聚晶立方氮化硼刀具在汽車零件的應(yīng)用

鐘正國(guó)

[摘 要]當(dāng)前，汽車制造業(yè)已發(fā)生了革命性的轉(zhuǎn)變，切削刀具制造技術(shù)的發(fā)展至關(guān)重要。本文介紹聚晶立方氮化硼有良好的綜合性能及應(yīng)用發(fā)展趨勢(shì)。

[關(guān)鍵詞]聚晶立方氮化硼，應(yīng)用，汽車零件

中圖分類號(hào)：F407.471 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2016）03-0375-02

PCBN tools in the application of auto parts

Zhong Zheng Guo

Yun nan Tin Vocatianal & Technical College

[Abstract]At present， automobile manufacture has produced revolutionary change， the development of cutting tool manufacturing technology is critical. In this paper， the polycrystalline cubic boron nitride has good comprehensive performance and application development trend.

[Key words]PCBN， application， auto parts

1 引言

當(dāng)今世界汽車工業(yè)競(jìng)爭(zhēng)越來越激烈，對(duì)汽車制造業(yè)要求越來越高。在發(fā)達(dá)的工業(yè)國(guó)家，對(duì)于大批量，高精度的磨削加工，其加工件硬度HRC大于45，基本上都用聚晶立方氮化硼（PCBN）刀具。它被廣泛的用在汽車的主要零件上如凸輪軸、曲軸、變速箱的齒輪軸和齒輪、軸承和剎車片等。

目前，PCBN刀具的應(yīng)用相當(dāng)普遍，而PCBN成形磨削由于設(shè)備、刀具的經(jīng)濟(jì)性，普及面不廣。如何提高生產(chǎn)效率、降低制造成本、提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，是當(dāng)務(wù)之急。

2 聚晶立方氮化硼（PCBN）在汽車零件的優(yōu)良性能

立方氮化硼的致密相，聚晶立方氮化硼（PCBN）則是由CBN微粉與少量粘結(jié)相（Co，Ni或TiC、TiN、Al2O3）在高溫高壓下燒結(jié)而成。PCBN組織中各微小晶粒呈無序排列狀態(tài)，因此PCBN硬度均勻，無方向性，具有優(yōu)良的綜合性能，見表1。

2.1 聚晶立方氮化硼有極強(qiáng)的化學(xué)穩(wěn)定性。

立方氮化硼是化學(xué)惰性特別大的物質(zhì)，在中性還原氣體介質(zhì)中，對(duì)酸堿都是穩(wěn)定的，與碳在2000℃時(shí)才起反應(yīng)，與鐵族材料在1200-1300℃時(shí)也不起反應(yīng)。立方氮化硼與各種材料的粘結(jié)和擴(kuò)散作用比硬質(zhì)合金小得多，可以用來切削金剛石不能切削的鋼鐵材料。因此，聚晶立方氮化硼刀具特別適合加工鋼鐵材料。

2.2 硬度和優(yōu)良的耐磨性。

立方氮化硼與不同材料的摩擦系數(shù)在0.1-0.3之間，遠(yuǎn)小于硬質(zhì)合金的摩擦系數(shù)（0.4-0.6）。較低的摩擦系數(shù)使切削力減小，切削溫度降低，不易產(chǎn)生積屑，有利于提高加工材料的表面質(zhì)量。

CBN是人工合成的，其硬度僅次于金剛石，晶粒硬度可達(dá)HV8000～HV9000，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于陶瓷和硬質(zhì)合金。PCBN復(fù)合片的硬度（通常為HV3000～HV5000）主要取決于CBN的含量，一般CBN含量在40%～95%之間。隨著CBN含量的增加，PCBN的硬度增加；而耐磨性與CBN含量之間不是單調(diào)關(guān)系，不同加工條件下有不同最佳值，加工模具鋼時(shí)，CBN含量大約為55%時(shí)，其刀具最耐磨。

2.3 立方氮化硼有很高的熱穩(wěn)定性。

聚晶立方氮化硼在高達(dá)1200℃的溫度下還表現(xiàn)出良好的熱穩(wěn)定性，其刀具在1000℃以下不會(huì)出現(xiàn)氧化現(xiàn)象，立方氮化硼的耐熱溫度高達(dá)1400-1500℃，比金剛石的耐熱溫度（700-800℃）幾乎高一倍。立方氮化硼在1370℃以上才由立方晶體轉(zhuǎn)變?yōu)榱骄w而開始軟化，用它制作刀具可以高速切削高溫合金，其切削速度比硬質(zhì)合金刀具高3-5倍。

2.4 可重磨。

PCBN刀具的聚晶切削刃采用先進(jìn)的鑲嵌工藝，鑲嵌牢固?？刹捎昧６?80-240目的人造金剛石樹脂砂輪在普通工具磨床上刃磨，方便用戶，降低刀具成本。

2.5 立方氮化硼的導(dǎo)熱性能好。

立方氮化硼的導(dǎo)熱系數(shù)為79.54w/m.k，僅次于金剛石（146.5 w/m.k），是硬質(zhì)合金的20倍，而且隨著切削溫度的提高聚晶立方氮化硼的導(dǎo)熱系數(shù)是增大的，并且隨著溫度得體高立方氮化硼的導(dǎo)熱系數(shù)逐漸增大，有利于刀具在刀尖切削區(qū)的溫度和刀具的很快擴(kuò)散出去。

2.6 立方氮化硼刀具以車代磨。

立方氮化硼刀具（CBN）不僅有很高的金屬切除率，而且有很好的表面加工質(zhì)量。切削各種淬火鋼可以有效地代替磨削，減少加工工序，提高生產(chǎn)率。立方氮化硼刀具精車淬硬鋼，其工件硬度高于45HRC，效果最好，工件硬度越高，切削線速度宜取低值，如車硬度為70HRC的工件，其切削速度宜選用60-80m/min；當(dāng)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，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。

3 PCBN應(yīng)用發(fā)展趨勢(shì)

目前世界先進(jìn)國(guó)家如美國(guó)G.E.公司，英國(guó)De.Beers公司，以及日本住友公司等大公司在金屬陶瓷復(fù)合聚晶立方氮化硼PCBN研究與應(yīng)用方面投入大量的人力和物力，對(duì)其進(jìn)行不斷試驗(yàn)研究。

由G.E.公司研究的 BEN Compact復(fù)合片直徑為8.3mm、13.2mm、23.5mm、50.8mm。片的總厚度分別為1.6mm、3.2mm、4.8mm，其中的PCBN凈厚分別為0.6mm、1.2mm、1.6mm，適用于切削高硬度高速鋼、冷硬鑄鐵、超硬耐磨合金等。

由De.Beers公司研究的AMBORITE和DB80、DB50的PCBN是用CBN的不同粒徑、不同含量和不同粘結(jié)劑合成，適用于高速切削淬火鋼、高硬度軋輥，加工表面十分光潔。

日本住友電工公司生產(chǎn)的BNX0等PCBN產(chǎn)品都具有優(yōu)良的耐磨性，其PCBN刀具廣泛應(yīng)用于切削加工，替代硬質(zhì)合金刀具，在加工不銹鋼方面具有優(yōu)異的效果。其PCBN刀具用量已占硬質(zhì)合金、陶瓷刀具市場(chǎng)的50%。

日本三菱金屬公司以陶瓷TiCN-A12O3、TiN-TiCN-TiB2與CBN復(fù)合制備PCBN，耐高溫性能好。

由于CBN的三高性：高硬度、高的熱穩(wěn)定性和高的與鐵族元素的惰性，在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家將其作為提高及加工工業(yè)中的經(jīng)濟(jì)效益（節(jié)能、高效、精密、自動(dòng)化）的重要工具材料加以發(fā)展，尤其在軍工、宇航、噴涂焊加工工業(yè)中更為突出。

（1）用于精密加工。目前，將經(jīng)過特殊磨削的PCBN刀具用于超精密車床上，在切削深度為15～20μm、進(jìn)給量為0.608μm/r轉(zhuǎn)的條件下，切削加工表面光潔度可達(dá)Rmax=0.0254μm。在一般精密數(shù)控車床上切削不銹鋼，可獲得Rmax=0.2μm以內(nèi)的表面粗糙度。

3.1 用于鑄鐵的高速銑削

在日本、英國(guó)和德國(guó)均有應(yīng)用實(shí)例，并已顯示出較大的優(yōu)越性，主要有：切削速度高，使用壽命長(zhǎng)而穩(wěn)定，與陶瓷刀具相比，提高使用壽命20～30倍，切削時(shí)工件尺寸精度穩(wěn)定，可減少尺寸調(diào)整次數(shù)，加工表面光潔度良好，可縮短珩磨等下道工序的加工時(shí)間。

3.2 用于旋轉(zhuǎn)刀具

PCBN旋轉(zhuǎn)刀具如日本住友公司的Sumiboron絞刀及用于模具和工具修整及精加工的立銑刀和鏜刀。因?yàn)镻CBN為厚度1.6mm的聚合體，在使用時(shí)，必須用焊料將硬質(zhì)合金基體焊接在刀體上，可用于PCBN鉆頭和螺旋齒立銑刀。

3.3 精加工淬硬齒輪

去除螺旋傘齒輪淬火變形量是相當(dāng)困難的一種加工。目前普遍采用一對(duì)齒輪配合研磨或者用手工逐齒進(jìn)行修正，不僅耗時(shí)長(zhǎng)，而且齒距精度不夠理想。采用PCBN刀具加工模數(shù)為7的淬硬螺旋傘齒輪，能獲得研磨和手工修磨無法得到的齒距精度，合傳動(dòng)噪音可降低2～8分貝。最近采用PCBN刀具加工模數(shù)為4的小型齒輪也取得了良好的效果。

4 結(jié)論

立方氮化硼具有優(yōu)良的綜合性能。解決汽車制造業(yè)、軸承行業(yè)、大型鑄、鍛件高精加工的關(guān)鍵工具，具有高精度、高效率、高耐用度、綜合成本低的關(guān)鍵刀具材料。我國(guó)也有很多科研部門正在加緊新型PCBN復(fù)合片和PCBN聚合體的研制，相信不久的將來一定會(huì)帶來我國(guó)PCBN刀具應(yīng)用的大發(fā)展。

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