聚晶立方氮化硼刀具研究進展*

張 喆，張 俊

(桂林特邦新材料有限公司，廣西 桂林 541004)

聚晶立方氮化硼刀具研究進展*

張 喆，張 俊

(桂林特邦新材料有限公司，廣西 桂林 541004)

隨著當今高速切削領域的迅猛發展，聚晶立方氮化硼刀具因具有加工效率高、耗時短、所加工的產品表面粗糙度小和對環境友好等優勢，已逐漸占據著越來越重的市場份額。聚晶立方氮化硼刀具的壽命不僅與作為刀頭材料的立方氮化硼的粘結劑種類、cBN含量等有關，還與所選用的刀具結構與刀具幾何參數是否與之相匹配有關。文章著重從聚晶立方氮化硼刀具自身出發，闡述近年來研究者在刀具結構領域的最新進展以及人們為提高工件表面質量和延長刀具壽命而進行的刀具幾何參數優化與理論研究，并對其未來發展進行展望。

聚晶立方氮化硼刀具；刀具結構；刀具幾何參數

1 概 述

聚晶立方氮化硼(PcBN,Polycrystalline Cubic Boron Nitride)是硬度僅次于金剛石的人工合成物質，具有優異的耐磨性、耐腐蝕性、耐熱性和導熱性，廣泛應用于高速切削耐磨有色金屬、黑色金屬、化學活性材料、高硬度高強度材料等方面，切削過程中無須添加冷卻液，對環境友好，與我國可持續發展方針相符，具有廣闊的發展空間。

與其他刀具相比，PcBN刀具具有以下優勢：(1)與硬質合金刀具相比，切削速度大幅提升，大大縮短工件加工時間，且PcBN刀具在高速切削化學活性材料和高硬度高強度材料時，切削力小，在切削過程中不產生積屑瘤，且耐用度是硬質合金刀具的十倍以上；(2)與PCD刀具相比，PcBN刀具雖耐磨性略低于PCD刀具，但其與Fe親和性差，特別適用于黑色金屬的切削加工；(3)與陶瓷刀具相比，PcBN刀具抗沖擊能力強且耐磨性大大優于陶瓷刀具，且二者所適用的加工方式有所區別。即陶瓷刀具一般適用于材料的粗加工，而PcBN刀具適用于表面粗糙度較小的材料精加工。

聚晶立方氮化硼復合片作為刀具的核心部分，其所含的粘結劑種類、cBN含量和界面結構決定了其加工對象與切削方式，并在一定程度上決定了刀具的壽命。如選用金屬作為粘結劑，高cBN含量(80%～90%)的PcBN復合片所制的刀具，一般適用于粗加工、半精加工鎳鉻鑄鐵，斷續加工耐熱合金鋼、硬質合金和鑄鐵等。而選用陶瓷作為粘結劑，低cBN含量(50%～60%)的PcBN刀具，則適用于精加工淬火鋼、模具鋼和軸承鋼。又如向聚晶層和合金層之間添加過渡層或改變二者之間的界面連接方式就可以削弱復合片內部的殘余應力，從而減少在制備刀具和使用刀具的過程中，復合片因脫層而導致的刀具失效。

另一方面，研究者針對刀具的結構設計及刀具幾何參數選用進行了大量研究，通過結構設計和幾何參數優選，可以提高與聚晶立方氮化硼材料性能的匹配性，不但可以增益PcBN刀具的耐用度，還可以提高加工效率，降低成本，對PcBN刀具以后的發展和應用領域的拓寬，有著重要的現實意義。

2 刀具結構設計

近年來，刀具結構設計層出不窮，一方面研究者對已有的刀具結構進行改良，使之獲得優異性能，另一方面則推出不同以往的全新刀具設計。

2.1 刀具結構改良

在已有刀具結構上進行改良最多的當屬目前廣泛應用于數控機床上的以硬質合金為基體的復合型cBN刀具結構。原結構是在可轉位硬質合金刀片角上焊接PcBN復合片，刀片中心設置固定槽，形狀多為菱形、三角形和正方形等。這種結構可充分發揮PcBN復合片的耐磨性和韌性，拓寬了PcBN刀具的應用領域，其加工工件表面精度高，切削速度快，效率高，但此類刀具成本較高，多用于加工生產高精度零部件。

隨著目前設備自動化程度的提升，該類刀具隨之廣泛普及并不斷完善。如鄭州博特硬質材料有限公司[1]在切削刃上設置夾角為75°～95°之間的V字形斷屑槽(如圖1(a))。該種設計能發揮優異的斷屑性能，降低了切削處刀具溫度，提高了刀具高溫使用壽命，又可改善加工環境，提高了工件表面質量。除在刀片切削刃上加工切削槽以外，也有通過焊接斷屑器達到相同目的的。如河南黃河旋風股份有限公司[2]通過真空釬焊技術將凸臺形的斷屑器鑲嵌在刀具的切削刃上，其中斷屑器材料為高cBN含量的立方氮化硼聚晶(如圖1(b))。經改良后，刀具具備斷屑、散熱的功效，使得刀具壽命和工件表面質量都有所提升；江蘇切剴刀具有限公司[3]通過在切削刃上焊接三個凸起式抗月牙洼磨損槽及一個加強型凸起結構(如圖1(c))，不但解決了刀具的斷屑問題，還大大降低了精加工中刀具前刀面的月牙洼磨損，顯著延長了刀尖壽命；鄭州市鉆石精密制造有限公司[4]將原切削刃處圓弧狀過渡改進為倒角過渡(如圖1(d))，減小了刀具與工件的接觸面積，更利于排屑，既有效降低了刀具切削刃處所受的切削阻力，又提高了工件表面質量，降低了加工成本。

圖1 PcBN刀具結構改良Fig.1 Improved structure of PCBN cutting tool

2.2 刀具結構創新

刀具結構創新主要表現在材質方面的替換更新，如出現了整體式PcBN刀具結構和夾層式PcBN刀具結構兩類結構。

(1)整體式燒結聚晶立方氮化硼刀具

該種結構采用整體燒結的聚晶立方氮化硼作為刀片，并通過在PcBN燒結體上設置固定槽，防止刀片在使用過程中發生偏轉或飛出，既保證了刀具具備一定的安全性，也提高了工件表面加工精度。刀具形狀通常以三角形和四邊形為主，如圖2所示[5-6]。由于刀頭整體采用PcBN燒結體，一方面避免了焊接過程中產生的焊接應力，另一反面避免了高溫下刀頭軟化的缺陷，并維持了刀具良好的耐沖擊性。

圖2 整體式燒結聚晶立方氮化硼刀具Fig.2 Monolithic sintered PCBN cutting tool

(2)夾層式PcBN刀具結構

這種結構的特點在于采用的材料為雙面復合立方氮化硼復合片，即上下端面為立方氮化硼聚晶層，中間為硬質合金基體。其外觀類似于以聚晶立方氮化硼作為刀頭的整體式刀具，刀具上普遍設有兩個切削端，且其形狀與切削工件形狀相匹配，如圖3所示[7-8]。這種夾層結構一方面降低了刀具的生產成本，提高了加工效率，延長了使用壽命，另一方面提升了刀具的抗彎強度和抗沖擊性能，進一步擴大了立方氮化硼刀具的使用領域與范圍。

圖3 夾層式PcBN刀具結構Fig.3 Sandwich type PCBN cutting tool

3 刀具幾何參數研究

除了刀具的切削部分結構設計之外，人們還深入研究影響切削力、工件表面質量與刀具壽命的相關因素，其中刀具幾何參數就占很大比例。通過掌握這些因素的工作機理和變化規律，對其進行參數優化，充分發揮聚晶立方氮化硼的優異性能，延長刀具的使用壽命，提高工件表面質量，使之成為刀具研究方面的另一熱點。

3.1 倒棱參數

刀具的倒棱參數包含倒棱角度和寬度兩個方面。由于作為刀頭材料的聚晶立方氮化硼自身脆性較大，為了防止因崩刀而導致的刀具失效現象的發生，倒棱角度往往取負值，以增加刀具刃口強度。此外，由于負倒棱前角會使得加工工件表面產生殘余壓應力，也有助于提高工件的疲勞強度。

李啟泉等人[9]研究發現，倒棱寬度對刀具使用壽命影響很大，隨著倒棱寬度的增大，切屑將全從倒棱處流出，此時負倒棱起負前角刀面的作用，促使切削溫度升高，切削力增大，刀具的機械磨損和氣化磨損加大，由此縮短了刀具的使用壽命。且倒棱寬度大小對工件切屑的流向也有直接影響，即當倒棱寬度較小時，切屑流向進給方向的反方向和刀具下方，而當寬度變大時，切屑會流向除進給方向的反方向以外的各方向。

鄧福銘等人[10]針對倒棱角度對PcBN刀具的影響進行了相關研究。研究發現，當倒棱角度為-10°時，由于刀具與工件的接觸面積小，擠壓程度輕，工件仍處于硬度較高的狀態，切削力較大，此時主要以機械磨損為主，常伴有崩刃現象出現，且工件表面粗糙度大。當倒棱角度增至-15°時，由于刀具與工件擠壓程度加劇，工件表面金屬出現軟化，切削力大幅減小，刀具后刀面磨損量最小，有利于延長刀具使用壽命并提高工件表面精度。當倒棱角度繼續增至-20°時，切削溫度繼續升高，加速了刀具因高溫而產生的氣化磨損，約比-15°時壽命下降一倍。

而當PcBN刀具用于斷續切削時，倒棱角度對刀具壽命的影響又有所變化。如任帥民等人[11]對-15°至-28°區間的倒棱角度進行研究，發現當倒棱角度為-15°～-20°區間時，在徑向上受到很大的瞬間沖擊力，使得刀具因機械沖擊而大大縮短壽命。而當角度增大至-25°時，由于此時工件表面金屬出現軟化，機械沖擊得到有效緩解，而使用壽命有所提升。但角度繼續增大至-28°時，高溫發生的氧化和擴散磨損使得壽命又有所下降。與連續切削相比而言，斷續切削趨向于采用更大的倒棱角度和寬度，以此提高切削刃的韌性，減小機械沖擊給刀具帶來的損傷。但無論連續或斷續切削，倒棱參數對切削力和刀具壽命的影響都是一致的，但其具體取值還應根據工況和加工對象的不同而定。

除此之外，人們還在倒棱后的刃口處進行鈍化處理，以減少切削過程中易擴展成為裂紋的小鋸齒數量，從而使得刀具獲得更好的抗沖擊韌性，降低崩刃概率，延長刀具的使用壽命。如劉海濤等人[12]通過含磨料尼龍刷對倒棱后的刀具刃口進行鈍化處理，經處理后的切削刃口微觀缺陷減少，前后刀面光潔度提高，刀具的堅固度有所提升。隨著鈍圓半徑的增大，初期磨損階段縮短，正常磨損階段延長，且崩刃傾向有了明顯的降低。與未進行刃口處理的刀具相比，鈍圓半徑為4.8μm的刀具使用壽命提高三倍左右。這種處理已在硬質合金刀具、高速鋼刀具中廣泛應用13-15]，但在PcBN刀具中研究較少，還未推廣開來。

3.2 刀尖圓弧半徑

刀尖圓弧可提高PcBN刀具的抗沖擊韌性，特別是在提高工件表面質量方面表現尤為顯著。近年來，人們開始對此進行更為深入的研究，包括模擬仿真、理論研究以及大量試驗驗證等，以獲得表面精度高的工件及延長工具使用壽命的方法。

如李暢[16]對刀尖圓弧半徑切削時受到的應力場進行仿真模擬，研究刀尖圓弧半徑與切削力、切削溫度之間的關系。發現隨著半徑的增大，切削時工件受到的擠壓程度及范圍也隨之增大，最大應力區域向后刀面的后面轉移，使得切削力增大。尤其是當刀尖圓弧半徑大于切削厚度時，刀具以負前角進行切削，增大了與工件之間的接觸面積，擠壓及摩擦作用明顯加重，此時變形功增大，切削溫度升高。

鄒玉明[17]則針對刀尖圓弧半徑與工件表面質量之間的關系進行了深入探討。研究發現，隨著刀尖圓弧半徑的增大，工件殘留面積隨之減小，刀具磨損程度降低，綜合表現為工件的表面粗糙度減小。但隨著刀尖圓弧半徑的繼續增加，徑向擠壓力明顯增大，此時系統振動加劇，刀具易產生微崩刃，增大了工件的表面粗糙度。

楚文斌[18]等人對刀尖圓弧半徑與表面粗糙度之間關系做了進一步補充，說明在考慮工件表面粗糙度時應將進給量與刀尖圓弧半徑結合，在選取較小的進給量的同時，還應選取較大的刀尖圓弧半徑，一般刀尖圓弧半徑與進給量之比大于或等于1.25為宜。但考慮圓弧半徑太大會給刀具帶來不利影響，其大多選取在0.8～1.0mm范圍內。

此外，李盼來[19]還系統研究了刀尖圓弧半徑對刀具壽命的影響，其變化規律與表面粗糙度相似，即隨著圓弧半徑的增大，刀尖由鋒利變鈍，降低了刀刃所受的壓應力，避免了刀具因崩刀而造成的失效概率，延長了刀具壽命。而當圓弧半徑繼續增大時，切削力與切削溫度隨之顯著增大，增加了刀具的粘結磨損和擴散磨損現象，最終會降低刀具的使用壽命。

4 結束語

聚晶立方氮化硼刀具集“新材料”、“機床與新型刀具”和“汽車及零部件”等研究熱點于一身，無論從原材料到刀具再到應用均為我國大力支持的重點技術研發方向，勢必具有其他刀具無法比擬的廣闊前景，必將成為各類制造業自動化智能化生產發展的主流刀具。然而，目前國內刀具結構設計與刀頭材料研究嚴重脫節，人們往往忽視二者之間的相互關聯，不能因地制宜地根據PcBN復合片的性能來設計PcBN刀具結構參數，從而使得刀具以及PcBN復合片未能充分發揮性能，導致使用效果大打折扣。因此，充分了解刀具結構和刀具幾何參數的作用及規律，根據材料特性綜合調節刀具結構，二者匹配性的提高，對PcBN刀具的進一步推廣及應用均具有重要的現實意義。

[1] 鄭州博特硬質材料有限公司.一種斷屑槽刀片:中國,CN205309352U[P].2016-06-15.

[2] 河南黃河旋風股份有限公司.一種可轉位PcBN斷屑槽刀片:中國,CN204867480U[P].2015-12-16.

[3] 江蘇切剴刀具有限公司.用于精加工的帶有抗月牙洼磨損槽的車削超硬刀片:中國,CN203541577U[P]. 2014-04-16.

[4] 鄭州市鉆石精密制造有限公司.用于加工缸體的聚晶立方氮化硼刀具:中國,CN202639371U[P].2013-01-02.

[5] 鄭州博特硬質材料有限公司.一種整體燒結三角形PcBN刀片:中國,CN205309335U[P].2016-06-15.

[6] 北京沃爾德金剛石工具股份有限公司.一種迷你型整體PcBN刀片:中國,CN205763943U[P].2016-12-07.

[7] 鄭州昊誠超硬工具有限公司.一種切削用立方氮化硼刀具:中國,CN203281906U[P].2013-11-13.

[8] 鄭州博特硬質材料有限公司.一種用于加工軸承的雙面復合PcBN刀片:中國,CN204381450U[P].2015-06-10.

[9] 李啟泉,張旺璽,劉書鋒,等.不同PcBN刀具車削硼鑄鐵的對比研究[J].金剛石與磨料磨具工程, 2015,35(206):63-68.

[10] 鄧福銘,劉佩,楊俊杰,等.PcBN刀具幾何結構參數優化設計研[J].超硬材料工程,2013,25(5):1-5.

[11] 任帥民,李嫚,張弘弢,等.PcBN刀具斷續切削淬火鋼時負倒棱角度對其切削性能的影響[J].工具技術, 2010,44(6):13-16.

[12] 劉海濤,李嫚,張弘弢.刃口鈍化對PcBN刀具切削性能影響的研究[J].工具技術,2011,45(4):29-32.

[13] 郭芬芳.整體硬質合金刀具鈍化的研制與應用[J].超硬材料工程,2012,24(4):35-37.

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[17] 鄒玉明.PcBN刀具切削粉末冶金氣門座圈切削性能研究[D].合肥:合肥工業大學,2015.

[18] 楚文斌,林大鈞,陳浩,等.刀具參數對加工表面粗糙度影響的研究[J].圖學學報,2014,35(1):52-56.

[19] 李盼來.PcBN超硬刀具加工蠕墨鑄鐵切削性能研究[D].廣州:廣東工業大學,2015.

TheResearchProgressofthePolycrystallineCubicBoronNitrideCuttingTool

ZHANG Zhe，ZHANG Jun

(GuilinTebonSuperhardMaterialCo.,Ltd.,Guilin,Guangxi541004)

With the rapid development of high-speed cutting, polycrystalline cubic boron nitride tool has gradually claimed an increasing market share due to its superiorities such as high efficiency, time-saving, minimum surface roughness and environment friendly. The service life of PCBN cutting tool is related to not only the type of binder for the tool bit material (Cubic Boron Nitride) and the content of cBN, but also to the fact that whether the structure of the cutting tool would match its geometrical parameter. The latest research progress by researchers in the recent years and geometric parameter optimization and theoretical study to improve the surface quality of the workpiece and to extend the service life of the cutting tool has been discussed in this article. Moreover, the outlook of the future development of it has been offered.

polycrystalline cubic boron nitride cutting tools; structure of the cutting tool; geometric parameters of the cutting tool

2017-01-15

張喆(1988-)，女，廣西桂林人，研究生，工學碩士學位，主要從事超硬材料相關研究。

張喆，張俊.聚晶立方氮化硼刀具研究進展[J].超硬材料工程，2017，29(5)：52-55.

TQ164

A

1673-1433(2017)05-0052-04