李艷國1， 成照楠2， 鄒 芹1,2， 王明智1， 尹育航3

(1. 燕山大學， 亞穩(wěn)材料制備技術與科學國家重點實驗室， 河北 秦皇島 066004)(2. 燕山大學 機械工程學院， 河北 秦皇島 066004)(3. 廣東奔朗新材料股份有限公司， 廣東 佛山 528313)

摘要 現(xiàn)代刀具切削速度的不斷提高和先進的集成制造系統(tǒng)的發(fā)展對現(xiàn)代刀具的性能提出了更高的要求，刀具材料質量、性能和可靠性直接影響生產(chǎn)效率和加工質量，也直接影響整個制造行業(yè)的生產(chǎn)技術水平和經(jīng)濟效益，所以開發(fā)高穩(wěn)定性和良好耐磨性的超硬刀具是當今的發(fā)展趨勢。本文介紹了超硬材料PCBN超硬刀具的國內(nèi)外發(fā)展概況和刀具性能應用，PCBN超硬刀具材料的制備方法及刀具制造過程，PCBN超硬刀具的斷屑槽、修光刃結構以及新型PCBN超硬刀具，刀具車削仿真的相關研究等；并對PCBN超硬刀具及整個刀具行業(yè)的前景進行展望。

關鍵詞 PCBN；超硬刀具；刀型；仿真

作為21世紀更新?lián)Q代的新型刀具——聚晶立方氮化硼(polycrystalline cubic boron nitride，PCBN)刀具，它的使用已產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益，引起世界各工業(yè)國家的重視。超硬材料刀具的開發(fā)利用，是美國等先進工業(yè)國家保持技術和經(jīng)濟優(yōu)勢的關鍵之一。但由于其成本較高以及用戶對超硬材料刀具缺乏了解，目前國內(nèi)對PCBN超硬刀具的應用尚處于試用和待開發(fā)階段，對大多數(shù)用戶來說，只有在生產(chǎn)中碰到用其他刀具材料不能解決的問題或在引進技術中采用PCBN超硬刀具時才會考慮選用PCBN超硬刀具。與此同時，部分發(fā)達國家已經(jīng)大規(guī)模投入使用PCBN超硬刀具，有的已經(jīng)占到刀具市場份額的30%，這與國外高速數(shù)控機床在近20年來的快速發(fā)展是分不開的。PCBN刀具以其高硬度、高耐磨性、良好的導熱性和低摩擦系數(shù)等優(yōu)異性能，非常適合在汽車工業(yè)等數(shù)控自動加工流水線上應用。

國內(nèi)外學者對高溫高壓燒結合成PCBN燒結體制備工藝的研究熱度從未減少。目前，我國陶瓷結合劑刀具在結合劑性能及制造工藝技術方面與國外相比存在一定差距，所制得的陶瓷刀具耐沖擊及熱穩(wěn)定性較差，燒結溫度高。雖然隨著非化學計量比PCBN的深入研究，在一定程度上提升了材料的性能，降低了燒結溫度，但這種新型材料并沒有投入到生產(chǎn)實際中，仍有待于進一步研究。

1、PCBN超硬刀具發(fā)展歷史

1957年，美國通用電氣公司首先成功合成出立方氮化硼(CBN)[1]。由于CBN單晶的晶粒度小，并且容易沿解理面劈裂，不能直接用來制造刀具，所以在制造業(yè)中所用的切削刀具大多數(shù)都是用PCBN制造的。1960年，蘇聯(lián)開始合成立方氮化硼[2]，并在1972年展出第一把立方氮化硼刀具；隨后，美國通用電氣公司在1973年制成立方氮化硼刀具；1975年，日本引進GE公司的技術開始研發(fā)本國立方氮化硼刀具[3]，并于1977年開發(fā)本國產(chǎn)品。之后，各國競相開始研發(fā)自己本國特色的立方氮化硼系列產(chǎn)品：GE公司在1969年以前生產(chǎn)2個品種4個牌號的CBN，即CBNⅠ、CBNⅡ、CBN500和CBN510。1981年又增加了CBN550、CBN560、CBN570等3個新牌號，使產(chǎn)品達到7個；蘇聯(lián)的產(chǎn)品包括庫波尼特系列和愛爾鮑爾系列；De Beers公司在1974年生產(chǎn)了2個系列產(chǎn)品：ABN300和ABN360[4]，又在1981年推出ABN600系列；昭和電工也有2個系列產(chǎn)品：SBN和BBN，并且住友公司也有2種產(chǎn)品：BNX10、BNX20。

我國繼1967年首次合出CBN樣品之后，四川立方氮化硼協(xié)作小組于1973年11月26日，采用自己合成的CBN單晶作為原料，研制出我國第一代立方氮化硼刀具[5-6]；1981—1982年，國內(nèi)研制出應用最廣泛的LDP-J9-CF型復合刀片；1985年，桂林礦產(chǎn)地質研究院超硬研究所研發(fā)出LBN-Y-2型復合刀片?，F(xiàn)如今，國內(nèi)比較好的制造立方氮化硼刀具的廠商有北京沃爾德金剛石工具股份有限公司、第六砂輪廠、成都工具研究所和河南富耐克超硬材料有限公司等。

為了縮短與發(fā)達國家在PCBN超硬刀具行業(yè)的差距，2010年，我國設立“高檔數(shù)控機床與基礎制造裝備”國家科技重大專項，并明確提出要對超硬材料刀具的設計與制造、高精度刀具進行研發(fā)，積極建立高精度、高效率切削裝置，根據(jù)不同工件及加工工藝要求，進行大量實驗，建立健全不同刀具不同條件下加工不同工件的數(shù)據(jù)庫等；研發(fā)出適用于鈦合金、高溫合金等難加工材料的高效切削刀具系列產(chǎn)品。

       2 PCBN超硬刀具的性能及應用

       2.1 PCBN超硬刀具性能

       用具有超硬效應的結合劑在高溫高壓下與CBN單晶充分反應來合成超硬燒結體是目前制備PCBN最普遍的制備工藝。單晶CBN顆粒細小無規(guī)則，各向異性，脆性大，生長和解理破損均極易在[111]晶面上進行[3]。通過聚合CBN形成PCBN可以有效克服上述缺點，使PCBN超硬刀具表現(xiàn)出無可比擬的優(yōu)異性能：(1)高硬度和高耐磨性，不同黏結劑含量的PCBN材料的硬度在40～60 GPa之間；(2)良好的熱穩(wěn)定性和高溫硬度，耐熱性達1 400～1 500 ℃，可軟化工件，更加有利于切削進行，而且?guī)缀醪挥绊懙毒邏勖?3)可高效切削鐵系合金材料，特別適合機械制造加工工業(yè)的大規(guī)模自動化生產(chǎn)使用；(4)高導熱性，CBN的導熱系數(shù)僅次于金剛石，而遠大于硬質合金，在加工過程中，其熱傳導效率隨著溫度的升高而提高；(5)摩擦系數(shù)低，PCBN與不同材料間的摩擦系數(shù)遠低于硬質合金，而且摩擦系數(shù)隨切削速度提高而減小，切削力也隨之減小，減小刀屑粘刀現(xiàn)象；(6)高速切削特性和高加工精度，可以在主軸轉速2 000 r/min以上的條件下連續(xù)干切削，達到拋光級的加工表面光潔度。高強度、高耐磨性、高導熱性、良好的高溫力學穩(wěn)定性以及高溫化學穩(wěn)定性等優(yōu)異性能，使PCBN超硬刀具成為最能滿足當前嚴苛切削要求的首選工具[6]。目前常用刀具的性能對比如表1所示。

表1 常用刀具性能對比

Table 1 Performance comparison of common cutting tools

2.2 PCBN超硬刀具應用

制造技術和材料技術的發(fā)展推動刀具技術的發(fā)展。由于PCBN在切削中有著紅硬性、耐磨性等優(yōu)勢，所以能夠廣泛地應用于車削、銑削和鏜削等加工領域。根據(jù)制造行業(yè)[7]的統(tǒng)計，PCBN超硬刀具在制造業(yè)中的應用情況如圖1所示。

由圖1可以看出：PCBN超硬刀具主要用于汽車行業(yè)、車削和加工淬火鋼等領域，也從側面反映了PCBN超硬刀具良好的切削性能。

PCBN不僅適用于普通切削，也適合高速加工[8-10]，如銑刀切削高溫合金的速度可達到80～120 m/min，每齒進給量0.1～0.2 mm/z；在切削高溫合金時切削速度可以達到60～80 m/min。此外，PCBN在加工過程中可以省去切削液，實現(xiàn)硬態(tài)干切削[11-13]。這樣有利于保護環(huán)境和工人身體健康，實現(xiàn)綠色切削，同時可以充分發(fā)揮刀具的切削性能和金屬軟化效應，可明顯提高經(jīng)濟效益。

不同CBN含量的PCBN刀具適合不同的切削領域，HALPIN等[14]對不同CBN含量的PCBN的切削領域進行了總結，如表2所示。

目前，國內(nèi)PCBN超硬刀具市場的發(fā)展并未達到飽和狀態(tài)，其發(fā)展空間依舊很大。高速硬態(tài)干切削將成為未來刀具切削加工的主流發(fā)展方向，這種高速硬態(tài)干切削將是一種集高效率、低能耗、節(jié)約資源、減少污染等特點于一身的綠色切削。隨著人類社會的不斷進步，工業(yè)化和智能化的不斷發(fā)展，PCBN超硬刀具材料將會不斷改進，將會在機械制造業(yè)中發(fā)揮出巨大作用。

表2 同CBN含量的PCBN的切削領域

Table 2 Cutting fields of PCBN with different CBN content

3、PCBN超硬刀具分類

3.1 按添加成分分類

PCBN超硬刀具按添加成分可分為：添加一定比例結合劑燒結體后期加工成的PCBN超硬刀具和直接由CBN單晶燒結后期加工成的PCBN超硬刀具2大類。

PCBN超硬刀具性能很大程度上受其自身結合劑的影響。選擇結合劑應滿足以下幾點要求：(1)結合劑與CBN的線膨脹系數(shù)盡可能相近，以減少熱應力集中對刀具性能的影響；(2)結合劑最好與CBN發(fā)生化學反應生成化學鍵，以增強結合劑與CBN顆粒間的黏結強度；(3)結合劑應具有優(yōu)良的高溫力學性能，以降低結合劑在高溫環(huán)境中對PCBN切削性能的影響。

結合劑的選取對PCBN性能影響重大，適當?shù)慕Y合劑既可以降低PCBN的合成工藝難度，又能提高PCBN的綜合性能。PCBN結合劑包括金屬結合劑和陶瓷結合劑。金屬結合劑在燒結過程中以液化的金屬為媒介，加速流動傳質過程，使PCBN可以在較低的溫度下快速燒結致密化。金屬Al的熔點較低，在高溫高壓下可迅速熔融液化，在較寬的溫度和壓力范圍內(nèi)均能與CBN發(fā)生化學反應生成AlBx。Al不僅能活化燒結，加速燒結體致密化，生成的AlN等物質還能抑制CBN轉化成hBN[13]，是制備PCBN最常用的一種結合劑。但是，金屬結合劑與CBN的線膨脹系數(shù)相差較大，燒結后易因熱脹冷縮產(chǎn)生較大的溫差應力，使結合劑與CBN間存在縫隙而黏結不牢，降低刀具的耐磨性。且金屬軟化溫度普遍較低，在刀具切削過程中，局部高溫會使結合劑軟化和氧化，會降低PCBN的高溫硬度和穩(wěn)定性。

陶瓷結合劑主要包括TiC、TiN和AlN等過渡族金屬的碳、氮化合物，它們的硬度都較高，高溫穩(wěn)定性及化學穩(wěn)定性較好。但其沖擊韌性差，刀具易崩刃和破損，使用壽命短[16-17]。

目前，市場上主流PCBN大多采用金屬陶瓷型結合劑，選用可以與CBN顆粒反應生成氮化物、硼化物等中間相的陶瓷型化合物和微量金屬單質作為結合劑，制備成金屬陶瓷型PCBN超硬刀具。金屬陶瓷型PCBN超硬刀具兼具金屬型和陶瓷型PCBN超硬刀具的優(yōu)點，既解決了金屬結合劑高溫易軟化的問題，又克服了陶瓷結合劑抗沖擊韌性差的缺點。HELMERSSON等 [18]發(fā)現(xiàn)了VN/TiN納米多層膜中的超硬效應之后，近幾年超硬行業(yè)的陶瓷結合劑也越來越熱衷于TiN材料的研究與應用。Ti(C，N)兼具TiC和TiN的優(yōu)點，具有熔點高、硬度高的特性，并具有良好的導熱性、導電性和化學穩(wěn)定性[19]，其作為刀具結合劑可以有效提高陶瓷結合劑的韌性，改善陶瓷切削刀具的熱穩(wěn)定性，減少PCBN崩刃和破損現(xiàn)象出現(xiàn)的概率，延長PCBN的壽命[20]。

除了上述常規(guī)化學計量比的PCBN的研究，學者們探究了在CBN中混入非化學計量比的結合劑來改善性能，如在PCBN復合片中添加適量的TiCx或TiNx，與體系中的其他碳化物或氮化物反應生成Ti(C，N)，以有效改善PCBN復合片的綜合性能[21]。劉一波等[22]對非化學計量比結合劑進行的研究，得出結論：適量的TiC0.47和CBN反應生成TiBx和Ti(C，N)等新的化合物，極大提高了結合劑與CBN的黏結強度，也提高了黏結層的硬度和耐磨性，當體系中生成的Ti(C，N)達到12%～15%時，材料耐磨性最好。武迪[23]利用非化學計量比TiN0.3的空位效應來活化燒結，從而降低燒結溫度，通過添加微量過渡族金屬碳化物和改進燒結工藝來改善材料的力學性能。XUE等[24]通過改變燒結過程充入的氣氛(真空、氮氣、氬氣)，證實了真空條件下所形成的非化學計量比TiN1-x內(nèi)部的N空位對燒結體的致密化過程有促進作用。UEMATSU等[25]發(fā)現(xiàn)非化學計量比TiN1-x(0.56<1-x<0.97)所需的燒結溫度隨TiN1-x的N空位缺陷濃度的升高而下降。SUAREZ等[26]采用TiN和TiH2為原料制備的非化學計量比TiN1-x(0.6<1-x<1)，在燒結過程中，TiH2含量的增加導致了TiN燒結體晶粒尺寸變大。雖然對這種非化學計量比PCBN材料地研究很多，但對于這種材料的實際切削報道相對較少，所以這種非化學計量比的研究越來越成為含有結合劑PCBN的熱門方向。

由于結合劑的存在，降低了PCBN的硬度、強度及耐磨性[27]，因此近年來純PCBN發(fā)展迅猛。住友公司在2000年研制出了代號為IZ900的純PCBN，其CBN體積含量超過99.9%，由于它是由催化劑使六方氮化硼在高溫高壓下直接轉化成CBN而合成的，因此其硬度和熱穩(wěn)定性要大于普通合成的PCBN。DUB等[28]利用熱解石墨狀BN在8 GPa壓力和2 200～2 550 ℃的溫度下合成出高濃度PCBN，PCBN的晶粒大小為100～400 nm。并且SUMIYA等[29]發(fā)現(xiàn)：在7.7 GPa，2000～2500 ℃條件下制備的PCBN，當CBN體積分數(shù)≥99.9%，晶粒尺寸<0.5 μm時，制備出的PCBN在任何溫度下都有很高的斷裂強度和硬度。

3.2 其他分類方式

PCBN超硬刀具按制造方式可分為：由整體燒結塊制造的PCBN超硬刀具和與硬質合金復合燒結而成的復合片PCBN超硬刀具。按照PCBN超硬刀具結構可分為：整體燒結制造的PCBN超硬刀具、在硬質合金刀體上鑲嵌的PCBN超硬刀具和在硬質合金基體上焊接的復合式PCBN超硬刀具，如圖2所示。

4、PCBN超硬刀具的制造

PCBN復合片是直接在高溫高壓下把CBN層與硬質合金襯底復合在一起，經(jīng)過切割、焊接和刃磨工藝做成各種焊接成型切削刀具或刀片。整體PCBN燒結塊是不帶合金基體直接燒結成為整體PCBN刀胚，經(jīng)過刃磨制成PCBN刀具。下面主要從PCBN的切割、焊接和刃磨幾方面來介紹。

4.1 PCBN超硬刀具的切割

復合片的切割主要是采用激光或者線切割。激光切割由于價格昂貴并且加工質量不理想，因此大多數(shù)企業(yè)采用線切割[28]。如北京凝華NHT系列[31]，采用新型特質電源和自適應電路，自動調(diào)整加工所需要的脈沖參數(shù)，只需要設定功放管的數(shù)量，即可可靠、穩(wěn)定、快速地加工出任意形狀，如半圓、方形、三角形或其他所需形狀的刀具。國外以德國Vollmer公司的QWD機床[32]為例，該機床采用電火花線切割加工PCBN超硬刀具，加工精度高且加工出的多刃刀具的跳動可控制在0.001 mm，表面粗糙度可達Ra 0.4 μm，并且一次輸入程序即可切割出不同復雜幾何形狀的刀具，自動化程度高，不足之處就是切割表面粗糙度稍遜于磨削表面的而且價格昂貴。

由于PCBN中CBN單晶顆粒不導電，線切割加工難度大，易斷絲，許多學者對此做了研究。肖露等[33]認為聚晶層中的CBN單晶不導電，火花放電是通過黏結劑Co產(chǎn)生的，其導電能力遠遠低于硬質合金，造成PCBN切割效率難以提高。王軍等[31]認為PCBN進行電火花線切割加工時，放電電流因CBN單晶特性，產(chǎn)生了相當大的電壓降，使有效放電電壓降低，造成放電能量不足，切割效率低下。馬秀麗[34]在PCBN復合片電火花線切割試驗中，發(fā)現(xiàn)電參數(shù)和沖液條件是影響切割效率和絲損的主要因素；在峰值電流Ip(25 A)、脈沖間距ti/ts(空占比6)、脈沖寬度ts(12 μs)、運絲速度v(7.5 m/s)的加工條件下，采取單向高壓噴液(0.2 MPa )的供液方式，切割效率可提高到54.05 mm2/min，較常壓澆注方式提高了23.51%，如圖3所示。

圖3 高壓噴液與常壓澆注切割效率對比

Fig. 3 Comparison of cutting efficiency between high pressure spray and normal pressure pouring

4.2 PCBN超硬刀具的刃磨

盡管PCBN超硬刀具的硬度很高，但其刀具刃磨的方法與硬質合金刀具的刃磨方法基本相同，只是刃磨更加困難。華紅艷等[35]指出：刃磨工藝的目的是獲得更高的刃口質量，刃口質量的好壞在于刃磨砂輪粒度的選取，并且給出了按切刃的精度、用途的分類，如表3所示。

表3 按切刃的精度用途分類

Table 3 Classified by the precise use of cutting edges

5、PCBN超硬刀具結構

5.1 PCBN超硬刀具斷屑槽

為了更好的控制切屑，很多國內(nèi)外廠商都在PCBN超硬刀具上加上斷屑裝置，因為斷屑裝置可以：(1)控制切屑的流向、卷曲和折斷；(2)影響切削力、切削功率和切削溫度；(3)影響刀具的耐用度；(4)影響機床和工件的振動；(5)影響加工工件的表面質量等。

斷屑的方法很多，如振動斷屑、變進給量斷屑(斷續(xù)進給)、在工件上預制溝槽以及用機械方法或高壓射流強制斷屑等。但目前自動化機床上應用最廣泛的是采用在可轉位刀片上直接壓制出斷屑槽來實現(xiàn)斷屑?？赊D位刀片不僅能滿足自動化機床換刀迅速、定位準確等要求，而且具有效率高、使用方便、不需額外裝置和綜合成本低等優(yōu)點，是國內(nèi)外斷屑技術發(fā)展的主要方向。

圖4為“雙刃”PCBN長頸立銑刀CBN-2XLRB，刀頭形狀這樣設計是為了更好的排出切屑，而且可以長時間穩(wěn)定地加工工件。

圖4 長頸立銑刀CBN-2XLRB

Fig. 4 Long neck end milling cutter CBN-2XLRB

5.2 PCBN超硬刀具修光刃

修光刃技術可改變刀尖圓角半徑，提高進給速率，實現(xiàn)高速切削。在切削參數(shù)不變的情況下，表面質量可大大提高。Sandvik Coromant公司將修光刃技術引入到超硬刀片領域，可在精加工外圓和內(nèi)圓上提高表面質量和生產(chǎn)效率，獲得了巨大成功。張海濱等[36]也研發(fā)了一款PCBN修光刃刀片，修光部分設置在刀體銳角處且修光部分頂角角度為70°±15′、左下角的角度為85°、左下邊的長度為2 mm，修光部分的頂角處設有圓弧結構，圓弧結構和右側邊之間設有傾角為85°±15′的斜坡過渡，這種新型結構在加工臺階時可節(jié)省工作時間，提高生產(chǎn)效率。

5.3 新型PCBN超硬刀具

為了在加工淬硬鋼時得到更好的加工質量和加工效率，Sandvik Coromant公司推出新的具有safe-lock(安全鎖)結構的CB7015刀片，如圖5所示。這種刀片采用機械鎖定，使得刀片遠離高溫切削區(qū)域，可加強刀尖結構的強度、提高安全性，即使在連續(xù)和輕微斷續(xù)的條件下精加工，也可以提供可預測的性能。

圖5 CB7015刀片

Fig. 5 CB7015 blade

6、車削仿真

制造業(yè)的發(fā)展對產(chǎn)品不斷提出新要求，且產(chǎn)品的生命周期越來越短。由于實驗周期長、耗資大，單憑實驗無法跟進生產(chǎn)需求，仿真軟件的出現(xiàn)解決了這一問題。隨著科學技術的發(fā)展，切削仿真軟件的精度逐漸提升，可以在允許的誤差范圍內(nèi)觀測到切削實驗無法測量的數(shù)據(jù)，如切削溫度、切削應力等，并且可以觀測到每一步的切屑形態(tài)、刀具和工件的狀態(tài)，還可以更加方便的分析數(shù)據(jù)、節(jié)省時間和控制成本。

6.1 刀型的仿真

PCBN的磨損形式主要是前刀面磨損，其原因主要是切削溫度高。通過調(diào)整刀具的幾何形狀和結構可以降低切削溫度和切削力，這對于PCBN刀具設計來講尤為重要。

王曉明等[37]采用ABAQUS對無織構刀具和織構刀具進行了切削過程仿真分析，如圖6所示。結果表明：刀具表面適當?shù)目棙嬁梢蕴岣叩毒叩那邢餍阅埽档偷毒咴谇邢鬟^程中的切削力和切削溫度；與無織構刀具相比，等間距織構刀具的主切削力減少9.8%，前刀面的切削溫度降低12.4%，如表4所示。

表4 切削力與切削溫度仿真結果

Table 4 Cutting force and cutting temperature simulation results

王文韜[38]利用ADVANTEFGE軟件模擬切削50Mn鋼時不同斷屑槽寬和槽高對切屑彎曲半徑的影響，發(fā)現(xiàn)：切屑的曲率半徑隨著斷屑臺高度的降低而增大，隨著槽寬的增大而增大。由此仿真結果可以推理：在合理范圍內(nèi)，如果斷屑臺越高、槽寬越小，切屑的曲率半徑就越小，從而切屑更容易達到材料斷裂應變值而折斷。

6.2 刀具角度的仿真

良好的刀具角度可以降低刀具溫度、減小切削力，從而增加刀具耐用度、提高生產(chǎn)效率，這對于PCBN超硬刀具切削工件的優(yōu)化是必不可少的。

江道銀等[39]利用ABAQUS軟件對30CrMnSiA進行切削模擬，探究前角、后角、切削速度和背吃刀量的關系，發(fā)現(xiàn)：當切削速度為70 m/min，背吃刀量為0.1 mm，同時增大前角和后角，切削力增大，前角的影響程度較大；當切削速度為90 m/min，背吃刀量為0.2 mm，同時增大前角和后角，切削力增大，且后角的影響程度較大；當切削速度為110 m/min，背吃刀量為0.3 mm，同時增大前角和后角，切削力減小。

6.3 刀具磨損仿真

PCBN超硬刀具的磨損仿真可以更好地總結出刀具適合加工的環(huán)境、工時等，在刀具設計中尤為重要。

張佳奕[40]通過有限元仿真軟件ABAQUS模擬了不同磨損程度的PCBN超硬刀具切削高強度鋼Cr12MoV的過程，分析了切削力、切削溫度和切屑形態(tài)的變化，發(fā)現(xiàn)：PCBN超硬刀具分別在磨損量為0.00、0.05、0.10、0.15、0.20 mm時，切削力和切削溫度隨著刀具磨損量的增大而增大，對切屑形態(tài)的影響也較大；雖然磨損標準為0.20 mm，但當PCBN超硬刀具切削Cr12MoV的磨損量為0.15 mm時，就己經(jīng)對切削過程產(chǎn)生很大影響，并通過試驗進行了驗證。

邱慧等[41]通過使用Deform 3D切削軟件模擬切削GCr15材料，發(fā)現(xiàn)實驗值比模擬值要大，但模擬值與實驗值的誤差不超過10%，是由于刀具磨損增大導致刀具角度改變造成的。在實際切削過程中，由于GCr15中存在大量的硬質顆粒，刀具磨損較大，同時刀具-切屑接觸面積減少，加劇刀具的磨損，最終使刀具角度在較短切削時間內(nèi)發(fā)生了較大改變，刀具變鈍，刀具前角增大，造成切削過程中切削力增大。

CAMARGO等[42]利用PCBN超硬刀具車削淬火和回火鋼AISI D6，并測量工件表面粗糙度、切削力和刀具磨損，利用統(tǒng)計學軟件STATISTICA和MATLAB進行多元回歸分析，建立數(shù)學模型估計刀具磨損和切削參數(shù)的函數(shù)，最終提高了理想車削淬火鋼的切削條件。

6.4 刀具切削力仿真

呂釗[43]通過AdvantEdge模擬軟件仿真了同型號PCBN車刀車削不同硬度的Cr12MoV，發(fā)現(xiàn)工件硬度對切削力的影響規(guī)律：工件硬度越大，屑-刀接觸面上的切削力越大；當工件硬度達到55HRC時，切削力達到最大；隨后工件硬度繼續(xù)增大，切削力又逐漸減小。

胡自化等[44]用PCBN超硬刀具對鎳基高溫合金GH4169進行高速切削試驗，結果表明：切削力隨切削速度的增大先增大后減小，隨切削深度、進給量的增加而增大?；貧w分析顯著性檢驗結果證明：所建立的模型能對切削力進行有效預測，三向切削力模擬的綜合平均偏差小于15%，驗證了有限元模型的正確性和有效性。

6.5 刀具應力仿真

吳春雨等[45]通過ABAQUS有限元模擬切削Cr12MoV，并且結合單因素正交試驗法和多元正交試驗設計，得到了不同切削參數(shù)對零件表面殘余應力的影響規(guī)律以及最佳切削方案，得到結論如下：零件表面殘余壓應力隨摩擦系數(shù)增大而增大，隨切削深度增加而增大，隨切削速度增大而減??；在選取的3種切削參數(shù)中，對零件表面殘余應力的影響程度從大到小依次為摩擦系數(shù)、切削深度、切削速度。

6.6 刀具溫度仿真

王博[46]利用ADVANTEDGE軟件對鎳基高溫合金GH4169進行車削過程仿真，分析發(fā)現(xiàn)：刀具表面大部分熱量都集中在切屑剪切變形區(qū)；并且剪切變形區(qū)溫度呈階梯型分布，靠近切削刃的顏色較深，遠離切削刃的顏色較淺；工件的最高溫度840 ℃出現(xiàn)在切屑區(qū)，明顯要高于刀具切削刃的溫度686 ℃。這主要是因為金屬GH4169的導熱性比PCBN超硬刀具的導熱性差，整個刀具的切削熱最集中位置在距離刀尖1～2 mm處，這個區(qū)域散熱條件較差，溫度較高，導致前刀面發(fā)生月牙洼磨損。在切屑與切削層分裂的位置，溫度的變化梯度較大，距離切削刃0.l mm處，溫度下降非常明顯，說明切屑的切削熱主要集中在靠近前刀面部分，因此切削溫度會影響刀具前刀面的摩擦系數(shù)；后刀面接觸長度較短，在極短的時間會完成溫度的升降，因此刀尖部分會受到熱沖擊。圖7為不同負倒棱角度下的切削溫度圖。

7、總結及展望

21世紀的機械制造業(yè)正在向著高效率、高精度、自動化和柔性化方向飛速發(fā)展，與此同時，新技術設備、高檔數(shù)控機床以及性能優(yōu)良的新材料正在日益被廣泛應用，為性能卓越的超硬材料刀具提供了廣闊的市場空間。

PCBN超硬刀具的生產(chǎn)制造工藝相對復雜，影響因素較多。例如刀具的加工工藝，加工設備等都制約著其在機械行業(yè)的使用情況，如果僅僅研究PCBN的刀具材料性能則會淪為閉門造車，必定帶來研發(fā)周期長、研發(fā)方向失準等問題。為了穩(wěn)定控制PCBN超硬刀具的質量并促進其發(fā)展，需要原料供應商、PCBN材料廠商、刀具制造商等協(xié)同合作發(fā)展才能實現(xiàn)。

在刀具研發(fā)方面，模擬仿真是一項重要的研發(fā)手段，可以減少試驗次數(shù)，有效控制成本，并且更容易觀測實驗數(shù)據(jù)。但相對理想化的模擬條件限制了其仿真精度，所以在仿真后還需要實驗驗證其真實性。為了更加精確的仿真切削，為刀具研發(fā)節(jié)省時間和成本，需要注意3點：(1)建立完善的切削仿真數(shù)據(jù)庫；(2)建立完善的刀具材料本構方程和模型數(shù)據(jù)庫；(3)開發(fā)符合實際需求的仿真軟件。

我國是CBN原材料生產(chǎn)大國，但在PCBN刀具材料和刀具研發(fā)及其應用上遠不如其他制造業(yè)強國，這對我國超硬材料刀具研發(fā)提出了新的挑戰(zhàn)。我們要吸取國外研發(fā)經(jīng)驗，突破制造瓶頸，提高超硬材料質量，優(yōu)化刀具結構，為“中國制造2025”添磚加瓦。

作者簡介 李艷國，男，1978年生，博士，副研究員。主要研究方向：超硬材料。E-mail: lyg@ysu.edu.cn

通信作者：鄒芹，女，1978年生，博士，教授。主要研究方向：機械加工超硬工具及特種零部件材料。E-mail: zq@ysu.edu.cn