立方氮化硼(PCBN)刀片的性能及应用
立方氮化硼刀具的切削应用
参 考文献
［ １ ］ 杨荣福 ， 董 申． 金属切 削原 理 ［ Ｍ］ ． 北京 ： 机 械工 业 出版
社， １ ９ ８ ８ ．
观上无 方 向性 ， 会 随 着 切 削刀 具 的 磨损 连 续 地 露 出
收稿 日期 ：２ ０ １ ５年 １ 月
４ 结 语
传统切削用量优化方法应用于现代加工时 ， 所
应 以此最 低试 验切 削用量 为 限。
［ ２ ］ 袁哲 俊． 金属 切 削实 验技 术 ［ Ｍ］ ． 北京 ： 机械 工业 出版
社 ， １ ９ ８ ８ ．
［ ３ ］ Ｙ Ｅ Ｈ ｏ ｎ ￣ａ ｏ ， Ｗａ ｎ ｙ ｉ ， Ｒ ｅ ｎ Ｘ ｉ ａ ｏ ｐ ｉ ｎ ｇ ， ｅ ｔ １ ａ ． Ｖ ａ ｌ ｉ ｄ ｉ ｔ ｙ ａ ｎ ａ ｌ ｙ —
的应用特点 ， 从实 际加工应用人手 ， 结 合实 际零件展开加工应用讨论 ， 并且讨论 Ｐ Ｃ Ｂ Ｎ刀具加工不 同材料时候 的选 型， 参数选择 以及冷却液 的结合等 。
关键词 ：Ｐ Ｃ Ｂ Ｎ刀具 ； 性能 ； 特点 ； 应用
中图 分 类 号 ：Ｔ Ｇ ７ １ １ 文 献标 志 码 ：Ａ
得 出的优 化结论 不能 超 出取得 泰勒公 式 的试 验切 削 用量 范 围 ， 否则 将难 以预 见 的 与实 际 情 况偏 离 而 失 去效 力 。其 中最高生 产率 目标 因为 自动换 刀机构 的 出现而变 得没 有实 际意义 。最 低生 产成本 目标所 对 应 切削 用量如 果低 于 前 期试 验 的最 低 切 削用 量 ， 则
PCBN刀具的性能优势及加工领域
PCBN刀具的性能优势及加工领域随着现代技术和切削技术的不断进展，很多刀具材料相继显现，刀具进展由高速钢刀具—硬质合金刀具—吐涂层硬质合金刀具—陶瓷刀具—立方氮化硼刀具。
其中立方氮化硼刀具1970年开始使用于切削刀具，并且由于其良好的加工性和可高速切削的性能，使之成为加工高硬度难加工材料的手选择刀具材料。
接下来就实在介绍一下立方氮化硼刀具的性能优势及加工领域。
一、立方氮化硼刀具的性能（1）硬度高，耐磨性好：立方氮化硼刀具的硬度仅此与金刚石刀具，和金刚石刀具统称为超硬刀具。
由于其较高的硬度也使立方氮化硼刀具具有良好的耐磨性。
（2）具有很高的热稳定性：耐热性可达1400℃～1500℃，比金刚石的耐热性（700℃～800℃）高出一倍，是刀具材料中耐热性最高的，故可加工高温合金材料。
（3）具有很好的化学稳定性：与铁系材料到1200℃～1300℃不起化学作用。
（4）良好的导热性：CBN的导热系数（79.54W/m.k）仅次于金刚石（146.5W/m.k），随着切削速度的提高，CBN的导热系数也渐渐增高。
这有利于降低切削区的温度而削减扩散磨损。
二、立方氮化硼刀具的分类立方氮化硼刀具分为整体聚晶立方氮化硼刀具和焊接式立方氮化硼刀具。
整体聚晶立方氮化硼刀具是通体都是一种牌号—立方氮化硼，此刀片中心没有孔，属于机夹可转位刀具，需专门配置刀杆；二焊接式立方氮化硼刀具是只有刃口部位是立方氮化硼材料，基体是硬质合金材质。
此类中心有中心孔，其配备刀杆和硬质合金刀具的刀杆通用。
三、立方氮化硼刀具的应用随着切削技术的不断进展，立方氮化硼刀具广泛应用于高硬度难加工材料的加工。
（1）立方氮化硼刀具可以车代磨，硬车削高硬度难加工材料由于立方氮化硼刀具具有较高的硬度和耐磨性，红硬性。
所以采纳华菱超硬整体聚晶立方氮化硼刀具可以车代磨硬车削高硬度难加工材料。
（2）高速切削随着现代技术的进展，由于工件如汽车零部件刹车盘、制动鼓均属于批量生产，由数控车床铸件替代一般车床加工刹车盘、制动鼓。
立方氮化硼材料的制备、性能及应用
立方氮化硼材料的制备、性能及应用摘要：介绍了立方氮化硼单晶、聚晶立方氮化硼、氮化硼纤维材料的制备、性能及应用，对聚晶立方氮化硼的特殊性能和其作为刀具材料的应用进行了特别的分析，并指出了氮化硼的发展趋势。
金刚石是世界上最硬的材料，立方氮化硼（CBN）的硬度仅次于金刚石。
CBN晶体中氮原子与硼原子以SP3方式杂化形成CBN，类似金刚石结构。
金刚石和CBN统称为超硬材料。
超硬材料广泛应用于锯切工具、磨削工具、钻进工具和切削刀具。
金刚石高温容易氧化，特别是与铁系元素亲和性好，不适合用于铁系元素黑色金属加工。
CBN 是20世纪50年代最先由美国通用电气（GE）公司人工合成得到，70年代初制成聚晶PCBN刀具。
我国20世纪70年代首次合成出CBN 后，经历了20多年的徘徊发展，到20世纪90年代，CBN的生产及应用进入快速发展时期，特别是近几年发展更为迅速。
我国生产的CBN单晶除满足快速发展的内市场外，还大量出口国外。
聚晶立方氮化硼（Polycryst-allinecubic Boron Nitride，PCBN）是由CBN单晶添加黏结剂或不加任何黏结剂，经高温高压烧结制得的。
基于聚晶立方氮化硼材料和刀具在现代制造业中的重要作用，于2010年设立的“高档数控机床与基础制造装备”国家科技重大专项中明确提出：要研究超硬材料刀具系列产品结构设计和制造技术；进行高精度成形刀具研发；建立切削试验装置，针对用户材料及加工工艺需求，开展切削试验，建立切削数据库等，最终研制开发出适用于加工航空航天钛合金、高温合金材料的高效切削用超硬材料刀具系列产品。
本文主要介绍了CBN和PCBN的合成制备、性能和应用。
1立方氮化硼的合成与性能目前，CBN单晶的合成主要是由静态高压触媒法合成，通常以六方氮化硼（hBN）和不同的触媒为原料，在高温（1400～1800℃）和高压（4～8GPa）下合成CBN单晶粉，颜色多为黑色或琥珀色。
国内最早合成的CBN采用金属镁作为触媒，后来主要采用金属氮硼化物。
全面介绍立方氮化硼性质及在磨具、刀具应用
立方氮化硼的性质1.立方氮化硼的物理性质纯净的CBN是无色透明的。
由于原料纯度及合成工艺的影响，可呈现黑色、褐色、琥珀色、橘黄色、黄色等。
CBN的理论密度为3.48g/cm3，实际密度3.39~3.44g/cm3.常压下CBN的熔点在3000℃左右；10.5MPa压力下，熔点在3220℃左右。
室温下的热传导率为1.3KW·K-1·m-1，导热性也很好。
其热膨胀系数为3.5X10-6K-1，也较小，但稍高于金刚石。
CBN的折射率为2.117，电阻率为102~1010Ω·cm，介电常数为4.5。
2.立方氮化硼的机械性质强度：抗压强度为7.2GPa，抗弯强度为294MPa。
中国国家标准规定，对于70/80粒度，I 型CBN的单颗粒抗压强度不低于19.6N，II型CBN的单颗粒抗压强度不低于27.44N。
3.立方氮化硼的化学性质立方氮化硼的化学组成为43.6%B和56.4%N。
主要杂质有SiO2、B2O3、Al2O3、Fe、Mg、Ca等。
立方氮化硼的热稳定性和对铁族元素及其合金的化学惰性明显优于金刚石。
金刚石在500~700℃时就开始氧化，且由于反应产物是气体（CO2），金刚石的破坏会继续直到消耗完为止。
CBN在800℃以上开始与空气或氧气发生作用生成B2O3！CBN的硬度虽比金刚石低，但由于其与含铁黑色金属的化学惰性和较好的热稳定性，使其金属磨除率达到金刚石的10倍，很快地解决了淬火钢等硬而韧的难磨金属材料的加工问题。
这也是CBN得以较快发展的原因。
立方氮化硼在磨具方面的应用由于立方氮化硼磨具的磨削性能十分优异，不仅能胜任难磨材料的加工，提高生产率，有利于严格控制工件的形状和尺寸精度，还能有效地提高工件的磨削质量，显著提高磨后工件的表面完整性，因而提高了零件的疲劳强度，延长了使用寿命，增加了可靠性，加上立方氮化硼磨料生产过程在能源消耗和环境污染方面比普通磨料生产好，所以，扩大立方氮化硼磨料磨具的生产和应用是机械工业发展的必然趋势。
聚晶立方氮化硼（PCBN）的发展与应用
聚晶立方氮化硼（PCBN）的发展与应用聚晶立方氮化硼（PCBN）的发展与应用1、前言聚晶立方氮化硼（PCBN）是以硬质合金为基底，上面铺放一层立方氮化硼（CBN）单晶细粉（0.5～1.6mm厚）加粘结剂经高温（1400～2600℃）、高压（7～9Gpa）下压制而成的聚晶刀具材料。
聚晶立方氮化硼（PCBN）刀具主要用于数控机床、多用途机床、自动线、专用高速机床、柔性生产单元或柔性生产系统对淬火钢、模具钢、硬度为HRC45~68的冷硬铸铁、淬硬锻造钢件；硬度值为HRC45~65的镍镉冷硬耐磨铸铁件；渗碳氮化或渗碳火焰淬火的淬硬件；硬度值接近HRC60的淬硬冷拔钢件；白口铸铁或压铸件；合金钢、工具钢、热喷涂、焊材料进行精加工和半精加工，同时能高速切削HRC35以上钴基和镍基高温合金、热喷涂材料、硬质合金、陶瓷及其他难加工材料，可进行高速车削、铣削、镗削、钻（铰）削等，使用车、铣代替磨削的最主要的刀具。
PCBN刀具的硬度仅次于金刚石，大大高于陶瓷刀具和硬质合金刀具，因而可加工HRC60以上的淬火钢、灰口铁、白口铁以及硬度高达HRC70以上的YG5、YG20、YG25硬质合金，其寿命为陶瓷刀具的3－5倍、硬质合金刀具的5－15倍。
高耐磨性和长寿命大大提高了工件的加工精度，减少了换刀和磨刀的次数，提高了工效。
目前国内CBN磨料的制备技术已趋于成熟。
解决PCBN刀具的关键技术成为“超硬材料行业”的当务之急。
第一、解决汽车制造业、轴承行业、大型铸、锻件高精加工的关键工具，具有高精度、高效率、高耐用度、综合成本低的关键刀具材料。
第二、国防工业加工高耐磨合金、喷涂材料必不可少的工具。
第三、具有广泛的市场前景，在机械加工业，可加工各种黑色金属，特别是PCBN可成为替代硬质合金刀具的新型材料，是硬质合金刀具材料加工综合效益的8－10倍。
第四、可形成较大的产业化基地，年产值达到十亿元以上。
第五、其研究水平可达到国际先进水平，替代进口，并能出口创汇。
PCBN刀具及其在切削加工中的应用
收稿日期:2004年3月PCBN 刀具及其在切削加工中的应用杜国臣潍坊学院摘 要:阐述了PCBN 刀具材料的物理性能和切削性能,及其在不同切削领域应用的特点,并对关键技术进行了探讨。
关键词:PCB N 刀具, 切削加工PCBN Cutting Tool and Its Application in Cutting MachiningDu GuochenAbstract:The physical and cutting performance of PCB N tool material and the features of them used in different cu tting fields are introduced.The key technology is also discussed.Keywords:PCBN cutting tool, cutting machining1 引言PCB N(聚晶立方氮化硼)刀具具有硬度高、韧性好、热稳定性好和化学惰性大等特点,并可用金刚石砂轮开刃修磨,在切削加工的各个方面都表现出了优异的切削性能,特别适合加工各种淬硬钢、冷硬铸铁等难加工材料。
2 PCBN 刀具材料的性能2.1 PCBN 的组成成分对刀具性能的影响(1)结合剂对PCB N 刀具性能的影响PCB N 是CBN(立方氮化硼)的烧结体,通常是不加粘结剂烧结直接由CBN 原子间的结合而成的,也有加入不同的粘结剂,由粘结剂结合烧结而成的。
前者因CBN 含量高,所以硬度高,但较脆;后者除所加粘结剂比例不同外,其种类还有金属粘结剂和陶瓷粘结剂之分。
常用的金属粘结剂有Co 、Ni 、Ti 、Ni Al 等金属;陶瓷粘结剂有TiN 、TiN AlN 、Al 2O 3等,也有同时加入金属和陶瓷粘结剂的。
一般加陶瓷粘结剂的PCBN 刀具具有较高的耐高温磨损能力和较强的抗粘结能力。
(2)CB N 含量对PCBN 刀具性能的影响目前,CB N 是人工合成的,硬度仅次于金刚石,其晶粒硬度可达8000~9000HV,远远高于陶瓷和硬质合金。
立方氮化硼刀具在数控机床上的应用说明
立方氮化硼刀具精车淬硬钢实现以车代磨采用立方氮化硼刀具精车淬硬钢，其工件硬度高于45HRC，效果最好。
其切削速度一般为80~120m/min，工件硬度越高，切削速度宜取低值，如车硬度为70HRC的工件，其切削速度宜选60~80m/min。
精车的切深在0.1~0.3mm，进给量在0.05~0.025mm/r，精车后的工件表面粗糙度为Ra0.3~0.6μm，尺寸精度可达0.013mm。
若能采用刚性好的标准数控车床加工，PCBN刀具的刚性好和刃口锋利，则精车后的工件表面粗糙度可达Ra0.3μm，尺寸精度可达0.01mm，可达到用数控磨床加工的水平。
如果机床刚性好，选用的切削速度较低，则选用PCBN复合刀片可精车断续表面。
精车加工余量一般为0.3mm左右，尽可能提高工件淬火前的尺寸精度和减少热变形，以保证精车时切削余量均匀，延长PCBN刀具的使用寿命。
精车一般不用切削液，因为在较高的切削速度下，大量的切削热由切屑带走，很少会停留在工件表面而影响加工表面质量和精度。
精车刀片宜选用强度和韧性高的80°菱形刀片，刀尖半径在0.8~1.2mm之间，为保护刀具刃口，使用前需用倒棱。
精车淬硬工件是一门新工艺，实施前需做工艺试验，可用与工件材料、硬度和大小相同的棒料，在同类机床上进行精加工或粗加工试验，关键是要试验刀具与切削参数的选择及工艺系统是否有足够的刚性。
该工艺目前国内已经采用，如一汽集团用郑州博特PCBN刀具加工渗碳淬火(58~63HRC)的20CrMnTi变速箱齿轮拨叉槽，采用的工艺参数为υc=150m/min,f=0.1mm/r，αp=0.2~0.3mm，实现了以车代磨。
目前，虽然PCBN刀具材料的价格相对硬质合金及陶瓷刀具的价格还偏高，但均摊到每个工件上的刀具成本却低于其他材料刀具，采用先进切削加工工艺时，若将磨削机床等设备投资摊入生产成本，则PCBN刀具的使用会带来更大经济效益。
对一般中小企业来说，精加工工序的磨削加工始终是制造过程的瓶颈，若购置性能好的车床，采用PCBN刀具，应用以车代磨等先进切削加工工艺，即可节省设备投资、提高生产率，又可大大增加加工过程的柔性。
PCBN立方氮化硼刀具介绍及应用
PCBN刀具即聚晶立方氮化硼（Polycrystalline Cubic Boron Nitride）是将CBN立方氮化硼微粉和结合剂混合后利用人工方法合成的硬度仅次于天然金刚石的新型刀具材料，是目前高速切削铁系金属最合适的刀具材料。
由于立方氮化硼硬度仅次于人造金刚石，是世界上第二坚硬的材料，拥有极高的热稳定性和化学惰性，而聚晶立方氮化硼PCBN材料具有极强的抗变形和高温耐磨性——通常比最接近的陶瓷材料高出一个数量级。
目前大部分PCBN工具用于淬火钢的加工，可以以车代磨、以铣代磨，能够高速高效干式切削，大幅降低了加工成本、提高了加工效率。
另外，PCBN还可用于加工冷硬铸铁、灰铸铁、高强度铸铁以及冷作和热作工具钢。
目前，镍基和钴基高温合金加工也已成为PCBN工具的一个重要且迅速增长的应用领域。
从1957年美国GE公司研制出立方氮化硼（CBN）单晶粉末、70年代研制成功PCBN刀具至今，经过30多年的发展，PCBN刀具已逐步趋于成熟，国内外出现了众多的PCBN刀具制造商，其中，河南金六方超硬材料有限公司针对各种不同的应用场合，开发了不同配方的各种规格的PCBN材料。
其中，JLF300适用于将耐磨性作为首要条件的加工场合，如灰铸铁和硬铸铁的加工，是刹车盘和铸铁发动机缸体粗加工和精加工的首选材料，通常它的寿命至少高出陶瓷工具一个数量级；JLFCBN600采用细粒度CBN，具有极高的强度和抗热冲击性，对于极端断续切削场合，能确保良好的工件表面光洁度，并广泛用于铸铁类零件和阀座的精加工。
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立方氮化硼(PCBN)刀片的性能及应用
聚晶立方氮化硼的特性：
1、硬度高、耐磨性好。
立方氮化硼烧结体的硬度一般在3500~4000Hv，陶瓷；
2400Hv，硬质合金1800Hv左右。
高硬度带来了相当好的耐磨性，一般讲，立方氮化硼的耐磨性是涂层合金的30倍，是无涂层硬质合金的50倍，是陶瓷刀片的15~20倍。
2、热稳定性高；立方氮化硼在1370以上才开始由立方晶体向六方晶体转化；在1000C的高温下切削，其表面不会产生氧化，高温下硬度降低程度也比硬质合金和陶瓷刀片小的多，这就为高速切削创造了条件。
3、化学稳定性好：
立方氮化硼化学惰性特别大，在中性空气介质中，对酸碱都是稳定的，与碳在2000不起反应，与铁族材料在1200C~1300C时也不起反应适应于切削黑色金属材料。
4、导热性好；导热系数为
79、54w/m,k，仅次于金刚石，随温度提高，导热系数逐渐增大，有利于散热。
5、磨擦系数低：
磨擦系数为0、1~0、3系数抵使切削力小切削温度低不异常时光、不易产生粘削有利于表面质量。
6、刃磨性：
立方氮化硼刀片可反复刃磨，方便用户降低了刀具成本。
聚晶立方氮化硼的应用：
针对此特性，上海衡盾工业设备有限公司，创造性的在国内首先推出整体立方氮化硼刀片，推广到全国的硬质材料加工行业，取得了丰项的成果，积累了许多成功的使用经验。
工业泵渣浆泵生产
根据泵行业过流部件的材料特点及加工特性，在Cr15Mo3铸铁件的试切中取得了成功。
采用我们的CBN刀具以后，能顺利的实现一次硬化加工，免除了退火再淬火2道工序，节约了大量的人力、电力。
切削参数的大幅度提高，大大提高了生产效率。
轧辊加工国内许多大型轧辊企业已经使用超硬刀具对冷硬铸铁、淬火钢等各类轧辊进行荒车、粗车和精车，均取得了良好的效益，效率提高了2-6倍，节约加工工时和电力50%-80%。
如某轧辊公司对硬度HRC65的冷硬铸铁轧辊粗车，半精车时采用我们的RNMN和SNMN的整体CBN刀片，切削速度提高了3倍，每车一根轧辊，节约电力、工时费400多元,取得了巨大得经济效益、汽车零部件加工
我公司结合国内汽车零部件生产向着高速、高效率、高精度的发展方向，适时开发出适合汽车零部件加工的刀具，目前已经在灰铁的半精、精车加工及各类材料淬火后的精加工中取得成功，极大的提高了客户的生产效率，降低生产费用。
如灰铁刹车
盘制动盘面的精车，加工表面光洁度达到0、4-0、8，效率比陶瓷刀片提高3倍，耐用度提高2倍，客户经济效益大幅度提升。
某公司铸造三厂，在发动机缸体缸孔的半精镗工序使用我公司CBN 焊接刀片后（取代进口刀具），刀具寿命提高三倍，解决了长期困绕客户在该工序换刀频次高，效率低，影响流水线不和谐的问题、某的半轴套管（高频淬火件）的精加工中，取代进口CBN刀片，在性能相当的情况下，降低客户刀具采购费用50%，取得客户的好评，并大面积推广使用！碳化钨等其他硬质材料的加工：针对一些难加工材料，我公司根据加工工件与加工现场的条件设计一套加工方案，满足加工要求。
立方氮化硼刀具广泛使用于淬火钢、工具钢、冷硬铸铁、镍、镐冷应耐磨后铸铁，高铬铸铁
（Cr27）、硬镍铸铁、白口铸铁、热喷涂、焊件高硬度难加工材料。
上海衡盾工业设备有限公司。