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立方氮化硼刀具特点及应用设计
论文题目：
立方氮化硼刀具特点及应用设计
姓名
严成坤
学院
机械工程
专业
冶金系
年级
2013级
学号
S130********
2013年11月25日
目录
1引言…………………………………………………………………………………………………
1
2CBN刀具概述……………………………………………………………………………………
2
2.1CBN性能特点…………………………………………………………………………………
2
2.2CBN结构原理…………………………………………………………………………………
4
3CBN刀具的应用范围……………………………………………………………………………
5
4CBN刀具设计……………………………………………………………………………………
5
4.1CBN刀具参数的选择…………………………………………………………………………
5
4.1.1切削刀具几何参数的选择………………………………………………………………
5
4.1.2切削用量的合理选择……………………………………………………………………
6
4.2CBN刀具的制造………………………………………………………………………………
6
4.2.1CBN刀具的结构特点……………………………………………………………………
6
4.2.2PCBN刀具………………………………………………………………………………
7
4.2.3PCBN刀具的磨损形式主要原因预防措施…………………………………………
9
4.3刀具的刃磨和重磨……………………………………………………………………………
10
4.4刀具的冷却与润滑……………………………………………………………………………
10
4.5影响刀具使用的其他因素……………………………………………………………………
10
5CBN刀具应用中的系统考虑……………………………………………………………………
11
6总结…………………………………………………………………………………………………
12
参考文献………………………………………………………………………………………………
12
致谢……………………………………………………………………………………………………
14
立方氮化硼刀具特点及应用设计
摘要：
立方氮化硼（CBN）是纯人工合成的材料，它具有优良的物理力学性能，具有硬度高、韧性好、热稳定性高和化学惰性大等特点。
因此在切削加工的各个方面表现出了优异的切削性能,特别适宜于加工各种淬硬钢、冷硬铸铁等难加工材料。
本文介绍CBN刀具材料的切削性能,以及在加工过程中的使用特点和应该注意的问题，为在机械加工行业推广奠定基础。
关键词：
CBN（立方氮化硼）；PCBN（聚晶立方氮化硼）；刀具；材料；切削性能
CubicBoronnitrideCuttingToolCharacteristicsandApplicationDesign
Abstract:
Cubicboronnitride（CBN）isapuresyntheticmaterial,whichhassuchexcellentphysicalandmechanicalpropertiesashighhardness,goodtoughness,highthermalstabilityandchemicalinertnessetc.Therefore,invariousaspectsofcuttingitshowedexcellentperformance,andisparticularlysuitableforprocessingallkindsofhardenedsteel,castironandotherhardmaterialsprocessing.ThispaperintroducesthecuttingperformanceofCBNtoolmaterials,aswellashowtousethistoolandtheproblemsthatshouldbepaidattentiontoduringtheprocess,forthepurposeoflayingafoundationtoitsapplicationinmechanicalprocessing.
KeyWords:
cubicboronnitride;polycrystallinecubicboronnitride;cuttingtool;material;cuttingperformance
1引言
立方氮化硼（CubicBoronNitride简称CBN）由于具有高硬度，高耐磨性，低摩擦系数，高热传导率、良好的耐热性和化学稳定性等这些独特的特性组合，使其成为加工各类铁族金属材料的有效工具，并被誉为“过去半个世纪提高工业生产率的最大贡献之一”。
CBN的优异性能，特别是在汽车发动机制造行业，CBN已在工业发达国家得到了较为普遍的应用和迅速的发展。
目前美国、欧洲、日本的汽车发动机轴类零件（曲轴、凸轮轴）的精加工几乎普及了CBN砂轮磨削，我国从90年代至今，一直在从事这方面的研究工作，其数控磨床的制造CBN刀具的制造均取得了一些阶段成果，但是CBN刀具的研磨和刃磨要求技术特别高，所以本课题拟开发出一台刃磨和研磨CBN刀具的装置，对提高CBN刀具的应用有一定促进作用。
2CBN刀具概述
立方氮化硼（cubicboronnitride）：
立方结构的氮化硼,分子式为BN,其晶体结构类似金刚石,硬度略低于金刚石，为HV72000～98000兆帕,常用作磨料和刀具材料。
1957年,美国的R.H.温托夫首先研制成立方氮化硼。
但至今尚未发现天然的立方氮化硼。
CBN是超硬材料之一，它是氮化硼的化合物，是在越50Kbr的高压及1700℃的高温下形成的，它的硬度仅次于金刚石。
2.1CBN性能特点
1CBN硬度大
CBN是现阶段最硬的材料之一，其微观硬度大约为（8000～9000HV），仅次于金刚石（9000～10000HV）的硬度，CBN的晶体结构与金刚石相似，也属面心立方晶系，不仅晶格常数（a=3.615A）相近（金刚石a=3.567A），且晶体中化学键的类型也相同。
原子都由共价键连接。
CBN的共价键是饱和的，键的方向性和结合力都很强，具有接近金刚石的硬度和抗压强度。
CBN微粉的显微硬度为HV8000—9000。
在加工淬硬钢及灰铸铁时，CBN刀具的耐磨性比硬度合金、陶瓷和金刚石刀具都高得多。
有一定的韧性，它不仅可用于加工强硬的铸铁，还可加工强度大、硬度高及热敏性高的钢件或其它合金材料。
表1列出了一些坚硬物质的硬度值，以供比较。
表1一些坚硬物质的硬度及熔点
材料名称
显微硬度HV
熔点/℃
金刚石（C）
10000
3750
CBN
8000～9000
>3300
Si3N4
5000
1900
Al2O3
2500～3000
2050
TiC
3200
3140
WC
2400
2870
2CBN热稳定性好
CBN的耐热性可达1400～1500℃，在高温1200℃下仍可保持硬度不变，比金刚石的耐热性（700～800℃）几乎高出一倍，CBN在1370℃以上才由立方晶格而开始转化。
CBN在不同温度下的硬度比A1203+TiC陶瓷及硬质合金都高。
CBN具有抵抗周期性高温作用的能力，由于CBN的这一特性，用来高速加工高温合金（如高镍或高钴基耐热合金）时，CBN刀具的切削速度可以为硬质合金的4～6倍。
CBN和金刚石不一样，CBN是化学惰性特别大的物质，在中性的，还原性的气体中，对酸碱都是稳定的。
与碳只是在2000℃时才起反应，它与铁系元素亲和力小，直到1200～1300℃时也不易与铁系元素起化学反应。
金刚石的热稳定性欠佳，在700～800℃就开始碳化，形成C02而完全失去硬度。
且易于与铁系元素起反应，因此金刚石刀具不适宜于加工钢铁材料。
CBN没有金刚石的这个缺点，故能加工许多以前不能加工的硬质材料。
研究表明，CBN与各种材料的粘接和扩散作用比硬质合金小得多。
CBN有很高的抗氧化能力，在1000℃时也不会产生氧化现象，但是CBN在高温下与水要起化学反应（CBN+3H2O→H3BO3+NH3）。
由于水解作用，造成大量CBN被磨损。
因此在湿式切削时，要注意选择切削液。
在高温下切削时，一般采用干切削。
与碳元素的亲和力小，所以十分适宜于加工黑色金属，而能保持较高的耐用度，聚晶立方氮化硼（PCBN）可用于切削加工，多用于难加工材料的切削加工，但CBN最为广泛应用于切削加工。
3CBN具有良好的导热性
CBN的导热性虽赶不上金刚石，但都大大高于高速钢、陶瓷和硬质合金。
CBN刀具的导热系数随温度的提高而增加，而氧化铝陶瓷刀具的导热系数随温度的提高而减少，在高温下，二者的导热系数相差极大。
单从这点看，CBN刀具高速切削性能应优于氧化铝陶瓷刀具。
4CBN刀具具有较低的摩擦系数
CBN刀具与淬火钢的摩擦系数约为0.2—0.3，由于摩擦系数较小，可相应减少切削力和降低切削温度。
5CBN线（膨）胀系数较小
由表2可见，CBN的线（膨）胀系数较小，可以保证足够的加工精度。
表2几种材料的线（膨）胀系数
材料
金刚石
CBN
WC
TiC
线（膨）胀系数
3.1×10-6
4.7×10-6
5.1×10-6
7.6×10-6
由于CBN上述优良特性，使它能成为一种优异的刀具材料，但十全十美的刀具材料是没有的，每一种刀具材料都有其合理的应用范围和使用条件。
CBN刀具也是这样，由于它价格昂贵，其合理使用显得尤为重要。
2.2CBN结构原理
立方氮化硼有单晶体和多晶烧结体两种。
单晶体是把六方氮化硼和触媒在压力为3000～8000兆帕、温度为800～1900℃范围内制得。
典型的触媒材料选自碱金属、碱土金属、锡、铅、锑和它们的氮化物。
立方氮化硼的晶形有四面体的截锥、八面体、歪晶和双晶等。
工业生产的立方氮化硼有黑色、琥珀色和表面镀金属的,颗粒尺寸通常在1毫米以下。
它具有优于金刚石的热稳定性和对铁族金属的化学惰性，用以制造的磨具，适于加工既硬又韧的材料，如高速钢、工具钢、模具钢、轴承钢、镍和钴基合金、冷硬铸铁等。
用立方氮化硼磨具磨削钢材时，大多可获得高的磨削比和加工表面质量。
氮化硼的性质与形状同石墨很相似。
石墨经高温高压处理变成人造金钢石，用类似的手段处理氮化硼（六方）就能得到立方氮化硼。
立方氮化硼是六万氮化硼的同素异形体，是人类已知的硬度仅次于金刚石的物质，两者的性能比较见表3。
表3CBN和金刚石性能比较
成分
比重
g/cm3
硬度
HV
热稳定性
（在空气中）
与铁元素化学惰性
备注
金刚石
C
3.52
10000
<700～800℃
小
CBN
BN
3.48
8000
<1600℃
大
聚晶CBN
4000～7000HV
CBN的热稳定性和化学惰性大大优于金刚石，在空气中人造金刚石在700～800℃时即碳化，而立方氮化硼可耐1300～15000℃的高温，甚至在1500℃时也不发生相变，从而保持其硬度。
CBN与铁系金属的亲和性较低，而金刚石刀具在一定的切削温度下与铁发生反应而难于切削铁系材料，故CBN刀具能对铁系金属进行高速切削，加工精度高，表面粗糙度低。
精度可达1级，粗糙度可达Ra0.8以下，切削速度比硬质合金提高10倍，其硬度和耐磨性是硬质合金刀具的50倍，陶瓷刀具的25倍。
CBN刀片可用机械夹固或焊接的方法固定在刀杆上，也可将CBN薄片和硬质合金压制在一起成为复合刀具。
3CBN刀具的应用范围
由于CBN刀具的特性，决定了CBN刀具在金属切削加工中所具有的高热硬性、高耐磨性和不易粘刀等优越性能。
CBN刀具的应用范围主要包括以下难加工材料。
1各类淬火钢：
碳素工具钢、合金钢、轴承钢、模具钢、高速钢等工件，工件硬度在50—68HRC。
2热喷涂类：
Ni基、Fe基两大系列产品及其它一些耐磨、耐腐、耐热喷涂材料。
3耐磨铸铁类：
V—Ti铸铁、高磷铸铁和冷硬铸铁等。
4钛合金类：
TC4等。
5耐热合金的部分工件。
6CBN刀具还可切削加工YG类硬质合金工件，以及在某些场合下代替原用的金刚石刀具。
4CBN刀具设计
4.1CBN刀具参数的选择
4.1.1切削刀具几何参数的选择
刀具的几何参数选择是否合理，对CBN刀具影响如同其它刀具一样，其使用寿命有时会相差几倍甚至十几倍之多。
这要视工件的材料成分、机械性能、加工要求、机床情况和操作技术水平等许多因素所决定。
根据实践经验，初用者需作选择试切，推荐使用90°刀尖角和120°刀尖角作试切基础，同时推荐0°前角和负前角（0°～-10°）；后角一般偏小，在8°～12°范围内。
当刀尖需要增加强度（例如粗车），选较大的负前角（-7°～-10°），刀圆弧半径ra=0.05～0.15mm为宜。
CBN刀具材料的硬度主要取决于其CBN的含量，一般CBN刀具的含量在40％～95％之间，随着CBN含量的增高，CBN刀具的硬度、耐磨性和热导率也增高，但韧性下降。
CBN刀具中的CBN含量，有一定的合适使用范围，其刀具寿命与CBN含量并非呈线性关系，需根据切削加工系统的条件通过试验加以恰当地选择，采用纯CBN材料制造的刀具不一定能获得最佳切削加工效果。
如果CBN含量超过95％，则CBN刀具的性能变差，CBN颗粒易脱落，耐磨性急剧变差。
如果CBN含量低于50％，则CBN刀具的硬度明显下降，切削刃易变形而损坏。
CBN晶粒大小影响CBN刀具的强度和抗破损能力。
细晶粒可使晶粒的界面积增加，提高烧结强度和抗裂纹扩展的能力，刀具切削刃的锋利性也可提高。
CBN颗料大，耐冲击，但由于大颗料问有问隙，CBN含量就会少一些，影响耐磨性；CBN颗料小一些，CBN含量高一些，耐磨，但耐冲击性差一些。
4.1.2切削用量的合理选择
选择切削用量，对CBN刀具的寿命、效率影响很大。
一般而言，CBN刀具所选用的切削速度均大大高于普通高速钢刀具或硬质合金刀具。
切削速度口靠试验或经验确定，而进给量厂f，吃刀深度ap要与切削速度v相匹配。
由于CBN刀具多用于半精加工和精加工所以f、ap都较小。
表4为根据试验列出的几种曲型材料加工时，切削参数秽、f、ap。
的参考值。
一般来说，合金元素含量越高，或硬度越硬，所使用的切削速度越低。
而加工碳钢，可使用较高的切削速度。
表4几种曲型材料加工切削用量选择表
被加工材料
切削用量
vm/min
apmm
fmm/r
淬火钢
70～120
0.1～0.2
0.05～0.20
喷涂（焊）合金
50～100
0.1～0.3
0.05～0.20
耐磨铸铁
70～120
0.1～0.3
0.05～0.20
CH182
70～80
0.1～1.5
0.05～0.20
4.2CBN刀具的制造
CBN是氮化硼的致密相，有很高的硬度（仅次于金刚石）和耐热性（1300、1500度），优良的化学稳定件（远优于金刚石）和导热性，低的摩擦系数。
PCBN与Fe族元素亲和性很低，所以它是高速切削黑色金属较理想的刀具材料。
4.2.1CBN刀具的结构特点
CBN刀具是由CBN（立方氮化硼）晶粒为主体，添加一定比例的结合剂烧结而成的PCBN材料制成，也有由CBN单晶直接烧结而成的PCBN材料制成。
CBN是由六方氮化硼在高温高压下转化而成的，其硬度很高，仅次于金刚石，其晶粒硬度可达8000～9000HV，一般的CBN刀具硬度也已达到3500～4500HV以上，耐磨性很好。
CBN刀具切削部分的结构形式基本上也是分为两大类：
可转位刀片式刀具和焊接式刀具。
可转位CBN刀片外形上类似普通的硬质合金可转位刀片，有整个刀片都是CBN材料的整体式CBN刀片，也有在硬质合金的基体上，仅在某个或某几个角上焊接CBN材料形成CBN切削刃的刀片，这两种CBN刀片同硬质合金刀片一样，可直接装在一般的可转位刀具刀体上使用。
在汽车零部件的切削加工中，在数控加工中心机床所组成的生产线上使用很多。
焊接式CBN刀具结构特点与一般的焊接式硬质合金刀具一样，使用过的刀具，在一定范围内，可以进行重新修磨再使用，而且CBN刀片与刀体的连接也更可靠，刚性好。
CBN刀具的强度比硬质合金刀具低，在切削加工钢铁材质工件时，通常采用0前角，CBN刀具的强度比硬质合金刀具低，后角一般也选择得比较小，以保证刀具切削部分的楔角足够大，切削刃切入时处于较好的受力状态，刀尖研磨成0.3～1mm的圆弧，以保证刀尖有足够的强度。
断续切削时，一般需进行刃口钝化处理，有时采用负倒刃来增加切削刃强度，负倒刃宽度一般取0.1～0.3mm，负倒刃角度为-25o～-8o。
4.2.2PCBN刀具
PCBN刀具的制造主要通过CBN粉末和结合剂经超高压高温烧结而成。
关键技术在于CBN与结合剂的选择与配比,超高压高温烧结工艺参数的确定。
大致步骤有：
混合粉末—模压成型/与硬质合金底层组装成整体—超高压高温烧结—深加工。
PCBN刀具是人造立方氮化硼刀具，在高温的时候还能保持高硬度的特性，主要做加工铁件之用。
其硬度仅次于金刚石而远远高于其它材料，因此它与金刚石统称为超硬材料。
1PCBN刀具材料的种类
按添加成分分：
有直接由CBN单晶烧结而成的PCBN和添加一定比例粘结剂的PCBN烧结体两大类；按制造复合方式分：
有整体PCBN烧结块和与硬质合金复合烧结的PCBN复合片两类。
目前应用较广的是带粘结剂的PCBN复合片，根据添加的粘结剂比例不同则PCBN硬度也不同，粘结剂含量越多则硬度越低、韧性越好；粘结剂种类不同，则PCBN的用途也不同。
2PCBN复合片显微硬度与抗弯强度（TRS）
温度是影响PCBN复合片烧结好环的主要因素之一。
测试发现，随着温度的升高TRS值明显变大。
当CBN颗粒间结合能大于单晶的解理能时就表现为穿晶断裂，反之为沿晶断裂。
通过电镜观测断口的形貌发现，沿晶断裂和穿晶断裂共存。
但随着温度的升高或颗粒粒度的增大，穿晶断裂逐渐增多而且从PCBN层中心沿径向到边缘穿晶断裂也逐渐增多。
3硬质合金对PCBN硬度与导电性的影响
在合成PCBN的过程中，硬质合金中的钴扫越CBN层，尽管Co与CBN不反应，少量的钴还是残留在PCBN中作为CBN颗粒间“孔隙”的填充剂。
而Co的硬度与CBN颗粒的硬度相比要低得多，因而导致CBN层硬度的降低。
PCBN杨氏模量约为750GPa，高于WC、TiC、Al2O3等材料。
PCBN热膨胀系数约为（2.1～2.3）×10-6/K，而硬质合金热膨胀系数为（5～7）×10-6/K。
PCBN密度为3.48g/cm3，与Al2O3、Si3N4密度相近。
PCBN断裂韧性约为（3.5～5）Pa?
m0.5，仅为陶瓷刀具材料一半。
这PCBN唯一不足之处。
4PCBN刀具应用于先进切削加工工艺
（1）适用于高速及超高速切削加工技术
PCBN刀具最适合于铸铁、淬硬钢等材料的高速切削加工。
当切削速度超过一定限度后，切削速度越高，PCBN刀具后刀面磨损速度反而越小，即高速切削下刀具的寿命反而高，这一特点尤其适合现代高速切削加工。
（2）硬态切削加工技术的最佳刀具材料
对淬硬件（硬度HRC55以上）的精加工，通常采用磨削加工方法来完成，然而随着刀具材料发展及车床（尤其是数控车床）加工精度的提高，以硬态切削代替磨削来完成零件的最终加工已成为一个新的精加工途径，这种以车代磨的工艺方法有以下优点：
①可提高加工柔性，突破了砂轮磨削的限制，通过改变切削刃及走刀方式可以加工出几何形状各异的工件；
②切削加工中的环保问题日益严峻，磨削加工产生的废液和废弃物越来越难以处理和清除，而且对人体有害，而硬态切削无须加冷却液，意义重大；
③切削效率高，加工时间短，设备投资费用小，可降低加工成本；
④切除相同体积所消耗的能量仅为磨削的20%，因此产生的切削热较少，加工表面不易引起烧伤和微小裂纹，易于保持工件表面性能的完整性；
⑤同样金属去除率情况下，硬态切削较磨削节省能源。
（3）进行干切削加工工艺的理想刀具材料
干切工艺：
机理是由于切削速度很高，产生的热量聚集于刀具前部，使切削区附近材料达到红热状态，屈服强度下降，进而达到提高切削效率的效果。
采用红月牙干切削工艺的前提条件是在较高切削温度下，被切材料强度有明显下降，变得易切削，而刀具材料的强度在同样状态下要有较好的红硬性及热稳定性，还要有较好的耐磨性和抗粘结性。
就红硬性和热稳定性来说，PCBN材料是最适合干切工艺的刀具材料，且由于PCBN刀具材料具有上述优点，更适于高速条件下的干式切削加工。
（4）适应于自动化加工及难加工材料加工
PCBN刀具有很高的硬度及耐磨性，能在高切削速度下长时间地加工出高精度零件（尺寸分散性小），大大减少换刀次数和刀具磨损补偿停机所花费的时间。
因此，很适合于数控机床及自动化程度较高的加工设备，并且能使设备的高效能得到充分发挥。
在难加工材料应用方面，PCBN刀具也显示了其卓越的性能，如表面喷焊（涂）材料的加工，用其它材料刀具加工，刀具寿命极低，也无法采用磨削方法加工，而PCBN是惟一适合的刀具材料；又如，在石油电站设备中使用的高合金耐磨铸铁，采用PCBN刀具较硬质合金刀具提高切削效率4倍以上，单件刀具成本下降为原来的1/5。
另外在硬质合金等烧结材料的切削加工方面，PCBN刀具也显示了很好的切削性能。
5PCBN刀具的合理使用
由于PCBN刀具材料具有优良的切削性能，所以特别适合加工其硬度在HRC45以上的淬火钢、耐磨铸铁、HRC35以上的耐热合金以及HRC30以下而其它刀片很难加工的珠光体灰口铸铁。
（1）硬态切削时，径向力很大，这就要求机床功率要大，机床系统刚性要好，这既可保护PCBN刀具，又可获得满意的加工效果。
表5PCBN刀片常用切削用量
工件材料
切削速度（m/min）
进给量（mm/r）
切削深度（mm）
灰铸铁180～230HB
400～1000
0.15～0.5
0.12～2.0
硬铸铁400HB
70～150
0.15～0.5
0.12～2.0
淬火钢45HRC
60～140
0.15～0.5
0.2～2.5
耐热合金35HRC
100～240
0.05～0.3
0.1～2.5
（2）PCBN刀具的强度比硬质合金刀具低，因此在硬态切削加工时，一般都采用负前角、较大的后角和负倒棱，这不仅有利于对切削刃进行补强，而且具有很好的耐磨性。
（3）为很好地使用PCBN刀具，稳定地控制工件质量，准确判断PCBN刀具的耐用度至关重要。
（4）对于硬度高和不规则的工件，由于PCBN刀片较脆、怕冲击。
从工件端面切入、切出，尤其在表面有夹渣、砂眼、凹凸不平的时候，最易发生冲击，使刃口破裂，造成耐用度降低。
（5）PCBN刀具不适于加工较软的黑色金属材料。
（6）确定切削速度、进给量及切削深度要综合考虑生产效
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