超硬刀具CBN特性及其應用分析

吳宏強

（廈門金鷺特種合金有限公司數控刀片制造部，福建廈門361000）

0 引言

在機械加工過程中，直接參與并完成工作的是刀具的切削部分。生產效率和刀具使用壽命的高低、刀具損耗量和加工成本的多少、加工精度和表面質量的優劣等方面的問題，在很大程度上取決于刀具材料的選擇［1-2］。刀具材料的種類繁多。各種不同物理性能和切削性能的刀具材料，都具有各自適合的切削范圍。全面了解各種刀具材料的機械性能，并根據不同加工條件正確選擇刀具材料，是設計、制造和使用金屬切削刀具的一項重要的任務。

當前，隨著工件材料的推陳出新以及工件對加工精度要求的日益提高，刀具工作者研究了許多與其相適應的新型刀具材料。超硬高速鋼、TiC基硬質合金、表面改性硬質合金、CBN等刀具材料的誕生，使得金屬切削刀具的使用壽命成倍地提高［3］；同時，也使得原先生產效率極低或無法加工的材料，可以獲得高效率的切削加工，特別是類似CBN等超硬刀具的使用使得切削加工表面達到以前用磨削加工才能達到的水平。因此，進行以CBN（如圖1所示）為代表的刀具材料特點分析，對超硬刀具的正確選擇與應用具有十分積極的現實意義。

圖1 可轉位CBN數控刀片

1 CBN刀具特點分析

CBN是20世紀50年代初發展起來的一種新型刀具材料，是繼人工合成金剛石之后出現的利用超高溫超高壓技術合成的第二種無機超硬材料［4-5］。由于其優良的切削性能，近幾年來發展很快。因此，對CBN刀具的性能特點進行分析總結方法，可以為金屬切削刀具的正確選擇與應用提供借鑒。Al2O3+TiC陶瓷及硬質合金要高（如圖2所示）［7］，并且具有優良的抗周期性熱沖擊的能力?；谶@一特點，CBN刀具也可被用來加工高溫合金，例如：在加工高鎳或高鈷基高溫合金時，CBN刀具的切削速度是硬質合金的5～7倍。

1.3 超強的化學穩定性

CBN刀具和PCD刀具不同，其與鐵族材料在溫度為1200～1300℃時仍不會發生高溫化學反應［8］。因此，CBN刀具可用于高速加工淬硬鋼和鑄鐵。其在1000℃以下不會發生氧化反應。實驗證明，在工作溫度達到1000℃，CBN晶體與氧結合，在表面產生氧化層保護膜，可防止進一步氧化。但是，CBN刀具在高溫下會與水發生化學反應，因此，在濕式切削時，要注意切削液的選擇。

1.4 優良導熱性

CBN刀具具有優良的導熱性能，遠遠高于高速鋼以及硬質合金，僅次于金剛石。隨著切削溫度的提高，CBN的導熱系數逐漸增加（如圖3所示）［9］，這就是 CBN 在高速切削過程中刀尖處溫度反而比常規切削更低的原因。

1.5 摩擦因數低

CBN刀具具有較低的摩擦因數。其與淬硬鋼的摩擦因數約為0.2～0.3，因此切削時可以有效減小切削力和降低切削溫度。

2 CBN刀具應用

由于CBN刀具一系列的優點，因而具有高效的生產效率。圖4表示加工鎳基合金時，不同刀具材料單個切削刃的切削深度對比［10］。CBN刀具主要可用于加工淬硬鋼的鐵族金屬、鑄鐵和一些難加工鋼件以及合金，尤其是在精鏜直徑較小（φ6～φ35 mm）的孔時，其生產效率和加工質量均比磨削加工高，加工精度更是可達1～2級，粗糙度為Ra0.3μm，在某些條件下可以獲得以車代磨的效果。同時，由于車削時溫度較低，用CBN刀具加工的零部件表面抗磨性能高于磨削加工所獲得的零部件表面抗磨損性能。

3 結語

本文從五個方面分析介紹了CBN刀具的優點，通過對這些優點的分析總結，獲得其適用范圍。CBN刀具的應用，改變了傳統機械加工過程將機械加工分為淬火前用刀具粗加工和淬火后磨削精加工的方法。從而能在同一臺數控機床上完成不同的加工，不僅減少了加工工序數量，提高生產效率和加工質量，更重要的是極大地降低了生產成本。由于CBN刀具具有優良的高溫硬度和抗磨損性能，能在較高的切削速度下長時間加工出高精度零部件，因此具有廣闊的市場前景。

［1］ He Gen ghuang，Liu Xianli，et al.Research on the dynamic mechanical characteristics and turning tool life under the conditions of excessively heavy-duty turning ［J］.Front.Mech.Eng.，2012，7（2）：329-334.

［2］ He Genghuang，Liu Xianli，et al.Research on the Fracture and Breakage of Heavy-Duty Turning Tool for Rough Machining Hydrogenated Cylindrical Shell［J］.Solid State Phenomena，2011，175：305-310.

［3］ 于啟勛，解麗靜.超硬刀具材料-金剛石與立方氮化硼［J］.機械工程師，2001（11）：69-71.

［4］ 張京英，于啟勛，龐思勤，等.聚晶立方氮化硼刀具材料的發展和應用［J］.機械工程師，2008（3）：24-25.

［5］ 何耿煌.大型筒節零件高效切削及刀具技術研究［D］.哈爾濱：哈爾濱理工大學，2013：11-17.

［6］ 陳五一，Aspinwall D K.用CBN刀具高速切削灰鑄鐵的試驗研究［J］.北京航空航天大學學報，1998，24（2）：216-217.

［7］ 范有雄，吳元祥，陳金牛.基于CBN刀具的硬車削工藝分析［J］.機械工程師，2012（8）：118-119.

［8］ 文東輝，劉獻禮，嚴復鋼.CBN磨削和車削淬硬軸承鋼的表面完整性［J］.金剛石與磨料磨具工程，2001（6）：7-8.

［9］ 李晉年，付建軍，袁哲俊.CBN刀具磨損機理的研究［J］.哈爾濱工業大學學報，1989（1）：80-82.

［10］ He Genghuang，Liu Xianli，et al.Research on The Application and Design of Special Tools of The Hydrogenated Cylindrical Shell［J］.Advanced Materials Research，2011，188：450-453.