PCBN刀具加工制造及其性能分析

ｃ Ｎ 单 晶 粉 Ｂ
１ ｍ ｉ ０ ｎ
义． Ｃ Ｎ 刀具具 有 硬度 高 、 ＰＢ 耐磨 性及 高温力 学 性 能
优良、 化学 稳 定 好 、 易 与 铁 族 金 属 发 生 粘 结 等 特 不 点， 广泛应 用于难 加 工 材 料 切 削 、 速 切 削 、 速 干 高 高
（ ）压 制 单 晶 粉 ａ
剂含量 高 的 Ｃ Ｎ 聚 晶时 ， 结剂 应具 有较 高 的硬 度 Ｂ 粘
和韧性 ．
１ １ 粘结 剂对 Ｐ Ｂ 刀具性 能 的影响 ． Ｃ Ｎ Ｐ Ｂ 刀具 材 料 组 成 成 分 不 同 ， Ｃ Ｎ 刀具 的物 理 性
收稿 日期 ： ０ ８ ９ １ ２ ０ —０ — ０
能 和切 削性 能 也不 同． 烧 结 Ｐ Ｂ 的过 程 中 ， 在 Ｃ Ｎ 添 加粘 结剂 的比例不 同 ， Ｃ Ｎ 硬度 也不 同． Ｐ Ｂ 粘结 剂 含
＞ ３０ ００
２０ ００
一
特性 使 切削 时刀 屑 间摩 擦 系数 减 小 ， 削 变形 减 切
ｌ０ ００
小 ， 削力 降低 ， 切 加工 表面 质量 提高 ．
２０ ０ ４０ ０ ６０ ０ ８０ ０ １００ ０
０
０
４ 应 用 实 例
４ １ Ｐ Ｂ 刀 具 断 续 车 削 渣 浆 泵 叶 轮 外 圆 ． Ｃ Ｎ
图 ３ Ｃ Ｎ 含 量 与 耐 磨 性 的 关 系 Ｂ
《 组 技 术 与 生 产 现 代 化 》２ ０ 成 ０ ８年 第 ２ ５卷 第 ４期
高 的设 备 中 ， 减少 换 刀调 刀辅 助时 间 ， 充分 发挥 其 更
效能 ．
５０ ００
因而在研 磨 和切 削铁质 材料 时不 会 出现金 刚石那 样
文献 标 识 码 ： Ａ
切 削 加 工 是 工 业 生 产 中 最 基 本 的 方 法 之
一
机 ， Ｃ Ｎ 微 晶为 主要原 料 ， 人粘 结剂 混合均 匀 ， 以 Ｂ 加 通 过模 具压 制成 所需 要 的形状 ， 然后 烧结 ． 压制 单 晶
］
，
它直 接影 响 工业 生产 的效 率 、 本和 能 源消 成
能力 ， 而使 Ｐ Ｂ 刀 具 的 耐 磨 性 增 加 ， 晶粒 增 从 Ｃ Ｎ 当
加 １倍 时 ， 刀具 寿命要 降低 ３ ～５ ． Ｏ Ｏ
２ Ｐ Ｂ 刀 具 的 结 构 Ｃ Ｎ
（） １ 以聚 晶 Ｃ Ｎ 的大 颗粒 制 成 的 镶嵌 式 刀 片． Ｂ 有 圆形 、 方形 和三角 形等 形状规 则 的刀片 ， 将大颗 粒 Ｐ Ｂ Ｃ Ｎ烧 结块 固定 于 刀 头 之 上 ， 后 将 此 刀头 再 通 然
温 度 Ｔ ℃ ／
图 ５
不 同 材 料 刀 具 的 硬 度
断 续切 削在 金属切 削 中是一种 难 度较 大 的切 削 过 程 ， 其是 高硬 材料 的断续 切 削 ， 尤 不但 要求 机床 的 刚性 要好 ， 对刀 具 的强 度 和 耐 用 度提 出 了更 高 的 也 要求 ． Ｃ Ｎ刀 具具 有优 良的特性 ， Ｐ Ｂ 完全 胜 任高 硬材 料 的断续 切削 ．
０ ２ ０ ４０ ６Ｏ ８ ０ ｌＯ Ｏ ｌ ０ ２
Ｃ Ｎ 量（ Ｂ 含 体积） ／ ％
３５ Ｏ Ｏ ＨＶ左右 ， 陶瓷 刀片 的 ２倍 ， 是 是硬 质合金 刀 片 的 ４ （ 图 ５ ． Ｃ Ｎ 刀 具 能 减 小 大 型 零 件 加 工 倍 见 ）Ｐ Ｂ 中尺寸 偏差 或尺 寸 分散 性 ， 其 适 用 于 自动化 程 度 尤
中 的合 金 元素不 应 产 生化 学 亲 和 ； 聚 晶氮 化硼 用 ④
于加 工不 同 的金属材 料 时 ， 耐磨铸 铁 与淬火 钢 ， 如 其
粘结 剂 的含量对 切 削效果影 响很 大 ， 因此 ， 制造 粘结
烧 结体 ｌ ］ ２ ＿ ． ０世 纪 直 到 ７ ４ Ｏ年 代 ， 由前 苏 联 、 才 中 国 、 国、 国等 国家相继 研 制成功 作 为切 削刀具 的 美 英
１Ｚ Ｃ Ｎ 的 含 量 对 Ｐ Ｂ 刀 具 性 能 的 影 响 ． Ｂ Ｃ Ｎ
Ｃ Ｎ 的含 量 多少 影 响 Ｐ Ｂ 复 合 片 硬度 和耐 Ｂ Ｃ Ｎ 磨性 ． 着 Ｃ Ｎ 的含量 增加 ， Ｃ Ｎ 的硬 度增 加 （ 随 Ｂ Ｐ Ｂ 见
图 ２． ） 而耐 磨性 与 Ｃ Ｎ 含量 之 间不 是单 调关 系 ， Ｂ 不 同加工条 件有 不 同最 佳值 ， 图 ３所 示 加 工模 具 钢 如
（ ） 复合 型刀 片 焊接 在 碳 钢 上作 为整 体 使用 ３将
的刀具 ， 焊接 面 为银焊 或铜 焊 （ 图 ４ 见 ）
压铸丽（ 分
＞
士
鹭
银 焊或铜 焊物 硬质 合金 理 接触 面积少
图 ４ 焊 接 片
０ ２ Ｏ ４０ ６ ０ ８ ０ ｌ ０ ０
Ｃ Ｎ含 量／ Ｂ ％
（ ） 有很 高 的热 稳定 性． Ｂ 的耐 热性 可达 １ ２具 Ｃ Ｎ ４０ ０ ℃～ １５ ０ ， 目前 世 界上 第 一耐 热超 硬 材料 ． ０ ℃ 是 其烧结 体 Ｐ Ｂ 在 ８ ０ 时的硬 度还 高 于 陶瓷 和硬 Ｃ Ｎ ０℃ 质合金 的常 温硬 度． （） ３ 具有 良好 的化 学 稳 定 性 ． Ｂ 的 化 学 惰 性 Ｃ Ｎ 特别大 ， １１ ０ 以下 不与 过渡 金属起 化 学作 用 ， 在 ０℃
文 章编 号 ： ０ ６ ３ ６ （ ０ ８ ０ － ０ ３ —０ １０ — ２ ９ ２ ０ ）４ ０ ３ ４
Ｐ Ｂ 刀 具 加工 制造 及其 性能 分 析 Ｃ Ｎ
宗 万 栓 神 会 存 刘 书锋 吕梅 娟。 ， ， ，
（． １ 中原 工 学 院 ， 州 ４ ０ ０ ；． 州 博 特硬 质材 料 有 限公 司 ， 州 ４ ０ ０ ） 郑 ５ ０ ７２ 郑 郑 ５０ １
粘 屑现 象 ， 其适 合加 工过 渡金属 合金 钢． 尤
（） ４ 具有 较好 的导 热性 ． 温下 ， Ｂ 的导 热 系 室 Ｃ Ｎ 数 为 １３ ０ｗ／ ｒ ０ （ｎ・℃） 导 热 性 仅 次 于 金 刚石 ． ， 并
４０ ００
且 随温度 的升 高 ， Ｃ Ｎ 的导 热系 数是增 加 的． Ｐ Ｂ （） ５ 具有 较 低 的 摩 擦 系 数． Ｂ 的摩 擦 系数 为 Ｃ Ｎ ０１ ． ， ． ～Ｏ ３ 随着 切 削 速度 的提 高 ， 擦 系数 减 小 ． 摩 这
摘
要 ： 聚 晶 立 方 氮 化 硼 （ Ｃ Ｎ） 一 种 超 硬 材 料 ， Ｐ Ｂ 是
ＰＢ Ｃ Ｎ烧 结体 及 Ｃ Ｎ／ 质 合 金复 合 聚 晶 的 Ｐ Ｂ Ｂ 硬 ＣＮ
复 合片． 聚 晶立 方 氮 化 硼 （ ｏｙ ｒｓａｌ ｅＣ ｂｃＢ ｒｎ Ｐ ｌｃｙ ｔｌｎ ｕ ｉ ｏｏ ｉ Ｎｉ ｉｅ Ｐ Ｂ 是 超 硬 刀 具 材 料 的一 种 ， 制 造 方 ｔ ｄ ， Ｃ Ｎ） ｒ 其 法有 很多种 ， 压法 是其 中最 主要 的一种 ＿ ． 压法 热 ２热 ］ 制造 Ｐ Ｂ 所 用 的 设 备 为 六 面 顶 或两 面顶 的液 压 Ｃ Ｎ
其 优 良的切 削 性 能 解 决 了 材 料 加 工 中 的 难 题 ． 文 介 绍 了 本
Ｐ Ｎ 的 组 成 成 分 、 具 结 构 ， 其 性 能进 行 了分 析 ， 以 实 ＣＢ 刀 对 并
例 说来自百度文库明 了应 用 效 果 ．
关
键
词 ： Ｐ Ｎ； 具 ； 削性 能 ＣＢ 刀 切
中 图分 类 号 ： Ｔ ６ Ｑ１ ４
作者简介 ： 宗万 栓 （９ ２ ） 男 ， 南 濮 阳人 ， 士 研究 生 １８ 一 ， 河 硕
Ｇｒ ｐ ｃ ｏｌｇｙ ＆ Ｐｒ ｄ ｔｏ ｏ ｒ ｚ ｉ Ｖ ｏ１ ５， ｏ ４， ０ ｏｕ Ｔｅ ｈｎ ｏ ｏ ｕｃｉ ｎ Ｍ ｄｅ ｎｉａｔｏｎ ．２ Ｎ ． ２ ０８
量越 多则硬 度越 低 ， 韧 性越 差 ； 而 粘结 剂 种 类 不 同 ，
定性 和对 铁 族 元 素 及 其 合 金 的化 学 惰 性 要 优 于 金
刚石．
（） １ 具有 较 高 的硬 度 和 耐 磨 性． Ｂ 微 粉 的 莫 Ｃ Ｎ 氏硬 度为 ９ ８ 维 氏硬度为 ７ ～９ ａ 其 硬度仅 次 ．， ５ ０ＧＰ ， 于金 刚石 ． 烧 结 体 Ｐ Ｂ 复 合 片 的 硬 度 一 般 在 其 Ｃ Ｎ
研 究部在 高 温 高 压 条件 下 首 先 合 成 了立 方 氮 化 硼 （Ｂ 单晶， Ｃ Ｎ） 由于 其 具 有 较 高 的 硬 度 、 化 学 惰 性 高 及 高温 下 的热稳定 性 ， 因此 人 们 一 开 始 就试 图将 其 应 用于切 削加 工 ； 单 晶 Ｃ Ｎ 的颗 粒 较 小 ， 难 制 但 Ｂ 很 成 刀具 ， Ｃ Ｎ烧 结性 很 差 ， 且 Ｂ 难于 制 成较 大 的 Ｃ Ｎ Ｂ
时 ， Ｂ 含量 为 ５ 左 右 ， 具 最 耐 磨 ； 工 Ｃ ０ Ｃ Ｎ ５ 刀 加 ｒ６ 合金工 具钢 时 ， Ｂ 含 量越高 越耐磨 ． Ｃ Ｎ
１ ４ １ ３或更 小 ． 片 有 圆柱 形 、 方形 等 规 则 形 ／～ ／ 刀 正
状 ， 有不规 则形 状 ， 与机 夹杆 配用． 也 也
３ Ｐ Ｂ 刀具 材 料 的性 能 Ｃ Ｎ
立方氮 化 硼 （ Ｂ Ｅｓ属 等 轴 晶 系 ， Ｃ Ｎ） ， ２５ 晶胞 常 数 ０ ３ １５ｍｍ， ． ６ 晶形 为六 面 体 ～八 面 体 聚 形 、 面体 八
图 ２ Ｃ Ｎ 含 量 与硬 度 的关 系 Ｂ
Ｏ． ３
等 ， 结构 与金 刚石 相 似 ， 学 键类 型相 同 ， 其 化 晶格 常 数相 近 ， 具有 与金 刚石 相近 的硬 度和强 度 ； 其热稳 但
耗． 提高 切削 加工效 率 ， 会带 来 巨大 的社会 效益 和 将
与聚 晶制 品 ， 需先 后分 ２次 进 行 ， 生 产 工艺 如 图 １ 其
所 示．
ＨＢ 粉 ＋触 媒 剂 Ｎ
～
经 济效益 ． 北 美机 械 工程 师 协会 主席 Ｈｏ 曾 说 ： 前 ｍ
“ 节省 加 工 工 时 一 分 钟 ， 国 就 可 以节 省 一 亿 美 每 美 元”３， ［ 可见 提高效 率对 国民经 济具有 十分 重要 的意 ］
ｃ Ｎ 单 晶粉 ＋粘 结 剂 Ｂ
～
Ｐ Ｂ 聚 晶片 ｃＮ
３ ｉ ａ ｒ ｎ
切 削和硬切 削等 领域 ．
（ ）压 制 聚 晶 ｂ 图 １ Ｐ Ｂ 的 热 压 工 艺 Ｃ Ｎ
１ Ｐ Ｂ 的 组成 成 分 对 刀 具 性 能 的 影 响 Ｃ Ｎ
１５ ９ ７年 ， 国通 用 电气 （ ） 司［ ６ 硬 材料 美 ＧＥ 公 ２］ －超
实 际合成 中， 结剂 的选 用至关 重 要 ： 粘 ①粘 结剂 应有 较高 的热 稳定 性 ， 因为 在 刀 片使 用 过 程 中 温度 达 ６ ０ 以上 ； 粘 结 剂 与 氮 或 硼 元 素 应 有 强 烈 的 Ｏ℃ ② 化学 亲和 性 ； 在高 温状 态下 ， ③ 粘结 剂与 被加工 工件
注 意 ： 制 造 过 程 中 ， 晶 Ｃ Ｎ 应 与 粘 结 剂 混 合 均 匀 后 在 微 Ｂ
过 机夹 方式夹 于刀 杆之 上．
方能使用．
（） ２ 以硬质 合 金 为基 体 的复合 型 Ｃ Ｎ 刀 具． Ｂ 这 样 的配 合 可 以充 分 发 挥 刀 刃 的 耐 磨 性 和 基 体 的韧 性 ， 大 Ｐ Ｂ 刀 具 的 使 用 范 围． 扩 Ｃ Ｎ 由于 ２种 材 料 的 线 膨胀 系数及 密度 都 不 同 ， 保证 热 传 递 及 可加 工 为 性 ， Ｂ 的厚度 一 般 为 ０ ５ １ ２ｍｍ， 占刀 片 的 Ｃ Ｎ ． ～ ． 约
则 Ｐ Ｂ 的用 途也 不 同（ 表 １ ． Ｃ Ｎ 见 ）
表 １ 常 见 粘 合 剂 的 Ｐ Ｂ 刀具 Ｃ Ｎ
１ ３ Ｃ Ｎ 的 晶粒 尺 寸对 Ｐ Ｂ ． Ｂ Ｃ Ｎ刀具 性 能的影 响
Ｃ Ｎ 晶粒 的大小 影响 刀具 的强 度 ， 晶粒 可使 Ｂ 细
晶粒 的 晶界面 积增 加 ， 高烧 结 强 度 及抗 裂 纹 扩 展 提