PCBN刀具切削铸铁材料的研究进展

　　 1．引言

　　先进切削技术（硬态切削、高速切削、干切削）的应用不仅可以给企业带来巨大的经济效益，而且也有利于环境保护。目前，先进切削技术在我国生产企业中的应用规模和深度与国外相比还有很大差距。其中一个主要原因是国内对于先进切削技术中的刀具磨损及其对加工质量的影响的研究水平相对于国外还比较落后，限制了先进切削技术在国内生产企业中的推广。PCBN刀具是能够满足先进切削要求的主要刀具材料，也是国内外公认的用于硬态切削、高速切削以及干式切削加工的理想刀具材料，但是，如果使用不当造成磨损过快，就会降低使用PCBN刀具的经济性。PCBN刀具主要用于加工淬硬钢、铸铁、高温合金以及表面喷涂材料等。

　　国外的汽车制造业大量使用PCBN刀具切削铸铁材料，PCBN刀具已成为国外主要汽车制造厂家各条生产线上使用的新一代刀具。因此，开展我国PCBN刀具切削铸铁材料的研究，对于促进我国先进切削技术的应用以及汽车工业的发展具有重要意义。

　　2．PCBN刀具的发展及其切削性能

　　1957年，美国GE公司的研究人员首先在世界上合成了硬度仅次于金刚石的立方氮化硼微粉，简称CBN（Cubic Boron Nitride）。人工合成的立方氮化硼单晶颗粒的尺寸小，无法直接利用其单晶颗粒制成切削刀具。上世纪70年代，各国相继研制出可以应用于切削加工领域的立方氮化硼烧结体，称为聚晶立方氮化硼或PCBN（Polycrystalline Cubic Boron Nitride）。目前，PCBN刀具坯料可以分为两大类：一是整体聚晶体，它由无数细小的CBN单晶体在高温高压下烧结而成；另一类是以硬质合金为基体、高温高压下在其表面烧结一层CBN微粉制成的复合片。PCBN复合片将PCBN材料的高硬度、高导热性及高热化学稳定性和硬质合金基体的强度与韧性结合在一起，因而具备了较高的耐磨性和一定的抗冲击破损能力。由PCBN刀具坯料经过切割、焊接和刃磨制成的PCBN刀具有良好的切削性能，主要表现在以下几个方面：

　　（1）高硬度和耐磨性

　　CBN的硬度仅次于金刚石，对于可切削黑色金属的刀具材料来说，PCBN刀具的硬度最高。PCBN刀具的耐磨性可以达到涂层刀具和陶瓷刀具的5～10倍，因此，使用PCBN刀具能够明显减少生产加工中的换刀次数，提高被加工工件的精度与互换性，缩短产品生产周期。

　　（2）良好的导热性和热稳定性

　　PCBN刀具在800℃时的硬度仍高于硬质合金刀具和陶瓷刀具的常温硬度，在1200℃时仍能保持较高的硬度，而且随着温度的升高，其导热系数也随之升高。因此，PCBN刀具能够很好地满足硬态切削、高速切削和干切削时的恶劣加工条件对刀具材料的要求。

　　（3）高的化学稳定性

　　由于CBN的化学惰性特别大，在1200～1300℃时也不与Fe、Ni、Co等发生反应，所以PCBN刀具在切削加工时的化学磨损相对于其它刀具材料较小，可用于加工各种材料的工件。

　　（4）较低的摩擦系数

　　CBN与不同材料间的摩擦系数为0.1～0.3，而且随着切削速度的提高，PCBN的摩擦系数呈减小趋势，从而使切削力减小，减少切削时的刀屑粘结现象，有利于提高加工精度以及表面质量。

　　由于PCBN刀具具有良好的切削性能，目前在国外汽车制造行业的铸铁加工中已经获得了广泛的使用，相比之下，我国汽车制造企业中的PCBN刀具的使用规模还远不能和国外相比，而且国内在使用PCBN刀具切削铸铁材料时，刀具磨损的速度相对于国外较快。

　　3．铸铁材料在汽车工业中的应用与发展

　　铸铁材料在汽车工业中的应用较广泛，根据石墨在铸铁材料中的存在形式，主要可以分为三类：灰铸铁、球墨铸铁和蠕墨铸铁。不同铸铁材料中的石墨形态、基体成分以及各种元素的质量分数不仅决定其用途，也对由该材料制成的铸件的加工性能有很大的影响。

　　灰铸铁材料中石墨以片状形式存在。灰铸铁能够较好地满足发动机工作条件对发动机零部件

　　材料性能的要求，同时具有生产成本较低的优点。20世纪60年代以前，国内外汽车行业普遍采用相当于HT200的灰铸铁生产气缸体。近年来，在轿车轻型化的发展趋势要求下，国外已开始用铝合金缸体和镁合金缸体等新材质缸体逐渐代替灰铸铁缸体的生产和应用，但是，目前国内不少发动机铸件生产厂家仍以生产HT250的灰铸铁气缸体为主。与国外相比，国内生产的气缸体铸件在质量上有一定差距：国外铸造厂家生产气缸体铸件的尺寸精度一般可以达到ISO 6～8级，而国内即使是专业水平较高的厂家生产的气缸体坯件的尺寸精度也只能达到ISO 8～10级；国外毛坯铸件的表面粗糙度一般为Ra12.5～50μm，而国内为Ra25～100μm。另外，国产毛坯在铸件材料和铸件尺寸的稳定性等方面与国外也存在一定差距，这些因素对于PCBN刀具在加工国产铸件时的磨损速度都有不良影响。

　　在灰铸铁铁水中加入球化剂，使硫、氧等杂质元素含量大大降低，同时在结晶过程中析出球状石墨而得到球墨铸铁。球墨铸铁是目前公认的生产中小型发动机曲轴的理想材料，已经开始广泛替代传统的锻钢曲轴。近十几年来，奥氏体等温淬火球墨铸铁（ADI）在汽车曲轴、凸轮轴、齿轮及各种支架类零件制造中的应用越来越广泛。由于ADI的强度和韧性远远高于灰铸铁，而且由于其本身硬度较高，以及内部组织中残留的奥氏体转变为硬度更高的马氏体硬质点，使得切削时刀具磨损剧烈。

　　蠕墨铸铁（CGI）自20世纪80年代初问世以来发展迅速。蠕墨铸铁中石墨以蠕虫状形式存在。事实上，蠕墨铸铁中的石墨在三维空间中以珊瑚状形态存在，这种形态特征使蠕墨铸铁中的石墨和基体结合更加牢固，从而使其具有更高的强度、硬度、减震性、热传导性以及铸造性能等。蠕墨铸铁已经开始替代灰铸铁用于汽车发动机的缸体、缸盖、刹车盘等零件的生产中，是汽车铸造行业的新一代铸件材料。加工蠕墨铸铁也对机床和刀具提出了更高的要求。

　　4．PCBN刀具切削铸铁材料

　　高速切削灰铸铁材料是PCBN刀具的典型应用场合之一。PCBN刀具高速切削灰铸铁材料时刀具寿命可以达到陶瓷刀具的20～30倍，从而能够带来巨大的经济效益。对于不同牌号的PCBN刀具来说，CBN含量越高，PCBN刀具的硬度、耐磨性和导热率就越高。因此，高速切削灰铸铁的PCBN刀具应该选用CBN含量较高（80%～90%）牌号的刀坯制成(如DBC80、CBN30等)。从灰铸铁的金相组织来说，PCBN刀具在切削珠光体含量高（≥90%）的灰铸铁材料时磨损较小，而切削铁素体含量较高的灰铸铁材料时磨损较快。根据GE公司的Mark Deming等人的研究，将铸铁材料中铁素体含量限制在5%以下，有利于提高PCBN刀具的寿命。因为CBN中的硼元素能与铁素体相发生反应，使PCBN刀具切削灰铸铁时的化学磨损作用增强，从而降低刀具的使用寿命。国内朱从容等人的研究表明，铸件材料的金相组织直接影响PCBN刀具的选用，PCBN刀具在高速切削以铁素体为主的铸件GG20时，刀具产生扩散磨损，这时刀具的使用寿命较低，达不到高速切削的目的，应采用陶瓷刀具。因此，只有在铸件中铁素体含量小于10%时才宜采用PCBN刀具。GE公司在进一步的研究中发现，由于微观组织不同，灰铸铁铸件的加工性能差异有较大波动。铸铁材料的微观组织对于PCBN刀具的磨损机理影响很大。GE公司向全美和欧洲9个主要铸造厂商订购相同要求的灰铸铁铸件，使用PCBN刀具在相同的切削条件下进行切削试验，试验结果显示：在加工不同铸造厂生产的灰铸铁铸件时，PCBN刀具的寿命相差可以达到5倍以上，PCBN刀具的主要磨损机理也发生了变化。

　　根据德国Darmstadt工业大学的E Abele等人的最新研究表明：灰铸铁材料中的硫元素含量对于高速切削灰铸铁材料时PCBN刀具的寿命影响很大。由于在切削时灰铸铁材料中的硫元素在PCBN刀具表面形成的MnS层，在切削时可起到一定的保护作用，因此，降低灰铸铁中硫元素含量，将大大降低PCBN刀具高速切削灰铸铁时的刀具寿命。

　　切削参数对PCBN刀具切削灰铸铁材料时的磨损速度也有较大影响，其中对刀具寿命影响最大的是切削速度。资料表明：切削灰铸铁时PCBN刀具寿命不符合泰勒公式；随着切削速度的增加，刀具寿命曲线发生弯曲。Mark Deming等人还在试验中发现，使用PCBN刀具切削灰铸铁时，刀具进给量增加到一定程度后，可以抑制PCBN刀具切削灰铸铁时化学磨损的产生，从而可更好地利用PCBN刀具的高硬度和耐磨性，提高PCBN刀具切削灰铸铁材料时的寿命。但是不利的一面是，增加进给量也使得加工的表面粗糙度变大。总的来说，PCBN刀具切削灰铸铁时的切削速度、进给量、切削深度存在一个合理的范围；超过了一定的范围，PCBN刀具的寿命、加工精度或表面质量就可能受到预想不到的影响，从而可能降低使用PCBN刀具可以取得的经济效益。另外，PCBN刀具切削灰铸铁件时的刀具几何参数和刃口处理质量也是影响PCBN刀具寿命的重要因素。主要的问题是如何增加PCBN刀具刀尖和刃口部分的强度。目前国内切削灰铸铁工件的PCBN刀具大多采用90°刀尖角并对刃口进行倒棱处理。国内宋银胜等人根据生产中的试验结果提出了PCBN刀具切削HT250灰铸铁时合理的刀具几何参数。

　　国外对于使用PCBN刀具车削灰铸铁时推荐的倒棱参数为：粗加工时的倒棱参数为0.2mm×-20°，精加工时的倒棱参数为0.1mm×-20°，当PCBN刀具的切削环境更恶劣时，刃口处理还要将倒棱的底边钝圆以增加刃口的强度，其钝圆半径为10～15μm。当切削力较小时，也可以仅对刃口进行钝圆处理，其钝圆半径为25～50μm。

　　一般认为，PCBN刀具切削珠光体含量高的灰铸铁材料时，刀具的主要磨损机理是机械磨损。而PCBN刀具切削球墨铸铁材料时占主导作用的磨损机理是化学磨损，因此，PCBN刀具切削球墨铸铁件时的刀具磨损速度较快。而且在球墨铸铁曲轴、凸轮轴等汽车零件的加工中对于切削速度的要求不是很高，所以PCBN在加工球墨铸铁件时的经济优势和其他刀具材料相比并不显著。甚至有人提议在加工球墨铸铁材料的工件时不使用PCBN刀具。因此，国内外对于PCBN刀具切削球墨铸铁材料时的磨损机理和特性都没有投入过多的研究。相比之下，由于蠕墨铸铁很有可能在未来的发动机缸体、缸盖以及汽车刹车盘的生产中完全取代传统的灰铸铁铸件，因此，PCBN刀具切削蠕墨铸铁材料时的磨损机理和磨损特性的研究，近年来在国外备受重视。国外采用与加工灰铸铁缸体相同的切削参数在蠕墨铸铁缸体的生产线上使用PCBN刀具进行加工时发现：在铣削加工中，PCBN刀具的寿命仅为加工灰铸铁缸体时刀具寿命的一半；而在钻削加工中，刀具的寿命仅为原来的10%。德国Darmstadt工业大学的生产工程与机床研究所（PTW）用了六年时间，通过组织铸造企业、汽车制造商以及材料科学研究人员共同进行系统研究后得出结论：由于蠕墨铸铁的生产过程中加入的蠕化剂使铁水中的硫元素含量急剧下降，所以PCBN刀具在切削蠕墨铸铁材料时刀具表面不能形成起保护作用的MnS层，是PCBN刀具切削蠕墨铸铁材料时刀具磨损过快的一个重要因素。相比之下，由于国内蠕墨铸铁的生产规模和铸件质量与国外还有一定差距，因此，国内关于PCBN刀具切削蠕墨铸铁材料时的各种问题还很少有单位进行研究。

　　5．结语

　　（1）为了能够尽快提高我国在PCBN刀具切削加工铸铁材料领域的应用水平，如果能够由有关部门组织国内的铸件生产企业、汽车制造企业以及刀具制造企业联合起来进行系统研究，将大大有利于我国汽车工业的发展。

　　（2）在现有条件下，继续深入研究PCBN刀具在加工各种铸铁材料（尤其是灰铸铁和蠕墨铸铁材料）时的合理切削参数、理想的刀具几何参数以及加工质量，从而提高PCBN刀具在我国生产企业中应用时可以取得的经济效益。

　　（3）加强对PCBN刀具切削铸铁材料时的切屑形成与磨损机理的深入研究，为提高国产PCBN刀具的质量以及解决国内PCBN刀具使用时的磨损过快问题提供可以借鉴的资料。

　　（4）积极探索有限元建模、计算机仿真等先进研究手段在研究PCBN刀具切削以及磨损问题中的应用，促进我国在该领域的研究由定性研究阶段向定量研究阶段发展。

声明：本网站所收集的部分公开资料来源于互联网，转载的目的在于传递更多信息及用于网络分享，并不代表本站赞同其观点和对其真实性负责，也不构成任何其他建议。本站部分作品是由网友自主投稿和发布、编辑整理上传，对此类作品本站仅提供交流平台，不为其版权负责。如果您发现网站上所用视频、图片、文字如涉及作品版权问题，请第一时间告知，我们将根据您提供的证明材料确认版权并按国家标准支付稿酬或立即删除内容，以保证您的权益！联系电话：010-58612588 或 Email:editor@mmsonline.com.cn。