立方氮化硼(PCBN)刀片的性能及应用
立方氮化硼刀具的切削应用
参 考文献
［ １ ］ 杨荣福 ， 董 申． 金属切 削原 理 ［ Ｍ］ ． 北京 ： 机 械工 业 出版
社， １ ９ ８ ８ ．
观上无 方 向性 ， 会 随 着 切 削刀 具 的 磨损 连 续 地 露 出
收稿 日期 ：２ ０ １ ５年 １ 月
４ 结 语
传统切削用量优化方法应用于现代加工时 ， 所
应 以此最 低试 验切 削用量 为 限。
［ ２ ］ 袁哲 俊． 金属 切 削实 验技 术 ［ Ｍ］ ． 北京 ： 机械 工业 出版
社 ， １ ９ ８ ８ ．
［ ３ ］ Ｙ Ｅ Ｈ ｏ ｎ ￣ａ ｏ ， Ｗａ ｎ ｙ ｉ ， Ｒ ｅ ｎ Ｘ ｉ ａ ｏ ｐ ｉ ｎ ｇ ， ｅ ｔ １ ａ ． Ｖ ａ ｌ ｉ ｄ ｉ ｔ ｙ ａ ｎ ａ ｌ ｙ —
的应用特点 ， 从实 际加工应用人手 ， 结 合实 际零件展开加工应用讨论 ， 并且讨论 Ｐ Ｃ Ｂ Ｎ刀具加工不 同材料时候 的选 型， 参数选择 以及冷却液 的结合等 。
关键词 ：Ｐ Ｃ Ｂ Ｎ刀具 ； 性能 ； 特点 ； 应用
中图 分 类 号 ：Ｔ Ｇ ７ １ １ 文 献标 志 码 ：Ａ
得 出的优 化结论 不能 超 出取得 泰勒公 式 的试 验切 削 用量 范 围 ， 否则 将难 以预 见 的 与实 际 情 况偏 离 而 失 去效 力 。其 中最高生 产率 目标 因为 自动换 刀机构 的 出现而变 得没 有实 际意义 。最 低生 产成本 目标所 对 应 切削 用量如 果低 于 前 期试 验 的最 低 切 削用 量 ， 则
PCBN刀具的性能优势及加工领域
PCBN刀具的性能优势及加工领域随着现代技术和切削技术的不断进展，很多刀具材料相继显现，刀具进展由高速钢刀具—硬质合金刀具—吐涂层硬质合金刀具—陶瓷刀具—立方氮化硼刀具。
其中立方氮化硼刀具1970年开始使用于切削刀具，并且由于其良好的加工性和可高速切削的性能，使之成为加工高硬度难加工材料的手选择刀具材料。
接下来就实在介绍一下立方氮化硼刀具的性能优势及加工领域。
一、立方氮化硼刀具的性能（1）硬度高，耐磨性好：立方氮化硼刀具的硬度仅此与金刚石刀具，和金刚石刀具统称为超硬刀具。
由于其较高的硬度也使立方氮化硼刀具具有良好的耐磨性。
（2）具有很高的热稳定性：耐热性可达1400℃～1500℃，比金刚石的耐热性（700℃～800℃）高出一倍，是刀具材料中耐热性最高的，故可加工高温合金材料。
（3）具有很好的化学稳定性：与铁系材料到1200℃～1300℃不起化学作用。
（4）良好的导热性：CBN的导热系数（79.54W/m.k）仅次于金刚石（146.5W/m.k），随着切削速度的提高，CBN的导热系数也渐渐增高。
这有利于降低切削区的温度而削减扩散磨损。
二、立方氮化硼刀具的分类立方氮化硼刀具分为整体聚晶立方氮化硼刀具和焊接式立方氮化硼刀具。
整体聚晶立方氮化硼刀具是通体都是一种牌号—立方氮化硼，此刀片中心没有孔，属于机夹可转位刀具，需专门配置刀杆；二焊接式立方氮化硼刀具是只有刃口部位是立方氮化硼材料，基体是硬质合金材质。
此类中心有中心孔，其配备刀杆和硬质合金刀具的刀杆通用。
三、立方氮化硼刀具的应用随着切削技术的不断进展，立方氮化硼刀具广泛应用于高硬度难加工材料的加工。
（1）立方氮化硼刀具可以车代磨，硬车削高硬度难加工材料由于立方氮化硼刀具具有较高的硬度和耐磨性，红硬性。
所以采纳华菱超硬整体聚晶立方氮化硼刀具可以车代磨硬车削高硬度难加工材料。
（2）高速切削随着现代技术的进展，由于工件如汽车零部件刹车盘、制动鼓均属于批量生产，由数控车床铸件替代一般车床加工刹车盘、制动鼓。
立方氮化硼材料的制备、性能及应用
立方氮化硼材料的制备、性能及应用摘要：介绍了立方氮化硼单晶、聚晶立方氮化硼、氮化硼纤维材料的制备、性能及应用，对聚晶立方氮化硼的特殊性能和其作为刀具材料的应用进行了特别的分析，并指出了氮化硼的发展趋势。
金刚石是世界上最硬的材料，立方氮化硼（CBN）的硬度仅次于金刚石。
CBN晶体中氮原子与硼原子以SP3方式杂化形成CBN，类似金刚石结构。
金刚石和CBN统称为超硬材料。
超硬材料广泛应用于锯切工具、磨削工具、钻进工具和切削刀具。
金刚石高温容易氧化，特别是与铁系元素亲和性好，不适合用于铁系元素黑色金属加工。
CBN 是20世纪50年代最先由美国通用电气（GE）公司人工合成得到，70年代初制成聚晶PCBN刀具。
我国20世纪70年代首次合成出CBN 后，经历了20多年的徘徊发展，到20世纪90年代，CBN的生产及应用进入快速发展时期，特别是近几年发展更为迅速。
我国生产的CBN单晶除满足快速发展的内市场外，还大量出口国外。
聚晶立方氮化硼（Polycryst-allinecubic Boron Nitride，PCBN）是由CBN单晶添加黏结剂或不加任何黏结剂，经高温高压烧结制得的。
基于聚晶立方氮化硼材料和刀具在现代制造业中的重要作用，于2010年设立的“高档数控机床与基础制造装备”国家科技重大专项中明确提出：要研究超硬材料刀具系列产品结构设计和制造技术；进行高精度成形刀具研发；建立切削试验装置，针对用户材料及加工工艺需求，开展切削试验，建立切削数据库等，最终研制开发出适用于加工航空航天钛合金、高温合金材料的高效切削用超硬材料刀具系列产品。
本文主要介绍了CBN和PCBN的合成制备、性能和应用。
1立方氮化硼的合成与性能目前，CBN单晶的合成主要是由静态高压触媒法合成，通常以六方氮化硼（hBN）和不同的触媒为原料，在高温（1400～1800℃）和高压（4～8GPa）下合成CBN单晶粉，颜色多为黑色或琥珀色。
国内最早合成的CBN采用金属镁作为触媒，后来主要采用金属氮硼化物。
全面介绍立方氮化硼性质及在磨具、刀具应用
立方氮化硼的性质1.立方氮化硼的物理性质纯净的CBN是无色透明的。
由于原料纯度及合成工艺的影响，可呈现黑色、褐色、琥珀色、橘黄色、黄色等。
CBN的理论密度为3.48g/cm3，实际密度3.39~3.44g/cm3.常压下CBN的熔点在3000℃左右；10.5MPa压力下，熔点在3220℃左右。
室温下的热传导率为1.3KW·K-1·m-1，导热性也很好。
其热膨胀系数为3.5X10-6K-1，也较小，但稍高于金刚石。
CBN的折射率为2.117，电阻率为102~1010Ω·cm，介电常数为4.5。
2.立方氮化硼的机械性质强度：抗压强度为7.2GPa，抗弯强度为294MPa。
中国国家标准规定，对于70/80粒度，I 型CBN的单颗粒抗压强度不低于19.6N，II型CBN的单颗粒抗压强度不低于27.44N。
3.立方氮化硼的化学性质立方氮化硼的化学组成为43.6%B和56.4%N。
主要杂质有SiO2、B2O3、Al2O3、Fe、Mg、Ca等。
立方氮化硼的热稳定性和对铁族元素及其合金的化学惰性明显优于金刚石。
金刚石在500~700℃时就开始氧化，且由于反应产物是气体（CO2），金刚石的破坏会继续直到消耗完为止。
CBN在800℃以上开始与空气或氧气发生作用生成B2O3！CBN的硬度虽比金刚石低，但由于其与含铁黑色金属的化学惰性和较好的热稳定性，使其金属磨除率达到金刚石的10倍，很快地解决了淬火钢等硬而韧的难磨金属材料的加工问题。
这也是CBN得以较快发展的原因。
立方氮化硼在磨具方面的应用由于立方氮化硼磨具的磨削性能十分优异，不仅能胜任难磨材料的加工，提高生产率，有利于严格控制工件的形状和尺寸精度，还能有效地提高工件的磨削质量，显著提高磨后工件的表面完整性，因而提高了零件的疲劳强度，延长了使用寿命，增加了可靠性，加上立方氮化硼磨料生产过程在能源消耗和环境污染方面比普通磨料生产好，所以，扩大立方氮化硼磨料磨具的生产和应用是机械工业发展的必然趋势。
聚晶立方氮化硼（PCBN）的发展与应用
聚晶立方氮化硼（PCBN）的发展与应用聚晶立方氮化硼（PCBN）的发展与应用1、前言聚晶立方氮化硼（PCBN）是以硬质合金为基底，上面铺放一层立方氮化硼（CBN）单晶细粉（0.5～1.6mm厚）加粘结剂经高温（1400～2600℃）、高压（7～9Gpa）下压制而成的聚晶刀具材料。
聚晶立方氮化硼（PCBN）刀具主要用于数控机床、多用途机床、自动线、专用高速机床、柔性生产单元或柔性生产系统对淬火钢、模具钢、硬度为HRC45~68的冷硬铸铁、淬硬锻造钢件；硬度值为HRC45~65的镍镉冷硬耐磨铸铁件；渗碳氮化或渗碳火焰淬火的淬硬件；硬度值接近HRC60的淬硬冷拔钢件；白口铸铁或压铸件；合金钢、工具钢、热喷涂、焊材料进行精加工和半精加工，同时能高速切削HRC35以上钴基和镍基高温合金、热喷涂材料、硬质合金、陶瓷及其他难加工材料，可进行高速车削、铣削、镗削、钻（铰）削等，使用车、铣代替磨削的最主要的刀具。
PCBN刀具的硬度仅次于金刚石，大大高于陶瓷刀具和硬质合金刀具，因而可加工HRC60以上的淬火钢、灰口铁、白口铁以及硬度高达HRC70以上的YG5、YG20、YG25硬质合金，其寿命为陶瓷刀具的3－5倍、硬质合金刀具的5－15倍。
高耐磨性和长寿命大大提高了工件的加工精度，减少了换刀和磨刀的次数，提高了工效。
目前国内CBN磨料的制备技术已趋于成熟。
解决PCBN刀具的关键技术成为“超硬材料行业”的当务之急。
第一、解决汽车制造业、轴承行业、大型铸、锻件高精加工的关键工具，具有高精度、高效率、高耐用度、综合成本低的关键刀具材料。
第二、国防工业加工高耐磨合金、喷涂材料必不可少的工具。
第三、具有广泛的市场前景，在机械加工业，可加工各种黑色金属，特别是PCBN可成为替代硬质合金刀具的新型材料，是硬质合金刀具材料加工综合效益的8－10倍。
第四、可形成较大的产业化基地，年产值达到十亿元以上。
第五、其研究水平可达到国际先进水平，替代进口，并能出口创汇。
PCBN刀具及其在切削加工中的应用
收稿日期:2004年3月PCBN 刀具及其在切削加工中的应用杜国臣潍坊学院摘 要:阐述了PCBN 刀具材料的物理性能和切削性能,及其在不同切削领域应用的特点,并对关键技术进行了探讨。
关键词:PCB N 刀具, 切削加工PCBN Cutting Tool and Its Application in Cutting MachiningDu GuochenAbstract:The physical and cutting performance of PCB N tool material and the features of them used in different cu tting fields are introduced.The key technology is also discussed.Keywords:PCBN cutting tool, cutting machining1 引言PCB N(聚晶立方氮化硼)刀具具有硬度高、韧性好、热稳定性好和化学惰性大等特点,并可用金刚石砂轮开刃修磨,在切削加工的各个方面都表现出了优异的切削性能,特别适合加工各种淬硬钢、冷硬铸铁等难加工材料。
2 PCBN 刀具材料的性能2.1 PCBN 的组成成分对刀具性能的影响(1)结合剂对PCB N 刀具性能的影响PCB N 是CBN(立方氮化硼)的烧结体,通常是不加粘结剂烧结直接由CBN 原子间的结合而成的,也有加入不同的粘结剂,由粘结剂结合烧结而成的。
前者因CBN 含量高,所以硬度高,但较脆;后者除所加粘结剂比例不同外,其种类还有金属粘结剂和陶瓷粘结剂之分。
常用的金属粘结剂有Co 、Ni 、Ti 、Ni Al 等金属;陶瓷粘结剂有TiN 、TiN AlN 、Al 2O 3等,也有同时加入金属和陶瓷粘结剂的。
一般加陶瓷粘结剂的PCBN 刀具具有较高的耐高温磨损能力和较强的抗粘结能力。
(2)CB N 含量对PCBN 刀具性能的影响目前,CB N 是人工合成的,硬度仅次于金刚石,其晶粒硬度可达8000~9000HV,远远高于陶瓷和硬质合金。
立方氮化硼刀具在数控机床上的应用说明
立方氮化硼刀具精车淬硬钢实现以车代磨采用立方氮化硼刀具精车淬硬钢，其工件硬度高于45HRC，效果最好。
其切削速度一般为80~120m/min，工件硬度越高，切削速度宜取低值，如车硬度为70HRC的工件，其切削速度宜选60~80m/min。
精车的切深在0.1~0.3mm，进给量在0.05~0.025mm/r，精车后的工件表面粗糙度为Ra0.3~0.6μm，尺寸精度可达0.013mm。
若能采用刚性好的标准数控车床加工，PCBN刀具的刚性好和刃口锋利，则精车后的工件表面粗糙度可达Ra0.3μm，尺寸精度可达0.01mm，可达到用数控磨床加工的水平。
如果机床刚性好，选用的切削速度较低，则选用PCBN复合刀片可精车断续表面。
精车加工余量一般为0.3mm左右，尽可能提高工件淬火前的尺寸精度和减少热变形，以保证精车时切削余量均匀，延长PCBN刀具的使用寿命。
精车一般不用切削液，因为在较高的切削速度下，大量的切削热由切屑带走，很少会停留在工件表面而影响加工表面质量和精度。
精车刀片宜选用强度和韧性高的80°菱形刀片，刀尖半径在0.8~1.2mm之间，为保护刀具刃口，使用前需用倒棱。
精车淬硬工件是一门新工艺，实施前需做工艺试验，可用与工件材料、硬度和大小相同的棒料，在同类机床上进行精加工或粗加工试验，关键是要试验刀具与切削参数的选择及工艺系统是否有足够的刚性。
该工艺目前国内已经采用，如一汽集团用郑州博特PCBN刀具加工渗碳淬火(58~63HRC)的20CrMnTi变速箱齿轮拨叉槽，采用的工艺参数为υc=150m/min,f=0.1mm/r，αp=0.2~0.3mm，实现了以车代磨。
目前，虽然PCBN刀具材料的价格相对硬质合金及陶瓷刀具的价格还偏高，但均摊到每个工件上的刀具成本却低于其他材料刀具，采用先进切削加工工艺时，若将磨削机床等设备投资摊入生产成本，则PCBN刀具的使用会带来更大经济效益。
对一般中小企业来说，精加工工序的磨削加工始终是制造过程的瓶颈，若购置性能好的车床，采用PCBN刀具，应用以车代磨等先进切削加工工艺，即可节省设备投资、提高生产率，又可大大增加加工过程的柔性。
PCBN立方氮化硼刀具介绍及应用
PCBN刀具即聚晶立方氮化硼（Polycrystalline Cubic Boron Nitride）是将CBN立方氮化硼微粉和结合剂混合后利用人工方法合成的硬度仅次于天然金刚石的新型刀具材料，是目前高速切削铁系金属最合适的刀具材料。
由于立方氮化硼硬度仅次于人造金刚石，是世界上第二坚硬的材料，拥有极高的热稳定性和化学惰性，而聚晶立方氮化硼PCBN材料具有极强的抗变形和高温耐磨性——通常比最接近的陶瓷材料高出一个数量级。
目前大部分PCBN工具用于淬火钢的加工，可以以车代磨、以铣代磨，能够高速高效干式切削，大幅降低了加工成本、提高了加工效率。
另外，PCBN还可用于加工冷硬铸铁、灰铸铁、高强度铸铁以及冷作和热作工具钢。
目前，镍基和钴基高温合金加工也已成为PCBN工具的一个重要且迅速增长的应用领域。
从1957年美国GE公司研制出立方氮化硼（CBN）单晶粉末、70年代研制成功PCBN刀具至今，经过30多年的发展，PCBN刀具已逐步趋于成熟，国内外出现了众多的PCBN刀具制造商，其中，河南金六方超硬材料有限公司针对各种不同的应用场合，开发了不同配方的各种规格的PCBN材料。
其中，JLF300适用于将耐磨性作为首要条件的加工场合，如灰铸铁和硬铸铁的加工，是刹车盘和铸铁发动机缸体粗加工和精加工的首选材料，通常它的寿命至少高出陶瓷工具一个数量级；JLFCBN600采用细粒度CBN，具有极高的强度和抗热冲击性，对于极端断续切削场合，能确保良好的工件表面光洁度，并广泛用于铸铁类零件和阀座的精加工。
电火花放电磨削聚晶立方氮化硼刀具刃口
电火花放电磨削聚晶立方氮化硼刀具刃口1.聚晶立方氮化硼（PCBN）磨削概况近年来，聚晶立方氮化硼（PCBN）的使用，使58HRC以上硬度的工件精密硬态切削加工成为可能，达到以车代磨的表面质量，与高速钢、硬质合金材料相比，PCBN刀具可以大幅提高工件表面质量和加工速度，提升加工效率以及刀具寿命。
目前，国内外对PCBN刀具刃口加工的手段主要有机械磨削、电火花放电磨削等。
机械磨削，即用高速旋转的金刚石砂轮磨削PCBN刀具被加工表面。
机械磨削具有工艺简单、刀具刃口表面粗糙度值低等优点，但是，由于存在砂轮整形困难、砂轮损耗严重、成本较高等问题，难以实现对尖细刃口和复杂形状刃口刀具的加工，应用范围受到限制。
电火花放电加工是一种基于脉冲放电蚀除原理的自激放电加工过程，放电蚀除的物理过程是电磁学、热力学、流体动力学等综合作用的过程，电火花加工的机理是一种电物理过程。
而电火花加工属于非接触式加工，没有机械切削力，所以在制作工具电极时不必考虑其受力特性，具有工具电极成形简单、相对损耗小等优势，可有效应用于尖细刃口和复杂形状刃口PCBN刀具加工。
本文针对超硬刀具产品的自身特性，结合电火花放电磨削的原理，对超硬刀具电火花放电磨削的电极旋转线速度、峰值电流以及脉冲宽度等因素对加工效率、加工质量进行了详述。
2.电火花放电磨削影响因素2.1电极旋转线速度当电极不旋转时，工件材料去除量是最低的，工件表面粗糙度值也是最大的；电极旋转后，加工速度和加工质量均明显提高，这是由于电极的旋转改善了放电加工条件，加速了材料的蚀除速度；随着电极旋转速度的增加，工件材料去除量也增加，但增加幅度逐渐变缓，电极的损耗也增加，这是由于电极的磨损主要发生在放电加工初期，随着电极转速的增加，放电点迅速转移，放电频率明显加强，从而导致电极损耗增大；随着电极转速的增加，工件表面粗糙度值先减少，后增加。
在加工质量和加工效率方面，电极线速度变化的影响小于峰值电流和脉冲宽度的影响。
聚晶立方氮化硼(PCBN)刀具的应用领域
聚晶立方氮化硼（PCBN)刀具的应用领域P CBN刀具目前广泛的应用于高硬度难加工材料领域，但其具体的应用领域也有很多人不了解，下面就将接上上文，介绍一下PCBN刀具的应用领域。
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。
立方氮化硼CBN(Cubic Boron Nitride)是20世纪50年代首先由美国通用电气(GE)公司利用人工方法在高温高压条件下合成的，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、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。
由PCBN刀具切削铸铁及淬硬钢时刀具后刀面磨损与切削距离的关系可以看出：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。
通常用于硬态切削的刀具材料有陶瓷、TiC涂层刀片及PCBN刀具材料，但要在较高速度(1000m/min以上)下进行硬态车削，PCBN是最佳刀具材料品种。
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日目录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 andApplication DesignAbstract: 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 performance1 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”。
立方氮化硼刀片四种结构形式
1.整体烧结刀片物理几何特性：1、断裂韧性高；2、抗弯强度大；3、可承受1400度高温；4、刀尖数量多，每个尖都可以切削。
如C1204，80度角4个刀尖，加上钝角有8个刀尖。
应用范围及优势：1、可满足粗、半精和精加工；2、适合连续、弱断续、强断续环境切削；3、适合大切深高速切削；4、可加工沉孔或通孔，装夹更牢固。
5、硬钢加工首推此结构。
6、可无限次复磨，刀片利用率高；2.整体焊接刀片物理几何特性：1、刀尖是整体烧结材质，抗崩刃性好。
2、焊接温度900多度，刀尖可承受750度切削温度而不脱落；3、焊接刀尖，可承受切削阻力较整体烧结和整体复合刀片低。
4、仅锐角刀尖可用。
如C1204，有4个刀尖。
应用范围及优势：1、可满足粗、半精和精加工；2、焊接强度高,可承受更高的切削温度和切削力。
3、适合切深<3mm加工工况，可满足强断续、弱断续和连续加工环境；4、对应装夹刀杆全,可直接代替涂层刀片,无需更换刀杆。
5、硬钢加工推荐此结构。
6、可复磨，但次数有限。
3.复合焊接刀片物理几何特性：1、刀尖是复合材质，脆性大，抗崩刃性较差；2、焊接温度800度，可承受650度切削温度而不脱落；3、刀尖数较整体焊接少一倍。
个别小刀片只有一个刀尖。
应用范围及优势：1、适合半精、精加工需求；2、适合切深<0.5mm，弱断续和连续精加工环境；3、切削温度高的环境下脱焊概率增大。
4、不能复磨。
4.整体复合PCBN刀片物理几何特性：1、刀尖是复合材质，脆性大，易崩刃。
2、高温高压下直接复合，耐高温特性和整体烧结刀片一样；3、刀尖数量和整体烧结刀片一样。
4、抗弯强度和断裂韧性较整体烧结刀片差。
应用范围及优势：1、复合层与基体结合强度高，2、适合0-5mm切深、连续及轻断续切削；3、可满足粗加工、半精、精加工需求；4、可无限次复磨。
立方氮化硼(PCBN)刀具在活塞加工中的应用
精密加工中， 已取得 显著的技术和经济成果 ， 成为以 车、 铣代磨 削 的最佳 刀具 之一 。Ｐ Ｂ Ｃ Ｎ刀 具作为 新型
的超硬 刀具 已在加 工 行 业 广泛 应 用 ， 在 活塞 加 工 但
行业应用的不太普遍 ， 还有待摸索和推广。
７６
工 具 技 术
立 方氮 化 硼 （ Ｃ Ｎ） 具在 活塞 加 工 中 的应 用 Ｐ Ｂ 刀
张 宝国 杨景飞 刘 涛
山东滨 州渤海 活塞 股份有 限公 司
摘 要 ：Ｃ Ｎ刀具广泛应用 于加工铁系金属 ， ＰＢ 是加工淬硬钢最有效的刀具材料 ， 在分析 了 Ｐ Ｂ Ｃ Ｎ刀具材料性 能
发动 机 的活 塞在气 缸 始软化。Ｐ Ｂ Ｃ Ｎ在
８０Ｉ 的硬 度还高 于 陶瓷和硬 质合金 的常温 硬 度 。 ０ ｃ时 Ｃ
断变换 的 ， 而且气 缸 的实 际形 状 与几 何 基 准形 状 也 总是 有偏 差 ， 在活 塞运 动时 ， 活塞环 相对 于环槽在 径
起反 应 。 （） ４ 具有较 好 的热导性
和精 密加工 的需要 ， ２ 纪 ７ 代 迅 速 发 展 起 在 ０世 ０年 来 的超 硬材 料 ， 聚晶立 方氮 化 硼 （Ｃ Ｎ 是将 精 选 而 ＰＢ ）
的 Ｃ Ｎ晶体在高温高压下 烧结而成 的超硬材 料 ， Ｂ
ＰＢ Ｃ Ｎ刀具 在加工 淬硬 钢 、 冷硬 铸铁 等难加 工材 料和
Ｃ Ｎ的化 学惰性 大 ， 还原性 的气体 介质 中， Ｂ 在 对
２ 立方氮化硼刀具的主要性能特点
（） １高硬 度与 耐磨性 Ｃ Ｎ晶体结 构 与金 刚 石相 似 ， 学键 类 型形 相 Ｂ 化 同、 晶格体 常数 相 近 ， 此 具 有 与 金 刚 石 相 近 的硬 因 度 。Ｃ Ｎ 微 粉 的 显 微 硬 度 为 ８０ Ｂ ００～９０Ｈ 其 ００ Ｖ， ＰＢ Ｃ Ｎ烧结 体 的硬 度 达 到 ３０ ５０Ｈ 在 切 削耐 ００ ００ Ｖ：
PCBN刀具的切削性能
引言超硬材料CBN(立方氮化硼)作为磨料应用已有40余年的历史了，在磨削加工方面已有相当成熟的应用技术，PCBN(聚晶立方氮化硼也称立方氮化硼烧结体)作为刀具材料应用于切削加工始于70年代，经过20多年的应用，在切削加工的各个方面都表现了优良的切削性能和一些不同于其它材料刀具的特殊规律，我国PCBN刀具的应用相对发达国家还比较少，缺少这方面的技术资料，本文综合国内外有关资料及作者应用PCBN刀具的试验结果介绍如下。
1 PCBN刀具材料的性能PCBN按其制造工艺分有由CBN经高温高压直接结合成烧结块的，也有加金属或陶瓷等粘结剂在经高温高压烧结成的；按成品复合方式分，有单独CBN烧结块，也有CBN／硬质合金复合烧结的PCBN复合片。
本文将以PCBN复合片刀具的切削性能为主进行介绍。
具有较高的硬度和耐磨性CBN晶体结构与金刚石相似，化学键类型相同、晶格常数相近，因此具有与金刚石相近的硬度和强度。
CBN微粉的显微硬度为HV8000～9000，其烧结体PCBN的硬度一般为HV3000～5000。
具有很高的热稳定性CBN的耐热性可达1400～1500℃，PCBN在800℃时的硬度还高于陶瓷和硬质合金的常温硬度。
具有优良的化学稳定性CBN的化学惰性特别大，在1200～1300℃时也不与铁系材料发生化学反应，与碳在2000℃时才发生反应；在中性、还原性的气体中，对酸碱都是稳定的。
其对各种材料的粘结扩散作用比硬质合金小得多。
具有较好的导热性在各类刀具材料中CBN的导热性仅次于金刚石，大大高于硬质合金，而且随着温度的升高，PCBN导热系数是增加的。
具有较低的摩擦系数与不同材料间的摩擦系数CBN为0.1～0.3、硬质合金为0.4～0.6，随着切削速度的提高，摩擦系数是减小的。
2 PCBN刀具的切削特性PCBN刀具材料由于具有上述的特殊性能，因此在不同切削情况下，表现出了不同于其它材料刀具特殊的规律。
切削高硬度淬硬钢刀具寿命高PCBN刀具切削淬硬钢时，随着被加工材料硬度的增高，刀具寿命并非单调下降，而是在HRC40时刀具寿命最低(如图1所示)，图1VB=0.2mm；ap=0．5mm；f=0.1mm/r，工件材料：35CrMo。
立方氮化硼(PCBN)刀片的性能及应用
立方氮化硼（PCBN）刀片的性能及应用立方氮化硼和陶瓷材料一样属于非金属材料，聚晶立方氮化硼是由立方氮化硼单晶微粉加入一定的结合剂在高温高压下烧结而成。
分复合片和整体片两种。
复合片是以硬质合金为底衬，上面烧结一层聚晶氮化硼，此种刀片只适用于精加工；而整体刀片则是采用CBN微粉整体烧结而成的块状材料，经刃磨而形成刀片，它的主要用途在于粗加工，也可用于精加工。
聚晶立方氮化硼的特性：1、硬度高、耐磨性好。
立方氮化硼烧结体的硬度一般在3500~4000Hv，陶瓷；2400 Hv，硬质合金1800 Hv左右。
高硬度带来了相当好的耐磨性，一般讲，立方氮化硼的耐磨性是涂层合金的30倍，是无涂层硬质合金的50倍，是陶瓷刀片的15~20倍。
2、热稳定性高；立方氮化硼在1370º以上才开始由立方晶体向六方晶体转化；在1000ºC的高温下切削，其表面不会产生氧化，高温下硬度降低程度也比硬质合金和陶瓷刀片小的多，这就为高速切削创造了条件。
3、化学稳定性好：立方氮化硼化学惰性特别大，在中性空气介质中，对酸碱都是稳定的，与碳在2000º不起反应，与铁族材料在1200ºC~1300ºC时也不起反应适应于切削黑色金属材料。
4、导热性好；导热系数为79.54w/m,k，仅次于金刚石，随温度提高，导热系数逐渐增大，有利于散热。
5、磨擦系数低：磨擦系数为0.1~0.3系数抵使切削力小切削温度低不异常时光、不易产生粘削有利于表面质量。
6、刃磨性：立方氮化硼刀片可反复刃磨，方便用户降低了刀具成本。
聚晶立方氮化硼的应用：针对此特性，上海衡盾工业设备有限公司，创造性的在国内首先推出整体立方氮化硼刀片，推广到全国的硬质材料加工行业，取得了丰项的成果，积累了许多成功的使用经验。
工业泵渣浆泵生产根据泵行业过流部件的材料特点及加工特性，在Cr15Mo3铸铁件的试切中取得了成功。
采用我们的CBN刀具以后，能顺利的实现一次硬化加工，免除了退火再淬火2道工序，节约了大量的人力、电力。
立方氮化硼刀具的种类与使用
立方氮化硼刀具的种类与使用立方氮化硼刀具过去主要用于精加工，近十几年来通过改进生产工艺，控制原料纯度和晶粒尺寸，采用复合材料和热压工艺等，其脆性有了重大改进，韧性提高，使用可靠性大大改善，已可作为常规刀具在生产中应用，对提高工效、保证产品质量起重要作用。
立方氮化硼刀具材料的性能特点立方氮化硼刀具是指用立方氮化硼（CBN）做成切削部分的刀具。
立方氮化硼（CBN）是氮化硼BN的同素异构体之一，结构与金刚石相似，是用超高温超高压技术人工合成的超硬材料。
其硬度仅次于金刚石(显微硬度可达8000～9000HV)，且热稳定性高(达1250～1350℃)，对铁族元素化学惰性大，抗黏结能力强，用金刚石砂轮即可磨削开刃，故适于加工35HRC以上的硬质材料，如各种淬硬钢(碳素工具钢、合金工具钢、高速钢、轴承钢、模具钢等)、冷硬铸铁、钴基和镍基高温合金、硬质合金、表面喷涂(焊)材料等高硬及耐磨材料，也可用于钛合金、纯镍、纯钨及其它材料的加工。
它是以车、铣代替磨削的最佳刀具之一。
用立方氮化硼刀具加工淬硬钢的表面粗糙度为Ra1.60.4μm，精度可达IT7IT6。
上海通用汽车公司在一条发动机柔性生产线上，用山高刀具（上海）公司生产的立方氮化硼CBN300刀片面铣刀铣削发动机缸体平面（铸件），切削速度高达1600m/min，进给速度为5000mm/min。
立方氮化硼刀具也有使用上的局限，如其脆性较大，强度和韧性较差，不适用于冲击负荷下的间断表面加工。
此外，用它加工软的铁族元素材料时，因易于产生长切屑，擦伤刀具前刀面并形成积屑瘤，会导致切削力的波动而损坏刀具。
为了提高氮化硼刀具的抗冲击性能，目前已研制出以类石墨的六方氮化硼(g-BN或h-BN)为原料，用爆炸法合成出的一种新型WBN材料(WBN是属铅锌矿结构的BN)。
它具有很高的韧性和烧结活性，极易转变为CBN，并易于和CBN共同烧结成强度和硬度接近CBN水准的聚晶体。
WBN及CBN的两相烧结体是用WBN的韧性去弥补CBN的脆性，其抗冲击强度较单纯的CBN烧结体提高60%，断裂韧度提高2.53倍，抗挠曲强度提高1倍左右，抗压强度与硬质合金相当，热稳定性为1100~1200℃。
立方氮化硼刀具五大力学性能、三大加工范围
立方氮化硼刀具五大力学性能、三大加工范围立方氮化硼是20世纪70年代才发展起来的一种新型刀具材料，它是继人工合成金刚石之后，利用高温、高压技术获得了第二种无机超硬材料，它具有以下几方面的优良的物理力学性能。
（一）CBN硬度大CBN是现阶段最硬的材料之一，其围观硬度大约为（8000~9000HV），仅次于金刚石（9000~10000HV）的硬度。
在加工淬火钢及灰铸铁时，CBN刀具的耐磨性比硬质合金、陶瓷和金刚石刀具都高得多，因此能保证达到高的加工精度和高的刀具耐用度。
（二）CBN热稳定性好CBN的耐热性可达1400~1500℃，比金刚石的耐热性（700~800℃）高得多，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Al2O3+TiC陶瓷及硬质合金都高。
由于CBN的这一特性，用来加工高温合金（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，它与铁系元素亲和力削，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CO2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加工钢铁材料。
CBN没有金刚石的这个缺点，故能加工许多硬质材料。
（三）CBN的化学惰性很大。
它和金刚石不一样，与铁系材料直至1200~1300℃时也不易起化学作用。
因此，CBN 刀具可用于加工淬火钢和铸铁，粘结磨损和扩散磨损都很小。
而金刚石则不适宜加工这类材料。
CBN在1000℃以下不会产生氧化现象。
试验证明，在空气重加热到1000℃时，CBN 晶体与氧化合，在表面产生一层氧化硼薄膜，它像保护层一样，可防止进一步氧化。
但是，CBN在高温下与水要起化学反应BN+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。
（四）CBN具有良好的导热性CBN的导热性大大地高于陶瓷和硬质合金，但赶不上金刚石。
刀具立方氮化硼的主要性能、特点
刀具立方氮化硼的重要性能、特点刀具料子应具备基天性能刀具料子的选择对刀具寿命、加工效率、加工质量和加工本钱等的影响很大。
刀具切削时要经受高压、
高温、摩擦、撞击和振动等作用。
立方氮化硼的硬度虽略次于石，但却远远高于其他高硬度料子。
CBN的突出优点是热稳定性比石高得多，可达1200℃以上（石为700～800℃），另一个突出优点是化学惰性大，与铁元素在1200～1300℃下也不起化学反应。
立方氮化硼的重要性能特点如下。
①高的硬度和耐磨性：CBN晶体结构与石相像，具有与石相近
的硬度和强度。
PCBN特别适合于加工从前只能磨削的高硬度料子，
能获得较好的工件表面质量。
②具有很高的热稳定性：CBN的耐热性可达1400～1500℃，比
石的耐热性（700～800℃）几乎高l倍。
PCBN刀具可用比硬质合金
刀具高3～5倍的速度高速切削高温合金和淬硬钢。
③优良的化学稳定性：与铁系料子到1200—1300℃时也不起化
学作用，不会像石那样急剧磨损，这时它仍能保持硬质合金的硬度；PCBN刀具适合于切削淬火钢零件和冷硬铸铁，可广泛应用于铸铁的
高速切削。
④具有较好的热导性：CBN的热导性虽然赶不上石，但是在各
类刀具料子中PCBN的热导性仅次于石，大大高于高速钢和硬质合金。
⑤具有较低的摩擦系数：低的摩擦系数可导致切削时切削力减小，切削温度降低，加工表面质量提高。
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立方氮化硼(PCBN)刀片的性能及应用
聚晶立方氮化硼的特性：
1、硬度高、耐磨性好。
立方氮化硼烧结体的硬度一般在3500~4000Hv，陶瓷；
2400Hv，硬质合金1800Hv左右。
高硬度带来了相当好的耐磨性，一般讲，立方氮化硼的耐磨性是涂层合金的30倍，是无涂层硬质合金的50倍，是陶瓷刀片的15~20倍。
2、热稳定性高；立方氮化硼在1370以上才开始由立方晶体向六方晶体转化；在1000C的高温下切削，其表面不会产生氧化，高温下硬度降低程度也比硬质合金和陶瓷刀片小的多，这就为高速切削创造了条件。
3、化学稳定性好：
立方氮化硼化学惰性特别大，在中性空气介质中，对酸碱都是稳定的，与碳在2000不起反应，与铁族材料在1200C~1300C时也不起反应适应于切削黑色金属材料。
4、导热性好；导热系数为
79、54w/m,k，仅次于金刚石，随温度提高，导热系数逐渐增大，有利于散热。
5、磨擦系数低：
磨擦系数为0、1~0、3系数抵使切削力小切削温度低不异常时光、不易产生粘削有利于表面质量。
6、刃磨性：
立方氮化硼刀片可反复刃磨，方便用户降低了刀具成本。
聚晶立方氮化硼的应用：
针对此特性，上海衡盾工业设备有限公司，创造性的在国内首先推出整体立方氮化硼刀片，推广到全国的硬质材料加工行业，取得了丰项的成果，积累了许多成功的使用经验。
工业泵渣浆泵生产
根据泵行业过流部件的材料特点及加工特性，在Cr15Mo3铸铁件的试切中取得了成功。
采用我们的CBN刀具以后，能顺利的实现一次硬化加工，免除了退火再淬火2道工序，节约了大量的人力、电力。
切削参数的大幅度提高，大大提高了生产效率。
轧辊加工国内许多大型轧辊企业已经使用超硬刀具对冷硬铸铁、淬火钢等各类轧辊进行荒车、粗车和精车，均取得了良好的效益，效率提高了2-6倍，节约加工工时和电力50%-80%。
如某轧辊公司对硬度HRC65的冷硬铸铁轧辊粗车，半精车时采用我们的RNMN和SNMN的整体CBN刀片，切削速度提高了3倍，每车一根轧辊，节约电力、工时费400多元,取得了巨大得经济效益、汽车零部件加工
我公司结合国内汽车零部件生产向着高速、高效率、高精度的发展方向，适时开发出适合汽车零部件加工的刀具，目前已经在灰铁的半精、精车加工及各类材料淬火后的精加工中取得成功，极大的提高了客户的生产效率，降低生产费用。
如灰铁刹车
盘制动盘面的精车，加工表面光洁度达到0、4-0、8，效率比陶瓷刀片提高3倍，耐用度提高2倍，客户经济效益大幅度提升。
某公司铸造三厂，在发动机缸体缸孔的半精镗工序使用我公司CBN 焊接刀片后（取代进口刀具），刀具寿命提高三倍，解决了长期困绕客户在该工序换刀频次高，效率低，影响流水线不和谐的问题、某的半轴套管（高频淬火件）的精加工中，取代进口CBN刀片，在性能相当的情况下，降低客户刀具采购费用50%，取得客户的好评，并大面积推广使用！碳化钨等其他硬质材料的加工：针对一些难加工材料，我公司根据加工工件与加工现场的条件设计一套加工方案，满足加工要求。
立方氮化硼刀具广泛使用于淬火钢、工具钢、冷硬铸铁、镍、镐冷应耐磨后铸铁，高铬铸铁
（Cr27）、硬镍铸铁、白口铸铁、热喷涂、焊件高硬度难加工材料。
上海衡盾工业设备有限公司。