PCBN超硬刀具的研究及進(jìn)展

現代切削速度的不斷提高和先進(jìn)的集成制造速度的不斷發(fā)展對現代刀具的性能提出了更高的要求，因此開(kāi)發(fā)出高熱穩定性和高耐磨性的超硬刀具是當今的發(fā)展趨勢，聚晶立方氮化硼（polycrystalline cubic boron nitride，PCBN）超硬刀具的高強度、高耐磨性、高導熱性、良好的高溫力學(xué)穩定性以及高溫化學(xué)穩定性等優(yōu)異性能，使PCBN超硬刀具成為國內外各工業(yè)國家的研究重點(diǎn)。

1.PCBN超硬刀具發(fā)展簡(jiǎn)介

1957年，美國GE公司最早合成立方氮化硼，并在1973年合成立方氮化硼刀具，其材料和制品已發(fā)展60年。各國也競相研制出性能優(yōu)異的超硬CBN刀具。我國于1967年合成立方氮化硼樣品，1973年制成超硬刀具并投入生產(chǎn)。我國的刀具的型號和種類(lèi)也日益豐富，但是我國產(chǎn)品的性能和系列化與國外相比還存在著(zhù)較大的距離。為了縮短與發(fā)達國家在PCBN超硬刀具行業(yè)的的差距，我國于2010年設立了“高檔數控機床與基礎制造裝備”國家科技重大專(zhuān)項，并明確提出要對超硬材料刀具的設計與制造、高精度刀具進(jìn)行研發(fā)，積極建立高精度、高效率切削裝置，根據不同工件及加工工藝要求，進(jìn)行大量實(shí)驗，建立健全不同刀具不同條件下加工不同工件的數據庫等；研發(fā)出適用于鋼件、鈦合金、高溫合金等難加工材料的高效切削刀具系列產(chǎn)品。

2.PCBN刀具的特性和應用

PCBN刀具具有高硬度、高耐磨性，不同結合劑含量的PCBN硬度值在40-60GPa之間；良好的耐熱性和紅硬性，耐熱性可達1400℃；可有效切削鐵系材料；具備高速切削特性和高加工精度，可以在線(xiàn)速度1000m/min以上的條件下連續干切削，達到拋光級的加工表面光潔度。高強度、高耐磨性、高導熱性、良好的高溫力學(xué)穩定性以及高溫化學(xué)穩定性等優(yōu)異性能，使PCBN超硬刀具成為最能滿(mǎn)足當前苛刻要求的首選切削工具。

根據制造業(yè)統計，PCBN在制造業(yè)的應用情況如圖1 所示，PCBN超硬刀具主要用于汽車(chē)行業(yè)、重型機械等領(lǐng)域的淬火鋼工件車(chē)削加工 ，也從側面反映了PCBN超硬刀具良好的切削性能。CBN不僅適用于普通切削，也適合高速加工，此外，PCBN在加工過(guò)程中可以實(shí)現硬態(tài)干切削。這樣有利于實(shí)現綠色切削，同時(shí)可以充分發(fā)揮刀具的切削性能和金屬軟化效應，可明顯提高經(jīng)濟效益。

不同CBN含量的PCBN刀具適合不同的切削領(lǐng)域，HALPIN等對不同CBN含量的PCBN的切削領(lǐng)域進(jìn)行了總結，如表1所示。

圖1 國內外PCBN超硬刀具的應用情況

表1 不同CBN含量的PCBN刀具切削領(lǐng)域

3.PCBN超硬刀具的分類(lèi)

PCBN超硬刀具按成分可分為：添加一定比例結合劑的CBN燒結體后期加工成的PCBN超硬刀具和直接由CBN單晶燒結加工成的PCBN超硬刀具2大類(lèi)。按照結合劑的不同，又分為金屬結合劑和陶瓷結合劑。金屬結合劑中金屬軟化溫度普遍較低，在刀具切削過(guò)程中，局部高溫會(huì )使結合劑軟化和氧化，會(huì )降低PCBN的高溫硬度和穩定性。陶瓷結合劑的硬度都較高，高溫穩定性及化學(xué)穩定性較好。但其沖擊韌性差，刀具易崩刃和破損，使用壽命短。市場(chǎng)上PCBN大多采用金屬陶瓷型結合劑，金屬陶瓷型PCBN超硬刀具兼具金屬型和陶瓷型PCBN超硬刀具的優(yōu)點(diǎn)，既解決了金屬結合劑高溫易軟化的問(wèn)題，又克服了陶瓷結合劑抗沖擊韌性差的缺點(diǎn)。

除了化學(xué)計量比的結合劑外，研究者探究了非化學(xué)計量比結合劑來(lái)改善PCBN的性能，利用非化學(xué)計量比中的空位效應來(lái)活化燒結，來(lái)降低燒結溫度，非化學(xué)計量比的結合劑與CBN反應生成相應的氮化物和硼化物，也會(huì )極大提高結合劑與CBN的結合強度，同時(shí)提高刀具的耐磨性。非化學(xué)計量比結合劑的研究越來(lái)越成為PCBN的熱門(mén)方向。

由于結合劑降低了PCBN的硬度、強度及耐磨性，因此近年來(lái)純PCBN發(fā)展迅猛。住友公司用催化劑使六方氮化硼在高溫高壓下直接轉化成純相PCBN，其硬度和熱穩定性要大于普通合成的PCBN。DUB等利用熱解石墨狀BN在8 GPa壓力和2200～2550 ℃的溫度下合成出高濃度PCBN，PCBN的晶粒大小為100～400 nm。SUMIYA等在7.7 GPa，2000～2500 ℃條件下制備的PCBN，CBN體積分數≥99.9%，晶粒尺寸<0.5 μm，制備出的PCBN在任何溫度下都有很高的斷裂強度和硬度。

4.PCBN超硬刀具的制造

PCBN復合片是在高溫高壓下把CBN料層與硬質(zhì)合金襯底復合在一起，經(jīng)過(guò)激光或電火花線(xiàn)切割、焊接和刃磨工藝做成各種焊接成型切削刀具或刀片。整體PCBN燒結塊是不帶合金襯底直接燒結成為整體PCBN毛坯，經(jīng)過(guò)刃磨制成PCBN刀具。

在PCBN超硬刀具上設計可充分發(fā)揮新材料特性的斷屑槽，可根據不同的加工狀況（切削鋒利性、刀尖強度）進(jìn)行選擇斷屑槽的形狀。斷屑槽可以更好的控制切屑，因為斷屑槽可以：（1）控制切屑的流向、卷曲和折斷；（2）影響切削力、切削功率和切削溫度；（3）影響刀具的耐用度；（4）影響機床和工件的振動(dòng)；（5）影響加工工件的表面質(zhì)量等。

PCBN超硬刀具上的修光刃技術(shù)可以改善加工面的粗糙度，提高進(jìn)給速率，實(shí)現高速切削。在切削參數不變的情況下，表面質(zhì)量可大大提高。Sandvik Coromant公司將修光刃技術(shù)引入到超硬刀片領(lǐng)域，可在精加工外圓和內圓上提高表面質(zhì)量和生產(chǎn)效率，獲得了巨大成功。

PCBN涂層技術(shù)的應用可以提高PCBN超硬刀具的熱穩定性及耐磨損性，常見(jiàn)的涂層有物理氣相沉積技術(shù)的氮化物涂層及化學(xué)氣相沉積技術(shù)的氧化物涂層；涂層厚度可達到1-20微米；滿(mǎn)足高硬車(chē)削條件和粗、精連續到斷續的加工需求，在零部件的高效加工中可實(shí)現更高的生產(chǎn)效率。

5.仿真技術(shù)的應用

隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，有限元法和人工智能算法將現場(chǎng)刀具測試用仿真技術(shù)模擬出來(lái)，將大大減少了前期實(shí)驗與客戶(hù)測試的頻次，仿真軟件可以觀(guān)測到切削加工時(shí)無(wú)法測量的數據，如磨損形式、切削溫度、切削應力、加工零件內應力等，并且可以觀(guān)測到每一步的切屑形態(tài)、刀具和工件的狀態(tài)，刀具研發(fā)人員借助軟件來(lái)迅速分析數據，預判刀具加工過(guò)程中的問(wèn)題，并及時(shí)有效調整刀具的材料及幾何形狀。

在刀具研發(fā)階段，越來(lái)越多的國內外超硬材料企業(yè)開(kāi)始重視模擬仿真技術(shù)，模擬仿真技術(shù)確實(shí)可以減少實(shí)驗的次數，降低成本，并且容易觀(guān)測實(shí)驗數據，但是由于理想的仿真技術(shù)限制了仿真的精度，因此后期需要進(jìn)行實(shí)驗來(lái)驗證仿真的真實(shí)性和精確度。同時(shí)需要注意建立完善的切削仿真數據庫；建立完善的刀具材料方程和模型數據庫；開(kāi)發(fā)符合實(shí)際需求的仿真軟件。

6.結語(yǔ)

國內PCBN刀具材料經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展取得了優(yōu)異的成績(jì)，但是PCBN刀具材料和刀具研發(fā)及其應用上不如其他制造業(yè)強國，我們要借鑒國外的研發(fā)經(jīng)驗，加強行業(yè)基礎與應用科研平臺建設，創(chuàng )新研發(fā)出具有國際競爭力的PCBN超硬刀具產(chǎn)品，實(shí)現設計與制造的智能化。開(kāi)發(fā)出高端超硬材料支撐國家重大工程和戰略性新興產(chǎn)業(yè)，替代進(jìn)口產(chǎn)品，實(shí)現綠色高精高效高速新型超硬材料工具。