PCBN刀具在高硬度材加工上的应用策略

赵飞

摘 要：PCBN刀具在高硬度材加工上应用广泛，刃口倒棱的规格，干切的加工方式的选择等使用策略非常重要。文章结合实际案例针对PCBN刀具在高硬度材加工中刀具刃口倒棱的加工以及干式切削加工的应用情况进行分析，已望供以后像类似项目提供参考。

关键词：PCBN刀具；高硬度；应用策略

中图分类号：TG711 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2019）20-0106-03

Abstract： PCBN tools are widely used in the machining of high hardness materials. The specifications of edge chamfering and the selection of dry cutting methods are very important. Based on the actual case， this paper analyzes the application of PCBN tool in cutting edge chamfering and dry cutting in high hardness material machining， which has been expected to provide reference for similar projects in the future.

Keywords： PCBN tool； high hardness； application strategy

引言

在科技及經济发展迅猛的今天，传统的机械加工生产行业也在不断的迎接一个个新的挑战，机械零件的硬度和抗磨损性能要求逐步提高。在材料加工“金字塔”里，高硬度材料始终排在一般难加工材料的首位，其加工效率低下，加工成本高昂，一直是生产企业面临的主要问题。PCBN刀具具有较高的硬度，热稳定性，耐磨性和抗粘结等综合性能。逐渐成为代替磨削，高硬度材料车削的首选刀具。

1 工程概况

PCBN对应的是极其难切削的高硬度材料，其应用范围非常广泛。比如，以汽车来看。发动机曲轴，变速器齿轮，驱动轴，圆环，底盘零件等都需要强度高，耐磨性，抗疲劳性好的材料。特别是像汽车那样，生产数量多的场合，特别需要进行高效率加工。因此，稳定地，有效率地进行高硬度材料的加工尤为重要。首先要理解材料的特征，把握切削工具所需的主要特性非常重要。高硬度材料的一个大的特点就是硬度高。所以随着硬度的提高，工具的磨损进程也会加快，因而，由于背向力大会导致突发小崩刃，崩损等情况发生造成加工不稳定的因素。因此，为了实现稳定加工，需要选择抑制工具磨损的高硬度基体以及抑制小崩刃发生的合适刀尖规格。对于加工来说。一般工具牌号需要拥有被加工材料4倍以上的硬度。所以，高硬度材料加工一般使用PCBN刀具，如图1 对于高硬度齿轮的加工，使用京瓷切削工具，并分别使用氧化铝陶瓷刀具硬度HV=1，800-2，000和PCBN刀具的基材硬度HV=3，000-4，000 被加工齿轮表面经过淬火材料硬度HV=550-900。氧化铝陶瓷刀片使用参数Vc=60m/min f=0.08mm/rev ap=0.15mm。PCBN刀片使用参数Vc=100m/min f=0.1mm/rev ap=0.15mm。结果氧化铝陶瓷刀片加工5件后刀片崩损，PCBN刀片加工50件后刀片轻微磨损，且零件表面粗糙度稳定。由此案例得出；加工高硬度材料使用的刀片的硬度越高刀片的耐磨损越强，工件表面质量越稳定，刀片寿命越高。

2 PCBN刀具特性

PCBN刀具是CBN粒子与粘结剂的组织CBN含量与粘结剂的材质对性能的影响非常重要。CBN含有量多的CBN粒子与金属粘结剂粘结时，粒子的保持力会减弱，加工高硬度材料会使粒子脱落，容易造成磨损情况。故高硬度材料加工使用CBN含有量少的CBN粒子，使用耐磨性高的陶瓷粘结，粘结力得到强化。因此，高硬度材料用的PCBN刀具CBN粒子含有量最多到60%左右。我们在选择PCBN刀具时，一定按照被加工材料的情况选择适合的牌号，一般刀具厂家会P05-P25不同硬度对应的选型。

因为PCBN的材料特性，其很难进行如硬质合金材料一样压铸成不同的3D断屑槽型，为了实现稳定加工，通过磨削处理刀尖的几何形状来提高切削性能，当然刀尖规格的使用与区分也非常重要。这里表示的是CBN刀片的刀尖几何断面。通常情况下为了抑制CBN的崩损，会使用磨削倒棱来对刀具刃口进行保护，这个到棱是由宽度和角度共同组成。根据倒棱规格不同，加工特性也会随之发生变化。倒棱宽度和角度变小，切削阻力降低，耐磨性提高。一般用于连续加工。相反，倒棱宽度和角度变大，抗崩损性也会得到提供，适用于断续加工，如图2所示。目前不断的变化与应用，市场上的主要流通使用的PCBN刀片的刀尖有以下几种规格0.12mm×25°，0.12mm×45°，0.05mm×45°。

3 应用分析

3.1 PCBN刀具刃口倒棱在加工中的应用

使用刀具：京瓷品牌 刀杆型号DCLNL2525M-12刀片型号CNGA120408（KBN05M）加工材料45# 渗碳淬火（55～60HRC）

使用机床：Mazak 350 数控车床

3.1.1 切屑阻力的比较

图3是根据3种不同刀尖规格来表示切削阻力发生变化的示意图。加工参数vc=150m/min、ap=0.2mmf=0.15mm/rev、横轴表示各刀尖规格，纵轴表示切削阻力。左边的刀尖规格是0.12mm×25°，中间的角度增大到0.12mm×45°，右边的宽度缩小到0.05mm×45°。进行测试材料的外圆的连续加工比较，首先同样的倒棱宽度，刀尖规格从25°增加至45°后切削阻力增大。相比之下、倒棱宽度从0.12mm逐渐减小到0.05mm，倒棱角度维持45°不变时，切削阻力减小，同比抵抗力最低。因此，除了一般的使用区分之外，倒棱角度大宽度小，刀具越加锋利，可以有效达到削减切削阻力的目的。

3.1.2 耐磨损性比较

图4这个图表是3种刀尖规格进行实际加工后刀片后刀面磨损量的比较图，横轴表示切削时间，纵轴表示后刀面磨损量不同的刀尖规格。3种刀片磨损的进程相同，都是由快速磨损后开始平缓磨损。其中0.12mm×45°产生了很大的磨损，0.12mm×25°次之，最小的刀尖规格0.05mm×45°磨损得到了有效的抑制，由此可以判断，相同的条件下，刀尖规格越小，加工时阻力越小，发热量最小，致使的刀具磨损也最小。

3.1.3 抗崩损性比较

以上3点进行了进给f=0.15mm/rev的连续加工。为了测试刀尖的崩损，特使用 0.2mm/rev的进给对开了槽的材料进行外圆加工。如图5 断续加工上刀尖规格为0.05mm×45°进行了47个加工之后发生了崩损。倒棱宽度大的刀尖规格0.12mm×25°加工到100个后刃口出现了正常磨损情况，未发生崩损。所以，选择合适的刀尖规格在高硬度材料的稳定加工上起到了非常重要的作用。

通过以上对比分析，阐述并对比证明了不同刀尖规格在相同的加工条件下的不同表现，因此我们在加工生产应用PCBN刀具时，也要根据相关加工条件选用合适的刀尖规格来对应，如连续加工使用倒棱较小的刃口规格，断续加工使用倒棱较大的规格效果更好。

3.2 PCBN刀具干式切削的应用

3.2.1 干式切削的意义

PCBN 在高硬度材料的连续切削加工中，刀具摩擦系数小，散热迅速，是合适的干切工艺材料，其无废气废水的产生，切屑可回收利用价值大，这对目前日益高涨的环保要求，可持续发展战略里是一项绿色加工技术，对节省资源，保护环境，降低成本有重要意义。

3.2.2 干式切削对工件质量，刀具寿命的影响

因为PCBN刀具摩擦系数小，排屑流畅，散热迅速，在应用中选择干切也是得益于PCBN刀具对金属的软化效应，由于PCBN材料刀具具有较高的高温硬度与热稳定性，在干切的高切削热的作用下，被切削材料发生金属软化，硬度降低，使切削加工由难变易，所以PCBN刀具的切削能力就是在高温下软化金属的能力。同时，材料热变形及挤压的切削性质使工件表面层以下产生残余压应力，压应力有助于提高表面抗疲劳性，工件获得了更好的表面质量。

干式切削比普通切削的刀具选择前角更大更锋利，如倒棱规格0.05mm×45°是较合适的连续干切的刃口规格，锋利的刀尖可以有效降低切削区域刀片的温度，降低了刀具的热磨损。干式切削使切削加工中的热量更均衡，减少刀尖热龟裂的风险。

3.2.3 干式切削对机床的要求

干式切削所使用机床最好是斜床身布局，工作台及盖板使用绝缘材料，因为干式切削易出现金属悬浮颗粒，故机床也需要加装洗尘装置并对机床进行密封，机床的基础大件要采用热对称结构尽量由热膨胀系数小的材料制成，必要时还应进一步采取热平衡热补偿等措施。

4 结束语

PCBN刀具应用发展迅速，在高硬度材上应用策略需要根据加工的材料的实际情况，选择对应硬度的基体的PCBN牌號，采用合适的刀具倒棱。灵活运用干切的加工方式，发挥其绿色高效的特点。本文通过3种型号的刀具测试得出结论倒棱角度越大宽度越小，那么刀具越加锋利。并且在相同的条件下，刀尖规格分为0.12mm×45°、0.12mm×25°、0.05mm×45°，刀尖规格越小，加工时阻力越小，发热量最小，致使的刀具磨损也最小。

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