PcBN刀具在干切削中的应用研究①

邓福铭，张 丹，王 强，陆少悌，赵晓凯

（中国矿业大学（北京）超硬刀具材料研究所，北京 100083）

1 引言

环境问题和资源问题是当前和今后相当长一段时间人类社会面临的主要问题，特别是环境问题对人类生活造成的危害与日俱增。干切削技术是为适应全球日益高涨的环保要求和可持续发展战略而发展起来的一项绿色切削加工技术。1995年干切削的科学意义被正式确立，1997年的国际生产工程研究会（CIRP）年会上，德国Aachen工业大学的F.Klocke教授作了干切削的主题报告；1999年1月在美国国家科学基金“设计与制造学科”受资助者会议上，国际著名的刀具制造厂MAPAL公司的总裁B.P.Erdel博士也作了有关美国干切削发展的主题报告，干切削技术已经在各国工业界和学术界引起广泛的关注［1］。目前，我国对干切削技术的研究还比较少，应用也只是传统的铸铁铣削加工。干切削技术作为一种绿色制造加工工艺，对于节省资源、保护环境、降低成本具有重要意义。

2 切削液的作用分析

切削液是机械加工中重要的辅助材料，其主要作用为：

（1）润滑作用 在机械加工中，切削液渗入到切屑、工件与刀具的接触表面并粘附在金属表面上，形成润滑膜，可以减少摩擦，减轻粘结现象并抑制积屑瘤的产生，降低工件表面粗糙度，减小切削力；

（2）冷却作用 切削过程中所消耗的功，90%以上都化为切削热，切削液能有效地将切削热从切屑区带走，从而降低切削区的温度，提高刀具的寿命和工件的加工精度；

（3）协助断屑、排屑 在切削过程中常产生一些细小的切屑，这些细小切屑会粘连在工件和刀具上，对加工造成不利影响。切削液的排屑、清洗作用可将这些切屑冲出加工区，从而提高加工质量和刀具寿命。

（4）防锈作用 空气中含有一定的水分，切削液大多数也是水基的，为防止工件和刀具锈蚀，常加入一些添加剂，使切削液具有防锈作用。

切削液在机加工中起着很重要的作用，但随着切削液用量的增加，它的负面影响也越来越显著，主要表现在：

①增加了制造成本 随着切削量的成倍增大，切削液的消耗量也大幅提高，因而它在零件制造成本中所占的比例也大大增加。国外许多统计资料表明，切削液及切削液的供给、保养、回收及切削废液的处理等费用加在一起，占总制造成本的16%，而刀具消耗的费用仅占制造成本的4%［2］。

②长期暴露在空气中的磨削液、合成切削液，尤其是雾状切削液会对操作者的健康造成危害，引起工人呼吸系统或皮肤疾病，同时还会造成工作场地、局部环境（水、壤、气等）污染。

在切削加工中，切削液的润滑作用只有5%，而其余的作用则是帮助排屑。因此，干切削是降低成本、消除切削液污染、实现清洁化生产的有效途径。

3 PcBN刀具在干切削中的应用

3.1 干切削对刀具、工件和机床的要求

干式切削是随着刀具材料，特别是随着耐高温刀具材料的不断进步而发展起来的。干式切削就是不用切削液，利用特定的刀具及其相关加工技术获得理想的加工效果。其机理是由于切削速度很高，产生热量聚集于刀具前部，使切削区附近工件材料达到红热状态，屈服强度下降，进而达到提高切削效率的效果。采用红热干切削工艺的前提条件是在较高切削温度下，被切材料强度有明显下降，变得易切削，而刀具材料在同样状态下要有较好的红硬性及热稳定性，即有较好的耐磨性和抗粘结性。

cBN是目前硬度仅次于金刚石的超硬材料，而PcBN又是以cBN作为主要成分在高温超高压条件下经烧结而成的聚晶体。cBN与硬质合金、陶瓷材料相比，在干切削条件下具有更明显的优势：cBN硬度高于TiC、Al2O3、SiC，是硬质合金的2倍以上；在800℃～1000℃下的高温硬度也远高于硬质合金、陶瓷材料，因此可成倍提高切削速度，延长刀具寿命；同时cBN的热传导率高，可降低干切削时切削刃的温度；cBN的热膨胀率小，抗热冲击性好，可减小PcBN刀具的粘接磨损和扩散磨损；并且cBN与金刚石不同，既与铁、钴、镍等有良好的化学惰性，在高温空气中又有良好的化学稳定性；另外PcBN刀具摩擦系数小，排屑流畅，散热迅速。因此PcBN材料是最适合干切工艺的刀具材料，且由于PcBN刀具材料具有上述的特点，更适于高速情况下的干式切削加工。

另外，切削力大、温度高是干切削的特点，为减少高温下刀具与工件材料之间的扩散和粘结，应特别注意刀具材料与工件材料之间的合理匹配。干式切削中产生大量的切削热，容易造成工件热变形，影响加工精度。因此，工件材质的热特性是决定该材料是否适宜干式切削的重要因素。因此，熔点较高、热传导系数和热膨胀系数较小的材料适合干切削。

干切削不但对刀具要求很高，也对机床的排屑、防尘和热特性提出较高要求。干切削机床最好采用立式布局，至少床身应是倾斜的，工作台上的倾斜盖板可用绝热材料制成，总的原则是尽可能依靠重力排屑。干切削易出现金属悬浮颗粒，故机床常加装真空吸尘装置和对关键部位进行密封。干切削机床的基础大件要采用热对称结构并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和热补偿等措施。

3.2 PcBN刀具干切削的金属软化效应

由于PcBN刀具具有较高的高温硬度和热稳定性，因此可采用较高的切削速度进行切削，在较高的切削热的作用下，被切削层金属软化，硬度降低，使切削加工更加易于进行，而刀具也保证了较高的寿命，这一效应称为金属软化效应。产生金属软化效应的决定因素是切削温度，试验表明，切削速度对切削温度的影响要大于进给量，且随着进给量的增加其影响增大；背吃刀量对切削温度的影响也较大，且随着工件材料硬度的增加其影响程度增大。

刘献礼［3］的研究表明：当工件硬度低于HRC50时，在任一切削条件下，切削温度随着工件材料硬度的增加而增加；当工件硬度高于HRC50时，切削温度随工件硬度的增加而下降。因此，可以得出产生金属软化效应的条件是工件材料的硬度要大于HRC50。试验还表明：工件材料硬度在HRC50左右时表面粗糙度最差，当工件硬度大于HRC50以后，随着硬度的增加，表明粗糙度数值呈下降趋势；已加工表面硬化层深度随着工件材料硬度的增加而增加，当工件硬度达到HRC50之后，已加工表面硬化层深度达到最大，之后随着工件硬度的增加，硬化层深度基本不变。

“红月牙”切削技术使切削热快速聚集在前刀面上，其温度达到600℃～700℃，可明显观察到红色圆弧现象并因此而得名。美国Makino公司生产工程部经理Grey Hyatt在干式切削灰铸铁时曾指出高速铣削过程中“红月牙”切削技术的重要性。实验结果表明高速进给（40m／min）和高速主轴旋转（14000r／min）可使径向力降低75%～90%［4］。温度升高使材料的屈服强度降低，极大地提高了材料的切削加工性。

3.3 PcBN刀具干切削的加工表面质量

用PcBN刀具加工不同材料都能获得较好的表面粗糙度，PcBN刀具加工表面粗糙度远远好于硬质合金刀具，而且随着切削速度的提高，越来越接近粗糙度的理论值。

PcBN刀具加工获得加工表层硬度略有上升，并产生一定的硬化深度，但对加工表面表层的金相组织并无破坏，而且切削用量的变化对已加工表面表层的金相组织没有损伤。Tonshoff［8］的研究结果表明，已加工表面显微硬度受进给量和后刀面磨损量的影响较大，进给量越小磨损量越大，表面硬度越高。

PcBN刀具的硬态切削加工一般在零件表面层以下产生残余压应力。压应力有助于提高表面的抗疲劳性能，这也是PcBN刀具的一个很好的性能。Tonshoff［5］在使用PcBN刀具干切削GCr15轴承钢时发现PcBN刀具的加工表面的应力状态不全都是压应力，条件选择的不适当也可以造成残余拉应力状态。因此，在使用PcBN刀具时，应注意加工条件的选择，其中切削用量对残余应力的分布情况影响较小，而刀具结构对残余应力的分布影响很大，尤其是倒棱的几何参数需要精心选择。

3.4 PcBN刀具干切削的磨损与寿命

刀具的磨损直接影响加工效率、质量和成本。对于PcBN刀具干切削的磨损来说，其磨损是由多种磨损机制共同作用的，而不是单一的一种磨损机制起作用。郭旭红等［6］研究了PcBN刀具干切削淬硬轴承钢时的磨损机制，发现PcBN刀具前刀面主要是月牙洼磨损，其只有达到一定的温度和压力后才产生，且只产生在距离刀刃很近的部分，而且宽度很窄；而后刀面主要是以机械磨损为主的磨损带，同时粘有一些工件材料。这是由于刀具与切屑、以及刀具与工件接触区界面上温度较高所引起的。因此，干切削比普通切削加工时的刀具前角要取得稍大一些，以降低切削区温度，并在刃口上做出负倒棱。为防止刀尖处热磨损，主副切削刃连接处应采用修圆刀尖或倒角刀尖，以增大刀尖角，加大刀尖附近刃区切削刃的长度和刀头材料的体积，以提高刀具刚性和减少切削刃破损的概率。

实验还表明，无论是后刀面磨损还是月牙洼磨损，都是当工件硬度在HRC50的情况下最大，而在较高或较低硬度下，刀具的相对磨损都较小。

4 结束语

PcBN刀具非常适合于硬态材料的干切削，并能加工金刚石刀具所不能加工的黑色金属材料，特别适合数控设备及自动化生产线的使用。PcBN刀具有很高的耐磨性，其使用寿命远远高于硬质合金，可加工大部分高硬度材料，在许多场合可以以车、镗、铣等加工手段代替磨削，能使被加工零件获得高的精度和良好的表面质量，并大大提高生产效率。国外PcBN刀具已广泛用来加工淬硬钢、高硬度铸铁和抗磨零件，并带来了巨大的经济效益。随着机械零件的硬度和抗磨损性能要求的进一步提高，PcBN刀具的使用必将更加广泛。

［1］马平，胡爱玲，白钊.高速干切削及其关键技术［J］.新技术新工艺，2004（4）：14－17.

［2］谢国如.绿色制造中干切削的研究［J］.现代机械，2004（6）：57－58.

［3］刘献礼.聚晶立方氮化硼刀具及其应用［M］.黑龙江科学技术出版社.1999.

［4］J.H.Dailey.PcBN tools take off on hard surfaces［J］.American Machinist，1996：39－41.

［5］H.K.Tonshoff，C.Aiendt，R.Ben Amor.Cutting of Hardened Steel［J］.Annals of the CIRP，2000，49（2）：547－566.

［6］郭旭红，曾庭卫，刘开强，朱圣领.PcBN刀具干切削淬硬轴承钢时磨损机理的研究［J］.工具技术，2004（6）：28－31.