超硬材料CBN(立方氮化硼)作為磨料應(yīng)用已有40余年的歷史了，在磨削加工方面已有相當(dāng)成熟的應(yīng)用技術(shù)，PCBN(聚晶立方氮化硼也稱立方氮化硼燒結(jié)體)作為刀具材料應(yīng)用于切削加工始于70年代，經(jīng)過20多年的應(yīng)用，在切削加工的各個(gè)方面都表現(xiàn)了優(yōu)良的切削性能和一些不同于其它材料刀具的特殊規(guī)律，我國(guó)PCBN刀具的應(yīng)用相對(duì)發(fā)達(dá)國(guó)家還比較少，缺少這方面的技術(shù)資料，本文綜合國(guó)內(nèi)外有關(guān)資料及作者應(yīng)用PCBN刀具的試驗(yàn)結(jié)果介紹如下。
　　1 PCBN刀具材料的性能
　　PCBN按其制造工藝分有由CBN經(jīng)高溫高壓直接結(jié)合成燒結(jié)塊的，也有加金屬或陶瓷等粘結(jié)劑在經(jīng)高溫高壓燒結(jié)成的；按成品復(fù)合方式分，有單獨(dú)CBN燒結(jié)塊，也有CBN／硬質(zhì)合金復(fù)合燒結(jié)的PCBN復(fù)合片。本文將以PCBN復(fù)合片刀具的切削性能為主進(jìn)行介紹。
　　具有較高的硬度和耐磨性
　　CBN晶體結(jié)構(gòu)與金剛石相似，化學(xué)鍵類型相同、晶格常數(shù)相近，因此具有與金剛石相近的硬度和強(qiáng)度。 CBN微粉的顯微硬度為HV8000～9000，其燒結(jié)體PCBN的硬度一般為HV3000～5000。
　　具有很高的熱穩(wěn)定性
　　CBN的耐熱性可達(dá)1400～1500℃，PCBN在800℃時(shí)的硬度還高于陶瓷和硬質(zhì)合金的常溫硬度。
　　具有優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性
　　CBN的化學(xué)惰性特別大，在1200～1300℃時(shí)也不與鐵系材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，與碳在2000℃時(shí)才發(fā)生反應(yīng)；在中性、還原性的氣體中，對(duì)酸堿都是穩(wěn)定的。其對(duì)各種材料的粘結(jié)擴(kuò)散作用比硬質(zhì)合金小得多。
　　具有較好的導(dǎo)熱性
　　在各類刀具材料中CBN的導(dǎo)熱性僅次于金剛石，大大高于硬質(zhì)合金，而且隨著溫度的升高， PCBN導(dǎo)熱系數(shù)是增加的。
　　具有較低的摩擦系數(shù)
　　與不同材料間的摩擦系數(shù)CBN為0.1～0.3、硬質(zhì)合金為0.4～0.6，隨著切削速度的提高，摩擦系數(shù)是減小的。
　　2 PCBN刀具的切削特性
　　PCBN刀具材料由于具有上述的特殊性能，因此在不同切削情況下，表現(xiàn)出了不同于其它材料刀具特殊的規(guī)律。
　　切削高硬度淬硬鋼刀具壽命高
　　PCBN刀具切削淬硬鋼時(shí)，隨著被加工材料硬度的增高，刀具壽命并非單調(diào)下降，而是在HRC40時(shí)刀具壽命最低(如圖1所示)，圖1VB=0.2mm；ap=0．5mm；f=0.1mm/r，工件材料：35CrMo。當(dāng)工件材料硬度高于此硬度后，刀具壽命反而增加。這主要是由于PCBN材料高溫下硬度損失小，而工件材料硬度較高時(shí)，由于切削熱作用將切削區(qū)域金屬軟化，而使切削加工更易于進(jìn)行。 PCBN這一特性非常適于加工高硬度材料，以車削代磨削可獲得以往只有用磨削加工才能得到的加工表面質(zhì)量。

圖1 刀具壽命與被加工材料硬度的關(guān)系

　圖2 切削正火鋼時(shí)切削速度與刀具壽命的關(guān)系

　　切削正火鋼刀具壽命低
　　切削正火材料時(shí)，PCBN刀具的壽命要低于硬質(zhì)合金刀具(如圖2所示)，切削用量：f=0.1mm/r；ap=0.5mm。并且刀具壽命比切削淬火鋼時(shí)壽命還要低。由此可以看出PCBN刀具不適于加工正火材料。
　　切削灰口鑄鐵刀具壽命曲線彎曲
　　切削灰口鑄鐵PCBN刀具壽命與切削速度的關(guān)系不符合泰勒公式，其后刀面磨損VB及前刀面月牙洼磨損深度KT都呈現(xiàn)出了相同的規(guī)律(如圖3所示) ,圖3切削用量：f=0.1mm/r，ap=0.5mm。

圖3 切削灰口鑄鐵時(shí)刀具壽命與切削速度關(guān)系

圖4 切削黃銅時(shí)的刀具磨損曲線

　　切削耐磨黃銅時(shí)刀具壽命高于金剛石刀具
　　切削有色金屬時(shí)，通常燒結(jié)金剛石(PCD)是最佳刀具材料，但切削耐磨黃銅時(shí)，PCBN刀具壽命高于燒結(jié)金剛石和硬質(zhì)合金刀具(如圖4所示),圖4切削用量：v=200m/min；f=0.2mm/r，ap=1.0mm。
　　高速下PCBN刀具壽命高
　　圖5切削用量：f=0.05mm/r，ap=0.05mm；工件材料：HPM31HRC57；球頭立銑刀R5順銑。圖5所示為不同速度下PCBN刀具切削淬硬鋼時(shí)刀具后刀面磨損與切削距離的關(guān)系，由圖5可以看出：當(dāng)切削速度超過一定限度后，切削速度越高，刀具的磨損速度反而降低，即高速下PCBN刀具的壽命高于低速，因此PCBN刀具適合高硬度材料的高速切削加工。

圖5 不同速度下PCBN刀具的壽命

圖6 干切與濕切情況下PCBN刀具壽命與切削速度的關(guān)系

　　干切條件下PCBN刀具壽命高
　　圖6工件材料為鑄鐵，是PCBN刀具在干、濕兩種切削條件下刀具壽命的對(duì)比。由圖6可以看出：在干切情況下，PCBN刀具壽命反倒高于使用切削液的情況，其主要原因是由于干切時(shí)切削溫度高，PCBN高溫硬度高，因此硬度損失少，而工件材料在高溫下硬度損失大，硬度降低后更易于切削的緣故。
　　3 PCBN刀具的加工表面質(zhì)量
　　PCBN刀具不僅具有優(yōu)良的切削性能，同時(shí)也能獲得其它種類刀具很難獲得的加工表面質(zhì)量。
　　可獲得較低的表面粗糙度
　　用PCBN刀具加工不同材料都能獲得較低的表面粗糙度，圖7所示是加工鑄鐵時(shí)，PCBN刀具與硬質(zhì)合金刀具的表面粗糙度對(duì)比。由圖7可以看出：PCBN刀具加工表面粗糙度遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于硬質(zhì)合金刀具，而且隨著切削速度的提高，越來越接近粗糙度的理論值。另外，由于PCBN刀具硬度高、耐磨性好，因此，能在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)獲得較一致的表面粗糙度。圖7工件材料：鑄鐵FC25；切削用量：f=0.1mm/r；ap=0.3mm。
　　能獲得較好的表面應(yīng)力狀態(tài)
　　如圖8所示，磨削加工得到的加工表面通常產(chǎn)生拉應(yīng)力，用PCBN刀具加工淬硬鋼時(shí)，工件表層組織通常有殘余壓應(yīng)力，殘余壓應(yīng)力可提高零件的疲勞強(qiáng)度及耐磨性。圖8切削條件：工件材料：GCr15淬火；磨削：v=35m/s；vf=10mm/min；fr=0.008mm；車削：v=70m/min，f=0.07mm/r；ap=0.1mm。

圖7 PCBN刀具的加工表面粗糙度

　圖8 PCBN刀具切削獲得的加工表面殘余應(yīng)力

圖9 PCBN刀具加工表面硬度的變化

　　加工表面表層硬度的變化
　　PCBN刀具切削淬硬鋼表面表層硬度與磨削的比較如圖9所示。由圖9可以看出：磨削加工獲得的工件表層硬度有所下降，而PCBN刀具加工獲得加工表面硬度略有上升，提高了加工表面的機(jī)械性能。圖9工件材料：SCM21，淬火HRC50；切削用量：車削：v=300m/min；f＝0.3mm/r；ap=1.0mm；磨削：vc=1450m/min；vw=80m/min；ap=0.015mm。
　　另外，PCBN刀具切削硬材料時(shí)，由于刀具導(dǎo)熱性好所產(chǎn)生的切削熱被切屑帶走較多，工件加工表面表層纖維組織無顯著變化，而磨削加工若切削用量選擇不當(dāng)，則容易產(chǎn)生表面燒傷。
　　4 結(jié)束語(yǔ)
　　PCBN刀具具有優(yōu)于其他材料刀具的切削性能，尤其適合高硬度淬硬鋼及耐磨材料的切削加工，在高速切削加工及干式切削加工方面表現(xiàn)出了優(yōu)良的切削性能，在一定條件下可以得到與磨削相媲美的加工表面質(zhì)量；但PCBN刀具壽命有特殊的變化規(guī)律，如：切削中等硬度的淬硬鋼及正火鋼時(shí)刀具壽命低、切削鑄鐵時(shí)刀具壽命曲線的彎曲等，若了解掌握這些特殊規(guī)律，便可在使用中充分發(fā)揮其優(yōu)越的切削效能，創(chuàng)造出巨大的經(jīng)濟(jì)效益。