立方氮化硼刀具
立方氮化硼刀具
立方氮化硼刀具是通過CBN粉末和結合劑經超高壓高溫燒結而成的刀具。
立方氮化硼刀具分兩大類：一種是焊接複合結構；另外一種是立方氮化硼整體聚晶刀片。立方氮化硼整體聚晶刀片是採用CBN微粉整體燒結而成的塊狀材料，經刃磨而形成刀片，與立方氮化硼複合片統稱為立方氮化硼刀片。
立方氮化硼刀具的製造工藝的關鍵技術在於CBN與結合劑的選擇與配比，超高壓高溫燒結工藝參數的確定。
立方氮化硼刀具是人造立方氮化硼刀具，在高溫的時候還能保持高硬度的特性，主要做加工鐵件之用。其硬度僅次於金剛石而遠遠高於其它材料，因此它與金剛石統稱為超硬材料。立方氮化硼刀具的種類立方氮化硼的切削性能立方氮化硼應用於先進切削加工工藝PCBN刀具的合計使用
1、立方氮化硼刀具材料的種類
按添加成分分：有直接由立方氮化硼（CBN）單晶燒結而成聚晶立方氮化硼（PCBN）和添加一定比例粘結劑的PCBN燒結體兩大類；按製造複合方式分：有整體PCBN燒結塊和與硬質合金複合燒結的PCBN複合片兩類。目前應用較廣的是帶粘結劑的PCBN複合片，根據添加的粘結劑比例不同則PCBN硬度也不同，粘結劑含量越多則硬度越低、韌性越好；粘結劑種類不同，則PCBN的用途也不同，
2、立方氮化硼刀具的切削性能
A、具有很高的硬度和耐磨性
立方氮化硼單晶的顯微硬度為HV8000～9000，是目前已知的第二高硬度的物質，PCBN複合片的硬度一般為HV3000～5000。因此用於加工高硬度材料時具有比硬質合金及陶瓷更高的耐磨性，能減少大型零件加工中的尺寸偏差或尺寸分散性，尤其適用於自動化程度高的設備中，可以減少換刀調刀輔助時間，使其效能得到充分發揮。
B、具有很高的熱穩定性和高溫硬度
立方氮化硼的耐熱性可達1400～1500℃，在800℃時的硬度為Al2O3/TiC陶瓷的常溫硬度，因此，當切削溫度較高時，會使被加工材料軟化，與刀具間硬度差增大，有利於切削加工進行，而對刀具壽命影響不大。
C、具有較高的化學穩定性
立方氮化硼具有很高的抗氧化能力，在1000℃時也不產生氧化現象，與鐵系材料在1200～1300℃時也不發生化學反應，但在1000℃左右時會與水產生水解作用，造成大量CBN被磨耗，因此用立方氮化硼刀具濕式切削時需注意選擇切削液種類。一般情況下，濕切對立方氮化硼刀具壽命無明顯提高，所以使用立方氮化硼刀具時往往採用干切方式。
D、具有良好的導熱性
立方氮化硼材料的導熱係數低於金剛石但大大高於硬質合金，並且隨著切削溫度的提高，立方氮化硼刀具的導熱係數不斷增大，因此可使刀尖處熱量很快傳出，有利於工件加工精度的提高。
E、具有較低的摩擦係數
立方氮化硼與不同材料的摩擦係數在0.1～0.3之間，大大低於硬質合金的摩擦係數(0.4～0.6)，而且隨摩擦速度及正壓力的增大而略有減小。因此低的摩擦係數及優良的抗粘結能力，使CBN刀具切削時不易形成滯留層或積屑瘤，有利於加工表面質量的提高。
F、PCBN複合片顯微硬度與抗彎強度(TRS)
溫度是影響PCBN複合片燒結好環的主要因素之一。測試發現，隨著溫度的升高TRS值明顯變大。當CBN顆粒間結合能大於單晶的解理能時就表現為穿晶斷裂，反之為沿晶斷裂。通過電鏡觀測斷口的形貌發現，沿晶斷裂和穿晶斷裂共存。但隨著溫度的升高或顆粒粒度的增大，穿晶斷裂逐漸增多而且從PCBN層中心沿徑向到邊緣穿晶斷裂也逐漸增多。
G、硬質合金對PCBN硬度與導電性的影響
在合成PCBN的過程中，硬質合金中的鈷掃越CBN層，儘管Co與CBN不反應，少量的鈷還是殘留在PCBN中作為CBN顆粒間“孔隙”的填充劑。而Co的硬度與CBN顆粒的硬度相比要低得多，因而導致CBN層硬度的降低。
I具有很小熱膨脹。PCBN熱膨脹係數約為（2.1～2.3）×10-6/K，而硬質合金熱膨脹係數為（5～7）×10-6/K。
J具有較小密度。PCBN密度為3.48g/cm3，與Al2O3、Si3N4密度相近.
3、立方氮化硼刀具應用於先進切削加工工藝
A、適用於高速及超高速切削加工技術
立方氮化硼刀具最適合於鑄鐵、淬硬鋼等材料的高速切削加工。當切削速度超過一定限度后，切削速度越高，立方氮化硼刀具后刀面磨損速度反而越小，即高速切削下刀具的壽命反而高，這一特點尤其適合現代高速切削加工。
B、硬態切削加工技術的最佳刀具材料
對淬硬體(硬度HRC55以上)的精加工，通常採用磨削加工方法來完成，然而隨著刀具材料發展及車床(尤其是數控車床)加工精度的提高，以硬態切削代替磨削來完成零件的最終加工已成為一個新的精加工途徑，這種以車代磨的工藝方法有以下優點：
（2）切削加工中的環保問題日益嚴峻，磨削加工產生的廢液和廢棄物越來越難以處理和清除，而且對人體有害，而硬態切削無須加冷卻液，意義重大；
（3）切削效率高，加工時間短，設備投資費用小，可降低加工成本；
（4）切除相同體積所消耗的能量僅為磨削的20%，因此產生的切削熱較少，加工表面不易引起燒傷和微小裂紋，易於保持工件表面性能的完整性；
（5）同樣金屬去除率情況下，硬態切削較磨削節省能源。
C、進行干切削加工工藝的理想刀具材料
干切工藝：機理是由於切削速度很高，產生的熱量聚集於刀具前部，使切削區附近材料達到紅熱狀態，屈服強度下降，進而達到提高切削效率的效果。採用紅月牙干切削工藝的前提條件是在較高切削溫度下，被切材料強度有明顯下降，變得易切削，而刀具材料的強度在同樣狀態下要有較好的紅硬性及熱穩定性，還要有較好的耐磨性和抗粘結性。
就紅硬性和熱穩定性來說，PCBN材料是最適合干切工藝的刀具材料，且由於立方氮化硼刀具材料具有上述優點，更適於高速條件下的乾式切削加工。
D、適應於自動化加工及難加工材料加工
立方氮化硼刀具有很高的硬度及耐磨性，能在高切削速度下長時間地加工出高精度零件（尺寸分散性小），大大減少換刀次數和刀具磨損補償停機所花費的時間。因此，很適合於數控機床及自動化程度較高的加工設備，並且能使設備的高效能得到充分發揮。
在難加工材料應用方面，立方氮化硼刀具也顯示了其卓越的性能，如表面噴焊(塗)材料的加工，用其它材料刀具加工，刀具壽命極低，也無法採用磨削方法加工，而PCBN是惟一適合的刀具材料；又如，在石油電站設備中使用的高合金耐磨鑄鐵，採用立方氮化硼刀具較硬質合金刀具提高切削效率4倍以上，單件刀具成本下降為原來的1/5。另外在硬質合金等燒結材料的切削加工方面，立方氮化硼刀具也顯示了很好的切削性能。
4、PCBN 刀具的合理使用
由於 PCBN 刀具材料具有優良的切削性能，所以特別適合加工其硬度在 HRC45 以上的淬火鋼、耐磨鑄鐵、 HRC35 以上的耐熱合金以及 HRC30 以下而其它刀片很難加工的珠光體灰口鑄鐵。
（1）硬態切削時，徑向力很大，這就要求機床功率要大，機床系統剛性要好，這既可保護 PCBN 刀具，又可獲得滿意的加工效果。
焊接複合式PCBN 刀片常用切削用量
工件材料 硬度 切削速度 (m/min) 進給量 (mm/r) 切削深度 (mm)
灰鑄鐵 180～230HB 400～1000 0.15～0.5 0.12～2.0
硬鑄鐵 400HB 70～150 0.15～0.5 0.12～2.0
淬火鋼 45HRC 60～140 0.15～0.5 0.2～2.5
耐熱合金 35HRC 10 ～240 0.05～0.3 0.1～2.5
（2）PCBN 刀具的強度比硬質合金刀具低，因此在硬態切削加工時，一般都採用負前角、較大的后角和負倒棱，這不僅有利於對切削刃進行補強，而且具有很好的耐磨性。
（3）為很好地使用 PCBN 刀具，穩定地控制工件質量，準確判斷 PCBN 刀具的耐用度至關重要。
（4）對於硬度高和不規則的工件，由於 PCBN 刀片較脆、怕衝擊。從工件端面切入、切出，尤其在表面有夾渣、砂眼、凹凸不平的時候，最易發生衝擊，使刃口破裂，造成耐用度降低。
（5）PCBN 刀具不適於加工較軟的黑色金屬材料。
（6）確定切削速度、進給量及切削深度要綜合考慮生產效率和加工成本。
（7）使用 PCBN 刀具時，可加冷卻液，也可不加，使用冷卻液時則一定要充分冷卻。
3、立方氮化硼刀具的磨損形式，主要原因即預防措施
磨損形式 主要原因 預防措施
月牙窪磨損 工件硬度太軟；切速太快；產生化學和擴散磨損 改用硬質合金刀具或陶瓷刀具；降低切速 使用冷卻液。
壓力面磨損 切削速度太快；進給量太大；刀具后角太小 增大切速和進給量；增大后角。
邊界磨損 主偏角太大；進給量太大；切速太小 減小主偏角；減小進給量；增大切速。
斷裂磨損 系統剛性差；刀尖角太小；進給量與切速太大；刀具刃口脆 提高系統剛性，增大刀尖角；降低進給量和切速並採用負倒棱刀具。
PCBN 層破裂 系統剛性差；工件衝擊太大； PCBN 層太薄，刀具刃口過脆 提高工藝系統剛性；工件表面預加工和倒角；採用厚的 PCBN 層；採用負倒棱刀具。