PCBN刀具的合理使用及磨损对策简介

    摘要：介绍了PCBN刀具适用的加工材料以及刀具几何参数、切削用量、刀片牌号的合理选择方法，针对PCBN刀具在实际加工中的常见磨损、破损形式提出了具体改善措施。

1 引言

    PCBN是将精选的CBN晶体在高温高压下烧结而成的一种超硬材料。用PCBN材料制作的刀片具有极高的硬度以及良好的红硬性(可耐受1400～1500℃的高温)、抗氧化性(在1200～ 1300℃高温下不与铁系金属发生化学反应)和抗断裂韧性，是切削加工黑色金属材料的理想刀具。目前PCBN刀具已在加工淬硬钢、冷硬铸铁、热喷涂材料、纯镍等难加工材料和精密加工中得到广泛应用，并取得了显著的技术经济效益。随着PCBN刀具应用范围的不断扩大，正确、合理地选用PCBN刀具，及时解决加工中出现的各种问题，已成为充分发挥PCBN刀具最大加工效益的有力保证。

(a)标准车削
(b)仿形车削图1 粗车淬硬钢时PCBN刀具的几何角度
图2 精车淬硬钢时PCBN刀具的几何角度

2 PCBN刀具的适用加工材料

    PCBN刀具主要适用于加工各种高硬材料(如冷作工具钢、热作工具钢、高速钢、轴承钢、淬硬钢、粉末冶炼钢、粉末冶炼金属、马氏体不锈钢、高强度钢、高锰钢、白口铸铁、奥氏体软铁等)、软材料和耐磨材料(如灰口铸铁、烧结铁等)、难加工材料(如Inconel718、表面硬化合金、烧结WC、球墨铸铁、CGI等)。某些材料或加工条件(如典型的软钢、奥氏体或铁素体不锈钢、高铬钢或表面涂铬材料、采用断续切削的高速钢、铁基类表面硬化合金等)由于容易引起PCBN刀片的非正常化学磨损，因此不宜采用PCBN刀具加工。

3 PCBN刀具几何参数和切削用量的合理选择

　　刀具几何参数和切削用量的选择对刀具的切削性能、使用寿命及加工表面质量具有极大影响。为了充分发挥PCBN刀具的优异性能，取得理想的切削效果，就必须根据具体加工对象合理选择刀具几何参数和切削用量。选择PCBN刀具的几何参数时应重点考虑刀刃及刀尖强度问题。PCBN刀具常采用0°前角或负前角，并磨制出负倒刃，以增加切削刃强度；g_o1=-8°～-20°；为增加刀尖强度 ，可研磨出g_e=0.2～0.8mm的刀尖圆弧；后 角一般偏小(5°～7°)，刃倾角多为0°。对于不同的被加工材料和切削条件，应通过切削试验确定刀具几何参数 。PCBN刀具粗车和精车淬硬钢时的刀具几何角度分别如图1和图2 所示。
　　PCBN刀具的切削用量应根据所用加工机床、刀片牌号、 被加工工件及其它加工条件合理选择。表1为Seco公司CBN300 刀片(CBN含量90%，晶粒尺寸22µm，Al 粘结剂)切削不同材料时推荐的适用切削用量。
表1 CBN300刀片适用切削用量工件材料切削速度
(m/min)进给量
(mm/r)切削深度
(mm)珠光体灰铸铁500～15000.5～0.80. 25～1.0白口铸铁120～1800.1～0.40.3～1.2冷硬铸铁(570～900HV)50～1200.1～6.0 0.1～1.2淬硬钢(45～65HRC)60～1500.2～0.30.6～2.5表面硬化合金(>35HRC)80～2400.12～0.250.5～2.5硬质合金(Co>17%)20～400.1～0.250.1～0.5锰钢(12%～20%Mn)140～2000.3～0.70.2～2.9表2 Seco公司各种牌号PCBN刀片特性刀片牌号CBN含量
(体积比)晶粒尺寸
(µm)粘结剂结构型式CBN1050%2TiC焊接式CBN2080%6Ti+Al焊接式CBN3090%8Al整体式CBN10050%2TiC整体式CBN15045%0.5TiN焊接式CBN30090%22Al整体式

图3 PCBN刀片牌号选型流程图

4 PCBN刀片牌号的选择

　　PCBN刀片牌号的正确选择是刀具能否获得最优切削性能的关键。表2为Seco公司各种牌号PCBN刀片的特性。图3为PCBN刀片牌号的选型流程图。

5 PCBN刀具常见磨(破)损形式及改善措施

　　PCBN刀具在使用过程中会产生正常磨损和非正常磨损。PCBN刀具的正常磨损形式主要有氧化磨损、相变磨损、摩擦磨损、粘结磨损、微崩刃型磨损、剥落磨损等，且各种磨损因素相互影响、相互促进。PCBN刀具非正常磨损的影响因素主要有切削用量和刀片几何参数选择不当、加工系统刚性不足等。为提高PCBN刀具的使用寿命，针对PCBN刀具在实际使用中常见的磨损形式和破损现象，可采取以下具体措施予以改善：

1. 后刀面磨损(见图4)
   改善措施：①提高切削线速度；②增大工件进给率；③增大切削深度；④检查刀片切削点是否位于中心高处；⑤如被加工材料为铸铁，应检查其铁素体含量是否在控制范围内。
2. 月牙洼磨损(见图5)
   改善措施：①降低切削速度；②减小工件进给率。
3. 切削捶击(见图6)改善措施：①提高切削速度；②降低切削进给率；③改进刀具切削前角(如改用圆刀片等)。
   
   图4 PCBN刀片后刀面磨损形态
   图5 PCBN刀片月牙洼磨损形态
   图6 PCBN刀片切削捶击现象
   图7 PCBN刀片刃口崩碎现象
   图8 PCBN刀片前刀面剥落现象
   图9 PCBN刀片刀口严重崩刃
4. 刃口崩碎(见图7)
   改善措施：①采用刃口有倒刃或经研磨处理的刀片；②降低切削速度或尽可能避免断续切削；③提高工艺系统刚性；④如断续切削不可避免(如加工表面有孔、槽等)，则应对相应的切削进入部位作预倒角处理；⑤改变切削线速度以优化切削状况，避免振动。
   
5. 铣削时刀片前刀面剥落(见图8)
   改善措施：①减小刀具切入角(最好小于20°)；②尽可能采用逆铣方式；③避免使用冷却液；④提高切削速度。
   
6. 刀口严重崩刃(见图9)
   改善措施：①减小切削深度或加工余量以降低切削载荷；②降低切削速度；③适当加大刀尖圆角半径(甚至可采用圆刀片)；④采用经过倒刃或研磨刃口的刀片；⑤检查刀片安装是否正确、可靠，安装面是否完好(特别是整体CBN刀片)；⑥检查刀片切削刃口中心高是否正确。

6 结语

　　PCBN刀具的使用是否成功不仅取决于刀具本身的质量，而且与整个加工系统的各个环节有关，如机床性能的优劣、工件夹持的可靠性、刀杆系统的刚性、刀片选择的合理性、切削参数的选择等均会影响PCBN刀具的切削加工效果。只有正确、合理地使用PCBN刀具，才能提高加工效率、降低生产成本，获得最大的技术经济效益。