出，说明其周围的结合剂已被磨去。比较A、B、C三点的磨损情况可知，其磨损原因相同，仅在磨损程度上存在差别。
   通 过比较后刀面磨损带上D、E点的检测结果可知，在距刀刃较近的D点处(见图5)含有Cr、Fe、C、O等元素，其中Cr、Fe、C等元素来自工件材料，O 来自空气，说明在D点附近除机械磨损外，还有氧化磨损和化学磨损，磨损原因与前刀面基本相同，不同的是在后刀面D点处多了Cr元素，可能产生更为复杂的磨 损机理。E点处的化学成分较原复合片多了C、Rb、S、Mn等元素，其中Rb为原复合片中的添加元素，C、S、Mn等元素来自工件材料，这些元素与复合片 结合剂中的元素生成碳化物、硫化物和复杂的金属间化合物，从而加剧了刀具磨损。比较D、E两点处检出的元素可知，在D点存在氧化磨损及有铬、铁的化合物生 成，而在E点并无这一磨损机制；在E点处存在S、Mn元素，并产生相应的化学磨损，而在D点处不存在此磨损原因。
   由微观形貌的电镜照片 可见，后刀面上D、E两点的微观形貌更为粗糙，且在D点处还粘有异物，在低倍照片上可见后刀面上麻坑较多，说明已有CBN晶粒脱落。另外，前、后刀面磨损 部分的金属Al能谱强度有大幅降低，说明其含量已有减少，而Al作为粘接剂存在于刀具材料中，Al含量的减少说明前、后刀面都有粘结磨损发生。

3 干切削GCr15时PCBN刀具的寿命分析

1. 工件硬度对刀具磨损的影响
   通 过对加工5种硬度(30、40、50、60、64HRC)的工件时刀具后刀面磨损及前刀面月牙洼宽度磨损试验，可分析工件硬度对刀具磨损的影响规律。加工 各种硬度工件时的后刀面磨损量VB的对比如图6所示。当工件硬度为40、50HRC时，其后刀面磨损量最大，月牙洼磨损也呈现出相同规律(见图7)；而加 工较高或较低硬度的工件时刀具的相对磨损量均较小。这一结果表明，当工件硬度在40～50HRC范围内时(此时切削温度较高)，刀具磨损量最大。由此可 知：PCBN刀具不适合加工硬度为临界硬度(GCr15的临界硬度为50HRC)附近的工件，加工高硬度材料时更能发挥其优良的切削性能。
2. 两种切削条件下PCBN刀具的寿命
   为了研究PCBN刀具的磨损规律，分别选取40HRC和60HRC两种硬度的GCr15材料，通过改变切削速度进行刀具磨损试验，刀具磨损曲线分别如图8、图9 所示。
   

   图6 加工不同硬度工件时的后刀面磨损量VB	图7 加工不同硬度工件时的月牙洼宽度KB
   图8 刀具磨损曲线(60HRC)	图9 刀具磨损曲线(40HRC)

   通过对试验数据进行处理，可得到相应的刀具寿命方程。在a_p=0.5mm，f=0.15mm/r，工件硬度为60HRC条件下，选取后刀面磨损量VB=0.2mm为磨钝标准，则切削速度与刀具寿命的关系为VT^0.689=1177，相关系数r=0.98；在a_p=0.2mm，f=0.08mm/r，工件硬度为40HRC条件下，选取后刀面磨损量VB=0.15mm为磨钝标准，则切削速度与刀具寿命的关系为VT^0.662=752， 相关系数r=0.99。由两个寿命方程的相关系数可知，在试验条件下，BN500刀具寿命与切削速度的关系符合泰勒公式；此外，PCBN刀具的寿命方程指 数(0.689，60HRC；0.662，40HRC)比硬质合金刀具的寿命方程指数(0.1～0.4)和陶瓷刀具的寿命方程指数(0.2～0.4)大得 多，说明切削速度对PCBN刀具寿命的影响程度相对较小。比较对应两种硬度的寿命方程指数可知，在较高工件硬度(60HRC)条件下，切削速度对刀具寿命 的影响小于较低工件硬度(40HRC)时的影响。

4 结语

1. PCBN刀具的磨损因素较多，磨损机制较复杂，且磨损因素相互影响、相互作用。根据磨损形式的特点，通过调整刀具几何参数和切削条件，可有效提高刀具寿命。
2. PCBN刀具的前、后刀面磨损区域较小，且集中于切削温度较高的切削刃附近，磨损原因以机械磨损、氧化磨损和化学磨损为主，后刀面磨损区域有CBN晶粒脱落发生。
3. 在临界硬度(50HRC)附近，PCBN刀具的磨损速度最快，说明PCBN刀具不适宜加工硬度为临界硬度附近的工件材料。
4. 在两种切削条件下得到的刀具寿命方程指数均在0.6以上，说明切削速度对PCBN刀具寿命的影响小于对陶瓷刀具和硬质合金刀具寿命的影响。

图1 加工成本构成

2 干式切削刀具的设计原则

1. 刀具几何形状
   有效散热是实现干式切削需要解决的关键问题。为尽量减小刀具加工时产生的切削热，刀具几何形状的设计应使刀具具有较小的切削力和摩擦力。
   深孔加工刀具切削中的主要问题是排屑困难，对于干式切削刀具这一问题更为突出，因此刀具几何形状的设计必须保证刀具良好的排屑性能：在切削力较小的情况下，可采用大前角和大圆度切削角的设计原则。
2. 刀具材料
   干式切削刀具材料必须具有良好的耐高温性能。对于大前角刀具则必须采用高硬度材料。目前适合干式切削加工的刀具材料主要有超细颗粒硬质合金、CBN、PCD、陶瓷和金属陶瓷等。

   1. 超细颗粒硬质合金
      P类硬质合金具有良好的耐高温性，但并不适合所有的加工场合。超细颗粒硬质合金具有极好的韧性和刃口强度，可用于制作大前角刀具，用超细颗粒硬质合金材料制成的钻头、深孔钻、刀片等可用于干式切削加工。
   2. 立方氮化硼(CBN)
      CBN 材料的硬度高达3200～4000HV，热传导率为1300W/m·K，具有良好的抗化学腐蚀性，且在1200℃的高温下具有良好的热稳定性。CBN的高 耐热性和高红硬性使其非常适合用于干式切削。CBN刀具主要用于加工铸铁和淬火钢。采用CBN刀具进行干式切削可实现淬硬工件(淬火硬度 60～70HRC)的以车代磨加工。用CBN刀具干式切削铸铁可大幅度提高切削速度，改善刀具寿命。
   3. 聚晶金刚石(PCD)
      PCD 材料的硬度为7000～8000HV，约为CBN材料的两倍，其热导率可达2100W/m·K，热膨胀系数很小。PCD刀具切削时能迅速将切削热从刀尖传 递至刀体内部，从而减小因刀具热变形引起的加工误差，避免刀具发生热损伤。PCD刀具主要用于加工铜合金、铝及铝合金、钛及钛合金等有色金属材料，也可用 于加工耐磨性极好的高性能材料如纤维增强型塑料、金属复合材料、木材复合材料等。用PCD刀具干式切削铝合金可达到很高的切削速度和理想的刀具寿命，采用 锋利的切削刃和大正前角进行干式切削时，可使切削压力和积屑瘤达到最小。
   4. 陶瓷和金属陶瓷
      陶瓷刀具具有良好的耐热性、高温硬度和化学稳定性，非常适合干式切削加工铸铁和淬火钢。金属陶瓷实际上是含钛基化合物、粘结剂为镍或镍钼的一类硬质合金。金属陶瓷刀具在加工硬度>40HRC 的工件时红硬性较差，主要适于加工高精度工件和表面质量要求较高的工件。
      陶瓷刀具的化学稳定性优于硬质合金刀具，可在较高切削速度下进行长时间切削加工。在陶瓷刀具中，Al₂O₃基陶瓷刀具的缺点是强度和韧性较低；与此相比，Si₃N₄基陶瓷刀具的高温机械冲击性能较好，但在加工钢材时化学稳定性欠佳。
3. 刀具涂层
   涂 层技术的发展是干式切削加工得以推广应用的重要条件之一。在干式切削过程中，刀具涂层可起到以下作用：①在刀具与被切削材料之间形成隔离层；②减少摩擦力 及摩擦热；③通过抑制从切削区到刀片的热传导来降低热冲击。刀具通过涂层处理，可实现固体润滑，减少摩擦和粘结，使刀具吸收热量减少，可承受较高切削温 度。干切削刀具较多采用涂层，涂层厚度在1～5µm 之间。在各类涂层中，TiAlN涂层具有较好的耐热性能和高温性能，与TiN、TiCN涂层相比，由于添加了A1 元素，使刀具抗氧化性能显著改善，非常适合高速加工和干切削加工。在高温下连续切削时，TiAlN涂层的性能优于TiC 涂层四倍，其高温硬度不仅高于TiN涂层，且稳定性更好。图2 所示为采用不同涂层的刀具干切削灰口铸铁(Ø8mm，f=0.25mm，ap=3D)时的刀具寿命比较。

图2 不同涂层刀具干切削灰口铸铁时的寿命比较

3 干式切削的冷却与润滑

图3 采用不同切削方式时切削温度变化情况

4 干式切削的应用

1. 干式钻削
   1. 普通钻头
      干 式钻削加工除要求采用热稳定性好的刀具材料(如细颗粒硬质合金等，钻头直径较小时可采用钴高速钢)和优化的刀具几何形状外，还需要采用隔热性好的刀具硬涂 层(如TiAlN涂层)。为进一步提高干式钻削刀具的加工性能，德国Guhring公司开发了一种新型M-涂层，即在硬涂层外面再加涂一层软涂层。这种M -涂层在干式钻削钢件时优势明显。图4为采用TiAlN涂层和M-涂层的M10高速钢丝锥加工AlSiCu3材料时(v_c=30m/min)加工寿命的对比。
      

      图4 不同涂层钻头加工寿命比较

      图5 ALPHA22深孔钻钻尖形状

   2. 深孔钻头
      德国Titex公司开发了一种用于深孔干式加工的特殊深孔钻“ALPHA22”(钻尖形状见图5)。该钻头材料为含钴量较高的超细颗粒硬质合金，钻头刃形经过专门优化，适用于干式加工孔深l=(7～8)d的深孔。
   
   

   图6 发动机缸体的干式铣削

   图7 Si3N4粗镗刀

2. 干式铣削
   1. 细颗粒硬质合金铣刀片
      为了实现干式铣削加工，需要研究开发专用刀片及涂层。如Sandvik公司为干式铣削加工设计了多种专用刀片，其中较典型的有带厚型氧化铝涂层的细颗粒硬质合金刀片。
   2. 陶瓷、CBN、PCD铣刀片
      陶瓷、CBN、PCD材料刀片用于干式铣削加工可大大提高切削速度。陶瓷刀片和CBN刀片一般用于铣削灰铸铁工件(如发动机缸体，见图6)；PCD刀片一般用于铝合金和非金属材料的铣削加工。
3. 干式镗削
   采用氮化硅陶瓷刀片对发动机缸体上的缸孔进行干式粗镗加工，可显著提高加工效率。如用Si₃N₄镗刀片(见图7)粗镗Ø72mm 缸孔时，转速可达3200r/min，进给量为0.75mm/r，加工一个缸孔只需5 秒钟。切削时产生的大量切削热被刀具和切屑带走，减少了工件的热变形。

利用主轴供油孔的MQL装置

模拟雾液作用的供给装置

新型MQL方式的效果

1. 润滑和冷却效果良好
   雾 液通过主轴内孔，再由刀具供油孔直接流向加工部位，这种结构和半干式加工组合起来，可获得良好的润滑和冷却效果，而这是过去采用湿式加工无法达到的。图6 所示为用钻头加工孔的的实例，试验采用干式、半干式、湿式三种方式加工，图中列出了各种加工方法产生的刀具后面磨损宽度比较。结果表明，采用主轴内孔供液 的MQL加工，能有效抑制刀具磨损，其结果与湿式加工大体相同，而其环保效应则远远优于湿式加工。
2. 可实现小直径深孔的高速加工
   最 近，富士BC技研公司开发出一种新型雾液装置EBT系列，这是一种小直径深孔加工专用的外部混调内部送液装置(在机外调制成雾液，通过主轴内孔，再由刀具 供油孔喷出)。EBT系列的雾液喷出量比2000年该公司开发的同类产品提高3倍以上。另外，在工具生产厂的配合下，他们在直径相同的钻头上，增大供油孔 径，使喷出的雾液大幅度增加，据称雾液喷出量最多可增大7倍。这种装置与刀具的各种参数相配合进行切削试验，结果表明，刀具寿命提高2倍以上；将其用于立 式加工进行试验时，无需增添加压装置即可进行小直径深孔加工。图7所示为曲轴油孔的半干式高速加工实例。
3. 可用于难加工材料的切削加工
   Inconel 是一种典型的难加工材料，在这种耐热合金工件上加工小孔尤其困难。过去大都采用湿式加工，效率低，污染重；现在采用半干式加工，效率成倍增长，污染也很轻 微。如用6mm钻头在Inconel工件加工小孔，采用水溶性冷却液进行湿式加工(v=7～10m/min，f=0.04～0.05mm/r)，加工长度 最多可达30m左右，而采用MQL方式加工(v=15～20m/min，f=0.06～0.10mm/r)，切削长度可达186m，约为湿式加工的6倍。 由此可见，MQL方式用于难加工材料的切削加工是大有可为的。
4. 汽车行业大量采用MQL加工技术
   汽 车行业的铝合金零件数量非常多，过去采用湿式加工，污染非常严重，加工效率也不理想。现在，许多厂家正在考虑大量采用MQL技术进行加工，如马自达公司轿 车的气缸体生产线，两年前就着手全面采用干式和半干式加工方式，目前，除个别工序外，均已采用MQL加工技术。丰田汽车公司在齿轮加工和各种孔加工中，已 部分采用干式或MQL方式加工。图8是富士精工和富士BC技研公司配合开发的MQL镗孔刀具。

刀具涂层的效果

刀具切削刃形状及螺旋槽形状

供油孔形状及喷出口的位置

雾液回收装置

切屑回收装置