立方氮化硼刀具在切削加工中的應用

劉薇娜，鞠巖松，楊立峰

（長春理工大學 機電工程學院，長春130022）

0 引 言

1957 年，美國通用電氣公司率先由人工合成了一種新型的超硬材料——立方氮化硼(CBN)，隨著現代加工技術的迅速發展，CBN 材料受到了人們廣泛關注，主要原因是這種材料的刀具能高效切削難加工材料，從而大大縮短了工件的加工時間，有效節約了生產成本。本文主要通過對立方氮化硼刀具物理機械性能及其在切削加工中應用的研究，提出發展CBN 材料刀具的觀點。

1 立方氮化硼的物理機械性能

立方氮化硼是一種人工合成的無機新型超硬材料，在現代機械加工技術中具有重要作用和地位，CBN 材料具有硬度高、熱穩定性及導熱性良好等物理性能。

1.1 立方氮化硼的硬度

圖1 CBN 含量與硬度的關系

立方氮化硼結構與金剛石相似，其硬度（單晶的顯微硬度可達8 000～9 000 HV，燒結體的顯微鏡硬度為3 000～5 000 HV）僅次于金剛石，立方氮化硼的含量與硬度關系如圖1 所示，CBN 的含量一般在40%～95%之間［1］，它的硬度遠遠超過碳化硼（4 000～5000HV）和碳化鎢（2 400 HV），并且它沒有金剛石的脆性，更適合于加工硬度高、強度大的鋼件與合金材料。圖2所示為立方氮化硼刀具在高溫下的硬度［2］。

圖2 高溫下立方氮化硼刀具的硬度

1.2 立方氮化硼的化學穩定性

立方氮化硼具有良好的化學穩定性，對各種材料的黏性和擴散作用都比硬質合金小很多。在1 200～1 300 ℃的高溫下，也不會與鐵族金屬發生化學反應，在溫度達到2 000 ℃時才會與碳發生反應，因此立方氮化硼特別適用于制作刀具，以此加工鋼鐵材料［3］。

1.3 立方氮化硼的熱穩定性

立方氮化硼具有較好的熱穩定性，其耐熱度高達1 400～1 500 ℃，并在1 000 ℃以下不會發生氧化現象，這對用立方氮化硼材料制成的刀具來說具有很大優勢，使其在切削硬質合金時特別鋒利。

1.4 立方氮化硼的導熱性

立方氮化硼具有良好的導熱性，其導熱系數僅低于金剛石，是硬質合金的20 倍［4］。并且立方氮化硼的導熱系數是隨著溫度的升高而逐漸增大的（如圖3 所示）［2］，因此在切削中溫度可以很快散去，有利于加工精度和抗機械磨損能力的提高。

基于以上敘述，可以發現立方氮化硼在制作刀具中具有很大的優勢，因此立方氮化硼刀具在現代制造業中具有重要的價值，其應用也十分廣泛。

圖3 立方氮化硼刀具的導熱系數

2 立方氮化硼刀具在切削加工中的主要用途

在機械加工領域中，高速切削技術的應用越來越廣泛，其中刀具材料的快速發展是其得到廣泛關注的重要原因，高速切削刀具所使用的材料多種多樣，包括金剛石、立方氮化硼、陶瓷等。其中立方氮化硼以其優越的物理機械性能應用最為廣泛。

2.1 高速切削超合金

在高速切削材料中，立方氮化硼刀具比硬質合金刀具切除率高出5 倍。立方氮化硼刀具的優點表現在兩方面：1）當溫度達到1 800～2 000 ℃時，超合金的強度就會明顯降低，這樣就使超合金更利于切削加工，然而在此高溫下立方氮化硼刀具卻仍然保持著硬度和強度；2）立方氮化硼刀具切削超合金可以有效地保持工件下表面和表面冶金組織的完善性。

任何加工切削技術都會在工件表面下留有殘余應力，抗拉應力會大大縮短零件的疲勞壽命，然而抗拉應力卻最具相反作用。實踐證明，立方氮化硼刀具在高速切削時所產生的抗壓應力遠遠超過了硬質合金刀具，而這一點正是燃氣輪機制造中須重要考慮的。

2.2 加工精密小零件

立方氮化硼刀具切削效率比硬質合金刀具高出2倍，并且在加工質量上也有所提高。立方氮化硼刀具刃口十分鋒利，所以加工出來的零件表面光潔度很高。例如用立方氮化硼刀具切削加工閥座圈，眾所周知閥座圈一般是用不銹鋼制造的，而不銹鋼的硬度可達20～25 HRC，這對于立方氮化硼刀具來說是很容易做到的，并且加工出來的閥座圈表面十分光滑，受到人們的廣泛歡迎。

2.3 加工淬硬鋼

淬硬鋼是典型的難加工和耐磨材料，以前一直采用磨削來完成淬硬鋼零件的精加工，而立方氮化硼刀具的出現取代了原有磨削技術，使淬硬鋼零件的加工更為精密和方便。在切削加工淬硬鋼時切削速度一般可達85～150 m/min，而工件硬度和切削速度一般成反比；切削深度方面，立方氮化硼刀具一般可達0.15～0.35 mm，進給量在0.05～0.25 mm/r，切削后的工件表面粗糙度可達Ra0.3～0.5，尺寸精度可達0.014 mm。在選取立方氮化硼刀具加工材料時，我們盡可能采用強度高的刀片形狀，當進行粗加工時，盡量選擇圓弧半徑大的刀尖，而當進行精細加工時一般宜采用韌性和強度較好的、80°的菱形刀片，這樣有利于避免機床震顫產生的誤差。

2.4 加工鑄鐵

鑄鐵因其價格便宜而成為世界上應用較為廣泛的材料之一，在切削鑄鐵中，立方氮化硼同樣也起到了不可替代的作用，立方氮化硼刀具加工鋼件時，工件的淬火硬度一般為45～55 HRC。加工鑄鐵工件硬度達到中硬水平就很有成效。例如，東風汽車發動機廠在加工排氣閥座時，現在都采用立方氮化硼整體刀片焊接在刀體上，這樣可使切削速度達到71.5 m/min，進給速度達到25.5 m/min，加工質量穩定。

在高速加工冷硬合金鑄鐵時，一般采用立方氮化硼刀具進行加工，這是因為它比硬質合金刀具或陶瓷刀具更容易加工出表面粗糙度較低的零件，并且立方氮化硼刀具的壽命也比其他材料刀具壽命長得多。所以說立方氮化硼刀具在加工鑄鐵方面具有重要作用，是促進汽車等相關行業發展的重要材料。

3 結 語

相關數據表明，目前在我國硬質合金刀具的用量大概占總刀具的65%，高速鋼大約占30%，而立方氮化硼刀具卻相對較少。鑒于立方氮化硼刀具具有良好的物理機械性能，因此，大力研制開發更高級立方氮化硼刀具是今后努力的一個方向，而立方氮化硼刀具成本也在逐漸降低，所以說發展立方氮化硼刀具具有十分重要的意義。

［1］ 杜國臣.PCBN 刀具的切削性能及應用［J］.組合機床與自動化加工技術，2004（7）：94-95，98.

［2］ 劉獻禮，肖露，嚴復鋼，等.PCBN 刀具的發展性能及應用.現代制造工程，2002（1）：37-39.

［3］ 文東輝，劉獻禮，胡榮生.PCBN 刀具的硬態切削加工原理［J］.機電工程，2001，18（6）：76-79.

［4］ 宋昌才.PCD 與PCBN 刀具在精密與超精密加工中的應用［J］.江蘇理工大學學報，2001，22（4）：54-59.

［5］ 張彥博.立方氮化硼在金屬切削刀具方面的應用及發展［J］.攀枝花大學學報，1995，12（3）：57-62.

［6］ 張奎，張相法，王光祖.立方氮化硼在現代加工技術中的地位和作用［J］.超硬材料工程，2013，25（1）：47-52.