CBN聚晶刀具制造简介

本篇文章旨在向没有接触过CBN刀具的朋友们简单介绍一下CBN刀具的生产制造流程及其中的一些简单问题。

CBN刀具性能优点：

        立方氮化硼聚晶(PCBN)刀具是70年代发展起来的一种优秀的新型刀具。立方氮化硼( CBN)由于具有高的硬度、热稳定性和化学惰性，为硬韧难磨加工金属材料的加工开拓了广阔的前景。目前，国际市场的CBN刀具坯料可归纳为两大类：一类是聚晶体，即平常所说的整体聚晶，由无数细小的CBN单晶体在高温高压下聚结而成；另一类是以硬质合金作为衬底层，CBN作为耐磨层，在7～8GPa和1500°c～2000°c下聚合而成。其特性优异于硬质合金和陶瓷刀具，硬度高，仅次于金刚石刀具，大大高于陶瓷刀具和硬质合金刀具，因而可加工HRC60以上的淬火钢、灰口铁、白口铁以及硬度高达HRC70以上的YG15、YG20、YG25硬质合金，其寿命为陶瓷刀具的3～5倍，硬质合金刀具的5～15倍。高耐磨性和长寿命大大提高了工件的加工精度，减少了换刀和磨刀的次数，提高了工效。另外，PCBN刀具的耐热性可达1400′C，比金刚石工具(700～800 C)高得多，经试验在1100 C以上的切削高温仍维持其锋利的切削性能，1200′C时PCBN的磨耗比、冲击韧性不发生变化，可以进行干式切削。并且PCBN与铁系材料直至1200～1300℃也不易起化学反应，因而能高速切削这些材料；而金刚石刀具因高温下易与铁族材料发生反应而难以切削黑色金属材料。由于PCBN刀具较低的摩擦系数，并且它是在高转速、少进刀量的条件下作用，其加工精度小于1μm，精糙度小于0. 02 μm，比陶瓷刀具提高1～2级。可以实现以车代磨。可重磨PCBN刀具的聚晶切刃采用先进的镶嵌焊接工艺，可以牢固焊接在硬质合金等基体上。方便用户，降低刀具消耗成本。
         应用范围
         PCBN刀具的一系列优点，使它在以下难加工材料的加工领域获得广泛应用：硬度值为HRC45～68的冷硬铸铁、淬硬锻造钢件；硬度值为HRC45～65的镍铬冷硬耐磨铸铁件；渗碳氮化或渗碳火焰淬火的淬硬件；硬度值接近HRC60的淬硬冷拔钢件；白口铸铁或压铸件；合金刚，工具钢，热喷涂、焊材料等。

PCBN刀具的制造技术
PCBN的制造
为获得高强度、高硬度、高耐磨性、高耐热性和抗冲击韧性的PCBN，需要研究CBN原料的净化处理工艺、CBN的粒度配比、结合剂的成分与含量等与PCBN性能的关系。

原材料的净化处理方法
由于市售的CBN微粉中残留有WBN、HBN、叶蜡石、石墨、镁、铁等杂质；另外它和结合剂粉末中均含有吸附氧、水汽等，对烧结不利。因此原材料的净化处理方法是确保合成聚晶性能的重要环节之一。研制时我们采用下列方法对CBN微粉和结合剂材料进行净化处理：首先在300 C左右用NaOH处理CBN徽粉，去除其中的叶蜡石和HBN；然后煮高氯酸去除石墨；最后用HCl在电热板上煮沸除去金属，并用蒸馏水洗至中性。结合剂用的Co、Ni、Al等采用氢还原处理。然后将CBN和结合剂按一定配比混合均匀并参入石墨模具中，送入压力小于1E2的真空炉内，加热800～1000°C处理1h，除去其表面的污垢、吸附氧及水汽等，使CBN晶粒表面很洁净。结合剂材料的选择及加入量方面，目前CBN聚晶采用的结合剂种粪可归纳为3大类：(1)金属结合剂，如Ti、Co、Ni. Cu、Cr、W等金属或合金，在高温下易软化，影响刀具寿命；(2)陶瓷结合剂，如Al2O3耐高温，但冲击韧性差，刀具易崩刃和破损；(3)金属陶瓷结合剂，如碳化物、氮化物、硼化物等与Co、Ni等形成的固溶体等，解决了上述两类结合剂之不足。总的结合剂加入量应充足但不能过多。实验结果表明，聚晶耐磨性和抗弯强度等与平均自由程（粘结相层厚度）关系密切，当平均自由程为0. 8～1.2μm时，聚晶磨耗比值最高，此时结合剂掺入量为10%～15%（质量比）。

除了结合剂的选择之外，CBN粒度及粒度配比的确定也至关重要，根摒加工精度和表面质量要求，制造切削工具用的CBN粒度大约分为：粗粒度20～30μm；中粒度3～10微米;细粒度2微米。用粗粒度做成的聚晶难以做成精度要求高的刀具，但其耐磨性、抗冲击性较高，细粒度做成的聚晶制成刀具可满足精加工和超精加工的要求。

试验结果表明，采用单一粒度CBN微粉由于其堆积密度小，烧结的聚晶体内孔隙大，耐磨性低，粒度越粗这种情况越显著。因此，我们按晶体中原子堆积方式的理论，推导出当3种晶粒半径满足r1：r2：r3=1：0.414：0. 225的关系式时，可以实现最紧密堆积；再考虑粒度组成范围，晶粒形状确定了CBN的粒度配比，使聚晶的耐磨性能显著提高。当采用CBN粒度为W20：W14：W7 =60：30：10：结合剂含量为15%（质量比）时，聚晶性能为：磨耗比>1：10000，抗压强度35. 0～40.0MPa，抗弯强度15.O～25.O MPa，硬度HV4500～6000，耐热性>1200′C。刀具切削试验表明：采用混合粒度刀具冲
击韧性明显提高。这可能是抑制了CBN粒子间的“架桥”现象和烧结体中微孔的形成，提高了刀头材料的强度，从而使之不产生崩刃。
CBN刀具的刃磨

        生产出的CBN刀具胚体需要刃磨才能用于切削，刃磨刀具获得正确的几何形状和表面粗糙度。一般分粗磨、精磨和研磨工序。粗磨采用180～240号树脂结合剂金刚石砂轮，进刀量为0. 01 mm/双行程；精磨用wlo～W14树脂结合剂砂轮，进刀量为0. 005 mm/双行程；研磨用W5～W3的金刚石砂轮或研磨膏，研磨刃磨中应特别注意金刚石砂轮的开刃修整对刃磨的影响。尽管刃磨过程中刀具在砂轮的整个端面来回摆动以使砂轮表面消耗一致，但实际上砂轮表
面仍容易产生凹凸不平，须经常修整。
        CBN刀具的几何参数
        CBN刀具的寿命与其几何参数密切相关，合适的前后角可提高刀具的抗冲击性能。排屑能力及散热能力。前角的大小直接影响切削刃的受力情况和刀片的内应力状态。为了避免刀尖承受机械冲击所造成的拉应力过大，一般采用负前角（-5。～- 10。），同时为减少后角磨损，主副后角为6。，刀尖半径为0.4–1.2mm的圆角，并倒棱研磨光滑。

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