聚晶立方氮化硼刀具磨损与寿命分析

鲁浩远 何慧芬 吴旭阳

摘 要：针对目前聚晶立方氮化硼刀具磨损所带来的负面影响，文章从实践角度入手，分析了聚晶立方氮化硼刀具使用的磨损现状，并提出了寿命提升方法。结果表明，需与加工工件实际情况，来对提升使用寿命方法进行选择控制。

关键词：聚晶立方氮化硼;刀具磨损;使用寿命

0引言：

聚晶立方氮化硼刀具生产加工的效果，需通过涂层刀具技术与调整刀具切削参数来进行控制。此前，应对PCBN刀具的磨损现状进行分析，即在掌握磨损产生原因与作用机理情况下，使寿命提升控制工作开展起到事半功倍效果。这样一来，聚晶立方氮化硼刀具所处的工业生产环境，就能以可持续状态服务于所处行业，进而推动现代化建设的全面发展。

1研究聚晶立方氮化硼刀具磨损与寿命的现实意义

聚晶立方氮化硼（Polycrystalline Cubic Boron Nitride，PCBN），之后简称PCBN，是在20世纪80年代被研发出来的一种超硬刀具材料。其作为硬度仅次于金刚石的刀具，与黑色金属亲和力较小，能够在特定切削条件下实现精车代磨目标。实际应用过程，刀具不可避免会出现磨损问题，经分析统计，PCBN刀具磨损多集中在两种形式，即前、后刀面磨损。这两种磨损是在年节磨损、机械磨损以及扩散磨损共同作用下形成，增加了寿命控制难度。由于PCBN刀具的使用成本较高，如壽命无法保障，将大幅提升生产建设的造价成本。而且刀具磨损也会降低加工工件的精度与表面质量，严重的甚至会使工件报废，只能通过重新加工来补救。为改善这一现状，进而提高生产建设的经济性与整体效益。相关人员应对PCBN刀具使用现状进行分析，以找出提升刀具使用寿命方法[1]。

2聚晶立方氮化硼刀具的使用磨损现状

2.1前刀面磨损

发生于PCBN刀具切削开始阶段的磨损，其作用形式是月牙洼磨损，由机械与扩散磨损共同作用造成。究其原因，PCBN刀具是由黏结相与CBN烧结成的，开始阶段主要受机械磨损影响，体现为擦伤与轻微划痕。作用机理为：工件切削时，刀具黏结相会先被磨掉，继而暴露CBN晶粒。具体磨损位置的判断，因切削工件过程刀具前刀面倒棱区以及高温状态切屑接触的，所以，刀具与工件元素活跃度上升，使工件接触区域切屑接触区元素扩散，造成扩散磨损形成。月牙洼磨损多发生在PCBN刀具前刀面倒棱上。长此以往，随着CBN颗粒剥落，刀具月牙洼磨损深度就会增加。对于前刀面的微崩刃与微裂纹问题，是切削过程压应力较大造成的[2]。

2.2后刀面磨损

后刀面磨损与前刀面不同，其是在切削工件一段时间后出现，具体磨损形式为沟槽磨损。研究人员利用PCBN刀具切削淬硬钢过程中，发现因机械磨损才导致了沟槽磨损现象发生。究其原因，工件存在硬质颗粒，其会在加工过程因压力而弱化PCBN刀具黏结剂使CBN颗粒暴露出来。当CBN颗粒被磨损剥落就会出现沟槽磨损。此外，经对高速铣削灰铸铁加工过程情况进行观察，发现后刀面与工件接触边界除了受高温影响，还受到较大压力作用。这种情况，就导致接触区出现热应力裂纹与应力集中现象，进而导致PCBN刀具后刀面形成构造磨损。

3提升聚晶立方氮化硼刀具寿命方法

3.1涂层

由于涂层刀具技术运用水平的不断提升，其不仅能够使刀具具备耐磨性与耐高温性能，还能控制刀具与工件接触摩擦因数。当阻断切削区热量作用于刀具后，除了能够规避切削工件因硬化层加工带来的局部磨损，还能大幅提升PCBN刀具使用寿命[3]。现阶段，涂层方法多采用物理气相沉积法（PVD），其能够将具有特殊性能的微粒作用于性能效果不高的母体上，以提升其性能。研究人员认为不同的PVD涂层所具备的刀具磨损机制不同，即AlCrN涂层，因自身的抗氧化性能抢，能够作用前后刀面磨损量的控制;TiALN涂层，因机械性能好，可作用于PCBN刀具耐磨性的控制。

3.2切削参数

优化切削参数是提升PCBN刀具使用寿命、降低生产成本与强化生产效率的有效方法。实际优化控制过程，应采用正交实验来实现预期目标。某研究单位以利用PCBN刀具加工GCr15钢过程为例，经正交实验设计、方差分析以及信噪比确定了切削刀具硬度、速度以及进给量来降低给刀具寿命带来的影响。具体来说，就是将主轴转速确定为580r/min;进给量为0.06mm/r。同时，还确定了刀具切削速度、进给量以及硬度对刀具寿命的影响百分比，分别为42.88%、24.22%、32.44%。结果表明，运用上述刀具切削参数后，成功提升了其使用寿命，为生产效率提供了保障[4]。

值得注意的是，在优化刀具切削参数过程中，相关人员还可采用遗传算法与人工神经网络方法，来提高切削用量确定的最佳效果，进而使目标函数达到预期。但实际应用阶段，这两种算法并未实现在PCBN刀具中的优化运用。为此，研究人员可结合其他刀具的参数算法经验，来对PCBN刀具的参数优化计算过程提供依据。

由此可见，目前刀具使用切削参数计算缺乏针对PCBN刀具的方法，还要加大进一步的科研力度，以强化工业生产建设的设备运行效率[5]。

4结束语

综上所述，聚晶立方氮化硼刀具前、后刀面磨损的控制，应结合加工工件情况选择相应的涂层材料与切削参数。如，采用物理气相沉积法（PVD），其能够将具有特殊性能的微粒作用于性能效果不高的母体上，以提升PCBN刀具的使用性能;经正交实验设计、方差分析以及信噪比确定了切削刀具硬度、速度以及进给量来降低给刀具寿命带来的影响。事实证明，只有这样，才能将最具适用性的刀具切削速度、硬度以及进给量作用于生产加工过程，进而提升生产建设效率，满足行业现代化发展需求。故，业内人员应将上述分析内容与科研结果更多地作用于聚晶立方氮化硼刀具的生产使用过程，以使其作用效果充分发挥出来，进而提高工业化生产建设的可持续发展水平。

参考文献：

[1]王丹，万军.不同材料和刀尖圆弧半径刀具加工TC4钛合金的表面质量及刀具磨损行为[J].机械工程材料，2019，43（04）：64-68.

[2]汤志年.刀具的磨损和使用寿命[J].南方农机，2018，49（24）：65.

[3]刘思志，安立宝.聚晶立方氮化硼刀具磨损与寿命研究综述[J].机床与液压，2016，44（19）：168-173-191.

[4]李剑，马尧，梁力行.放电等离子烧结聚晶立方氮化硼刀具的性能[J].机械工程材料，2019，43（01）：8-12.

[5]张松锋，周小东，谢辉.高镍铬铸钢轧辊加工用聚晶立方氮化硼刀片的制备与性能[J].机械工程材料，2017，41（12）：41-44-93.

作者简介：

第一作者，鲁浩远（1989-），男，河南省许昌市人，民 族：汉 职称：无，学历：硕士研究生。研究方向：超硬刀具材料。单位：河南黄河旋风股份有限公司，河南 许昌 邮编：461500。

第二作者，何慧芬（1989-），女，河南省商丘市人，民 族：汉 职称：无 学历：硕士研究生。研究方向：主要从事超硬材料金刚石和立方氮化硼材料及制品的开发研究。单位：河南黄河旋风股份有限公司，河南省许昌市长葛市，邮编461500。

第三作者：吴旭阳（1988-2），男，河南省漯河市人，民 族：汉 职称：无，学历：硕士研究生。研究方向：超硬材料合成及性能研究。单位：河南黄河旋风股份有限公司，河南 许昌 邮编：461500。