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PCBN刀片新牌号的开发与应用

来源：信息中心　时间：2009-2-1 10:40:03

自从几十年前材料科学家们采用类似合成人造金刚石的工艺方法首次合成出聚晶立方氮化硼PCBN以来，PCBN刀具在机械加工中的应用已日渐广泛。PCBN材料的硬度仅次于金刚石，但与金刚石刀具不同的是，PCBN刀具能够用于切削加工铁族合金，甚至包括硬度高于HRC60的淬硬钢。
根据实际加工需求不断开发出的PCBN新牌号以及对PCBN材料机理和性能认识的不断深化，正在推动PCBN刀具的应用范围不断扩展。如今，PCBN刀具已成功应用于淬硬钢、铸铁、超级合金以及高硬表面层等材料的车削、钻削和铣削加工。
PCBN刀片新牌号及应用技术发展现状
近年来，新开发的PCBN牌号的CBN晶粒含量从低50％～60％到高80％或更高已形成了较完整的产品牌号系列，基于不同CBN含量刀片牌号的切削加工技术也取得了令人瞩目的进展。一般来说，CBN含量较高80％以上的PCBN刀片牌号用于加工粉末合金P/M材料和铸铁；CBN含量较低的PCBN刀片牌号则比较适合淬硬钢的连续切削加工。在硬切削加工中，低含量PCBN牌号在刀具尺寸保持性和加工表面光洁度上通常要优于高含量PCBN牌号。
Kyocera Industrial Ceramics公司新开发的KBN510、KBN525两种PCBN刀片属于CBN含量较低的牌号，适用于淬硬钢的切削加工。这两种牌号的特点是材料中的CBN晶粒大小一致且分布均匀，从而提高了刀片的韧性，且抗冲击和断续切削的能力更强。该公司新开发的另一种PCBN牌号的CBN含量较高，主要适用于铸铁的切削加工。
虽然标准的PCBN刀片为人们所熟悉的黑色未涂层刀片，但现在各种涂层PCBN刀片的使用也日益增多。在切削加工中，PCBN刀片涂层有助于操作者监控刀尖的磨损情况，在加工某些工件材料时还可以改善刀具寿命和提高切削速度，尤其在硬切削加工中，TiAlN类涂层能有效延长PCBN刀片的使用寿命。
PCBN刀片涂层主要采用PVD工艺，这是因为CVD涂层工艺的高温容易引起PCBN复合片与基体剥离，还会影响刀片的焊接质量。TiN涂层可以改善PCBN刀片的润滑性、散热性和排屑流畅性。此外，金色的TiN涂层使操作者易于辨别已磨损的切削刃，从而小心操作，避免加工过程恶化，这样就可利用更多刀尖进行加工，达到节省刀具费用的目的。
PCBN刀具的另一个技术进展是整体PCBN刀片在某些加工领域正逐渐取代焊接PCBN刀尖的硬质合金刀片。虽然整体PCBN刀片的价格高于焊接PCBN刀片，但由于刀片寿命更长，每片刀片加工的工件数更多，因此仍具有不错的性价比。使用整体PCBN刀片需要掌握多切削刃4刃、6刃或8刃加工技术，通过降低每刃切削加工成本，充分发挥整体PCBN刀片的性能优势。
Seco-Carboloy公司开发的几种整体PCBN刀片牌号包括用于加工灰铸铁的通用牌号CBN200可实现对淬硬钢和淬硬粉末合金P/M材料的粗加工。这些整体PCBN刀片上设计了定位销孔，便于刀片在刀夹或铣刀刀体上实现可靠定位。
随着PCBN刀具切削技术的发展，PCBN刀片几何形状的优化设计对于提高PCBN刀具的切削效率也开始发挥日益重要的作用。PCBN复合片的硬度极高，使得PCBN刀尖几何形状的成型相当困难。Kyocera公司开发的几种PCBN刀片牌号在支承钎焊PCBN复合片的硬质合金基体上成型加工出经优化设计的BB断屑槽，这种断屑槽可使切屑更好地卷曲成形并脱离切削刃，从而可改善刀具的切屑控制能力，在加工某些工件材料时如硬度呈梯度分布的表面淬硬材料，随着切削的深入，材料会逐渐变软或变粘，有利于提高工件的表面光洁度。BB断屑槽有三种不同的槽型，采用何种槽型则取决于刀片刀尖上PCBN复合片的尺寸大小。
硬车削加工是PCBN刀具今后的一个主要应用领域。硬车削通常是指工件硬度高于HRC45的车削加工。在汽车制造业，硬车削精加工的应用正日益增多，并有望成为磨削加工的替代工艺。硬车削可以作为许多工件的最终精加工工序。虽然对于某些精度要求较高的工件如轴承件，硬车削加工后还需进行二次精加工，但如采用磨削加工方式，也同样需要二次精磨。相比之下，车床的运行费用比磨床更省，硬车削的工具成本也比磨削低得多，因此具有更好的加工经济性。工程师们正越来越多地考虑采用PCBN刀具对淬硬零件进行单点切削加工。不过，磨削加工仍然有其用武之地，虽然单点切削可以获得不错的微观光洁度，但仍会在工件表面留下刀痕。
机床、夹具、刀具等工艺系统的刚性对于硬车削加工的成败至关重要。此外，像刀具悬伸量、顶尖悬伸长度、工件装夹方式等细节都可能对加工结果产生很大影响。硬车削加工的另一个特殊问题是振颤chatter，它通常是由工艺系统产生共振所引起，必须采取措施予以消除。
在汽车制造业，PCBN刀具在铣削加工中的应用也越来越多，例如对铸铁传动箱体的面铣加工等。此外，在模具制造业，PCBN铣削也得到了广泛应用。用PCBN刀具对粗加工后进行淬硬处理的模具进行精加工，可获得非常不错的表面光洁度，刀具寿命也显著提高。由于大部分切削余量是在模具淬硬处理前的粗加工中切除，因此半精加工的较大切削深度为1～1.5mm，精加工的切深量更小。适合PCBN铣削的最小工件硬度约为HRC54～56。一般来说，工件材料越硬，PCBN刀具的寿命也越长。
无论使用PCBN刀片还是硬质合金刀片，采用高速切削方式均可减少甚至省略原来的精加工工序。PCBN铣削对加工机床的刚性和装夹可靠性要求较高，以保证将加工振动和振颤减至最小。为保证刀具可靠夹紧，推荐采用HSK夹头或其它可实现刀具与主轴端面和锥面同时接触夹紧的工具系统。为减小加工振动和振颤，还必须保证工件的夹紧牢固可靠。此外，带定位孔的整体PCBN刀片也能提高刀片在刀体上的定位精度和可靠性。
PCBN刀具新产品介绍
下面是部分刀具制造商近期推出的一些较具代表性的PCBN刀具新产品：
1埃莫克公司Emuge Corp.的CBN立铣刀
据称，该立铣刀用于粗铣加工的使用寿命可达硬质合金铣刀寿命的50倍，能够加工硬度达HRC66的淬硬钢、铸钢、镍基和钴基合金等。铣刀类型包括球头立铣刀、环面立铣刀和平头立铣刀，刀片尺寸为4～12mm。
2住友公司Sumitomo Electric Carbide的BN700牌号PCBN刀片
BN700为高CBN含量刀片牌号，具有极高的切削刃硬度和优良的耐磨性，主要用于加工铸铁和粉末冶金合金材料。该刀片采用具有多个切削刃的多刀尖结构，转位方便。精磨加工刀片尺寸精度极高，用户可根据需要选择刮削刃型、钝化刃型或未对切削刃进行制备的刀片。
3万耐特公司Valenite Inc.的ValEdge硬车削刀具系统
该刀具系统将PCBN刀片材料与先进的刀柄技术结合起来，用于淬硬钢HRC45～62的高性能粗车和精车加工。PCBN刀片采用多刀尖结构和VPC225涂层，切削刃综合应用了倒刃T-land和轻微钝化制备技术。该系列刀具可提供约110种刀片型式、尺寸规格和几何形状。
4伊斯卡公司Iscar Metals的两种PCBN刀片牌号
这两种PCBN刀片分别用于加工淬硬钢和铸铁。其中IB55牌号非常适合淬硬钢的半精加工和精加工包括在断续切削条件下；IB85牌号则用于加工灰铸铁、硬度高于HRC45的铸铁和耐热合金。这两种刀片都采用单刀尖结构，切削刃制备方式包括倒刃和钝化。
5肯纳公司Kennametal Inc.的涂层PCBN刀片
据称，在加工淬硬材料时，涂层PCBN刀片的加工寿命可比未涂层刀片提高一倍。KB9640牌号为高含量PCBN刀片，涂层采用CVD Al2O3，用于淬硬钢和铸铁的粗加工和半精加工，刀片型式有圆刀片、方刀片、三角刀片以及80°、55°和35°菱形刀片等。KB5625牌号采用PVD TiAlN涂层，用于淬硬钢的精车加工，适合中～重型断续切削。
6瓦尔特美国公司Walter USA的WCB30、50牌号PCBN刀片
该刀片为非涂层PCBN牌号，用于铸铁、硬材料的车削和铣削加工。车刀片采用负几何形状ANSI、ISO C，D，S，T和W型或正几何形状C，D和T型。铣刀片包括用于仿形铣削的CPR纽扣刀片、用于精铣加工的球头刀片和采用单切削刃的八角刀片。
7欧士机公司OSG Tap & Die Inc.的ExoCarb Max PCBN立铣刀
这种球头立铣刀主要用于淬硬钢HRC50～65的精铣加工。刀片独特的圆弧半径设计可提高刀片刚性和延长刀具寿命，并可获得极高的工件表面光洁度，从而可减少后续精磨工序。铣刀球头的半径公差为5μm，其鼻部形状使铣刀可用球头中心进行切削。OSG公司还生产单槽、双槽和4槽结构的刀尖半径PCBN立铣刀。
8山高公司Seco-Carboloy的Secomax PCBN100刀片
该刀片据称是首个用于淬硬钢精加工的整体PCBN牌号，并第一次采用了定位销孔结构。刀片采用细颗粒、低含量50％PCBN，适合淬硬钢、硬表面合金和烧结钢的轻型连续切削或中型断续切削，利用刀片的全切削刃长度还可进行插铣加工。该刀片可用于标准M、P和D型刀夹。对于多种切削加工如淬硬钢的精加工，采用了W型和T型刀片形状，切削刃采用标准制备方式以及刮削刃型。
9三菱材料美国公司Mitsubishi Materials USA Corp.的PCBN牌号系列
该系列包括多种涂层和非涂层PCBN刀片牌号，用于铸铁、淬硬钢和粉末冶金材料的高速切削加工。例如，用于淬硬钢的连续或断续切削的MB8025牌号刀片采用先进的烧结工艺制造，改善了刀片的抗碎裂性和耐磨性，PCBN刀尖直接焊接到刀片基体上，提高了结合强度。该系列产品包括各种不同的刀片形状和切削刃制备方式包括刮削刃型。
10京瓷公司Kyocera Industrial Ceramics的CBN牌号系列
KBN10B牌号用于硬铸铁和热处理钢的精加工，切削深度为0.5mm；KBN25B牌号用于加工淬硬钢，采用了可提高韧性和化学稳定性的亚微级CBN晶粒和粘结剂；KBN65B牌号用于高速切削铸铁，可显著提高刀具寿命；KBN900牌号是一种整体PCBN刀片，采用PVD涂层，用于淬硬材料的粗车加工和高速铸铁的加工。该公司近期还将推出KBN510和KBN525新牌号。
摘自《工具展望》张宪编译

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