PCBN刀具的新進(jìn)展及趨勢展望

1．PCBN刀具材料的優(yōu)勢

在機(jī)械加工制造領(lǐng)域，切削加工技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入以高速銑削、CNC多功能切削、微細(xì)形狀/超精切削等為代表的變革創(chuàng)新時(shí)期。與此同時(shí)，切削刀具的變革創(chuàng)新也有了新的進(jìn)展。現(xiàn)階段的刀具材料以涂層硬質(zhì)合金為主導(dǎo)，最高切削速度范圍300～600m/min。可以預(yù)測，今后切削高速化的發(fā)展會更加迅猛，當(dāng)1000m/min以上的超高速切削時(shí)代到來時(shí)，PCBN將是最強(qiáng)有力的刀具材料，具有極大的優(yōu)勢。

（1）與金剛石的對比優(yōu)勢

CBN（立方氮化硼）的常溫硬度僅次于金剛石，而它的熱傳導(dǎo)性和對鐵系金屬的熱化學(xué)穩(wěn)定性則優(yōu)于金剛石。金剛石刀具僅適用于有色金屬及其合金的切削加工，而PCBN刀具也適用于黑色金屬及其合金的切削加工。

（2）與硬質(zhì)合金的對比優(yōu)勢

PCBN（聚晶立方氮化硼）的高溫化學(xué)穩(wěn)定性和紅硬性優(yōu)于硬質(zhì)合金，是高速切削高硬材料的最佳刀具材料。PCBN刀具的切削特性隨CBN的含量、粒度以及結(jié)合劑種類的不同而變化。最近開發(fā)成功了無結(jié)合劑的單相PCBN，在切削高速化和提高刀具壽命方面可望獲得更顯著的效果。PCBN中CBN含量越高，耐磨性就越高，但韌性有所降低，特別是用于如立銑等斷續(xù)切削加工時(shí)，在切削刃形狀、切削條件（尤其是切深量）等方面應(yīng)采取特殊對策，以確保切削刃的強(qiáng)度，充分發(fā)揮PCBN刀具的優(yōu)勢。例如，采用PCBN和硬質(zhì)合金球頭立銑刀高速銑削自硬鋼時(shí)，由切削速度和刀具壽命的比較可知，PCBN刀具具有超群的壽命特性。用PCBN立銑刀高速銑削HRC60以上的高硬鋼時(shí)，可實(shí)現(xiàn)超過2000m/min的超高速高精度切削。雖然尚未確認(rèn)其后刀面發(fā)生快速磨損的切削速度，但由于PCBN刀具的高溫硬度優(yōu)異，因此可用于干式切削。在切削速度極限范圍以內(nèi)，可以發(fā)現(xiàn)切削速度越高，PCBN刀具壽命越長的現(xiàn)象，這是硬質(zhì)合金等其它刀具所不具有的獨(dú)特性能。PCBN刀具在鑄鐵的切削加工中也顯示出很高的刀具壽命，在從較低切削速度直至高速切削的速度范圍內(nèi)，均能獲得良好的加工效果。在汽車零件（如發(fā)動機(jī)缸體等）的鏜孔加工中，PCBN刀具顯示出高精度、高效率和長壽命的特點(diǎn)。由高速銑削灰口鑄鐵的刀具磨損特性實(shí)例可知，500～2000m/min是有利于發(fā)揮刀具壽命特性的切削速度范圍。

如今，切削加工正朝著微細(xì)化、精密化的方向快速發(fā)展，尤其在精加工刀具和長壽命刀具方面，PCBN刀具的技術(shù)動向令人關(guān)注。此外，用PCBN車刀實(shí)現(xiàn)高硬度鋼的高效率、高精度車削已得到人們再次認(rèn)可，可以說PCBN刀具無論現(xiàn)在還是將來都是大有希望的刀具。

2．PCBN刀具的應(yīng)用及注意事項(xiàng)

在模具零件的加工中，用球頭立銑刀高速銑削高硬度鋼的切削方法出現(xiàn)以后，其高生產(chǎn)效率倍受關(guān)注。在銑削加工方面，已迎來了普遍使用主軸轉(zhuǎn)速達(dá)每分鐘數(shù)萬轉(zhuǎn)以上的加工中心的時(shí)代。高速銑削用刀具已有陶瓷類涂層硬質(zhì)合金刀具，可以說廣泛采用高速銑削加工的條件已經(jīng)成熟。近年來，切削加工追求的精度越來越高，必然要求換刀判斷標(biāo)準(zhǔn)——后刀面磨損寬度值減小（換刀周期時(shí)間縮短）；同時(shí)要求不斷提高切削速度和進(jìn)給速度，以進(jìn)一步提高切削加工效率；主軸轉(zhuǎn)速超過4～5萬轉(zhuǎn)/分的高速銑削加工中心被大量使用，其結(jié)果是必須使用耐熱性和耐磨性優(yōu)良、最適合高速銑削的PCBN球頭立銑刀，且使用量不斷增加。

但是，PCBN球頭立銑刀的材料成本和磨削加工費(fèi)用都比硬質(zhì)合金高，而且還有加工時(shí)容易發(fā)生崩刃的缺點(diǎn)，因此需要開發(fā)新的適用技術(shù)。其中一項(xiàng)新的技術(shù)措施是在銑削高硬度鋼時(shí)，為了提高韌性，抑制崩刃的發(fā)生，多采用CBN含量為50～60vol%的PCBN刀具。由CBN含量低的PCBN刀具的后刀面磨損形態(tài)、前刀面月牙洼磨損形態(tài)和切削刃部分發(fā)生崩刃時(shí)對應(yīng)磨損形態(tài)的實(shí)例可知，這種磨損形態(tài)是在高速切削時(shí)產(chǎn)生高溫及在此高溫條件下發(fā)生熱擴(kuò)展而導(dǎo)致結(jié)合劑劣化造成的。

作為解決結(jié)合劑劣化問題的技術(shù)措施，可考慮減少結(jié)合劑，提高CBN含量，以獲得耐熱性和耐磨性優(yōu)良并適合刀具要求的PCBN刀具材料。但以往的實(shí)踐證明，提高CBN含量意味著刀具韌性降低，容易發(fā)生刀尖崩刃。防止刀尖崩刃的最佳解決方案是采用負(fù)前角和對刀尖圓弧進(jìn)行鈍化處理，該方案能有效抑制切削時(shí)發(fā)生崩刃，是充分發(fā)揮PCBN刀具特長的關(guān)鍵技術(shù)措施之一。

3．PCBN刀具的設(shè)計(jì)和應(yīng)用實(shí)例

在模具零件的精加工中，PCBN刀具在加工效率、加工精度和刀具壽命方面發(fā)揮出卓越的特殊性能。市售的球頭立銑刀切削刃形狀有兩類，一類是軸向前角和徑向前角均為0°、刀尖部分進(jìn)行了負(fù)倒棱處理的切削刃；另一類是獨(dú)特的負(fù)倒棱形狀切削刃。

對CBN含量高的PCBN刀具的切削刃刀尖部分進(jìn)行倒棱，將刃口部分鈍化成R圓弧形狀，是解決切削時(shí)發(fā)生崩刃的重要措施。在平面銑削時(shí)，為超高速銑削加工設(shè)計(jì)的負(fù)前角、無中心切削刃球頭立銑刀與有中心切削刃的球頭立銑刀相比，能改善加工表面粗糙度。因此，設(shè)計(jì)PCBN刀具切削刃時(shí)，需要采用能充分發(fā)揮刀具材質(zhì)特性的刀具形狀。在銑削加工高韌性特殊鑄鐵時(shí)，與涂層硬質(zhì)合金球頭立銑刀相比，即使是CBN含量較低的PCBN刀具，其壽命也要長得多，磨損緩慢的PCBN刀具還能保持最高的加工表面精度。

在微細(xì)形狀、亞微米級超精切削加工中，刀具壽命的管理是重要的關(guān)鍵技術(shù)之一，要求使用具有高壽命特性的刀具?？梢詳嘌裕诖思庸ゎI(lǐng)域，與其說對PCBN刀具的關(guān)注度最高，不如說它是唯一的適用刀具。

可進(jìn)行高硬度鋼微細(xì)形狀切削加工的機(jī)床是具有超高速精密切削功能的加工中心，它具有與原有加工中心不同的新型主軸結(jié)構(gòu)，如在驅(qū)動軸上各配置有2臺直線電機(jī)，能實(shí)現(xiàn)靈敏而無振動的切削進(jìn)給動作；主軸采用了能將熱影響限制到最小程度的空氣透平/空氣靜壓軸承，能承載轉(zhuǎn)速高達(dá)每分鐘12萬轉(zhuǎn)的主軸。

用無結(jié)合劑PCBN刀具高速銑削高硬度鋼的試驗(yàn)結(jié)果表明，該刀具在最佳加工條件（切削刃形狀、切削條件、刀具夾持方式等）下使用時(shí)，與有結(jié)合劑的PCBN刀具比較，顯示出超群的刀具壽命特性。

4．越來越受關(guān)注的PCBN刀具技術(shù)

在切削加工領(lǐng)域，高速銑削技術(shù)已實(shí)現(xiàn)了高附加值化，瞄準(zhǔn)更高目標(biāo)的技術(shù)進(jìn)展仍在不斷繼續(xù)。PCBN刀具已從適用于特殊加工領(lǐng)域逐步發(fā)展為主流刀具之一。但如前所述，必須清醒地認(rèn)識到，在技術(shù)方面還存在許多需要攻克的課題，為了PCBN刀具時(shí)代的真正到來，需要盡早解決存在的技術(shù)難題。（來源：中國機(jī)電企業(yè)網(wǎng)）

備注：數(shù)據(jù)僅供參考，不作為投資依據(jù)。