立方氮化硼刀具特点及应用设计

论文题目：立方氮化硼刀具特点及应用设计

2013年11月25日

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立方氮化硼刀具特点及应用设计

摘要：

立方氮化硼(CBN)是纯人工合成的材料，它具有优良的物理力学性能，具有硬度高、韧性好、热稳定性高和化学惰性大等特点。因此在切削加工的各个方面表现

出了优异的切削性能,特别适宜于加工各种淬硬钢、冷硬铸铁等难加工材料。本文

介绍CBN刀具材料的切削性能,以及在加工过程中的使用特点和应该注意的问题，

为在机械加工行业推广奠定基础。

关键词：

CBN(立方氮化硼)；PCBN（聚晶立方氮化硼）；刀具；材料；切削性能

Cubic Boron nitride Cutting Tool Characteristics and

Application Design

Abstract: Cubic boron nitride (CBN) is a pure synthetic material, which has such excellent physical and mechanical properties as high hardness, good toughness, high thermal stability and chemical inertness etc. Therefore, in various aspects of cutting it showed excellent performance, and is particularly suitable for processing all kinds of hardened steel, cast iron and other hard materials processing. This paper introduces the cutting performance of CBN tool materials, as well as how to use this tool and the problems that should be paid attention to during the process, for the purpose of laying a foundation to its application in mechanical processing.

Key Words:cubic boron nitride; polycrystalline cubic boron nitride; cutting tool;

material; cutting performance

1 引言

立方氮化硼(Cubic Boron Nitride简称CBN)由于具有高硬度，高耐磨性，低摩擦系数，高热传导率、良好的耐热性和化学稳定性等这些独特的特性组合，使其成为加工各类铁族金属材料的有效工具，并被誉为“过去半个世纪提高工业生产率的最大贡献之一”。CBN的优异性能，特别是在汽车发动机制造行业，CBN 已在工业发达国家得到了较为普遍的应用和迅速的发展。目前美国、欧洲、日本的汽车发动机轴类零件（曲轴、凸轮轴）的精加工几乎普及了CBN砂轮磨削，我国从90年代至今，一直在从事这方面的研究工作，其数控磨床的制造CBN刀

具的制造均取得了一些阶段成果，但是CBN刀具的研磨和刃磨要求技术特别高，所以本课题拟开发出一台刃磨和研磨CBN刀具的装置，对提高CBN刀具的应用有一定促进作用。

2 CBN刀具概述

立方氮化硼（cubic boron nitride）：立方结构的氮化硼,分子式为BN,其晶体结构类似金刚石,硬度略低于金刚石，为HV72000～98000兆帕,常用作磨料和刀具材料。1957年,美国的R.H.温托夫首先研制成立方氮化硼。但至今尚未发现天然的立方氮化硼。

CBN是超硬材料之一，它是氮化硼的化合物，是在越50Kbr的高压及1700℃的高温下形成的，它的硬度仅次于金刚石。

2.1 CBN性能特点

1 CBN硬度大

CBN是现阶段最硬的材料之一，其微观硬度大约为(8000～9000HV)，仅次于金刚石(9000～10000HV)的硬度，CBN的晶体结构与金刚石相似，也属面心立方晶系，不仅晶格常数（a=3.615A）相近（金刚石a=3.567A），且晶体中化学键的类型也相同。原子都由共价键连接。CBN的共价键是饱和的，键的方向性和结合力都很强，具有接近金刚石的硬度和抗压强度。CBN微粉的显微硬度为HV8000—9000。在加工淬硬钢及灰铸铁时，CBN刀具的耐磨性比硬度合金、陶瓷和金刚石刀具都高得多。有一定的韧性，它不仅可用于加工强硬的铸铁，还可加工强度大、硬度高及热敏性高的钢件或其它合金材料。表1列出了一些坚硬物质的硬度值，以供比较。

表1 一些坚硬物质的硬度及熔点

材料名称显微硬度HV 熔点/℃

金刚石（C）10000 3750

CBN 8000～9000 >3300

Si3N45000 1900

Al2O32500～3000 2050

TiC 3200 3140

WC 2400 2870

2 CBN热稳定性好

CBN的耐热性可达1400～1500℃，在高温1200℃下仍可保持硬度不变，比

金刚石的耐热性(700～800℃) 几乎高出一倍，CBN在1370℃以上才由立方晶格而开始转化。CBN在不同温度下的硬度比A1203+TiC陶瓷及硬质合金都高。CBN 具有抵抗周期性高温作用的能力，由于CBN的这一特性，用来高速加工高温合金(如高镍或高钴基耐热合金)时，CBN刀具的切削速度可以为硬质合金的4～6倍。

CBN和金刚石不一样，CBN是化学惰性特别大的物质，在中性的，还原性的气体中，对酸碱都是稳定的。与碳只是在2000℃时才起反应，它与铁系元素亲和力小，直到1200～1300℃时也不易与铁系元素起化学反应。金刚石的热稳定性欠佳，在700～800℃就开始碳化，形成C02而完全失去硬度。且易于与铁系元素起反应，因此金刚石刀具不适宜于加工钢铁材料。CBN没有金刚石的这个缺点，故能加工许多以前不能加工的硬质材料。

研究表明，CBN与各种材料的粘接和扩散作用比硬质合金小得多。CBN有很高的抗氧化能力，在1000℃时也不会产生氧化现象，但是CBN在高温下与水要起化学反应（CBN+3H2O→H3BO3+NH3）。由于水解作用，造成大量CBN被磨损。因此在湿式切削时，要注意选择切削液。在高温下切削时，一般采用干切削。

与碳元素的亲和力小，所以十分适宜于加工黑色金属，而能保持较高的耐用度，聚晶立方氮化硼（PCBN）可用于切削加工，多用于难加工材料的切削加工，但CBN最为广泛应用于切削加工。

3 CBN具有良好的导热性

CBN的导热性虽赶不上金刚石，但都大大高于高速钢、陶瓷和硬质合金。CBN刀具的导热系数随温度的提高而增加，而氧化铝陶瓷刀具的导热系数随温度的提高而减少，在高温下，二者的导热系数相差极大。单从这点看，CBN刀具高速切削性能应优于氧化铝陶瓷刀具。

4 CBN刀具具有较低的摩擦系数

CBN刀具与淬火钢的摩擦系数约为0.2—0.3，由于摩擦系数较小，可相应减少切削力和降低切削温度。

5 CBN线(膨)胀系数较小

由表2可见，CBN的线(膨)胀系数较小，可以保证足够的加工精度。

表2 几种材料的线（膨）胀系数

材料金刚石CBN WC TiC

线（膨）胀系数 3.1×10-6 4.7×10-6 5.1×10-67.6×10-6

由于CBN上述优良特性，使它能成为一种优异的刀具材料，但十全十美的刀具材料是没有的，每一种刀具材料都有其合理的应用范围和使用条件。CBN 刀具也是这样，由于它价格昂贵，其合理使用显得尤为重要。

2.2 CBN结构原理

立方氮化硼有单晶体和多晶烧结体两种。单晶体是把六方氮化硼和触媒在压力为3000～8000兆帕、温度为800～1900℃范围内制得。典型的触媒材料选自碱金属、碱土金属、锡、铅、锑和它们的氮化物。立方氮化硼的晶形有四面体的截锥、八面体、歪晶和双晶等。工业生产的立方氮化硼有黑色、琥珀色和表面镀金属的,颗粒尺寸通常在1毫米以下。它具有优于金刚石的热稳定性和对铁族金属的化学惰性，用以制造的磨具，适于加工既硬又韧的材料，如高速钢、工具钢、模具钢、轴承钢、镍和钴基合金、冷硬铸铁等。用立方氮化硼磨具磨削钢材时，大多可获得高的磨削比和加工表面质量。

氮化硼的性质与形状同石墨很相似。石墨经高温高压处理变成人造金钢石，用类似的手段处理氮化硼(六方)就能得到立方氮化硼。立方氮化硼是六万氮化硼的同素异形体，是人类已知的硬度仅次于金刚石的物质，两者的性能比较见表3。

表3 CBN和金刚石性能比较

金刚石 C 3.52 10000 <700～800℃小

CBN BN 3.48 8000 <1600℃大聚晶CBN

4000～7000HV

CBN的热稳定性和化学惰性大大优于金刚石，在空气中人造金刚石在700～800℃时即碳化，而立方氮化硼可耐1300～15000℃的高温，甚至在1500℃时也不发生相变，从而保持其硬度。CBN与铁系金属的亲和性较低，而金刚石刀具在一定的切削温度下与铁发生反应而难于切削铁系材料，故CBN刀具能对铁系金属进行高速切削，加工精度高，表面粗糙度低。精度可达1级，粗糙度可达Ra0.8以下，切削速度比硬质合金提高10倍，其硬度和耐磨性是硬质合金刀具的50倍，陶瓷刀具的25倍。

CBN刀片可用机械夹固或焊接的方法固定在刀杆上，也可将CBN薄片和硬质合金压制在一起成为复合刀具。

3 CBN刀具的应用范围

由于CBN刀具的特性，决定了CBN刀具在金属切削加工中所具有的高热硬性、高耐磨性和不易粘刀等优越性能。CBN刀具的应用范围主要包括以下难加工材料。

1 各类淬火钢：碳素工具钢、合金钢、轴承钢、模具钢、高速钢等工件，工

件硬度在50—68HRC。

2 热喷涂类：Ni基、Fe基两大系列产品及其它一些耐磨、耐腐、耐热喷涂材料。

3 耐磨铸铁类：V—Ti铸铁、高磷铸铁和冷硬铸铁等。

4 钛合金类：TC4等。

5 耐热合金的部分工件。

6 CBN刀具还可切削加工YG类硬质合金工件，以及在某些场合下代替原用的金刚石刀具。

4 CBN刀具设计

4.1 CBN刀具参数的选择

4.1.1切削刀具几何参数的选择

刀具的几何参数选择是否合理，对CBN刀具影响如同其它刀具一样，其使用寿命有时会相差几倍甚至十几倍之多。这要视工件的材料成分、机械性能、加工要求、机床情况和操作技术水平等许多因素所决定。根据实践经验，初用者需作选择试切，推荐使用90°刀尖角和120°刀尖角作试切基础，同时推荐0°前角和负前角(0°～-10°)；后角一般偏小，在8°～12°范围内。当刀尖需要增加强度(例如粗车)，选较大的负前角(-7°～-10°)，刀圆弧半径r a=0.05～0.15mm为宜。

CBN刀具材料的硬度主要取决于其CBN的含量，一般CBN刀具的含量在40％～95％之间，随着CBN含量的增高，CBN刀具的硬度、耐磨性和热导率也增高，但韧性下降。CBN刀具中的CBN含量，有一定的合适使用范围，其刀具寿命与CBN含量并非呈线性关系，需根据切削加工系统的条件通过试验加以恰当地选择，采用纯CBN材料制造的刀具不一定能获得最佳切削加工效果。如果CBN含量超过95％，则CBN刀具的性能变差，CBN颗粒易脱落，耐磨性急剧变差。如果CBN含量低于50％，则CBN刀具的硬度明显下降，切削刃易变形而损坏。

CBN晶粒大小影响CBN刀具的强度和抗破损能力。细晶粒可使晶粒的界面积增加，提高烧结强度和抗裂纹扩展的能力，刀具切削刃的锋利性也可提高。CBN颗料大，耐冲击，但由于大颗料问有问隙，CBN含量就会少一些，影响耐磨性；CBN颗料小一些，CBN含量高一些，耐磨，但耐冲击性差一些。

4.1.2 切削用量的合理选择

选择切削用量，对CBN刀具的寿命、效率影响很大。一般而言，CBN刀具所选用的切削速度均大大高于普通高速钢刀具或硬质合金刀具。切削速度口靠试

验或经验确定，而进给量厂f，吃刀深度a p要与切削速度v相匹配。由于CBN 刀具多用于半精加工和精加工所以f、a p都较小。表4为根据试验列出的几种曲型材料加工时，切削参数秽、f、a p。的参考值。一般来说，合金元素含量越高，或硬度越硬，所使用的切削速度越低。而加工碳钢，可使用较高的切削速度。

表4 几种曲型材料加工切削用量选择表

被加工材料切削用量

v m/min a p mm f mm/r 淬火钢70～120 0.1～0.2 0.05～0.20 喷涂（焊）合金50～100 0.1～0.3 0.05～0.20 耐磨铸铁70～120 0.1～0.3 0.05～0.20

CH182 70～80 0.1～1.5 0.05～0.20 4.2 CBN刀具的制造

CBN是氮化硼的致密相，有很高的硬度(仅次于金刚石)和耐热性(1300、1500度)，优良的化学稳定件(远优于金刚石)和导热性，低的摩擦系数。PCBN与Fe 族元素亲和性很低，所以它是高速切削黑色金属较理想的刀具材料。

4.2.1 CBN刀具的结构特点

CBN刀具是由CBN(立方氮化硼)晶粒为主体，添加一定比例的结合剂烧结而成的PCBN材料制成，也有由CBN单晶直接烧结而成的PCBN材料制成。CBN 是由六方氮化硼在高温高压下转化而成的，其硬度很高，仅次于金刚石，其晶粒硬度可达8000～9000HV，一般的CBN刀具硬度也已达到3500～4500HV以上，耐磨性很好。

CBN刀具切削部分的结构形式基本上也是分为两大类：可转位刀片式刀具和焊接式刀具。可转位CBN刀片外形上类似普通的硬质合金可转位刀片，有整个刀片都是CBN材料的整体式CBN刀片，也有在硬质合金的基体上，仅在某个或某几个角上焊接CBN材料形成CBN切削刃的刀片，这两种CBN刀片同硬质合金刀片一样，可直接装在一般的可转位刀具刀体上使用。在汽车零部件的切削加工中，在数控加工中心机床所组成的生产线上使用很多。

焊接式CBN刀具结构特点与一般的焊接式硬质合金刀具一样，使用过的刀具，在一定范围内，可以进行重新修磨再使用，而且CBN刀片与刀体的连接也更可靠，刚性好。CBN刀具的强度比硬质合金刀具低，在切削加工钢铁材质工件时，通常采用0前角，CBN刀具的强度比硬质合金刀具低，后角一般也选择得比较小，以保证刀具切削部分的楔角足够大，切削刃切入时处于较好的受力状态，刀尖研磨成0.3～1mm的圆弧，以保证刀尖有足够的强度。

断续切削时，一般需进行刃口钝化处理，有时采用负倒刃来增加切削刃强度，负倒刃宽度一般取0.1～0.3mm，负倒刃角度为-25o～-8o。

4.2.2 PCBN刀具

PCBN刀具的制造主要通过CBN粉末和结合剂经超高压高温烧结而成。关键技术在于CBN与结合剂的选择与配比,超高压高温烧结工艺参数的确定。大致步骤有：混合粉末—模压成型/与硬质合金底层组装成整体—超高压高温烧结—深加工。

PCBN刀具是人造立方氮化硼刀具，在高温的时候还能保持高硬度的特性，主要做加工铁件之用。其硬度仅次于金刚石而远远高于其它材料，因此它与金刚石统称为超硬材料。

1 PCBN刀具材料的种类

按添加成分分：有直接由CBN单晶烧结而成的PCBN和添加一定比例粘结剂的PCBN烧结体两大类；按制造复合方式分：有整体PCBN烧结块和与硬质合金复合烧结的PCBN复合片两类。目前应用较广的是带粘结剂的PCBN复合片，根据添加的粘结剂比例不同则PCBN硬度也不同，粘结剂含量越多则硬度越低、韧性越好；粘结剂种类不同，则PCBN的用途也不同。

2 PCBN复合片显微硬度与抗弯强度(TRS)

温度是影响PCBN复合片烧结好环的主要因素之一。测试发现，随着温度的升高TRS值明显变大。当CBN颗粒间结合能大于单晶的解理能时就表现为穿晶断裂，反之为沿晶断裂。通过电镜观测断口的形貌发现，沿晶断裂和穿晶断裂共存。但随着温度的升高或颗粒粒度的增大，穿晶断裂逐渐增多而且从PCBN层中心沿径向到边缘穿晶断裂也逐渐增多。

3 硬质合金对PCBN硬度与导电性的影响

在合成PCBN的过程中，硬质合金中的钴扫越CBN层，尽管Co与CBN不反应，少量的钴还是残留在PCBN中作为CBN颗粒间“孔隙”的填充剂。而Co 的硬度与CBN颗粒的硬度相比要低得多，因而导致CBN层硬度的降低。PCBN 杨氏模量约为750GPa，高于WC、TiC、Al2O3等材料。PCBN热膨胀系数约为（2.1～2.3）×10-6/K，而硬质合金热膨胀系数为（5～7）×10-6/K。PCBN密度为3.48g/cm3，与Al2O3、Si3N4密度相近。PCBN断裂韧性约为（3.5～5）Pa?m0.5，仅为陶瓷刀具材料一半。这PCBN唯一不足之处。

4 PCBN刀具应用于先进切削加工工艺

（1）适用于高速及超高速切削加工技术

PCBN刀具最适合于铸铁、淬硬钢等材料的高速切削加工。当切削速度超过一定限度后，切削速度越高，PCBN刀具后刀面磨损速度反而越小，即高速切削下刀具的寿命反而高，这一特点尤其适合现代高速切削加工。

（2）硬态切削加工技术的最佳刀具材料

对淬硬件(硬度HRC55以上)的精加工，通常采用磨削加工方法来完成，然而随

着刀具材料发展及车床(尤其是数控车床)加工精度的提高，以硬态切削代替磨削来完成零件的最终加工已成为一个新的精加工途径，这种以车代磨的工艺方法有以下优点：

①可提高加工柔性，突破了砂轮磨削的限制，通过改变切削刃及走刀方式可以加工出几何形状各异的工件；

②切削加工中的环保问题日益严峻，磨削加工产生的废液和废弃物越来越难以处理和清除，而且对人体有害，而硬态切削无须加冷却液，意义重大；

③切削效率高，加工时间短，设备投资费用小，可降低加工成本；

④切除相同体积所消耗的能量仅为磨削的20%，因此产生的切削热较少，加工表面不易引起烧伤和微小裂纹，易于保持工件表面性能的完整性；

⑤同样金属去除率情况下，硬态切削较磨削节省能源。

（3）进行干切削加工工艺的理想刀具材料

干切工艺：机理是由于切削速度很高，产生的热量聚集于刀具前部，使切削区附近材料达到红热状态，屈服强度下降，进而达到提高切削效率的效果。采用红月牙干切削工艺的前提条件是在较高切削温度下，被切材料强度有明显下降，变得易切削，而刀具材料的强度在同样状态下要有较好的红硬性及热稳定性，还要有较好的耐磨性和抗粘结性。

就红硬性和热稳定性来说，PCBN材料是最适合干切工艺的刀具材料，且由于PCBN刀具材料具有上述优点，更适于高速条件下的干式切削加工。

（4）适应于自动化加工及难加工材料加工

PCBN刀具有很高的硬度及耐磨性，能在高切削速度下长时间地加工出高精度零件（尺寸分散性小），大大减少换刀次数和刀具磨损补偿停机所花费的时间。因此，很适合于数控机床及自动化程度较高的加工设备，并且能使设备的高效能得到充分发挥。

在难加工材料应用方面，PCBN刀具也显示了其卓越的性能，如表面喷焊(涂)材料的加工，用其它材料刀具加工，刀具寿命极低，也无法采用磨削方法加工，而PCBN是惟一适合的刀具材料；又如，在石油电站设备中使用的高合金耐磨铸铁，采用PCBN刀具较硬质合金刀具提高切削效率4倍以上，单件刀具成本下降为原来的1/5。另外在硬质合金等烧结材料的切削加工方面，PCBN刀具也显示了很好的切削性能。

5 PCBN 刀具的合理使用

由于PCBN 刀具材料具有优良的切削性能，所以特别适合加工其硬度在HRC45 以上的淬火钢、耐磨铸铁、HRC35 以上的耐热合金以及HRC30 以下而其它刀片很难加工的珠光体灰口铸铁。

（1）硬态切削时，径向力很大，这就要求机床功率要大，机床系统刚性要好，这既可保护PCBN 刀具，又可获得满意的加工效果。

表5 PCBN 刀片常用切削用量

工件材料切削速度(m/min) 进给量(mm/r) 切削深度(mm)

灰铸铁180～230HB 400～1000 0.15～0.5 0.12～2.0 硬铸铁400HB 70～150 0.15～0.5 0.12～2.0

淬火钢45HRC 60～140 0.15～0.5 0.2～2.5

耐热合金35HRC 100～240 0.05～0.3 0.1～2.5

（2）PCBN 刀具的强度比硬质合金刀具低，因此在硬态切削加工时，一般都采用负前角、较大的后角和负倒棱，这不仅有利于对切削刃进行补强，而且具有很好的耐磨性。

（3）为很好地使用PCBN 刀具，稳定地控制工件质量，准确判断PCBN 刀具的耐用度至关重要。

（4）对于硬度高和不规则的工件，由于PCBN 刀片较脆、怕冲击。从工件端面切入、切出，尤其在表面有夹渣、砂眼、凹凸不平的时候，最易发生冲击，使刃口破裂，造成耐用度降低。

（5）PCBN 刀具不适于加工较软的黑色金属材料。

（6）确定切削速度、进给量及切削深度要综合考虑生产效率和加工成本。

（7）使用PCBN 刀具时，可加冷却液，也可不加，使用冷却液时则一定要充分冷却。

4.2.3 PCBN刀具的磨损形式主要原因预防措施

月牙洼磨损工件硬度太软；切速太快；产生化学和扩散磨损改用硬质合金刀具或陶瓷刀具；降低切速使用冷却液。

压力面磨损切削速度太快；进给量太大；刀具后角太小增大切速和进给量；增大后角。

边界磨损主偏角太大；进给量太大；切速太小减小主偏角；减小进给量；增大切速。

断裂磨损系统刚性差；刀尖角太小；进给量与切速太大；刀具刃口脆提高系统刚性，增大刀尖角；降低进给量和切速并采用负倒棱刀具。

PCBN 层破裂系统刚性差；工件冲击太大；PCBN 层太薄，刀具刃口过脆提高工艺系统刚性；工件表面预加工和倒角；采用厚的PCBN 层；采用负倒棱刀具。

4.3 刀具的刃磨和重磨

陶瓷结合剂金刚石砂轮结合金刚石和陶瓷结合剂的共同特点，具有磨削力强，磨削时温度比较低，磨具磨损比较小；可以适应各种冷却液的作用；磨削时磨具的形状保持性好，磨出工件的精度高；磨具内有较多的气孔，磨削时有利于

排屑和散热，不易堵塞、不易烧伤工件；磨具的自锐性比较好，修整间隔的时间长，修整比较容易等优点。

选择合理的工艺参数，陶瓷结合剂金刚石砂轮在磨削PCBN刀具方面，由于树脂结合剂较软，磨削时容易变形，不能有效地磨削PCBN刀具；金属结合剂由于对磨粒的结合能力太强而使磨具自锐性差，磨削效率低，而且金属结合剂砂轮会造成PCBN刀具边缘产生最最严重的破坏；综合磨削效率、磨具耐用度及工件表面的加工质量，陶瓷结合剂金刚石砂轮是磨削PCBN刀具理想的选择。

1 刀具的刃磨

刀具刃磨时，粗磨选用1808#—240#金刚石砂轮，双行程进给量一般小于0.01mm；精磨选用W20金刚石砂轮；超精磨应用金刚石研磨膏进行研磨。粗磨在考虑提高效率的同时，应控制刀头温度，以免产生刃磨裂纹；精磨时要细心和耐心，刃口在显微镜下经过目检，不允许存在可见的锯齿或缺口。

2 刀具的重磨

CBN刀具主要用于淬硬材料等难加工材料的精加工，切削余量小。因此刀具的磨损形式主要是在刀具的后面及刀尖。同时，由于CBN刀具硬而脆，在加工中稍有不慎就容易造成刃口崩刃。刃口崩刃现象是刀具损坏的常见形式，以刀具崩刃现象为例，粗磨时，砂轮可用JRl80S75D175×13×20，磨削后刀面，v=13m/s，a p=0.02mm；精磨用JR240S758100×30×20，磨削后刀面，v=13m/s，a p =0.01mm；最后用JRW40研磨膏研磨后刀面。重磨后，在显微镜下观察，要求刃口平直，无锯齿边，无裂痕，前后刀面表面粗糙度低。

4.4 刀具的冷却与润滑

采用切削液可以提高刀具的耐用度和加工质量。但切削液不能用含水冷却液、切削液，只能用切削油。切削油的主要成分是矿物油，少数采用动植物油或复合油。在实际使用中常加入油性添加剂、极压添加剂和防锈添加剂。常用的切削油主要有极压切削或或F43切削油。

4.5 影响刀具使用的其它因素

除了刀具几何参数、切削用量影响刀具使用外，在切削过程中还要考虑以下因素：

1．操作工人要具有一定的熟练操作技能，进刀、退刀均要仔细，避免碰撞。

2．设备要精度高、刚性强，主轴偏摆要小于0.05mm。

3．工件装夹要夹紧，并尽量排除切削时产生的振动因素，如细长轴要加中心架等。对工作毛边要进行倒棱。

4．刀具装夹时刀尖对中要准，刀头伸出度以短为宜，一般小于25～30mm(对

车床而言)。

5 CBN刀具应用中的系统考虑

由于CBN刀具的脆性大于硬质合金，因此，使用时对切削加工系统中的机床、夹具等其他子系统有一定的要求，要求机床主轴跳动要小，包括主轴、机床进给系统、刀具夹持装置、夹具在内的切削加工系统的刚性要好，振动要小，防止切削加工过程中的振动引起CBN刀具的崩刃和破损。由于CBN刀具多带有负倒棱，切削时径向力很大，要求机床功率大、刚性好。

CBN刀具适合于高速切削，在低速切削条件下，其显示不出优点，反而由于使用了昂贵的CBN刀具而造成刀具费用过高。

CBN刀具适合于加工较硬的材料，如果被加工的工件材料硬度较低，CBN 刀具使用的优势就不明显。

当切削速度高于1000m/min时，切削加工铸铁，CBN刀具往往是最佳的刀具材料选择。

在高速切削铸铁类工件时，铸铁件的金相组织对切削刀具的选用有一定影响，当金相组织中铁素体较多时，由于扩散磨损的原因，刀具磨损可能相对较严重，使用CBN刀具效果就不一定好，而使用陶瓷刀具可能更合适。

在使用中需注意CBN刀具材质与所加工工件材质的匹配性，加工同一种材质的工件，使用不同规格材质的CBN刀具，其刀具寿命可能相差很大，而同一种材质的工件，由于毛坯制造过程中的毛坯组织结构的波动，在生产中表现出对CBN刀具寿命的影响很大，原先所使用正常的某种CBN刀具在加工某种更换了批次的毛坯时，有可能刀具寿命急剧下降，而更换另一种规格材质的CBN刀具进行加工，刀具寿命可能恢复正常，但所加工的工件毛坯批次再次更换时，可能这种规格材质的CBN刀具寿命又不理想了，而原来所使用的那种规格材质的CBN刀具的刀具寿命又恢复了正常。这方面的影响因素很多。如某种规格的CBN 材质颗粒大，耐冲击，但耐磨性差一些，另一种规格的CBN材质颗粒小，耐磨性强，但耐冲击性又差一些，又有的规格的CBN材质综合性能较好，兼顾了耐冲击和耐磨性，但都不是最佳状态，等等。这就要求，尽可能地使刀具的材质与工件材质的状态相匹配。理想的情况应该是，加强工件毛坯制造质量的控制，使毛坯材质的组织桔构保持稳定一致，而通过试验所确定的刀具材质也保持稳定一致，这对于汽车制造切削加工这样的大批量生产尤为重要，然而大批量生产中的不同批次的毛坯制造质量要做到完全一致有时是很困难的，这时就只能改变刀具材质以适应系统中其他变量的变化。

CBN刀具比硬质合金刀具硬，但比硬质合金刀具脆，比陶瓷刀具具有较高的抗冲击强度和抗破碎性能。抗弯强度与断裂韧性介于硬质合金与陶瓷刀具之间。

CBN刀片用在铣削中不宜使用冷却液，因为铣削过程本来已是断续切削，

如再加上切削液的冷却作用，CBN刀片受到的温差冷热变化特别大，很容易爆裂，刀具寿命会大为缩短。

CBN刀具适应了汽车制造业高速切削加工的需求，获得了广泛的应用，在汽车发动机铸铁缸体的加工中，用于缸体顶面和底面的粗铣、半精铣加工，曲轴孔油封面、曲轴孔开档面的加工，精镗铸铁缸体缸孔和精镗铝质缸体中镶的铸铁缸套缸孔，也用于加工发动机气缸盖的阀座的精密加工等，切削速度可达800～1000m/min以上，进给量一般为300～600mm/min，半精铣加工缸体底面时切削速度高达1500m/min，进给量可达4000mm/tin。在这样高的切削速度下，刀具寿命仍可达到加工数百件工件。

6 总结

本文主要论述CBN刀具的特性、应用范围、刀具几何参数的选择、切削用量的选择、刀具的刃磨和重磨、刀具的冷却与润滑，以及在加工过程中应注意的其它问题，力图使读者对CBN刀具有一定的认识和了解。由于CBN刀具所具有的高强度和耐磨性、高热稳定性、化学惰性，决定了其应用的广阔性。我国目前对CBN刀具的使用尚未普及，随着我国机械工业的飞速发展，CBN刀具将会得到越来越广泛的应用。

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致谢

[致谢词] 多年的求学生涯在师长、亲友的大力支持下，走得辛苦却也收获满囊，在论文即将付梓之际，思绪万千，心情久久不能平静。伟人、名人为我所崇拜，可是我更急切地要把我的敬意和赞美献给一位平凡的人，我的导师。我不是您最出色的学生，而您却是我最尊敬的老师。您治学严谨，学识渊博，思想深邃，视野雄阔，为我营造了一种良好的精神氛围。授人以鱼不如授人以渔，置身其间，耳濡目染，潜移默化，使我不仅接受了全新的思想观念，树立了宏伟的学术目标，领会了基本的思考方式，从论文题目的选定到论文写作的指导,经由您悉心的点拨,再经思考后的领悟,常常让我有“山重水复疑无路,柳暗花明又一村”。

感谢我的爸爸妈妈，焉得谖草，言树之背，养育之恩，无以回报，你们永远健康快乐是我最大的心愿。在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚谢意！

同时也感谢学院为我提供良好的做毕业设计的环境。

最后再一次感谢所有在毕业设计中曾经帮助过我的良师益友和同学，以及在设计中被我引用或参考的论著的作者。