聚晶立方氮化硼刀具磨損與壽命分析

魯浩遠 何慧芬 吳旭陽

摘 要：針對目前聚晶立方氮化硼刀具磨損所帶來的負面影響，文章從實踐角度入手，分析了聚晶立方氮化硼刀具使用的磨損現狀，并提出了壽命提升方法。結果表明，需與加工工件實際情況，來對提升使用壽命方法進行選擇控制。

關鍵詞：聚晶立方氮化硼;刀具磨損;使用壽命

0引言：

聚晶立方氮化硼刀具生產加工的效果，需通過涂層刀具技術與調整刀具切削參數來進行控制。此前，應對PCBN刀具的磨損現狀進行分析，即在掌握磨損產生原因與作用機理情況下，使壽命提升控制工作開展起到事半功倍效果。這樣一來，聚晶立方氮化硼刀具所處的工業生產環境，就能以可持續狀態服務于所處行業，進而推動現代化建設的全面發展。

1研究聚晶立方氮化硼刀具磨損與壽命的現實意義

聚晶立方氮化硼（Polycrystalline Cubic Boron Nitride，PCBN），之后簡稱PCBN，是在20世紀80年代被研發出來的一種超硬刀具材料。其作為硬度僅次于金剛石的刀具，與黑色金屬親和力較小，能夠在特定切削條件下實現精車代磨目標。實際應用過程，刀具不可避免會出現磨損問題，經分析統計，PCBN刀具磨損多集中在兩種形式，即前、后刀面磨損。這兩種磨損是在年節磨損、機械磨損以及擴散磨損共同作用下形成，增加了壽命控制難度。由于PCBN刀具的使用成本較高，如壽命無法保障，將大幅提升生產建設的造價成本。而且刀具磨損也會降低加工工件的精度與表面質量，嚴重的甚至會使工件報廢，只能通過重新加工來補救。為改善這一現狀，進而提高生產建設的經濟性與整體效益。相關人員應對PCBN刀具使用現狀進行分析，以找出提升刀具使用壽命方法[1]。

2聚晶立方氮化硼刀具的使用磨損現狀

2.1前刀面磨損

發生于PCBN刀具切削開始階段的磨損，其作用形式是月牙洼磨損，由機械與擴散磨損共同作用造成。究其原因，PCBN刀具是由黏結相與CBN燒結成的，開始階段主要受機械磨損影響，體現為擦傷與輕微劃痕。作用機理為：工件切削時，刀具黏結相會先被磨掉，繼而暴露CBN晶粒。具體磨損位置的判斷，因切削工件過程刀具前刀面倒棱區以及高溫狀態切屑接觸的，所以，刀具與工件元素活躍度上升，使工件接觸區域切屑接觸區元素擴散，造成擴散磨損形成。月牙洼磨損多發生在PCBN刀具前刀面倒棱上。長此以往，隨著CBN顆粒剝落，刀具月牙洼磨損深度就會增加。對于前刀面的微崩刃與微裂紋問題，是切削過程壓應力較大造成的[2]。

2.2后刀面磨損

后刀面磨損與前刀面不同，其是在切削工件一段時間后出現，具體磨損形式為溝槽磨損。研究人員利用PCBN刀具切削淬硬鋼過程中，發現因機械磨損才導致了溝槽磨損現象發生。究其原因，工件存在硬質顆粒，其會在加工過程因壓力而弱化PCBN刀具黏結劑使CBN顆粒暴露出來。當CBN顆粒被磨損剝落就會出現溝槽磨損。此外，經對高速銑削灰鑄鐵加工過程情況進行觀察，發現后刀面與工件接觸邊界除了受高溫影響，還受到較大壓力作用。這種情況，就導致接觸區出現熱應力裂紋與應力集中現象，進而導致PCBN刀具后刀面形成構造磨損。

3提升聚晶立方氮化硼刀具壽命方法

3.1涂層

由于涂層刀具技術運用水平的不斷提升，其不僅能夠使刀具具備耐磨性與耐高溫性能，還能控制刀具與工件接觸摩擦因數。當阻斷切削區熱量作用于刀具后，除了能夠規避切削工件因硬化層加工帶來的局部磨損，還能大幅提升PCBN刀具使用壽命[3]。現階段，涂層方法多采用物理氣相沉積法（PVD），其能夠將具有特殊性能的微粒作用于性能效果不高的母體上，以提升其性能。研究人員認為不同的PVD涂層所具備的刀具磨損機制不同，即AlCrN涂層，因自身的抗氧化性能搶，能夠作用前后刀面磨損量的控制;TiALN涂層，因機械性能好，可作用于PCBN刀具耐磨性的控制。

3.2切削參數

優化切削參數是提升PCBN刀具使用壽命、降低生產成本與強化生產效率的有效方法。實際優化控制過程，應采用正交實驗來實現預期目標。某研究單位以利用PCBN刀具加工GCr15鋼過程為例，經正交實驗設計、方差分析以及信噪比確定了切削刀具硬度、速度以及進給量來降低給刀具壽命帶來的影響。具體來說，就是將主軸轉速確定為580r/min;進給量為0.06mm/r。同時，還確定了刀具切削速度、進給量以及硬度對刀具壽命的影響百分比，分別為42.88%、24.22%、32.44%。結果表明，運用上述刀具切削參數后，成功提升了其使用壽命，為生產效率提供了保障[4]。

值得注意的是，在優化刀具切削參數過程中，相關人員還可采用遺傳算法與人工神經網絡方法，來提高切削用量確定的最佳效果，進而使目標函數達到預期。但實際應用階段，這兩種算法并未實現在PCBN刀具中的優化運用。為此，研究人員可結合其他刀具的參數算法經驗，來對PCBN刀具的參數優化計算過程提供依據。

由此可見，目前刀具使用切削參數計算缺乏針對PCBN刀具的方法，還要加大進一步的科研力度，以強化工業生產建設的設備運行效率[5]。

4結束語

綜上所述，聚晶立方氮化硼刀具前、后刀面磨損的控制，應結合加工工件情況選擇相應的涂層材料與切削參數。如，采用物理氣相沉積法（PVD），其能夠將具有特殊性能的微粒作用于性能效果不高的母體上，以提升PCBN刀具的使用性能;經正交實驗設計、方差分析以及信噪比確定了切削刀具硬度、速度以及進給量來降低給刀具壽命帶來的影響。事實證明，只有這樣，才能將最具適用性的刀具切削速度、硬度以及進給量作用于生產加工過程，進而提升生產建設效率，滿足行業現代化發展需求。故，業內人員應將上述分析內容與科研結果更多地作用于聚晶立方氮化硼刀具的生產使用過程，以使其作用效果充分發揮出來，進而提高工業化生產建設的可持續發展水平。

參考文獻：

[1]王丹，萬軍.不同材料和刀尖圓弧半徑刀具加工TC4鈦合金的表面質量及刀具磨損行為[J].機械工程材料，2019，43（04）：64-68.

[2]湯志年.刀具的磨損和使用壽命[J].南方農機，2018，49（24）：65.

[3]劉思志，安立寶.聚晶立方氮化硼刀具磨損與壽命研究綜述[J].機床與液壓，2016，44（19）：168-173-191.

[4]李劍，馬堯，梁力行.放電等離子燒結聚晶立方氮化硼刀具的性能[J].機械工程材料，2019，43（01）：8-12.

[5]張松鋒，周小東，謝輝.高鎳鉻鑄鋼軋輥加工用聚晶立方氮化硼刀片的制備與性能[J].機械工程材料，2017，41（12）：41-44-93.

作者簡介：

第一作者，魯浩遠（1989-），男，河南省許昌市人，民 族：漢 職稱：無，學歷：碩士研究生。研究方向：超硬刀具材料。單位：河南黃河旋風股份有限公司，河南 許昌 郵編：461500。

第二作者，何慧芬（1989-），女，河南省商丘市人，民 族：漢 職稱：無 學歷：碩士研究生。研究方向：主要從事超硬材料金剛石和立方氮化硼材料及制品的開發研究。單位：河南黃河旋風股份有限公司，河南省許昌市長葛市，郵編461500。

第三作者：吳旭陽（1988-2），男，河南省漯河市人，民 族：漢 職稱：無，學歷：碩士研究生。研究方向：超硬材料合成及性能研究。單位：河南黃河旋風股份有限公司，河南 許昌 郵編：461500。