在信息技术飞速发展的今天，制造业仍然是国民经济的支柱。应该认识到，信息技术是手段，制造技术才是创造财富的基础。高技术、产业化，一点也离不开制造业。在制造技术中，伴随着信息技术的发展，一方面是发展了以数控机床为基础的自动化技术；另一方面，在加工工艺和加工方法上也发展了许多新工艺、新技术，其中在金属切削刀具发展上，新推出的立方氮化硼刀具与金刚石刀具同称为超硬刀具，其性质与金刚石类似，可用于高速精密切削多种材料。立方氮化硼刀具的发展，大幅度地提高了劳动生产率，改善了产品质量，降低了生产成本，现如今在市场上已占有很大的份额。这也是国内致力于发展PCBN刀片，为金属切削技术飞速发展添砖加瓦。


　　工具/原料


　　立方氮化硼


　　金刚石


　　方法/步骤


　　超硬材料刀具主要包括金刚石刀具和立方氮化硼刀具，其中以人造金刚石复合片（PCD）刀具以及立方氮化硼复合片（PCBN）刀具占主导地位。随着现代制造业的快速发展，超硬刀具的生产及应用也逐年快速增长。


　　超硬刀具大部分用于汽车零部件的切削加工。2003年，PCBN焊接刀片在加工汽车缸套的环槽、外圆等部位试验成功，在汽车制动盘精加工工序，选用PCBN整体刀片高速精车，大大缩短了加工时间，工件表面粗糙度也得到极大改善，2009年，PCBN整体复合刀片，在汽车齿轮渗碳淬火后端面、内孔


　　、同步啮合齿轮的锥面精加工、齿轮轴硬车切槽方面试验成功并投身使用。PCBN刀具发展至今，不仅可用于汽车制造业，还可用于加工冷硬轧辊、风电设备回转支撑轴、滚珠丝杠、渣浆泵等。超硬刀具已成为现代切削加工中不可缺少的重要切削工具。


　　立方氮化硼（简称CBN）是用六方碳化硼为原料，利用超高温高压技术制成的一种无机超硬材料。其主要性能是：


　　1）具有仅次于金刚石的高硬度（8000~9000HV）和耐磨性，能在高速切削下保持精度；


　　2）具有比金刚石更好的热稳定性，高温硬度高于陶瓷，在1300~1400℃高温下，其主要性能保持不变；


　　3）化学稳定性好，在1000℃以下时不发生氧化现象，与铁系金属在1200~1300℃时也不易起化学反应。


　　因此，在高速下切削淬火钢、冷硬铸铁时，粘结和扩散磨损比较小；


　　4）热导率较高，摩擦系数较小，热导率虽比金刚石小（约为金刚石的1/2），但远高于陶瓷刀具。


　　CBN刀具的最大缺点是强度和韧性差，抗弯强度大约只有陶瓷刀具的1/5~1/2，故一般只用于精加工。根据CBN刀具的特点，它应该最适合于高硬度淬火钢、高温合金、可切削轴承钢（60~62HRC）、工具钢（57~60HRC）、高速钢（62HRC）等材料的高速加工。在淬硬模具钢的加工中，用CBN刀具进行高速切削，可以起到以铣代磨的作用，大大减少手工修光工作量，因而可大幅度提高加工效率。这一点是金刚石所不能胜任的。由此可见，这两大超硬刀具材料之间可以有互补的作用。


　　CBN刀具在加工塑性大的钢铁金属、镍基合金、铝合金和铜合金时，因此容易产生严重的积屑瘤，使已加工表面质量恶化，故CBN刀具适合加工硬度在45HRC以上的刚才和铸铁等。


　　聚晶立方氮化硼（PCBN）的聚晶层由无数细小的、任意排列的晶体组成，具有各向同性的特点。晶粒中CBN的含量为50%~60%，它具有很高的抗压强度和化学稳定性，主要用于硬切削。提高CBN的含量，可提高其断裂韧度和耐磨能力，可用于切削淬硬铸铁和具有硬化层的材料。


　　PCBN刀具也可分为焊接式PCBN刀具和复合式PCBN刀片两类。将一块PCBN刀片焊接在硬质合金基片的一个角上，经刃磨后形成一个刀尖。在一片可转位刀片上，可以焊接一个刀尖或多个刀尖，转位结构的PCBN刀片主要为车刀片和铣刀片，考虑到刀坯成本较高，一般只做一个刀尖。随着焊接工艺质量的提高，双头焊接式刀片也随之应用起来。如博特的CNGN120404/CCGW09T308/DNGA150612/DCGW11T304/VNGA160408


　　等型号的双头焊接式车刀片。TNGA110304/TCGW160412等型号的单头焊接式刀片。CBN刀片应用的一大进展是采用复合刀片，有单面复合层和双面复合层刀片，复合刀片是将0.5~1mm厚的PCBN片烧结在韧性比较好的碳化物硬质合金基体上，可使刀片具有硬质合金基体的抗弯强和和韧性，又具有CBN高硬度、高耐磨性和耐高温的特点。PCBN刀片大多数用于耐磨黑色金属的加工，因此其刀尖角不能太小，刀具前角一般为-5°~5°，后角一般为3°~10°，断续切削时一般有负倒棱。


　　PCBN刀具的典型应用


　　（1）硬加工，以车代磨


　　由于PCBN刀具又有极高的硬度及红硬性，可使被加工的高硬度零件获得良好的表面粗糙度，所以采用博特PCBN整体双面复合式车削淬硬钢可实现“以车代磨”。应用实例如汽车齿轮孔的加工，此类零件材料表面硬度为60~62HRC，齿轮孔精度为IT6，表面粗糙度Ra≤0.8um。传统加工工艺为：机加工--热处理--


　　磨削。采用超硬刀具“以车代磨”的加工工艺为：粗加工--热处理--精加工。这种新工艺科大幅度提高加工效率，降低加工成本。


　　（2）高速切削，高稳定性加工


　　在汽车发动机生产线上，灰铸铁缸体的缸孔精加工是一个关键工序，要求缸孔加工尺寸精度高、表面粗糙度小、尺寸稳定性好。由于生产线加工节拍快，要求切削速度高，刀具寿命长，且倒角、粗精镗等多个工位的刀片寿命应满足耐用度的要求。采用PCBN刀片即可实现发动机缸孔的高速切削及高稳定性加工，其典型切削参数为：v=500m/min，f=0.2~0.4mm/r，ap=0.2~0.7mm，可达到的加工表面粗糙度Ra≤1.6um，刀具寿命＞1000件。这种刀具非常适合于大批量生产线上高速加工。


　　（3）干式切削，清洁化生产


　　采用PCBN刀具加工含硼的铸铁缸套，切削参数：v=200m/min，f=0.1mm/r，ap=0.2~1mm，可达到的加工表面粗糙度Ra≤1.6um，精度IT6，两次刃磨间刀具寿命＞100件，实现了“以车代磨”。由于采用干式切削，避免了切削液及砂轮尘埃对环境的污染，切屑也可回收再利用，符合清洁化生产的要求。


　　金刚石具有极高的硬度和耐磨性，是最硬的刀具材料。金刚石刀具具有非常锋利的刀刃，有很好的导热性，线膨胀系数很小，摩擦系数也小。因此可利用PCBN材料实现有色金属及耐磨非金属材料的高精度、高效率、高稳定性和低表面粗糙度加工。


　　PCD刀具主要应用的切削领域


　　（1）高速切削轻金属及其合金以及非金属材料PCD刀具在切削铝合金材料时，可以达到非常高的速度。采用PCD刀具加工有色金属时，由于金刚石硬度高，表面与金属亲和力小，且刀具一般抛光成镜面，不易产生积屑瘤，加工尺寸稳定性以及表面质量都很好，刀具寿命可达几千~几万件，尤其适合于汽车、摩托车零件的大批量生产和飞机零件的高速大加工量切削。


　　（2）精密和超精密高速切削


　　由于金刚石材料的结合强度高，进行微切削量加工时，可以实现非铁金属的镜面加工，这种工艺可用于精密和超精密以及光学元件的精加工。


　　在超精密车床上，采用单晶金刚石刀具，可实现球体的镜面加工。机床采用超精密气体惊讶主轴及回转工作台，径向圆跳动误差≤0.3um，工件采用高精度气动卡盘，可实现快速高精度定位。加工铝件时，可达到表面粗糙度Ra≤0.025um，


　　（3）用于新型陶瓷材料和难加工材料的加工


　　特别是加工高硬度、耐磨的难加工有色金属以及非金属材料时，如高硅铝合金、增强纤维塑料、耐热合金等具有明显的优越性。


　　注意事项


　　CBN刀具和金刚石刀具硬度高，刀具寿命长，适用于大批大量生产的场合以及用于特殊要求场合的加工， 如精密切削高硬度材料等，现在许多刀具制造厂家推出的超硬刀具，大都汇给出刀具的使用环境和适用 的切削参数。在使用超硬刀具时，一方面要人站研究厂家提供的使用参数，另一方面，还要充分考虑实 际的切削条件。