聚晶立方氮化硼刀具研究進(jìn)展*

張 喆，張 俊

(桂林特邦新材料有限公司，廣西 桂林 541004)

聚晶立方氮化硼刀具研究進(jìn)展*

張 喆，張 俊

(桂林特邦新材料有限公司，廣西 桂林 541004)

隨著當(dāng)今高速切削領(lǐng)域的迅猛發(fā)展，聚晶立方氮化硼刀具因具有加工效率高、耗時(shí)短、所加工的產(chǎn)品表面粗糙度小和對(duì)環(huán)境友好等優(yōu)勢(shì)，已逐漸占據(jù)著越來(lái)越重的市場(chǎng)份額。聚晶立方氮化硼刀具的壽命不僅與作為刀頭材料的立方氮化硼的粘結(jié)劑種類、cBN含量等有關(guān)，還與所選用的刀具結(jié)構(gòu)與刀具幾何參數(shù)是否與之相匹配有關(guān)。文章著重從聚晶立方氮化硼刀具自身出發(fā)，闡述近年來(lái)研究者在刀具結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的最新進(jìn)展以及人們?yōu)樘岣吖ぜ砻尜|(zhì)量和延長(zhǎng)刀具壽命而進(jìn)行的刀具幾何參數(shù)優(yōu)化與理論研究，并對(duì)其未來(lái)發(fā)展進(jìn)行展望。

聚晶立方氮化硼刀具；刀具結(jié)構(gòu)；刀具幾何參數(shù)

1 概 述

聚晶立方氮化硼(PcBN,Polycrystalline Cubic Boron Nitride)是硬度僅次于金剛石的人工合成物質(zhì)，具有優(yōu)異的耐磨性、耐腐蝕性、耐熱性和導(dǎo)熱性，廣泛應(yīng)用于高速切削耐磨有色金屬、黑色金屬、化學(xué)活性材料、高硬度高強(qiáng)度材料等方面，切削過(guò)程中無(wú)須添加冷卻液，對(duì)環(huán)境友好，與我國(guó)可持續(xù)發(fā)展方針相符，具有廣闊的發(fā)展空間。

與其他刀具相比，PcBN刀具具有以下優(yōu)勢(shì)：(1)與硬質(zhì)合金刀具相比，切削速度大幅提升，大大縮短工件加工時(shí)間，且PcBN刀具在高速切削化學(xué)活性材料和高硬度高強(qiáng)度材料時(shí)，切削力小，在切削過(guò)程中不產(chǎn)生積屑瘤，且耐用度是硬質(zhì)合金刀具的十倍以上；(2)與PCD刀具相比，PcBN刀具雖耐磨性略低于PCD刀具，但其與Fe親和性差，特別適用于黑色金屬的切削加工；(3)與陶瓷刀具相比，PcBN刀具抗沖擊能力強(qiáng)且耐磨性大大優(yōu)于陶瓷刀具，且二者所適用的加工方式有所區(qū)別。即陶瓷刀具一般適用于材料的粗加工，而PcBN刀具適用于表面粗糙度較小的材料精加工。

聚晶立方氮化硼復(fù)合片作為刀具的核心部分，其所含的粘結(jié)劑種類、cBN含量和界面結(jié)構(gòu)決定了其加工對(duì)象與切削方式，并在一定程度上決定了刀具的壽命。如選用金屬作為粘結(jié)劑，高cBN含量(80%～90%)的PcBN復(fù)合片所制的刀具，一般適用于粗加工、半精加工鎳鉻鑄鐵，斷續(xù)加工耐熱合金鋼、硬質(zhì)合金和鑄鐵等。而選用陶瓷作為粘結(jié)劑，低cBN含量(50%～60%)的PcBN刀具，則適用于精加工淬火鋼、模具鋼和軸承鋼。又如向聚晶層和合金層之間添加過(guò)渡層或改變二者之間的界面連接方式就可以削弱復(fù)合片內(nèi)部的殘余應(yīng)力，從而減少在制備刀具和使用刀具的過(guò)程中，復(fù)合片因脫層而導(dǎo)致的刀具失效。

另一方面，研究者針對(duì)刀具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及刀具幾何參數(shù)選用進(jìn)行了大量研究，通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和幾何參數(shù)優(yōu)選，可以提高與聚晶立方氮化硼材料性能的匹配性，不但可以增益PcBN刀具的耐用度，還可以提高加工效率，降低成本，對(duì)PcBN刀具以后的發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域的拓寬，有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2 刀具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

近年來(lái)，刀具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)層出不窮，一方面研究者對(duì)已有的刀具結(jié)構(gòu)進(jìn)行改良，使之獲得優(yōu)異性能，另一方面則推出不同以往的全新刀具設(shè)計(jì)。

2.1 刀具結(jié)構(gòu)改良

在已有刀具結(jié)構(gòu)上進(jìn)行改良最多的當(dāng)屬目前廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床上的以硬質(zhì)合金為基體的復(fù)合型cBN刀具結(jié)構(gòu)。原結(jié)構(gòu)是在可轉(zhuǎn)位硬質(zhì)合金刀片角上焊接PcBN復(fù)合片，刀片中心設(shè)置固定槽，形狀多為菱形、三角形和正方形等。這種結(jié)構(gòu)可充分發(fā)揮PcBN復(fù)合片的耐磨性和韌性，拓寬了PcBN刀具的應(yīng)用領(lǐng)域，其加工工件表面精度高，切削速度快，效率高，但此類刀具成本較高，多用于加工生產(chǎn)高精度零部件。

隨著目前設(shè)備自動(dòng)化程度的提升，該類刀具隨之廣泛普及并不斷完善。如鄭州博特硬質(zhì)材料有限公司[1]在切削刃上設(shè)置夾角為75°～95°之間的V字形斷屑槽(如圖1(a))。該種設(shè)計(jì)能發(fā)揮優(yōu)異的斷屑性能，降低了切削處刀具溫度，提高了刀具高溫使用壽命，又可改善加工環(huán)境，提高了工件表面質(zhì)量。除在刀片切削刃上加工切削槽以外，也有通過(guò)焊接斷屑器達(dá)到相同目的的。如河南黃河旋風(fēng)股份有限公司[2]通過(guò)真空釬焊技術(shù)將凸臺(tái)形的斷屑器鑲嵌在刀具的切削刃上，其中斷屑器材料為高cBN含量的立方氮化硼聚晶(如圖1(b))。經(jīng)改良后，刀具具備斷屑、散熱的功效，使得刀具壽命和工件表面質(zhì)量都有所提升；江蘇切剴刀具有限公司[3]通過(guò)在切削刃上焊接三個(gè)凸起式抗月牙洼磨損槽及一個(gè)加強(qiáng)型凸起結(jié)構(gòu)(如圖1(c))，不但解決了刀具的斷屑問(wèn)題，還大大降低了精加工中刀具前刀面的月牙洼磨損，顯著延長(zhǎng)了刀尖壽命；鄭州市鉆石精密制造有限公司[4]將原切削刃處圓弧狀過(guò)渡改進(jìn)為倒角過(guò)渡(如圖1(d))，減小了刀具與工件的接觸面積，更利于排屑，既有效降低了刀具切削刃處所受的切削阻力，又提高了工件表面質(zhì)量，降低了加工成本。

圖1 PcBN刀具結(jié)構(gòu)改良Fig.1 Improved structure of PCBN cutting tool

2.2 刀具結(jié)構(gòu)創(chuàng)新

刀具結(jié)構(gòu)創(chuàng)新主要表現(xiàn)在材質(zhì)方面的替換更新，如出現(xiàn)了整體式PcBN刀具結(jié)構(gòu)和夾層式PcBN刀具結(jié)構(gòu)兩類結(jié)構(gòu)。

(1)整體式燒結(jié)聚晶立方氮化硼刀具

該種結(jié)構(gòu)采用整體燒結(jié)的聚晶立方氮化硼作為刀片，并通過(guò)在PcBN燒結(jié)體上設(shè)置固定槽，防止刀片在使用過(guò)程中發(fā)生偏轉(zhuǎn)或飛出，既保證了刀具具備一定的安全性，也提高了工件表面加工精度。刀具形狀通常以三角形和四邊形為主，如圖2所示[5-6]。由于刀頭整體采用PcBN燒結(jié)體，一方面避免了焊接過(guò)程中產(chǎn)生的焊接應(yīng)力，另一反面避免了高溫下刀頭軟化的缺陷，并維持了刀具良好的耐沖擊性。

圖2 整體式燒結(jié)聚晶立方氮化硼刀具Fig.2 Monolithic sintered PCBN cutting tool

(2)夾層式PcBN刀具結(jié)構(gòu)

這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)在于采用的材料為雙面復(fù)合立方氮化硼復(fù)合片，即上下端面為立方氮化硼聚晶層，中間為硬質(zhì)合金基體。其外觀類似于以聚晶立方氮化硼作為刀頭的整體式刀具，刀具上普遍設(shè)有兩個(gè)切削端，且其形狀與切削工件形狀相匹配，如圖3所示[7-8]。這種夾層結(jié)構(gòu)一方面降低了刀具的生產(chǎn)成本，提高了加工效率，延長(zhǎng)了使用壽命，另一方面提升了刀具的抗彎強(qiáng)度和抗沖擊性能，進(jìn)一步擴(kuò)大了立方氮化硼刀具的使用領(lǐng)域與范圍。

圖3 夾層式PcBN刀具結(jié)構(gòu)Fig.3 Sandwich type PCBN cutting tool

3 刀具幾何參數(shù)研究

除了刀具的切削部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之外，人們還深入研究影響切削力、工件表面質(zhì)量與刀具壽命的相關(guān)因素，其中刀具幾何參數(shù)就占很大比例。通過(guò)掌握這些因素的工作機(jī)理和變化規(guī)律，對(duì)其進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，充分發(fā)揮聚晶立方氮化硼的優(yōu)異性能，延長(zhǎng)刀具的使用壽命，提高工件表面質(zhì)量，使之成為刀具研究方面的另一熱點(diǎn)。

3.1 倒棱參數(shù)

刀具的倒棱參數(shù)包含倒棱角度和寬度兩個(gè)方面。由于作為刀頭材料的聚晶立方氮化硼自身脆性較大，為了防止因崩刀而導(dǎo)致的刀具失效現(xiàn)象的發(fā)生，倒棱角度往往取負(fù)值，以增加刀具刃口強(qiáng)度。此外，由于負(fù)倒棱前角會(huì)使得加工工件表面產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，也有助于提高工件的疲勞強(qiáng)度。

李啟泉等人[9]研究發(fā)現(xiàn)，倒棱寬度對(duì)刀具使用壽命影響很大，隨著倒棱寬度的增大，切屑將全從倒棱處流出，此時(shí)負(fù)倒棱起負(fù)前角刀面的作用，促使切削溫度升高，切削力增大，刀具的機(jī)械磨損和氣化磨損加大，由此縮短了刀具的使用壽命。且倒棱寬度大小對(duì)工件切屑的流向也有直接影響，即當(dāng)?shù)估鈱挾容^小時(shí)，切屑流向進(jìn)給方向的反方向和刀具下方，而當(dāng)寬度變大時(shí)，切屑會(huì)流向除進(jìn)給方向的反方向以外的各方向。

鄧福銘等人[10]針對(duì)倒棱角度對(duì)PcBN刀具的影響進(jìn)行了相關(guān)研究。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)估饨嵌葹?10°時(shí)，由于刀具與工件的接觸面積小，擠壓程度輕，工件仍處于硬度較高的狀態(tài)，切削力較大，此時(shí)主要以機(jī)械磨損為主，常伴有崩刃現(xiàn)象出現(xiàn)，且工件表面粗糙度大。當(dāng)?shù)估饨嵌仍鲋?15°時(shí)，由于刀具與工件擠壓程度加劇，工件表面金屬出現(xiàn)軟化，切削力大幅減小，刀具后刀面磨損量最小，有利于延長(zhǎng)刀具使用壽命并提高工件表面精度。當(dāng)?shù)估饨嵌壤^續(xù)增至-20°時(shí)，切削溫度繼續(xù)升高，加速了刀具因高溫而產(chǎn)生的氣化磨損，約比-15°時(shí)壽命下降一倍。

而當(dāng)PcBN刀具用于斷續(xù)切削時(shí)，倒棱角度對(duì)刀具壽命的影響又有所變化。如任帥民等人[11]對(duì)-15°至-28°區(qū)間的倒棱角度進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)估饨嵌葹?15°～-20°區(qū)間時(shí)，在徑向上受到很大的瞬間沖擊力，使得刀具因機(jī)械沖擊而大大縮短壽命。而當(dāng)角度增大至-25°時(shí)，由于此時(shí)工件表面金屬出現(xiàn)軟化，機(jī)械沖擊得到有效緩解，而使用壽命有所提升。但角度繼續(xù)增大至-28°時(shí)，高溫發(fā)生的氧化和擴(kuò)散磨損使得壽命又有所下降。與連續(xù)切削相比而言，斷續(xù)切削趨向于采用更大的倒棱角度和寬度，以此提高切削刃的韌性，減小機(jī)械沖擊給刀具帶來(lái)的損傷。但無(wú)論連續(xù)或斷續(xù)切削，倒棱參數(shù)對(duì)切削力和刀具壽命的影響都是一致的，但其具體取值還應(yīng)根據(jù)工況和加工對(duì)象的不同而定。

除此之外，人們還在倒棱后的刃口處進(jìn)行鈍化處理，以減少切削過(guò)程中易擴(kuò)展成為裂紋的小鋸齒數(shù)量，從而使得刀具獲得更好的抗沖擊韌性，降低崩刃概率，延長(zhǎng)刀具的使用壽命。如劉海濤等人[12]通過(guò)含磨料尼龍刷對(duì)倒棱后的刀具刃口進(jìn)行鈍化處理，經(jīng)處理后的切削刃口微觀缺陷減少，前后刀面光潔度提高，刀具的堅(jiān)固度有所提升。隨著鈍圓半徑的增大，初期磨損階段縮短，正常磨損階段延長(zhǎng)，且崩刃傾向有了明顯的降低。與未進(jìn)行刃口處理的刀具相比，鈍圓半徑為4.8μm的刀具使用壽命提高三倍左右。這種處理已在硬質(zhì)合金刀具、高速鋼刀具中廣泛應(yīng)用13-15]，但在PcBN刀具中研究較少，還未推廣開(kāi)來(lái)。

3.2 刀尖圓弧半徑

刀尖圓弧可提高PcBN刀具的抗沖擊韌性，特別是在提高工件表面質(zhì)量方面表現(xiàn)尤為顯著。近年來(lái)，人們開(kāi)始對(duì)此進(jìn)行更為深入的研究，包括模擬仿真、理論研究以及大量試驗(yàn)驗(yàn)證等，以獲得表面精度高的工件及延長(zhǎng)工具使用壽命的方法。

如李暢[16]對(duì)刀尖圓弧半徑切削時(shí)受到的應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行仿真模擬，研究刀尖圓弧半徑與切削力、切削溫度之間的關(guān)系。發(fā)現(xiàn)隨著半徑的增大，切削時(shí)工件受到的擠壓程度及范圍也隨之增大，最大應(yīng)力區(qū)域向后刀面的后面轉(zhuǎn)移，使得切削力增大。尤其是當(dāng)?shù)都鈭A弧半徑大于切削厚度時(shí)，刀具以負(fù)前角進(jìn)行切削，增大了與工件之間的接觸面積，擠壓及摩擦作用明顯加重，此時(shí)變形功增大，切削溫度升高。

鄒玉明[17]則針對(duì)刀尖圓弧半徑與工件表面質(zhì)量之間的關(guān)系進(jìn)行了深入探討。研究發(fā)現(xiàn)，隨著刀尖圓弧半徑的增大，工件殘留面積隨之減小，刀具磨損程度降低，綜合表現(xiàn)為工件的表面粗糙度減小。但隨著刀尖圓弧半徑的繼續(xù)增加，徑向擠壓力明顯增大，此時(shí)系統(tǒng)振動(dòng)加劇，刀具易產(chǎn)生微崩刃，增大了工件的表面粗糙度。

楚文斌[18]等人對(duì)刀尖圓弧半徑與表面粗糙度之間關(guān)系做了進(jìn)一步補(bǔ)充，說(shuō)明在考慮工件表面粗糙度時(shí)應(yīng)將進(jìn)給量與刀尖圓弧半徑結(jié)合，在選取較小的進(jìn)給量的同時(shí)，還應(yīng)選取較大的刀尖圓弧半徑，一般刀尖圓弧半徑與進(jìn)給量之比大于或等于1.25為宜。但考慮圓弧半徑太大會(huì)給刀具帶來(lái)不利影響，其大多選取在0.8～1.0mm范圍內(nèi)。

此外，李盼來(lái)[19]還系統(tǒng)研究了刀尖圓弧半徑對(duì)刀具壽命的影響，其變化規(guī)律與表面粗糙度相似，即隨著圓弧半徑的增大，刀尖由鋒利變鈍，降低了刀刃所受的壓應(yīng)力，避免了刀具因崩刀而造成的失效概率，延長(zhǎng)了刀具壽命。而當(dāng)圓弧半徑繼續(xù)增大時(shí)，切削力與切削溫度隨之顯著增大，增加了刀具的粘結(jié)磨損和擴(kuò)散磨損現(xiàn)象，最終會(huì)降低刀具的使用壽命。

4 結(jié)束語(yǔ)

聚晶立方氮化硼刀具集“新材料”、“機(jī)床與新型刀具”和“汽車及零部件”等研究熱點(diǎn)于一身，無(wú)論從原材料到刀具再到應(yīng)用均為我國(guó)大力支持的重點(diǎn)技術(shù)研發(fā)方向，勢(shì)必具有其他刀具無(wú)法比擬的廣闊前景，必將成為各類制造業(yè)自動(dòng)化智能化生產(chǎn)發(fā)展的主流刀具。然而，目前國(guó)內(nèi)刀具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與刀頭材料研究嚴(yán)重脫節(jié)，人們往往忽視二者之間的相互關(guān)聯(lián)，不能因地制宜地根據(jù)PcBN復(fù)合片的性能來(lái)設(shè)計(jì)PcBN刀具結(jié)構(gòu)參數(shù)，從而使得刀具以及PcBN復(fù)合片未能充分發(fā)揮性能，導(dǎo)致使用效果大打折扣。因此，充分了解刀具結(jié)構(gòu)和刀具幾何參數(shù)的作用及規(guī)律，根據(jù)材料特性綜合調(diào)節(jié)刀具結(jié)構(gòu)，二者匹配性的提高，對(duì)PcBN刀具的進(jìn)一步推廣及應(yīng)用均具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

[1] 鄭州博特硬質(zhì)材料有限公司.一種斷屑槽刀片:中國(guó),CN205309352U[P].2016-06-15.

[2] 河南黃河旋風(fēng)股份有限公司.一種可轉(zhuǎn)位PcBN斷屑槽刀片:中國(guó),CN204867480U[P].2015-12-16.

[3] 江蘇切剴刀具有限公司.用于精加工的帶有抗月牙洼磨損槽的車削超硬刀片:中國(guó),CN203541577U[P]. 2014-04-16.

[4] 鄭州市鉆石精密制造有限公司.用于加工缸體的聚晶立方氮化硼刀具:中國(guó),CN202639371U[P].2013-01-02.

[5] 鄭州博特硬質(zhì)材料有限公司.一種整體燒結(jié)三角形PcBN刀片:中國(guó),CN205309335U[P].2016-06-15.

[6] 北京沃爾德金剛石工具股份有限公司.一種迷你型整體PcBN刀片:中國(guó),CN205763943U[P].2016-12-07.

[7] 鄭州昊誠(chéng)超硬工具有限公司.一種切削用立方氮化硼刀具:中國(guó),CN203281906U[P].2013-11-13.

[8] 鄭州博特硬質(zhì)材料有限公司.一種用于加工軸承的雙面復(fù)合PcBN刀片:中國(guó),CN204381450U[P].2015-06-10.

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TheResearchProgressofthePolycrystallineCubicBoronNitrideCuttingTool

ZHANG Zhe，ZHANG Jun

(GuilinTebonSuperhardMaterialCo.,Ltd.,Guilin,Guangxi541004)

With the rapid development of high-speed cutting, polycrystalline cubic boron nitride tool has gradually claimed an increasing market share due to its superiorities such as high efficiency, time-saving, minimum surface roughness and environment friendly. The service life of PCBN cutting tool is related to not only the type of binder for the tool bit material (Cubic Boron Nitride) and the content of cBN, but also to the fact that whether the structure of the cutting tool would match its geometrical parameter. The latest research progress by researchers in the recent years and geometric parameter optimization and theoretical study to improve the surface quality of the workpiece and to extend the service life of the cutting tool has been discussed in this article. Moreover, the outlook of the future development of it has been offered.

polycrystalline cubic boron nitride cutting tools; structure of the cutting tool; geometric parameters of the cutting tool

2017-01-15

張喆(1988-)，女，廣西桂林人，研究生，工學(xué)碩士學(xué)位，主要從事超硬材料相關(guān)研究。

張喆，張俊.聚晶立方氮化硼刀具研究進(jìn)展[J].超硬材料工程，2017，29(5)：52-55.

TQ164

A

1673-1433(2017)05-0052-04