PCBN（PCBN）

概況

PCBN即聚晶立方氮化硼（Polycrystalline Cubic Boron Nitride）作為利用人工方法合成的硬度僅次于天然金剛石的新型刀具材料，是目前高速切削鐵系金屬最合適的刀具材料。

研制

從1957年美國GE公司研制出立方氮化硼（CBN）單晶粉末、70年代研制成功PCBN刀具至今，經(jīng)過30多年的發(fā)展，PCBN刀具已逐步趨于成熟。目前PCBN刀具多由PCBN刀片與刀桿或可轉(zhuǎn)位刀片焊接而成，近年來整體式PCBN刀片種類也越來也多。PCBN刀片是0.5mm左右的PCBN層直接燒結(jié)在硬質(zhì)合金基體上形成的復(fù)合整體。這種材料既具有PCBN的高硬度、高熱穩(wěn)定性和高的化學(xué)穩(wěn)定性，同時(shí)又具有硬質(zhì)合金強(qiáng)度好、可焊性好的優(yōu)點(diǎn)，使PCBN刀具不僅可切削各種硬度的工件，而且也易于生產(chǎn)。PCBN刀片質(zhì)量的好壞直接影響著刀具切削性能。

燒結(jié)

PCBN刀片的制作方法主要有兩種：一種是一次聚合法，即直接用六方氮化硼（HBN）一次聚合成高密度的燒結(jié)體；另一種是二次聚合法，先合成高密度立方氮化硼（CBN），然后再以其為原料經(jīng)高溫高壓燒結(jié)成聚晶立方氮化硼。目前較為普遍的是加入粘結(jié)劑的二次聚合法：

⑴加入金屬粘結(jié)劑的CBN燒結(jié)

金屬粘結(jié)劑種類很多，主要有Ni、Co、Ti、Ti-Al等。在燒結(jié)溫度下，金屬粘結(jié)劑成為液相，液相的出現(xiàn)對(duì)CBN燒結(jié)有一定的促進(jìn)作用，燒結(jié)可以在稍低的溫度和壓力下進(jìn)行。另外，由于CBN不溶于金屬粘結(jié)劑，不會(huì)發(fā)生可以促進(jìn)收縮和晶體長(zhǎng)大的溶解析出過程。在燒結(jié)過程中硬質(zhì)合金中的鈷呈液態(tài)滲入CBN晶界中，將硬質(zhì)合金與CBN燒結(jié)體緊密粘結(jié)在一起。采用金屬粘結(jié)劑的PCBN刀具的硬度較純CBN燒結(jié)的刀具硬度低，但是韌性好。英國Element six 公司的AMB90、美國GE公司的BZN6000以及日本三菱生產(chǎn)的MB710等牌號(hào)都是由金屬粘結(jié)劑燒結(jié)而成。

⑵加入陶瓷粘結(jié)劑的CBN燒結(jié)

陶瓷粘結(jié)劑主要有TiN、TiC、Al2O3等。由于燒結(jié)過程中易產(chǎn)生裂紋，因此多在陶瓷粘結(jié)劑中加入鐵族元素（鐵、鈷、鎳）以及Mo或Mo2C等增加陶瓷離子間的強(qiáng)度，起到流體傳壓介質(zhì)的作用，有利于形成內(nèi)部無變形的燒結(jié)體，鉬等還可以改進(jìn)陶瓷粒子和鐵元素之間的潤(rùn)濕性。陶瓷粘結(jié)劑PCBN中粘結(jié)劑的含量一般較高，韌性較金屬粘結(jié)劑刀具差，但其抗高溫性能更好。這類產(chǎn)品有英國Element six公司的DBA80、DBC50，美國GE公司的BZN7000S、BZN8200，日本住友的NBX300、NBX3200等。

⑶純CBN燒結(jié)

在CBN聚晶體中也可以不加粘結(jié)劑直接燒結(jié)而成聚晶立方氮化硼。CBN在燒結(jié)時(shí)發(fā)生再結(jié)晶和晶粒長(zhǎng)大過程，燒結(jié)后的CBN多晶體的晶粒已不是原來的CBN單晶體顆粒。這種PCBN刀具耐磨性好，壽命長(zhǎng)，但較脆且溫度條件苛刻，難以制成高韌性及大尺寸的刀片。

影響因素

PCBN刀片的質(zhì)量受到多種因素的影響，其中燒結(jié)過程中各種工藝參數(shù)的改變，對(duì)PCBN刀片的質(zhì)量影響最大。粘結(jié)劑/催化劑材料、基體材料等組成材料，以及顆粒表面清潔度、顆粒度等都決定了PCBN刀片的性能。

⑴基體的選擇

由于碳化鎢硬質(zhì)合金具有較高的硬度，較好的導(dǎo)熱性和韌性，因此多采用含有Co的碳化鎢硬質(zhì)合金作為PCBN刀片基體。Co作為一種溶劑和粘結(jié)劑可以顯著提高CBN的燒結(jié)度，增強(qiáng)PCBN的強(qiáng)度，但是碳化鎢硬質(zhì)合金中Co的含量不能過高，否則將影響PCBN刀片的耐磨性，縮短刀具的使用壽命。

⑵CBN晶粒的清潔度與顆粒度

CBN晶粒的表面清潔度將直接影響著PCBN的燒結(jié)質(zhì)量，因此在燒結(jié)前都要對(duì)CBN晶粒進(jìn)行嚴(yán)格地處理，以去掉晶粒表面的水分及氧化物等雜質(zhì)。采用的方法主要是在真空或氫氣、氨氣等還原性氣體下加熱1~2個(gè)小時(shí)。否則過多的雜質(zhì)會(huì)影響CBN-CBN顆粒間及CBN與粘結(jié)劑間的粘結(jié)，使得PCBN刀片強(qiáng)度減小，耐磨性能降低。

CBN顆粒的大小不但對(duì)PCBN刀具的切削表面質(zhì)量有影響而且對(duì)PCBN燒結(jié)時(shí)粘結(jié)劑的燒結(jié)能力起到一定的作用。一般來說，CBN顆粒度越小，PCBN刀具切削表面質(zhì)量越好，刀具抗沖擊能力和耐磨性越好，因此，在加工淬硬鋼并且要求高的表面質(zhì)量（即實(shí)現(xiàn)PCBN刀具的“以車代磨”）時(shí)，所采用PCBN刀具中的CBN顆粒應(yīng)取較小值。但另一方面，由于PCBN刀片的燒結(jié)是通過“毛細(xì)現(xiàn)象”即各種粘結(jié)劑元素滲透到CBN顆粒之間實(shí)現(xiàn)的，如果CBN顆粒太小，CBN顆粒間的間隙就會(huì)減小，從而使得粘結(jié)劑元素的滲透量減小。因此，燒結(jié)時(shí)CBN顆粒又應(yīng)選得大一些。綜合考慮以上兩種因素，CBN燒結(jié)時(shí)應(yīng)多選擇混合粒度，并根據(jù)所選粘結(jié)劑粘結(jié)能力的不同而確定不同的粒度范圍。

⑶CBN晶粒含量

CBN含量對(duì)PCBN刀具的硬度、導(dǎo)熱性有較大的影響。CBN含量越高，刀具的硬度越高，導(dǎo)熱性越好。高含量PCBN刀具（一般CBN含量為80%～90%）是以CBN之間的直接結(jié)合為主，具有高硬度和高導(dǎo)熱性。這類PCBN刀具適合加工高硬度合金和組織中含有高硬質(zhì)點(diǎn)的材料，如冷硬鑄鐵、耐熱合金等。目前此類刀具刀片主要有GE公司的BZN6000，Element six公司的AMB90、住友電工公司的BN100、BN600等。低含量PCBN刀片多為陶瓷粘結(jié)劑，耐熱性好，易于加工淬硬鋼（合金鋼、軸承鋼、模具鋼、碳鋼等），利用切削區(qū)內(nèi)熱滯留高溫形成的金屬軟化效應(yīng)進(jìn)行切削。GE公司的BZN8100、BZN8200，Element six公司的DBC50，住友電工公司的NB300、NB220以及山高公司的CBN10、CBN100、CBN150等均屬于此類。

⑷粘結(jié)劑

CBN燒結(jié)所需的粘結(jié)劑：①物理化學(xué)性能越接近CBN越好，這樣不會(huì)過多的削弱燒結(jié)后PCBN刀具的切削性能；②易于達(dá)到熔點(diǎn)溫度或在此溫度下具有好的塑性；③相對(duì)于CBN具有足夠的化學(xué)活性，具有使六方氮化硼（HBN）向CBN轉(zhuǎn)化的催化性。

目前，常用到的粘結(jié)劑按其物理化學(xué)性質(zhì)可分為金屬粘結(jié)劑（如Ni、Co、Ti、Ti-Al等）和陶瓷粘結(jié)劑（如TiN、TiC、TiCN、Al2O3等）；按作用可分為催化劑（如，Al、AlN、AlB2、Si等）和溶解劑（如Ti、Ni、Co、TiN、TiC、TiCN等）。粘結(jié)劑種類和含量都對(duì)PCBN刀片的性能有不同的影響。碳化物、氮化物、碳氮化物可以提高PCBN刀片的抗化學(xué)磨損能力和抗沖擊能力，但含量過高會(huì)降低刀具硬度，使刀具壽命縮短；鈷是最常用的粘結(jié)劑，可以提高CBN燒結(jié)時(shí)的燒結(jié)度；Ti陶瓷粘結(jié)劑可以提高PCBN刀片的韌性；鋁及鋁的化合物可與CBN顆粒及其它粘結(jié)劑發(fā)生反應(yīng)，使CBN顆粒粘結(jié)得更加牢固，提高刀具耐磨性；Si和Al、AlN、AlB2的混合物是HBN向CBN轉(zhuǎn)化的有效催化劑，在陶瓷粘結(jié)劑里加入少量的Al、Si還可以增強(qiáng)CBN間的粘結(jié)，形成連續(xù)的陶瓷相；以鋁化鎳作為粘結(jié)劑的PCBN復(fù)合片導(dǎo)電性好，適于采用低成本電火花進(jìn)行切割。

由于粘結(jié)劑的不同，現(xiàn)在PCBN刀片趨于兩種特性：一種是具有高的耐磨性（高含量CBN，催化粘結(jié)劑），另一種是具有好的抗沖擊性（低含量CBN，陶瓷粘結(jié)劑）。

磨加工質(zhì)量

除了原材料質(zhì)量和可靠規(guī)范的胚體合成工藝外，PCBN刀片磨加工的工藝和精度直接決定切削時(shí)的微觀性能，所以采用周邊磨床，刀具成本雖然提高不少，但是產(chǎn)品質(zhì)量和耐用度都會(huì)上一個(gè)檔次。

檢驗(yàn)手段

檢驗(yàn)手段：除了尺寸精度和表面質(zhì)量外，生產(chǎn)立方氮化硼刀具過程中，最容易產(chǎn)生廢品的是電鏡檢測(cè)下的微觀缺陷。刃口處肉眼看不到的微觀缺陷是刀具使用過程報(bào)廢的導(dǎo)火索，容易造成使用時(shí)出現(xiàn)崩刃造成扎刀問題。

應(yīng)用概況

立方氮化硼（CBN）在切削加工中的應(yīng)用

用PCBN刀片精車淬硬鋼

加工硬鑄鐵和灰口鑄鐵

高速鏜削鑄件孔

鉸削淬硬鋼或硬鑄件小孔

用于難加工材料的切削加工

采用PCBN刀具精車淬硬鋼，其工件硬度高于45HRC，效果最好。其切削速度一般為80～120m/min，工件硬度越高，切削速度宜取低值，如車硬度為70HRC的工件，其切削速度宜選60～80m/min。精車的切深在0.1～0.3mm，進(jìn)給量在0.05～0.025mm/r，精車后的工件表面粗糙度為Ra0.3～0.6μm，尺寸精度可達(dá)0.013mm。若能采用剛性好的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)控車床加工，PCBN刀具的剛性好和刃口鋒利，則精車后的工件表面粗糙度可達(dá)Ra0.3μm，尺寸精度可達(dá)0.01mm，可達(dá)到用數(shù)控磨床加工的水平。如果機(jī)床剛性好，選用的切削速度較低，則選用PCBN復(fù)合刀片可精車斷續(xù)表面。精車加工余量一般為0.3mm左右，盡可能提高工件淬火前的尺寸精度和減少熱變形，以保證精車時(shí)切削余量均勻，延長(zhǎng)PCBN刀具的使用壽命。精車一般不用切削液，因?yàn)樵谳^高的切削速度下，大量的切削熱由切屑帶走，很少會(huì)停留在工件表面而影響加工表面質(zhì)量和精度。精車刀片宜選用強(qiáng)度和韌性高的80°菱形刀片，刀尖半徑在0.8～1.2mm之間，為保護(hù)刀具刃口，使用前需用細(xì)油石倒棱。精車淬硬工件是一門新工藝，實(shí)施前需做工藝試驗(yàn)，可用與工件材料、硬度和大小相同的棒料，在同類機(jī)床上進(jìn)行精加工或粗加工試驗(yàn)，關(guān)鍵是要試驗(yàn)刀具與切削參數(shù)的選擇及工藝系統(tǒng)是否有足夠的剛性。該工藝目前國內(nèi)已經(jīng)采用，如一汽集團(tuán)用PCBN刀具加工滲碳淬火（58～63HRC）的20CrMnTi變速箱齒輪撥叉槽，采用的工藝參數(shù)為Vc=150m/min,f=0.1mm/r，ap=0.2～0.3mm，實(shí)現(xiàn)了以車代磨。

間斷切削加工和粗加工淬硬鋼方面使用 PCBN刀具，在高速切削淬硬鋼時(shí)，如果淬硬工件有間斷切削，刀具會(huì)以每分鐘100次以上的沖擊來完成加工，對(duì)刀具的抗沖擊性能是個(gè)很大的挑戰(zhàn)，中國河南超硬材料研究所研制的HLCBN系列可用于強(qiáng)斷續(xù)切削淬硬鋼，在超硬刀具學(xué)術(shù)界享有很高的聲譽(yù)，HLCBN作為民族超硬刀具品牌在世界超硬材料刀具中占有重要的地位。

加工硬鑄鐵

用PCBN刀具車削淬硬鋼時(shí)，要求工件淬火硬度高于45～55HRC，加工硬鑄鐵時(shí)，只要硬度達(dá)到中等硬度水平（45HRC），就會(huì)取得良好的加工效果。如汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋上的排氣閥座，該閥座是采用含銅、鉬的高鉻合金鑄鐵材料，其硬度一般約為44HRC，其閥座上孔采用锪（鉸）、車兩種工藝，大多是在專用自動(dòng)線上加工，與槍鉸導(dǎo)管孔一道進(jìn)行。所采用的切削用量為：Vc=71.6m/min，Vf=26.5mm/min，ap=1.0mm，采用BC拉削油，自采用PCBN刀具加工后，與以往采用的各種硬質(zhì)合金刀片加工相比，刀具平均耐用度為1200件，加工表面粗糙度為Ra0.4μm，閥座面擺差≤0.05mm。東風(fēng)汽車公司發(fā)動(dòng)機(jī)廠自1988年使用PCBN刀具后，其效果一直保持穩(wěn)定，較好地解決了引進(jìn)設(shè)備的刀具國產(chǎn)化問題。隨著中國汽車制造業(yè)的高速發(fā)展，國內(nèi)刀具行業(yè)也異?；钴S，蓬勃發(fā)展，國內(nèi)外的刀具公司都看中了中國這個(gè)大市場(chǎng)，國際上著名的刀具和刀輔具公司及其產(chǎn)品幾乎都進(jìn)入了中國，如瑞典的Sadvik攜旗下Coroman、Titex、Walter,等公司，德國的Mapal、laitz、Guhring，以色列的Iscar、日本的OSG，大昭和等，美國的Valinite、Ingosoll，等。這些外國刀具公司在剛進(jìn)入中國時(shí)，對(duì)中國超硬刀具市場(chǎng)的發(fā)展估計(jì)并不足，有的僅是委托中國代理商銷售一部分刀具，售后服務(wù)等工作還未能有力跟上，逐漸地他們認(rèn)識(shí)到這個(gè)市場(chǎng)的重要性，開始在中國設(shè)立辦事處，并進(jìn)而在中國進(jìn)行直接銷售，原來實(shí)行的單一代理方式也開始變化，近兩年更有了新的本質(zhì)的變化，很多國外刀具公司開始在中國設(shè)廠，直接在中國當(dāng)?shù)刂圃斓毒?、提供各種服務(wù)，如山高公司在上海設(shè)立了制造工廠，山特維克在廊坊設(shè)立了工廠，住友電氣在天津設(shè)立了工廠，肯納、歐士機(jī)等在上海都設(shè)有工廠，藍(lán)幟公司最近在南京新擴(kuò)建了其工廠，增加了刀具制造和刃磨設(shè)備，格林公司在上海的具有珩磨刀具制造和修磨功能的工廠也即將正式開業(yè)。專門制造和修磨各種客戶需求的特殊刀具，其特點(diǎn)是反應(yīng)快，不管批量大小，且能及時(shí)到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行直接技術(shù)支持。另外以舒伯哈特公司為首的專業(yè)做超硬刀具的公司也同樣在上海設(shè)立了生產(chǎn)工廠，專門進(jìn)行超硬刀具如金剛石刀具和CBN刀具的加工和修磨工作，其業(yè)務(wù)量也很大，幫助不少客戶解決了超硬刀具的修磨工作。而與此同時(shí)國內(nèi)PCBN刀具市場(chǎng)隨著刀具技術(shù)水平的發(fā)展也不斷擴(kuò)大。目前中國第一汽車集團(tuán)已有一百多個(gè)PCBN車刀使用點(diǎn)；國內(nèi)的各大高校，如清華大學(xué)、大連理工大學(xué)、華中理工大學(xué)等均在積極開展這方面的研究；各專項(xiàng)的研究機(jī)構(gòu)和民族企業(yè)為解決中國自給自足PCBN不斷探索，如鞍山鋼鐵集團(tuán)公司，中國建筑材料集團(tuán)公司，鄭州新亞、南京藍(lán)幟、成都戴夢(mèng)迪、深圳潤(rùn)祥、成都工具研究所等幾十家單位。

高速銑削灰口鑄鐵高速銑削灰鑄鐵時(shí)，一般粗加工當(dāng)然可以使用K類硬質(zhì)合金，精加工可用氦化硅陶瓷刀片。如在一個(gè)裝有8塊刀片的端銑刀上改用只裝對(duì)稱式的兩片PCBN刀片，并將切削速度提高4倍，其結(jié)果是金屬切除率相同，而切削力卻下降3/4，刀具壽命與加工質(zhì)量超過前者。對(duì)珠光體鑄鐵與冷硬鑄鐵，也宜采用PCBN刀具進(jìn)行高速加工，與其它刀具材料比較，可提高切削速度、延長(zhǎng)刀具壽命、降低了表面粗糙度。在高速鏜桿上采用成對(duì)鑲片PCBN鏜刀與單片鏜刀相比，其平衡性好，從而增加了鏜桿的剛性，在給定的進(jìn)給量下，采用PCBN雙刀片鏜孔可獲得高的金屬切除率與表面質(zhì)量。目前國內(nèi)已有較多的發(fā)動(dòng)機(jī)制造廠，對(duì)氣缸體的缸孔（或缸套）精加工已使用PCBN刀具。如上海大眾和一汽集團(tuán)的發(fā)動(dòng)機(jī)廠，缸孔精鏜均采用PCBN刀片并可自動(dòng)補(bǔ)償（υc=500m/min，f=0.2mm/r，ap=0.1mm）。所以加工出的缸孔精度高、尺寸穩(wěn)定，而且生產(chǎn)效率高，刀具壽命長(zhǎng)。對(duì)于小孔鏜削，雖可使用陶瓷或涂層刀片，但刀片應(yīng)帶有負(fù)前角，這將增加切削和排屑的阻力，易使細(xì)長(zhǎng)鏜桿產(chǎn)生振動(dòng)。若用PCBN刀具進(jìn)行高速鏜削，其孔的表面質(zhì)量好、生產(chǎn)效率高。對(duì)這類工件的孔加工宜采用CBN電鍍鉸刀。這種鉸刀是以其硬度為42HRC的45號(hào)鋼或9CrSi鋼作為基體，具有前后導(dǎo)向和切削部分，其基體制造精度要高，設(shè)計(jì)要合理。如其鉸刀的前導(dǎo)向部分直徑要小于切削刃部分直徑0.04mm，切削區(qū)的長(zhǎng)度要大于工件孔深，后導(dǎo)向的長(zhǎng)度要大于切削區(qū)長(zhǎng)度，其直徑應(yīng)小于切削刃部直徑0.02mm。為了在鉸削中能用切削液沖洗切屑和冷卻潤(rùn)滑加工表面，其鉸刀基體上開有兩條較深的螺旋槽。如某廠加工淬火鋼工件孔f12.06±0.05mm，硬度為45HRC，底孔尺寸為f12±0.01mm，要求孔的圓柱度為0.005mm，表面粗糙度為Ra0.2μm。采用一組五把的電鍍CBN鉸刀加工后，取得較好的經(jīng)濟(jì)效果。有的發(fā)動(dòng)機(jī)制造廠采用金剛石或CBN電鍍鉸刀對(duì)氣缸體的主軸承孔進(jìn)行珩鉸，代替原來的珩磨加工，使加工效率提高了數(shù)倍，且質(zhì)量穩(wěn)定。采用帶正前角的PCBN刀具，選用適當(dāng)?shù)那邢鲄?shù)，即Vc=100m/min,f=0.05～0.2mm，ap=0.1～0.2mm，采用極壓型乳化液或油冷卻液，可加工奧氏體不銹鋼（45HRC）、高溫合金鋼、高錳鋼、高強(qiáng)度鋼及高鎳合金鋼等材料，可獲得較高的加工效率和表面質(zhì)量。

CBN砂輪在磨削加工中的應(yīng)用

CBN材料除用來制作刀具外，其最大的應(yīng)用領(lǐng)域還是制成CBN磨具，用于高速高效磨削和珩磨加工，可使磨削效率大大提高，其磨削精度和質(zhì)量提高一個(gè)等級(jí)。

磨削汽車零件——凸輪軸和曲軸

CBN砂輪在內(nèi)孔磨削中的應(yīng)用

采用CBN砂輪磨削齒輪

應(yīng)用CBN磨具加工難加工材料及難加工面

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)上的凸輪軸具有多個(gè)凸輪，淬火后的凸輪粗磨及精磨是影響凸輪質(zhì)量的關(guān)鍵工序。一般都是采用靠模仿形磨削，工件速度的提高受到限制，工件易產(chǎn)生磨削燒傷裂紋，采用靠模仿形磨削，其凸輪表面的輪廓曲線要受砂輪直徑大小的影響，所以很難保證凸輪輪廓曲線的正確。生產(chǎn)實(shí)踐證明，當(dāng)砂輪直徑大時(shí)，磨出的凸輪瘦，當(dāng)砂輪直徑小時(shí)，磨出的凸輪胖，只有當(dāng)砂輪直徑接近或等于磨削靠模凸輪的滾輪直徑時(shí)（一般為f570mm），其仿形誤差接近于零，即磨出的凸輪表面輪廓曲線接近于靠模凸輪。在實(shí)際生產(chǎn)中，所用的砂輪直徑一般都是從D600（或610）用到D500，與理想的砂輪直徑（570）相差甚多，所以生產(chǎn)中總有大部分凸輪軸的凸輪曲線超標(biāo)。為解決這個(gè)問題，我們?cè)诳磕７滦瓮馆喣ゴ采喜捎肅BN砂輪磨削，可把CBN砂輪直徑制成D575，CBN磨料層厚為4～5mm，其磨輪的磨削最小直徑是D565，磨削直徑范圍雖然只有10mm，但磨削零件數(shù)卻相當(dāng)于幾十片普通砂輪，不僅可保證凸輪曲線正確，而且也不會(huì)產(chǎn)生磨削燒傷現(xiàn)象。如Liton工業(yè)自動(dòng)化公司用CBN砂輪磨削凸輪軸，其成本降低了50%，凸輪表面的疲勞強(qiáng)度提高了30%；東風(fēng)汽車公司襄樊柴油發(fā)動(dòng)機(jī)廠用陶瓷結(jié)合劑CBN砂輪粗磨冷激鑄鐵凸輪軸，其凸輪磨削余量t=4～5mm，V砂=60m/s，工件轉(zhuǎn)速n=100r/min,Vf=0.1mm/s，采用高速磨削液，CBN砂輪的壽命基本相當(dāng)于20片剛玉磨料砂輪。內(nèi)圓磨削的效率一直很低，其主要原因就是磨削速度、砂輪材質(zhì)及磨桿的剛性問題。生產(chǎn)過程中用在修整砂輪、更換砂輪的時(shí)間幾乎占了單件工時(shí)的1/3～1/5。如果內(nèi)圓或溝槽磨削采用CBN電鍍砂輪，并把砂輪速度提高，增大磨桿直徑，便可適當(dāng)提高工件轉(zhuǎn)速與進(jìn)給速度，不僅可保證孔（弧）徑、槽寬尺寸與形位精度，表面粗糙度和避免燒傷，而且還可以成倍地提高加工效率，降低加工成本。如國內(nèi)某廠加工一個(gè)年產(chǎn)60萬件的紡機(jī)滾動(dòng)軸承套，磨f15.5+0.04的孔及相鄰的弧槽，過去用鉻剛玉（GG）砂輪，需用兩道工序分別在兩臺(tái)M224內(nèi)圓磨床上加工，其槽（弧）徑差及尺寸與孔的同軸度很難保證，且效率低，采用CBN砂輪后，加粗了磨桿，提高了進(jìn)給量，節(jié)約了修整和更換砂輪的時(shí)間，徹底解決了原有問題。后又改為孔、溝同時(shí)磨，即在磨桿上裝兩個(gè)砂輪，使磨削效率提高1倍，節(jié)省了一臺(tái)磨床。所加工的工件表面粗糙度為Ra0.63μm采用的磨削工藝參數(shù)：V砂=36m/s，V2=19m/min，f粗切=1μm/r,f精切=0.5μm/r，光磨時(shí)間t=bs，采用10%濃度的乳化值。齒輪磨削以往是采用單齒面與多齒面磨削，單齒面磨削雖然可獲得較高的加工精度，但效率低，成本高，多齒面磨削雖生產(chǎn)效率高，但其加工質(zhì)量比單齒磨削差。若采用CBN砂輪磨削，無論采用單齒面磨削還是采用多齒面磨削，采用電鍍CBN砂輪或陶瓷結(jié)合劑砂輪進(jìn)行磨削，其效果極為顯著：

CBN砂輪可以制成精度較高的齒形，由于耐用度高，不頻繁修整，不需經(jīng)常調(diào)整機(jī)床，可獲得穩(wěn)定的齒廊、導(dǎo)程和節(jié)距精度。

可實(shí)現(xiàn)高速磨削與高進(jìn)給率磨削齒面，粗糙度低且不會(huì)燒傷，可在提高磨削效率的條件下獲得較高的齒輪精度（6～7級(jí)）。

CBN砂輪壽命長(zhǎng)，磨削性能好，節(jié)約了砂輪更換修整、機(jī)床調(diào)整和工件檢測(cè)等許多輔助時(shí)間。

對(duì)淬硬鋼件或冷硬鑄鐵件孔的珩磨，可采用CBN珩磨油石，對(duì)高強(qiáng)度、高硬度和高熱敏性的合金鋼、不銹鋼、耐熱鋼與合金，宜采用高硬度、高強(qiáng)度的CBN砂輪，采用極壓乳化液或高速磨削液進(jìn)行冷卻。對(duì)較長(zhǎng)的導(dǎo)軌面或復(fù)雜型面、凸輪磨床的靠模軸等均宜采用CBN砂輪。

CBN材料在機(jī)械加工中的應(yīng)用

CBN材料無論制作刀具或制作磨具，應(yīng)用于高速切削或磨削，都可收到提高產(chǎn)品質(zhì)量、提高加工效率、縮短加工周期和降低加工成本等顯著效果。因此，在加工中，大力推廣CBN刀（磨）具是提高制造技術(shù)的有力措施。但若普遍推廣使用，尚有許多問題。為了在生產(chǎn)中更好地推廣使用CBN刀（磨）具，應(yīng)做以下幾方面的工作：

發(fā)揮CBN刀（磨）具研究院（所）的主導(dǎo)作用

實(shí)現(xiàn)三點(diǎn)一線聯(lián)合開發(fā)，即CBN——工具制造——用戶或CBN與工具制造——機(jī)床——用戶共同開發(fā)CBN的應(yīng)用

積極開展CBN刀（磨）具制造與使用技術(shù)的研究

用戶需要提高產(chǎn)品質(zhì)量意識(shí)，勇于提高制造技術(shù)

目前國內(nèi)CBN材料生產(chǎn)廠家很多，產(chǎn)量也不少，但高質(zhì)量的不多，CBN刀（磨）具的穩(wěn)定用戶更少。究其原因主要是機(jī)械加工部門對(duì)價(jià)格昂貴的CBN刀（磨）具缺乏選擇與使用的知識(shí)，采購來的CBN工具實(shí)效不多，在其經(jīng)濟(jì)緊縮的條件下，不敢輕易投資進(jìn)行工藝試驗(yàn)。要想解決這個(gè)問題，只有CBN刀（磨）具研究院（所）主動(dòng)深入機(jī)械制造的生產(chǎn)單位，選擇生產(chǎn)效率與質(zhì)量的薄弱環(huán)節(jié)，且已具有或易于創(chuàng)造CBN加工條件的點(diǎn)，與用戶協(xié)商簽訂共同開發(fā)CBN應(yīng)用合同。由工具研制單位負(fù)責(zé)免費(fèi)提供試驗(yàn)用的CBN刀（磨）具，用戶負(fù)責(zé)提供試驗(yàn)所需條件下組織生產(chǎn)試驗(yàn)。這就發(fā)揮了多方積極性，從CBN質(zhì)量選擇到工具制造，都會(huì)以最優(yōu)、最快的速度進(jìn)行，用戶從準(zhǔn)備試驗(yàn)條件到使用，見到了達(dá)到合同目標(biāo)值的成果，不花試驗(yàn)費(fèi)便解決了生產(chǎn)難題，很容易推廣。而工具院（所）亦可在以后的供貨中逐步回收利潤(rùn)，只要雙方保持互惠、互利，協(xié)作關(guān)系便會(huì)更加鞏固。該廠就是利用這種方式與多家研究院校開發(fā)了很多新技術(shù)。在機(jī)械加工中的許多加工難點(diǎn)，雖然可用CBN工具來解決，但就目前條件，不是國內(nèi)哪家所能單獨(dú)做到的，因?yàn)椴⒎欠彩荂BN工具都有奇特的和萬能的加工能力。我們也曾用過CBN刀片精鏜硼缸套，其效果并不比新型陶瓷刀片好。其原因是多方面的，如CBN質(zhì)量、含量、品牌規(guī)格及結(jié)合劑等是否適合硼鑄鐵的加工。至于CBN磨具影響的磨削效果的因素就更多了，除自身原材料的質(zhì)量、配比和磨具制造技術(shù)外，還有使用條件與技術(shù)。如磨削速度（應(yīng)用高速磨削速度）、磨床剛性好、無振動(dòng)、有自動(dòng)精細(xì)進(jìn)給及修整補(bǔ)償機(jī)構(gòu)、適當(dāng)?shù)哪ハ鲄?shù)和冷卻液等，這些都是相輔相成的重要因素，靠有關(guān)方面共同努力，各自提高自家產(chǎn)品的質(zhì)量，相互促進(jìn)，才能使CBN工具與專用設(shè)備成功地用于生產(chǎn)。用戶希望使用具有實(shí)效的CBN工具，為此，要求工具制造單位，除了盡快提高CBN工具的制造技術(shù)外，還應(yīng)對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量建立明確的鑒定標(biāo)準(zhǔn)與方法，分布某些性能參數(shù)，如刀具的CBN含量與品牌、磨具的硬度與CBN精度、濃度等，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行生產(chǎn)使用試驗(yàn)，以便充分發(fā)揮用戶的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)不同的切削參數(shù)與冷卻液所取得的加工結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，使CBN工具得到質(zhì)的提高。CBN工具的適用范圍、使用條件和應(yīng)用的技術(shù)配套（如設(shè)備和冷卻液等），用戶可正確選用和使用CBN工具。21世紀(jì)是高科技時(shí)代，產(chǎn)品必須是有高性能、高質(zhì)量才有市場(chǎng)，企業(yè)才有生命力。為此，應(yīng)盡快提高制造技術(shù)水平，而推廣使用CBN工具提高制造技術(shù)是一種有力措施，這不僅需要有關(guān)主管部門的有力資助和支持，有組織、有計(jì)劃地逐步推廣CBN工具的技術(shù)配套與使用，同時(shí)也要求用戶勇于接受新材料、新技術(shù)，改變過去陳舊的生產(chǎn)觀念與管理方法，即刀（磨）具均消耗費(fèi)用指標(biāo)很低，只許占產(chǎn)品成本的1/100左右，而不是以提高生產(chǎn)效率和保證產(chǎn)品質(zhì)量為準(zhǔn)，這樣會(huì)限制優(yōu)質(zhì)高效的刀（磨）具應(yīng)用與先進(jìn)設(shè)備生產(chǎn)能力的發(fā)揮。實(shí)踐證明，CBN刀（磨）具的成效不僅可提高產(chǎn)品的加工質(zhì)量，而且也可提高經(jīng)濟(jì)效益。

制造工藝

PCBN刀具的制造主要通過CBN粉末和結(jié)合劑經(jīng)超高壓高溫?zé)Y(jié)而成。大致步驟有；混合粉末--模壓成型/與硬質(zhì)合金底層組裝成整體--超高壓高溫?zé)Y(jié)--深加工.

關(guān)鍵技術(shù)在于CBN與結(jié)合劑的選擇與配比，超高壓高溫?zé)Y(jié)工藝參數(shù)的確定.

使用優(yōu)勢(shì)

⑴切削速度高：用HLCBN立方氮化硼刀片切削硬鑄鐵時(shí)，可以使用較高的切削速度。當(dāng)Vc=60 m/min，切削160 min后，后刀面只磨損了0.16 mm。而使用YG6X硬質(zhì)合金刀具的切削速度只有6.6 m/min，僅為立方氮化硼刀具的1/9。

⑵耐用度高：用立方氮化硼圓刀片，以Vc=40 m/min、f=0.16 mm/r的切削用量加工HRC55的冷硬鑄鐵，刀具耐用度為500 min，而用陶瓷刀具加工時(shí)刀具耐用度只有5 min。立方氮化硼刀具的耐用度是陶瓷刀具的100倍。

⑶加工精度和表面質(zhì)量好：用硬質(zhì)合金刀具車削HRC50的表面噴涂冷硬鑄鐵軋輥，當(dāng)Vc=20 m/min、αp =0.3 mm、f=0.22 mm/r時(shí)，圓度誤差高達(dá)0.5 mm，表面粗糙度Ra為12.5μm；而使用立方氮化硼刀具車削，切削速度提高了，圓度誤差很小，表面粗糙度Ra小于0.8μm。

⑷金屬切除率高：河南超硬材料研究所研制的立方氮化硼整體聚晶刀片開始在重載粗加工的應(yīng)用，立方氮化硼刀具開始應(yīng)用到大進(jìn)給，大吃深的粗加工中，比硬質(zhì)合金刀具的切除率更高。譬如用立方氮化硼刀具切削冷硬鑄鐵軋輥，可以獲得極高的金屬切除率。例如，當(dāng)Vc=6l m/min、αp =/mm、f=0.94 mm/r時(shí)，金屬切除率達(dá)400 cm3/min，刀具幾乎沒有磨損。

⑸可以代替磨削：ASH離心式泥漿泵是用極耐磨的鎳鉻白口鐵制造的。這種材料極難切削，以前認(rèn)為只能用磨削加工，但磨削時(shí)的高溫會(huì)使工件產(chǎn)生熱裂紋?，F(xiàn)在可以采用立方氮化硼刀具以車代磨。這種刀具抗彎強(qiáng)度高，經(jīng)得起沖擊載荷。采用立方氮化硼圓形刀片，粗車時(shí)，Vc=55 m/min，αp =3 mm，f=0.25 mm/r；精車時(shí)，f=0.2 mm，表面粗糙度Ra為0.8μm。

此外，還可以銑代磨加工鎳鉻白口鐵，也采用圓形帶倒棱的立方氮化硼刀片做成銑刀，以Vc=175～225 m/min、αf =0.1～0.25 mm/z、αp =0.5～2.5 mm的用量進(jìn)行銑削，表面粗糙度Ra可達(dá)2～2.5μm。

合理使用

由于 PCBN 刀具材料具有優(yōu)良的切削性能，所以特別適合加工其硬度在 HRC45 以上的淬火鋼、耐磨鑄鐵、 HRC35 以上的耐熱合金以及 HRC30 以下而其它刀片很難加工的珠光體灰口鑄鐵。

為了充分發(fā)揮 PCBN 刀片的優(yōu)越性，取得滿意的加工效果，在實(shí)際使用時(shí)，除參照表 1 所推薦的 PCBN 刀片選用的切削用量外，還應(yīng)根據(jù)機(jī)床、工件及其它有關(guān)條件的具體情況全面考慮，合理選擇。

⒈ 硬態(tài)切削時(shí)，徑向力很大，這就要求機(jī)床功率要大，機(jī)床系統(tǒng)剛性要好，這既可保護(hù) PCBN 刀具，又可獲得滿意的加工效果。裝夾 PCBN 刀具時(shí)，刀具的懸伸長(zhǎng)度要盡量短，以防止刀桿顫振和變形，使 PCBN 刀具保持良好的加工狀態(tài)。

表 1 PCBN 刀片常用切削用量

工件材料 切削速度 (m/min) 進(jìn)給量 (mm/r) 切削深度 (mm)

灰鑄鐵 180 ～ 230HB 400 ～ 1000 0.15 ～ 0.5 0.12 ～ 2.0

硬鑄鐵 400HB 70 ～ 150 0.15 ～ 0.5 0.12 ～ 2.0

淬火鋼 45HRC 60 ～ 140 0.15 ～ 0.5 0.2 ～ 2.5

耐熱合金 35HRC 100 ～ 240 0.05 ～ 0.3 0.1 ～ 2.5

⒉PCBN 刀具的強(qiáng)度比硬質(zhì)合金刀具低，因此在硬態(tài)切削加工時(shí)，一般都采用負(fù)前角、較大的后角和負(fù)倒棱，這不僅有利于對(duì)切削刃進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，而且具有很好的耐磨性。通常負(fù)倒棱尺寸取 (0.1 ～ 0.5）× (10° ～ 30°）為宜。若切削進(jìn)行適當(dāng)?shù)拟g化處理，效果會(huì)更好。此外，在可能的情況下，盡量采用小主偏角和大的刀尖圓弧半徑，這有助于保護(hù)刀刃，延長(zhǎng)刀具的使用壽命。

⒊ 為很好地使用 PCBN 刀具，穩(wěn)定地控制工件質(zhì)量，準(zhǔn)確判斷 PCBN 刀具的耐用度至關(guān)重要。如果一直使用磨損已很嚴(yán)重的刀具，那么切削力及切削溫度增加、切削不暢，就難以控制工件尺寸及表面完整性，甚至使 PCBN 刀具無法繼續(xù)修磨而報(bào)廢。為保證刀具的正常使用，建議 PCBN 刀具后刀面磨損量達(dá) 0.3 ～ 0.6mm（精車時(shí)取小值）時(shí)應(yīng)進(jìn)行重磨。但重磨需要一定的設(shè)備和技巧，多數(shù)工廠的機(jī)床不具備適合的條件，一般 PCBN 刀具的重磨都應(yīng)由專業(yè)廠來完成。

⒋ 對(duì)于硬度高和不規(guī)則的工件，由于 PCBN 刀片較脆、怕沖擊。從工件端面切入、切出，尤其在表面有夾渣、砂眼、凹凸不平的時(shí)候，最易發(fā)生沖擊，使刃口破裂，造成耐用度降低。所以在使用 PCBN 刀具前，最好先將冷硬層粗車一次，并在工件切入切出端先倒角，以減小 PCBN 刀具沖擊力。

⒌PCBN 刀具不適于加工較軟的黑色金屬材料。

⒍ 確定切削速度、進(jìn)給量及切削深度要綜合考慮生產(chǎn)效率和加工成本。一般來講，其切削速度可比硬質(zhì)合金刀具高 2 倍左右，高的切削速度產(chǎn)生大的切削熱量，使被加工材料的塑性增大，有利于控制切屑和降低切削力。

⒎ 使用 PCBN 刀具時(shí)，如果使用冷卻液由于熱應(yīng)力作用，PCBN刀具容易產(chǎn)生熱裂紋，特別是高速切削中。如果使用冷卻液時(shí)則一定要充分冷卻，且不能使用水溶性冷卻液，因?yàn)镃BN易在1000℃產(chǎn)生水解作用，造成刀具嚴(yán)重磨損。

有關(guān)使用 PCBN 刀具常見的磨損，磨損原因及預(yù)防措施見表 2。

表 2 PCBN 刀片的磨損形式、原因及預(yù)防措施

磨損形式 主要原因 預(yù)防措施

月牙洼磨損 工件硬度太軟；切速太快；產(chǎn)生化學(xué)和擴(kuò)散磨損 改用硬質(zhì)合金刀具或陶瓷刀具；降低切速 使用冷卻液

壓力面磨損 切削速度太快；進(jìn)給量太大；刀具后角太小 增大切速和進(jìn)給量；增大后角

邊界磨損 主偏角太大；進(jìn)給量太大；切速太小 減小主偏角；減小進(jìn)給量；增大切速

斷裂磨損 系統(tǒng)剛性差；刀尖角太??；進(jìn)給量與切速太大；刀具刃口脆 提高系統(tǒng)剛性，增大刀尖角；降低進(jìn)給量和切速并采用負(fù)倒棱刀具

PCBN 層破裂 系統(tǒng)剛性差；工件沖擊太大； PCBN 層太薄，刀具刃口過脆 提高工藝系統(tǒng)剛性；工件表面預(yù)加工和倒角；采用厚的 PCBN 層；采用負(fù)倒棱刀具

研磨

陶瓷金剛石刀磨砂輪主要用于PCD、CVD、PCBN、硬質(zhì)合金、陶瓷刀具以 及其它刃具銑刀、鉆頭、鉸刀等切削工具的研磨和快速高效低損傷磨削。KO系列陶瓷結(jié)合劑的 杯型刀磨砂輪，適合作為PCD及PCBN工具之精密研磨。KO系列陶瓷金剛石刀磨砂輪，解決了大多數(shù)刀具生產(chǎn)廠家磨刀效率低、刃口質(zhì)量差 的問題。陶瓷金剛石刀磨砂輪其極高的鋒利度可使刀具制作商的磨刀效率提 高1.5～3倍，且刃口質(zhì)量也會(huì)大大提高。

陶瓷金剛石刀磨砂輪研磨部位：包括端面、周面、斷屑槽溝、斜面、孔穴等加工研磨。