PCBN超硬刀具的研究及進(jìn)展

現(xiàn)代切削速度的不斷提高和先進(jìn)的集成制造速度的不斷發(fā)展對(duì)現(xiàn)代刀具的性能提出了更高的要求，因此開發(fā)出高熱穩(wěn)定性和高耐磨性的超硬刀具是當(dāng)今的發(fā)展趨勢(shì)，聚晶立方氮化硼（polycrystalline cubic boron nitride，PCBN）超硬刀具的高強(qiáng)度、高耐磨性、高導(dǎo)熱性、良好的高溫力學(xué)穩(wěn)定性以及高溫化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)異性能，使PCBN超硬刀具成為國(guó)內(nèi)外各工業(yè)國(guó)家的研究重點(diǎn)。

1.PCBN超硬刀具發(fā)展簡(jiǎn)介

1957年，美國(guó)GE公司最早合成立方氮化硼，并在1973年合成立方氮化硼刀具，其材料和制品已發(fā)展60年。各國(guó)也競(jìng)相研制出性能優(yōu)異的超硬CBN刀具。我國(guó)于1967年合成立方氮化硼樣品，1973年制成超硬刀具并投入生產(chǎn)。我國(guó)的刀具的型號(hào)和種類也日益豐富，但是我國(guó)產(chǎn)品的性能和系列化與國(guó)外相比還存在著較大的距離。為了縮短與發(fā)達(dá)國(guó)家在PCBN超硬刀具行業(yè)的的差距，我國(guó)于2010年設(shè)立了“高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備”國(guó)家科技重大專項(xiàng)，并明確提出要對(duì)超硬材料刀具的設(shè)計(jì)與制造、高精度刀具進(jìn)行研發(fā)，積極建立高精度、高效率切削裝置，根據(jù)不同工件及加工工藝要求，進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)，建立健全不同刀具不同條件下加工不同工件的數(shù)據(jù)庫(kù)等；研發(fā)出適用于鋼件、鈦合金、高溫合金等難加工材料的高效切削刀具系列產(chǎn)品。

2.PCBN刀具的特性和應(yīng)用

PCBN刀具具有高硬度、高耐磨性，不同結(jié)合劑含量的PCBN硬度值在40-60GPa之間；良好的耐熱性和紅硬性，耐熱性可達(dá)1400℃；可有效切削鐵系材料；具備高速切削特性和高加工精度，可以在線速度1000m/min以上的條件下連續(xù)干切削，達(dá)到拋光級(jí)的加工表面光潔度。高強(qiáng)度、高耐磨性、高導(dǎo)熱性、良好的高溫力學(xué)穩(wěn)定性以及高溫化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)異性能，使PCBN超硬刀具成為最能滿足當(dāng)前苛刻要求的首選切削工具。

根據(jù)制造業(yè)統(tǒng)計(jì)，PCBN在制造業(yè)的應(yīng)用情況如圖1 所示，PCBN超硬刀具主要用于汽車行業(yè)、重型機(jī)械等領(lǐng)域的淬火鋼工件車削加工 ，也從側(cè)面反映了PCBN超硬刀具良好的切削性能。CBN不僅適用于普通切削，也適合高速加工，此外，PCBN在加工過(guò)程中可以實(shí)現(xiàn)硬態(tài)干切削。這樣有利于實(shí)現(xiàn)綠色切削，同時(shí)可以充分發(fā)揮刀具的切削性能和金屬軟化效應(yīng)，可明顯提高經(jīng)濟(jì)效益。

不同CBN含量的PCBN刀具適合不同的切削領(lǐng)域，HALPIN等對(duì)不同CBN含量的PCBN的切削領(lǐng)域進(jìn)行了總結(jié)，如表1所示。

圖1 國(guó)內(nèi)外PCBN超硬刀具的應(yīng)用情況

表1 不同CBN含量的PCBN刀具切削領(lǐng)域

3.PCBN超硬刀具的分類

PCBN超硬刀具按成分可分為：添加一定比例結(jié)合劑的CBN燒結(jié)體后期加工成的PCBN超硬刀具和直接由CBN單晶燒結(jié)加工成的PCBN超硬刀具2大類。按照結(jié)合劑的不同，又分為金屬結(jié)合劑和陶瓷結(jié)合劑。金屬結(jié)合劑中金屬軟化溫度普遍較低，在刀具切削過(guò)程中，局部高溫會(huì)使結(jié)合劑軟化和氧化，會(huì)降低PCBN的高溫硬度和穩(wěn)定性。陶瓷結(jié)合劑的硬度都較高，高溫穩(wěn)定性及化學(xué)穩(wěn)定性較好。但其沖擊韌性差，刀具易崩刃和破損，使用壽命短。市場(chǎng)上PCBN大多采用金屬陶瓷型結(jié)合劑，金屬陶瓷型PCBN超硬刀具兼具金屬型和陶瓷型PCBN超硬刀具的優(yōu)點(diǎn)，既解決了金屬結(jié)合劑高溫易軟化的問(wèn)題，又克服了陶瓷結(jié)合劑抗沖擊韌性差的缺點(diǎn)。

除了化學(xué)計(jì)量比的結(jié)合劑外，研究者探究了非化學(xué)計(jì)量比結(jié)合劑來(lái)改善PCBN的性能，利用非化學(xué)計(jì)量比中的空位效應(yīng)來(lái)活化燒結(jié)，來(lái)降低燒結(jié)溫度，非化學(xué)計(jì)量比的結(jié)合劑與CBN反應(yīng)生成相應(yīng)的氮化物和硼化物，也會(huì)極大提高結(jié)合劑與CBN的結(jié)合強(qiáng)度，同時(shí)提高刀具的耐磨性。非化學(xué)計(jì)量比結(jié)合劑的研究越來(lái)越成為PCBN的熱門方向。

由于結(jié)合劑降低了PCBN的硬度、強(qiáng)度及耐磨性，因此近年來(lái)純PCBN發(fā)展迅猛。住友公司用催化劑使六方氮化硼在高溫高壓下直接轉(zhuǎn)化成純相PCBN，其硬度和熱穩(wěn)定性要大于普通合成的PCBN。DUB等利用熱解石墨狀BN在8 GPa壓力和2200～2550 ℃的溫度下合成出高濃度PCBN，PCBN的晶粒大小為100～400 nm。SUMIYA等在7.7 GPa，2000～2500 ℃條件下制備的PCBN，CBN體積分?jǐn)?shù)≥99.9%，晶粒尺寸<0.5 μm，制備出的PCBN在任何溫度下都有很高的斷裂強(qiáng)度和硬度。

4.PCBN超硬刀具的制造

PCBN復(fù)合片是在高溫高壓下把CBN料層與硬質(zhì)合金襯底復(fù)合在一起，經(jīng)過(guò)激光或電火花線切割、焊接和刃磨工藝做成各種焊接成型切削刀具或刀片。整體PCBN燒結(jié)塊是不帶合金襯底直接燒結(jié)成為整體PCBN毛坯，經(jīng)過(guò)刃磨制成PCBN刀具。

在PCBN超硬刀具上設(shè)計(jì)可充分發(fā)揮新材料特性的斷屑槽，可根據(jù)不同的加工狀況（切削鋒利性、刀尖強(qiáng)度）進(jìn)行選擇斷屑槽的形狀。斷屑槽可以更好的控制切屑，因?yàn)閿嘈疾劭梢裕海?）控制切屑的流向、卷曲和折斷；（2）影響切削力、切削功率和切削溫度；（3）影響刀具的耐用度；（4）影響機(jī)床和工件的振動(dòng)；（5）影響加工工件的表面質(zhì)量等。

PCBN超硬刀具上的修光刃技術(shù)可以改善加工面的粗糙度，提高進(jìn)給速率，實(shí)現(xiàn)高速切削。在切削參數(shù)不變的情況下，表面質(zhì)量可大大提高。Sandvik Coromant公司將修光刃技術(shù)引入到超硬刀片領(lǐng)域，可在精加工外圓和內(nèi)圓上提高表面質(zhì)量和生產(chǎn)效率，獲得了巨大成功。

PCBN涂層技術(shù)的應(yīng)用可以提高PCBN超硬刀具的熱穩(wěn)定性及耐磨損性，常見的涂層有物理氣相沉積技術(shù)的氮化物涂層及化學(xué)氣相沉積技術(shù)的氧化物涂層；涂層厚度可達(dá)到1-20微米；滿足高硬車削條件和粗、精連續(xù)到斷續(xù)的加工需求，在零部件的高效加工中可實(shí)現(xiàn)更高的生產(chǎn)效率。

5.仿真技術(shù)的應(yīng)用

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，有限元法和人工智能算法將現(xiàn)場(chǎng)刀具測(cè)試用仿真技術(shù)模擬出來(lái)，將大大減少了前期實(shí)驗(yàn)與客戶測(cè)試的頻次，仿真軟件可以觀測(cè)到切削加工時(shí)無(wú)法測(cè)量的數(shù)據(jù)，如磨損形式、切削溫度、切削應(yīng)力、加工零件內(nèi)應(yīng)力等，并且可以觀測(cè)到每一步的切屑形態(tài)、刀具和工件的狀態(tài)，刀具研發(fā)人員借助軟件來(lái)迅速分析數(shù)據(jù)，預(yù)判刀具加工過(guò)程中的問(wèn)題，并及時(shí)有效調(diào)整刀具的材料及幾何形狀。

在刀具研發(fā)階段，越來(lái)越多的國(guó)內(nèi)外超硬材料企業(yè)開始重視模擬仿真技術(shù)，模擬仿真技術(shù)確實(shí)可以減少實(shí)驗(yàn)的次數(shù)，降低成本，并且容易觀測(cè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，但是由于理想的仿真技術(shù)限制了仿真的精度，因此后期需要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證仿真的真實(shí)性和精確度。同時(shí)需要注意建立完善的切削仿真數(shù)據(jù)庫(kù)；建立完善的刀具材料方程和模型數(shù)據(jù)庫(kù)；開發(fā)符合實(shí)際需求的仿真軟件。

6.結(jié)語(yǔ)

國(guó)內(nèi)PCBN刀具材料經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展取得了優(yōu)異的成績(jī)，但是PCBN刀具材料和刀具研發(fā)及其應(yīng)用上不如其他制造業(yè)強(qiáng)國(guó)，我們要借鑒國(guó)外的研發(fā)經(jīng)驗(yàn)，加強(qiáng)行業(yè)基礎(chǔ)與應(yīng)用科研平臺(tái)建設(shè)，創(chuàng)新研發(fā)出具有國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的PCBN超硬刀具產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)與制造的智能化。開發(fā)出高端超硬材料支撐國(guó)家重大工程和戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，替代進(jìn)口產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)綠色高精高效高速新型超硬材料工具。