聚晶立方氮化硼(PCBN)刀具及存在的问题

聚晶立方氮化硼（PCBN）刀具及存在的问题
作者：admin 发表时间：2011-12-23 11:17:49 点击：132
CBN颗粒的大小不但对PCBN刀具的切削表面质量有影响，而且对PCBN烧结时粘结剂的烧结能力起到一定的作用。

一般来说，CBN颗粒度越小，PCBN刀具切削表面质量越好，刀具抗冲击能力和耐磨性越好，因此，在加工淬硬钢并且要求高的表面质量（即实现PCBN刀具的“以车代磨”）时，PCBN刀具所采用中的CBN颗粒应取较小值。

但另一方面，由于PCBN刀片的烧结是通过“毛细现象”即各种粘结剂元素渗透到CBN颗粒之间实现的，如果CBN颗粒太小，CBN颗粒间的间隙就会减小，从而使得粘结剂元素的渗透量减小。

因此，烧结时CBN颗粒又应选得大一些。

综合考虑以上两种因素，CBN烧结时应多选择混合粒度，并根据所选粘结剂粘结能力的不同而确定不同的粒度范围。

（3）CBN晶粒含量
PCBN刀具中的CBN晶粒含量对PCBN刀具的硬度、导热性有较大的影响。

CBN含量越高，刀具的硬度越高，导热性越好。

高含量PCBN刀具（一般CBN含量为80%～90%）是以CBN之间的直接结合为主，具有高硬度和高导热性。

这类PCBN刀具适合加工高硬度合金和组织中含有高硬质点的材料，如冷硬铸铁、耐热合金等。

目前此类刀具刀片主要有GE公司的BZN6000，Element Six公司的AMB90，住友电工公司的BN100、BN600等。

低含量PCBN刀片多为陶瓷粘结剂，耐热性好，易于加工淬硬钢（合金钢、轴承钢、模具钢、碳钢等），利用切削区内热滞留高温形成的金属软化效应进行切削。

GE公司的BZN8100、BZN8200，Element Six公司的DBC50，住友电工公司的NB300、NB220以及山高公司的CBN10、CBN100、CBN150等均属于此类。

（4）粘结剂
CBN烧结所需的粘结剂：①物理化学性能越接近CBN越好，这样不会过多的削弱烧结后PCBN刀具的切削性能；②易于达到熔点温度或在此温度下具有较好的塑性；③相对于CBN具有足够的化学活性，具有使六方氮化硼（HBN）向CBN转化的催化性。

目前，常用到的粘结剂按其物理化学性质可分为金属粘结剂（如Ni、Co、Ti、Ti-Al 等）和陶瓷粘结剂（如TiN、TiC、TiCN、Al2O3等）；按作用可分为催化剂（如Al、AlN、AlB2、Si等）和溶解剂（如Ti、Ni、Co、TiN、TiC、TiCN等）。

粘结剂种类和含量都对PCBN刀片的性能有不同的影响。

碳化物、氮化物、碳氮化物可以提高PCBN刀片的抗化学磨损能力和抗冲击能力，但含量过高会降低刀具硬度，使刀具寿命缩短；钴是最常用的粘结剂，可以提高CBN烧结时的烧结度；Ti陶瓷粘结剂可以提高PCBN刀片的韧性；铝及铝的化合物可与CBN颗粒及其它粘结剂发生反应，使CBN颗粒粘结得更加牢固，提高刀具耐磨性；Si和Al、AlN、AlB2的混合物是HBN向CBN转化的有效催化剂，在陶瓷粘结剂里加入少量的Al、Si还可以增强CBN间的粘结，形成连续的陶瓷相；以铝化镍作为粘结剂的PCBN复合片导电性好，适于采用低成本电火花进行切割。

由于粘结剂的不同，现在PCBN刀片趋于两种特性：一种是具有高的耐磨性（高含量CBN，催化粘结剂），另一种是具有好的抗冲击性（低含量CBN，陶瓷粘结剂）。

PCBN刀具可加工硬度在HRC60以上的淬火钢、模具钢、工具钢、合金钢、灰口铁、白口铁、硬质合金、陶瓷等传统刀具难加工的材料，此是其独特的特点。

PCBN刀具的出现，为切削加工带来了根本性的变化。

PCBN刀具适用于普通机床、专用机床、自动线以及数控机床，广泛应用于军工、汽车、冶金轧辊、轴承、模具等行业的切削加工。

PCBN刀具使用寿命是硬质合金刀具的5～25倍，高耐磨性大大减少了换刀和磨刀的次数，而不重磨机夹PCBN刀具也与硬质合金机夹刀具一样不用磨刀。

PCBN刀具也可不用冷却液而进行干式高速切削，适应日益提高的国家环保要求和“低碳经济”要求。

实行“绿色切削”，减少了污染，省去了冷却费用，是机械加工中利国利民的上佳选择，但现在许多人员还远远未认识到这一点。

PCBN刀具与铁族元素的亲和力小，比用金刚石刀具更适合加工钢铁工件。

据说PCBN 刀具在加工45号钢工件方面也有一定的优越性，但尚待证实。

PCBN刀具能以车、铣代磨，切削精度较高，明显提高了工作效率，特别是在自动线、数控机床和高硬度工件的加工方面优势更加明显。

PCBN刀具的使用优点很多，但目前在我国应用的数量和范围却远远不够多和宽。

虽然我国从上个世纪七十年代初就研制成功了CBN，经过近四十年的努力，已经是CBN生产的第一大国，产量占世界产量的一半以上，如2008年生产CBN约2.8亿克拉，出口量占产量的80%左右，但PCBN刀具的研发仍较落后，宣传工作和标准的制定也跟不上市场前进的步伐，成品的刀具品种和产量都无法满足加工行业的需求，导致大部分数控机床使用的刀具仍需要进口。

出口CBN磨料价格低，而进口CBN刀具价格高，明显是误国误民的事，这种状况不应该继续下去了。

现在经过国家有关部门、大专院校、研究机构的广大技术人员和企业的共同努力，我们正在赶上来，也为从根本上改善这种状况提供了条件。

近几年来，国内一些刀具生产企业已生产了一些PCBN刀具来代替进口的刀具，节省了外汇，使用效果还不错。

但是，品种、数量和需求与国外相比仍有较大的差距，与我们CBN生产大国的地位很不相配，还需要大家共同努力来改变这种状况。

根据笔者对PCBN刀具生产和使用方面了解的一些情况，现针对我国PCBN刀具的应用现状及存在的问题提出几点解决办法：
一、应完善国内关于PCBN刀具的切削性能研究体系，国家有关部门应协调和组织刀具生产企业加强合作，改变各个企业单打独斗的局面，编写PCBN刀具尺寸、切削速度和适用范围等方面的手册资料，为使用PCBN刀具的生产企业和用户提供正确的理论指导，为PCBN刀具的生产和推广使用提供方便。

二、尽快制定PCBN刀具生产的国家标准、行业标准和企业标准，实行PCBN刀具产品（包括刀片、刀杆和夹紧螺栓等部分的尺寸）的标准化、系列化生产。

在这方面，国家有关部门和一些企业已做了不少工作，国家标准化委员会在2007年11月发布了
GB/T2076-2007《切削刀具用表示规则》，2008年6月发布了GB/T21951-2008《镶或整体立方氮化硼刀片尺寸》，一些企业已按此标准生产出了产品并准备制定企业标准，这些工作对PCBN刀具的生产和使用非常重要，PCBN刀具标准方面的工作还应进一步加强。

三、目前，PCBN刀具的品种还较少，还不能满足日益增多的用户的使用要求。

但随着国内生产标准的完善，通过各有关部门和企业的共同努力，这种现象将很快得到改变，一些企业已生产出了与硬质合金刀片尺寸和精度相同的机夹CBN刀片，使用很方便，但PCBN 刀具的数量和品种还应增加。

四、现在PCBN刀具的价格仍较高，PCBN机夹可转位刀片因型号和性能的不同，每片刀片价格大约为硬质合金刀片的5～25倍，这也是一些用户没有使用PCBN刀具的一个原因。

但是，因PCBN刀具的使用寿命一般是硬质合金刀具的10～20倍，再算上减少换刀时间提高的效率，其实际综合成本低于硬质合金刀具，在普通机床上如此，在自动线上和数控机床上的优势更是明显，减少换刀次数产生的效益要大大高于刀片价格高出的成本，使用PCBN刀具更合算。

况且，PCBN刀具还能加工硬质合金刀具无法加工的一些工件。

随着国内生产的标准化程度加深和企业生产的技术进步，降低PCBN刀具的价格的工作还要继续下去。

五、因为PCBN刀具有关知识的宣传工作不到位，很多使用厂家包括很多从事机械加工的技术人员对PCBN刀具的性能知之甚少，不少企业尤其是小企业，因为对PCBN刀具不了解，一般不用PCBN刀具，在遇到硬质合金刀具加工不了的工件时，可能会找人咨询，才有可能用。

在找不到可咨询的专家时，只好采用将工件退火后再加工或者外协加工的办法。

因此，加强PCBN刀具有关知识的宣传工作很有必要。

六、河南省是CBN的生产大户，产量世界第一，有关大专院校和研究所在CBN和PCBN 刀具的研究方面在全国处于先进水平，以郑州高新技术开发区的河南富耐克超硬材料有限公司、南阳中南金刚石有限公司等为代表的企业，生产PCBN的设备和产品，在全国甚至在世界上都占有重要的地位，河南省生产PCBN刀具有着良好的基础和得天独厚的条件，河南省政府有关部门应组织和协调全省有关大专院校、科研机构、企业，联合起来，把PCBN 刀具的研究和生产优势充分展现出来。

近年来，河南省工业和信息化产业厅已着手进行了这方面的工作，但政府的举措还有待于完善和加强。

随着PCBN刀具的优越性被越来越多的人所了解，其推广应用是必然的，有很大的发展空间和巨大的使用效益，前途无量。

但这项工作不是少数人或少数企业自己就能够做好的，需要国家政府部门、各科研机构和企业的通力合作，共同努力，才能做好PCBN刀具的生产和推广应用工作。