PcBN刀具在干切削中的應用研究①

鄧福銘，張 丹，王 強，陸少悌，趙曉凱

（中國礦業大學（北京）超硬刀具材料研究所，北京 100083）

1 引言

環境問題和資源問題是當前和今后相當長一段時間人類社會面臨的主要問題，特別是環境問題對人類生活造成的危害與日俱增。干切削技術是為適應全球日益高漲的環保要求和可持續發展戰略而發展起來的一項綠色切削加工技術。1995年干切削的科學意義被正式確立，1997年的國際生產工程研究會（CIRP）年會上，德國Aachen工業大學的F.Klocke教授作了干切削的主題報告；1999年1月在美國國家科學基金“設計與制造學科”受資助者會議上，國際著名的刀具制造廠MAPAL公司的總裁B.P.Erdel博士也作了有關美國干切削發展的主題報告，干切削技術已經在各國工業界和學術界引起廣泛的關注［1］。目前，我國對干切削技術的研究還比較少，應用也只是傳統的鑄鐵銑削加工。干切削技術作為一種綠色制造加工工藝，對于節省資源、保護環境、降低成本具有重要意義。

2 切削液的作用分析

切削液是機械加工中重要的輔助材料，其主要作用為：

（1）潤滑作用 在機械加工中，切削液滲入到切屑、工件與刀具的接觸表面并粘附在金屬表面上，形成潤滑膜，可以減少摩擦，減輕粘結現象并抑制積屑瘤的產生，降低工件表面粗糙度，減小切削力；

（2）冷卻作用 切削過程中所消耗的功，90%以上都化為切削熱，切削液能有效地將切削熱從切屑區帶走，從而降低切削區的溫度，提高刀具的壽命和工件的加工精度；

（3）協助斷屑、排屑 在切削過程中常產生一些細小的切屑，這些細小切屑會粘連在工件和刀具上，對加工造成不利影響。切削液的排屑、清洗作用可將這些切屑沖出加工區，從而提高加工質量和刀具壽命。

（4）防銹作用 空氣中含有一定的水分，切削液大多數也是水基的，為防止工件和刀具銹蝕，常加入一些添加劑，使切削液具有防銹作用。

切削液在機加工中起著很重要的作用，但隨著切削液用量的增加，它的負面影響也越來越顯著，主要表現在：

①增加了制造成本 隨著切削量的成倍增大，切削液的消耗量也大幅提高，因而它在零件制造成本中所占的比例也大大增加。國外許多統計資料表明，切削液及切削液的供給、保養、回收及切削廢液的處理等費用加在一起，占總制造成本的16%，而刀具消耗的費用僅占制造成本的4%［2］。

②長期暴露在空氣中的磨削液、合成切削液，尤其是霧狀切削液會對操作者的健康造成危害，引起工人呼吸系統或皮膚疾病，同時還會造成工作場地、局部環境（水、壤、氣等）污染。

在切削加工中，切削液的潤滑作用只有5%，而其余的作用則是幫助排屑。因此，干切削是降低成本、消除切削液污染、實現清潔化生產的有效途徑。

3 PcBN刀具在干切削中的應用

3.1 干切削對刀具、工件和機床的要求

干式切削是隨著刀具材料，特別是隨著耐高溫刀具材料的不斷進步而發展起來的。干式切削就是不用切削液，利用特定的刀具及其相關加工技術獲得理想的加工效果。其機理是由于切削速度很高，產生熱量聚集于刀具前部，使切削區附近工件材料達到紅熱狀態，屈服強度下降，進而達到提高切削效率的效果。采用紅熱干切削工藝的前提條件是在較高切削溫度下，被切材料強度有明顯下降，變得易切削，而刀具材料在同樣狀態下要有較好的紅硬性及熱穩定性，即有較好的耐磨性和抗粘結性。

cBN是目前硬度僅次于金剛石的超硬材料，而PcBN又是以cBN作為主要成分在高溫超高壓條件下經燒結而成的聚晶體。cBN與硬質合金、陶瓷材料相比，在干切削條件下具有更明顯的優勢：cBN硬度高于TiC、Al2O3、SiC，是硬質合金的2倍以上；在800℃～1000℃下的高溫硬度也遠高于硬質合金、陶瓷材料，因此可成倍提高切削速度，延長刀具壽命；同時cBN的熱傳導率高，可降低干切削時切削刃的溫度；cBN的熱膨脹率小，抗熱沖擊性好，可減小PcBN刀具的粘接磨損和擴散磨損；并且cBN與金剛石不同，既與鐵、鈷、鎳等有良好的化學惰性，在高溫空氣中又有良好的化學穩定性；另外PcBN刀具摩擦系數小，排屑流暢，散熱迅速。因此PcBN材料是最適合干切工藝的刀具材料，且由于PcBN刀具材料具有上述的特點，更適于高速情況下的干式切削加工。

另外，切削力大、溫度高是干切削的特點，為減少高溫下刀具與工件材料之間的擴散和粘結，應特別注意刀具材料與工件材料之間的合理匹配。干式切削中產生大量的切削熱，容易造成工件熱變形，影響加工精度。因此，工件材質的熱特性是決定該材料是否適宜干式切削的重要因素。因此，熔點較高、熱傳導系數和熱膨脹系數較小的材料適合干切削。

干切削不但對刀具要求很高，也對機床的排屑、防塵和熱特性提出較高要求。干切削機床最好采用立式布局，至少床身應是傾斜的，工作臺上的傾斜蓋板可用絕熱材料制成，總的原則是盡可能依靠重力排屑。干切削易出現金屬懸浮顆粒，故機床常加裝真空吸塵裝置和對關鍵部位進行密封。干切削機床的基礎大件要采用熱對稱結構并盡量由熱膨脹系數小的材料制成，必要時還應進一步采取熱平衡和熱補償等措施。

3.2 PcBN刀具干切削的金屬軟化效應

由于PcBN刀具具有較高的高溫硬度和熱穩定性，因此可采用較高的切削速度進行切削，在較高的切削熱的作用下，被切削層金屬軟化，硬度降低，使切削加工更加易于進行，而刀具也保證了較高的壽命，這一效應稱為金屬軟化效應。產生金屬軟化效應的決定因素是切削溫度，試驗表明，切削速度對切削溫度的影響要大于進給量，且隨著進給量的增加其影響增大；背吃刀量對切削溫度的影響也較大，且隨著工件材料硬度的增加其影響程度增大。

劉獻禮［3］的研究表明：當工件硬度低于HRC50時，在任一切削條件下，切削溫度隨著工件材料硬度的增加而增加；當工件硬度高于HRC50時，切削溫度隨工件硬度的增加而下降。因此，可以得出產生金屬軟化效應的條件是工件材料的硬度要大于HRC50。試驗還表明：工件材料硬度在HRC50左右時表面粗糙度最差，當工件硬度大于HRC50以后，隨著硬度的增加，表明粗糙度數值呈下降趨勢；已加工表面硬化層深度隨著工件材料硬度的增加而增加，當工件硬度達到HRC50之后，已加工表面硬化層深度達到最大，之后隨著工件硬度的增加，硬化層深度基本不變。

“紅月牙”切削技術使切削熱快速聚集在前刀面上，其溫度達到600℃～700℃，可明顯觀察到紅色圓弧現象并因此而得名。美國Makino公司生產工程部經理Grey Hyatt在干式切削灰鑄鐵時曾指出高速銑削過程中“紅月牙”切削技術的重要性。實驗結果表明高速進給（40m／min）和高速主軸旋轉（14000r／min）可使徑向力降低75%～90%［4］。溫度升高使材料的屈服強度降低，極大地提高了材料的切削加工性。

3.3 PcBN刀具干切削的加工表面質量

用PcBN刀具加工不同材料都能獲得較好的表面粗糙度，PcBN刀具加工表面粗糙度遠遠好于硬質合金刀具，而且隨著切削速度的提高，越來越接近粗糙度的理論值。

PcBN刀具加工獲得加工表層硬度略有上升，并產生一定的硬化深度，但對加工表面表層的金相組織并無破壞，而且切削用量的變化對已加工表面表層的金相組織沒有損傷。Tonshoff［8］的研究結果表明，已加工表面顯微硬度受進給量和后刀面磨損量的影響較大，進給量越小磨損量越大，表面硬度越高。

PcBN刀具的硬態切削加工一般在零件表面層以下產生殘余壓應力。壓應力有助于提高表面的抗疲勞性能，這也是PcBN刀具的一個很好的性能。Tonshoff［5］在使用PcBN刀具干切削GCr15軸承鋼時發現PcBN刀具的加工表面的應力狀態不全都是壓應力，條件選擇的不適當也可以造成殘余拉應力狀態。因此，在使用PcBN刀具時，應注意加工條件的選擇，其中切削用量對殘余應力的分布情況影響較小，而刀具結構對殘余應力的分布影響很大，尤其是倒棱的幾何參數需要精心選擇。

3.4 PcBN刀具干切削的磨損與壽命

刀具的磨損直接影響加工效率、質量和成本。對于PcBN刀具干切削的磨損來說，其磨損是由多種磨損機制共同作用的，而不是單一的一種磨損機制起作用。郭旭紅等［6］研究了PcBN刀具干切削淬硬軸承鋼時的磨損機制，發現PcBN刀具前刀面主要是月牙洼磨損，其只有達到一定的溫度和壓力后才產生，且只產生在距離刀刃很近的部分，而且寬度很窄；而后刀面主要是以機械磨損為主的磨損帶，同時粘有一些工件材料。這是由于刀具與切屑、以及刀具與工件接觸區界面上溫度較高所引起的。因此，干切削比普通切削加工時的刀具前角要取得稍大一些，以降低切削區溫度，并在刃口上做出負倒棱。為防止刀尖處熱磨損，主副切削刃連接處應采用修圓刀尖或倒角刀尖，以增大刀尖角，加大刀尖附近刃區切削刃的長度和刀頭材料的體積，以提高刀具剛性和減少切削刃破損的概率。

實驗還表明，無論是后刀面磨損還是月牙洼磨損，都是當工件硬度在HRC50的情況下最大，而在較高或較低硬度下，刀具的相對磨損都較小。

4 結束語

PcBN刀具非常適合于硬態材料的干切削，并能加工金剛石刀具所不能加工的黑色金屬材料，特別適合數控設備及自動化生產線的使用。PcBN刀具有很高的耐磨性，其使用壽命遠遠高于硬質合金，可加工大部分高硬度材料，在許多場合可以以車、鏜、銑等加工手段代替磨削，能使被加工零件獲得高的精度和良好的表面質量，并大大提高生產效率。國外PcBN刀具已廣泛用來加工淬硬鋼、高硬度鑄鐵和抗磨零件，并帶來了巨大的經濟效益。隨著機械零件的硬度和抗磨損性能要求的進一步提高，PcBN刀具的使用必將更加廣泛。

［1］馬平，胡愛玲，白釗.高速干切削及其關鍵技術［J］.新技術新工藝，2004（4）：14－17.

［2］謝國如.綠色制造中干切削的研究［J］.現代機械，2004（6）：57－58.

［3］劉獻禮.聚晶立方氮化硼刀具及其應用［M］.黑龍江科學技術出版社.1999.

［4］J.H.Dailey.PcBN tools take off on hard surfaces［J］.American Machinist，1996：39－41.

［5］H.K.Tonshoff，C.Aiendt，R.Ben Amor.Cutting of Hardened Steel［J］.Annals of the CIRP，2000，49（2）：547－566.

［6］郭旭紅，曾庭衛，劉開強，朱圣領.PcBN刀具干切削淬硬軸承鋼時磨損機理的研究［J］.工具技術，2004（6）：28－31.