聚晶立方氮化硼刀具研究进展*

张 喆，张 俊

(桂林特邦新材料有限公司，广西 桂林 541004)

聚晶立方氮化硼刀具研究进展*

张 喆，张 俊

(桂林特邦新材料有限公司，广西 桂林 541004)

随着当今高速切削领域的迅猛发展，聚晶立方氮化硼刀具因具有加工效率高、耗时短、所加工的产品表面粗糙度小和对环境友好等优势，已逐渐占据着越来越重的市场份额。聚晶立方氮化硼刀具的寿命不仅与作为刀头材料的立方氮化硼的粘结剂种类、cBN含量等有关，还与所选用的刀具结构与刀具几何参数是否与之相匹配有关。文章着重从聚晶立方氮化硼刀具自身出发，阐述近年来研究者在刀具结构领域的最新进展以及人们为提高工件表面质量和延长刀具寿命而进行的刀具几何参数优化与理论研究，并对其未来发展进行展望。

聚晶立方氮化硼刀具；刀具结构；刀具几何参数

1 概 述

聚晶立方氮化硼(PcBN,Polycrystalline Cubic Boron Nitride)是硬度仅次于金刚石的人工合成物质，具有优异的耐磨性、耐腐蚀性、耐热性和导热性，广泛应用于高速切削耐磨有色金属、黑色金属、化学活性材料、高硬度高强度材料等方面，切削过程中无须添加冷却液，对环境友好，与我国可持续发展方针相符，具有广阔的发展空间。

与其他刀具相比，PcBN刀具具有以下优势：(1)与硬质合金刀具相比，切削速度大幅提升，大大缩短工件加工时间，且PcBN刀具在高速切削化学活性材料和高硬度高强度材料时，切削力小，在切削过程中不产生积屑瘤，且耐用度是硬质合金刀具的十倍以上；(2)与PCD刀具相比，PcBN刀具虽耐磨性略低于PCD刀具，但其与Fe亲和性差，特别适用于黑色金属的切削加工；(3)与陶瓷刀具相比，PcBN刀具抗冲击能力强且耐磨性大大优于陶瓷刀具，且二者所适用的加工方式有所区别。即陶瓷刀具一般适用于材料的粗加工，而PcBN刀具适用于表面粗糙度较小的材料精加工。

聚晶立方氮化硼复合片作为刀具的核心部分，其所含的粘结剂种类、cBN含量和界面结构决定了其加工对象与切削方式，并在一定程度上决定了刀具的寿命。如选用金属作为粘结剂，高cBN含量(80%～90%)的PcBN复合片所制的刀具，一般适用于粗加工、半精加工镍铬铸铁，断续加工耐热合金钢、硬质合金和铸铁等。而选用陶瓷作为粘结剂，低cBN含量(50%～60%)的PcBN刀具，则适用于精加工淬火钢、模具钢和轴承钢。又如向聚晶层和合金层之间添加过渡层或改变二者之间的界面连接方式就可以削弱复合片内部的残余应力，从而减少在制备刀具和使用刀具的过程中，复合片因脱层而导致的刀具失效。

另一方面，研究者针对刀具的结构设计及刀具几何参数选用进行了大量研究，通过结构设计和几何参数优选，可以提高与聚晶立方氮化硼材料性能的匹配性，不但可以增益PcBN刀具的耐用度，还可以提高加工效率，降低成本，对PcBN刀具以后的发展和应用领域的拓宽，有着重要的现实意义。

2 刀具结构设计

近年来，刀具结构设计层出不穷，一方面研究者对已有的刀具结构进行改良，使之获得优异性能，另一方面则推出不同以往的全新刀具设计。

2.1 刀具结构改良

在已有刀具结构上进行改良最多的当属目前广泛应用于数控机床上的以硬质合金为基体的复合型cBN刀具结构。原结构是在可转位硬质合金刀片角上焊接PcBN复合片，刀片中心设置固定槽，形状多为菱形、三角形和正方形等。这种结构可充分发挥PcBN复合片的耐磨性和韧性，拓宽了PcBN刀具的应用领域，其加工工件表面精度高，切削速度快，效率高，但此类刀具成本较高，多用于加工生产高精度零部件。

随着目前设备自动化程度的提升，该类刀具随之广泛普及并不断完善。如郑州博特硬质材料有限公司[1]在切削刃上设置夹角为75°～95°之间的V字形断屑槽(如图1(a))。该种设计能发挥优异的断屑性能，降低了切削处刀具温度，提高了刀具高温使用寿命，又可改善加工环境，提高了工件表面质量。除在刀片切削刃上加工切削槽以外，也有通过焊接断屑器达到相同目的的。如河南黄河旋风股份有限公司[2]通过真空钎焊技术将凸台形的断屑器镶嵌在刀具的切削刃上，其中断屑器材料为高cBN含量的立方氮化硼聚晶(如图1(b))。经改良后，刀具具备断屑、散热的功效，使得刀具寿命和工件表面质量都有所提升；江苏切剀刀具有限公司[3]通过在切削刃上焊接三个凸起式抗月牙洼磨损槽及一个加强型凸起结构(如图1(c))，不但解决了刀具的断屑问题，还大大降低了精加工中刀具前刀面的月牙洼磨损，显著延长了刀尖寿命；郑州市钻石精密制造有限公司[4]将原切削刃处圆弧状过渡改进为倒角过渡(如图1(d))，减小了刀具与工件的接触面积，更利于排屑，既有效降低了刀具切削刃处所受的切削阻力，又提高了工件表面质量，降低了加工成本。

图1 PcBN刀具结构改良Fig.1 Improved structure of PCBN cutting tool

2.2 刀具结构创新

刀具结构创新主要表现在材质方面的替换更新，如出现了整体式PcBN刀具结构和夹层式PcBN刀具结构两类结构。

(1)整体式烧结聚晶立方氮化硼刀具

该种结构采用整体烧结的聚晶立方氮化硼作为刀片，并通过在PcBN烧结体上设置固定槽，防止刀片在使用过程中发生偏转或飞出，既保证了刀具具备一定的安全性，也提高了工件表面加工精度。刀具形状通常以三角形和四边形为主，如图2所示[5-6]。由于刀头整体采用PcBN烧结体，一方面避免了焊接过程中产生的焊接应力，另一反面避免了高温下刀头软化的缺陷，并维持了刀具良好的耐冲击性。

图2 整体式烧结聚晶立方氮化硼刀具Fig.2 Monolithic sintered PCBN cutting tool

(2)夹层式PcBN刀具结构

这种结构的特点在于采用的材料为双面复合立方氮化硼复合片，即上下端面为立方氮化硼聚晶层，中间为硬质合金基体。其外观类似于以聚晶立方氮化硼作为刀头的整体式刀具，刀具上普遍设有两个切削端，且其形状与切削工件形状相匹配，如图3所示[7-8]。这种夹层结构一方面降低了刀具的生产成本，提高了加工效率，延长了使用寿命，另一方面提升了刀具的抗弯强度和抗冲击性能，进一步扩大了立方氮化硼刀具的使用领域与范围。

图3 夹层式PcBN刀具结构Fig.3 Sandwich type PCBN cutting tool

3 刀具几何参数研究

除了刀具的切削部分结构设计之外，人们还深入研究影响切削力、工件表面质量与刀具寿命的相关因素，其中刀具几何参数就占很大比例。通过掌握这些因素的工作机理和变化规律，对其进行参数优化，充分发挥聚晶立方氮化硼的优异性能，延长刀具的使用寿命，提高工件表面质量，使之成为刀具研究方面的另一热点。

3.1 倒棱参数

刀具的倒棱参数包含倒棱角度和宽度两个方面。由于作为刀头材料的聚晶立方氮化硼自身脆性较大，为了防止因崩刀而导致的刀具失效现象的发生，倒棱角度往往取负值，以增加刀具刃口强度。此外，由于负倒棱前角会使得加工工件表面产生残余压应力，也有助于提高工件的疲劳强度。

李启泉等人[9]研究发现，倒棱宽度对刀具使用寿命影响很大，随着倒棱宽度的增大，切屑将全从倒棱处流出，此时负倒棱起负前角刀面的作用，促使切削温度升高，切削力增大，刀具的机械磨损和气化磨损加大，由此缩短了刀具的使用寿命。且倒棱宽度大小对工件切屑的流向也有直接影响，即当倒棱宽度较小时，切屑流向进给方向的反方向和刀具下方，而当宽度变大时，切屑会流向除进给方向的反方向以外的各方向。

邓福铭等人[10]针对倒棱角度对PcBN刀具的影响进行了相关研究。研究发现，当倒棱角度为-10°时，由于刀具与工件的接触面积小，挤压程度轻，工件仍处于硬度较高的状态，切削力较大，此时主要以机械磨损为主，常伴有崩刃现象出现，且工件表面粗糙度大。当倒棱角度增至-15°时，由于刀具与工件挤压程度加剧，工件表面金属出现软化，切削力大幅减小，刀具后刀面磨损量最小，有利于延长刀具使用寿命并提高工件表面精度。当倒棱角度继续增至-20°时，切削温度继续升高，加速了刀具因高温而产生的气化磨损，约比-15°时寿命下降一倍。

而当PcBN刀具用于断续切削时，倒棱角度对刀具寿命的影响又有所变化。如任帅民等人[11]对-15°至-28°区间的倒棱角度进行研究，发现当倒棱角度为-15°～-20°区间时，在径向上受到很大的瞬间冲击力，使得刀具因机械冲击而大大缩短寿命。而当角度增大至-25°时，由于此时工件表面金属出现软化，机械冲击得到有效缓解，而使用寿命有所提升。但角度继续增大至-28°时，高温发生的氧化和扩散磨损使得寿命又有所下降。与连续切削相比而言，断续切削趋向于采用更大的倒棱角度和宽度，以此提高切削刃的韧性，减小机械冲击给刀具带来的损伤。但无论连续或断续切削，倒棱参数对切削力和刀具寿命的影响都是一致的，但其具体取值还应根据工况和加工对象的不同而定。

除此之外，人们还在倒棱后的刃口处进行钝化处理，以减少切削过程中易扩展成为裂纹的小锯齿数量，从而使得刀具获得更好的抗冲击韧性，降低崩刃概率，延长刀具的使用寿命。如刘海涛等人[12]通过含磨料尼龙刷对倒棱后的刀具刃口进行钝化处理，经处理后的切削刃口微观缺陷减少，前后刀面光洁度提高，刀具的坚固度有所提升。随着钝圆半径的增大，初期磨损阶段缩短，正常磨损阶段延长，且崩刃倾向有了明显的降低。与未进行刃口处理的刀具相比，钝圆半径为4.8μm的刀具使用寿命提高三倍左右。这种处理已在硬质合金刀具、高速钢刀具中广泛应用13-15]，但在PcBN刀具中研究较少，还未推广开来。

3.2 刀尖圆弧半径

刀尖圆弧可提高PcBN刀具的抗冲击韧性，特别是在提高工件表面质量方面表现尤为显著。近年来，人们开始对此进行更为深入的研究，包括模拟仿真、理论研究以及大量试验验证等，以获得表面精度高的工件及延长工具使用寿命的方法。

如李畅[16]对刀尖圆弧半径切削时受到的应力场进行仿真模拟，研究刀尖圆弧半径与切削力、切削温度之间的关系。发现随着半径的增大，切削时工件受到的挤压程度及范围也随之增大，最大应力区域向后刀面的后面转移，使得切削力增大。尤其是当刀尖圆弧半径大于切削厚度时，刀具以负前角进行切削，增大了与工件之间的接触面积，挤压及摩擦作用明显加重，此时变形功增大，切削温度升高。

邹玉明[17]则针对刀尖圆弧半径与工件表面质量之间的关系进行了深入探讨。研究发现，随着刀尖圆弧半径的增大，工件残留面积随之减小，刀具磨损程度降低，综合表现为工件的表面粗糙度减小。但随着刀尖圆弧半径的继续增加，径向挤压力明显增大，此时系统振动加剧，刀具易产生微崩刃，增大了工件的表面粗糙度。

楚文斌[18]等人对刀尖圆弧半径与表面粗糙度之间关系做了进一步补充，说明在考虑工件表面粗糙度时应将进给量与刀尖圆弧半径结合，在选取较小的进给量的同时，还应选取较大的刀尖圆弧半径，一般刀尖圆弧半径与进给量之比大于或等于1.25为宜。但考虑圆弧半径太大会给刀具带来不利影响，其大多选取在0.8～1.0mm范围内。

此外，李盼来[19]还系统研究了刀尖圆弧半径对刀具寿命的影响，其变化规律与表面粗糙度相似，即随着圆弧半径的增大，刀尖由锋利变钝，降低了刀刃所受的压应力，避免了刀具因崩刀而造成的失效概率，延长了刀具寿命。而当圆弧半径继续增大时，切削力与切削温度随之显著增大，增加了刀具的粘结磨损和扩散磨损现象，最终会降低刀具的使用寿命。

4 结束语

聚晶立方氮化硼刀具集“新材料”、“机床与新型刀具”和“汽车及零部件”等研究热点于一身，无论从原材料到刀具再到应用均为我国大力支持的重点技术研发方向，势必具有其他刀具无法比拟的广阔前景，必将成为各类制造业自动化智能化生产发展的主流刀具。然而，目前国内刀具结构设计与刀头材料研究严重脱节，人们往往忽视二者之间的相互关联，不能因地制宜地根据PcBN复合片的性能来设计PcBN刀具结构参数，从而使得刀具以及PcBN复合片未能充分发挥性能，导致使用效果大打折扣。因此，充分了解刀具结构和刀具几何参数的作用及规律，根据材料特性综合调节刀具结构，二者匹配性的提高，对PcBN刀具的进一步推广及应用均具有重要的现实意义。

[1] 郑州博特硬质材料有限公司.一种断屑槽刀片:中国,CN205309352U[P].2016-06-15.

[2] 河南黄河旋风股份有限公司.一种可转位PcBN断屑槽刀片:中国,CN204867480U[P].2015-12-16.

[3] 江苏切剀刀具有限公司.用于精加工的带有抗月牙洼磨损槽的车削超硬刀片:中国,CN203541577U[P]. 2014-04-16.

[4] 郑州市钻石精密制造有限公司.用于加工缸体的聚晶立方氮化硼刀具:中国,CN202639371U[P].2013-01-02.

[5] 郑州博特硬质材料有限公司.一种整体烧结三角形PcBN刀片:中国,CN205309335U[P].2016-06-15.

[6] 北京沃尔德金刚石工具股份有限公司.一种迷你型整体PcBN刀片:中国,CN205763943U[P].2016-12-07.

[7] 郑州昊诚超硬工具有限公司.一种切削用立方氮化硼刀具:中国,CN203281906U[P].2013-11-13.

[8] 郑州博特硬质材料有限公司.一种用于加工轴承的双面复合PcBN刀片:中国,CN204381450U[P].2015-06-10.

[9] 李启泉,张旺玺,刘书锋,等.不同PcBN刀具车削硼铸铁的对比研究[J].金刚石与磨料磨具工程, 2015,35(206):63-68.

[10] 邓福铭,刘佩,杨俊杰,等.PcBN刀具几何结构参数优化设计研[J].超硬材料工程,2013,25(5):1-5.

[11] 任帅民,李嫚,张弘弢,等.PcBN刀具断续切削淬火钢时负倒棱角度对其切削性能的影响[J].工具技术, 2010,44(6):13-16.

[12] 刘海涛,李嫚,张弘弢.刃口钝化对PcBN刀具切削性能影响的研究[J].工具技术,2011,45(4):29-32.

[13] 郭芬芳.整体硬质合金刀具钝化的研制与应用[J].超硬材料工程,2012,24(4):35-37.

[14] 夏雪.刀具刃口钝化技术及方法的研究[J].装备制造技术,2014,(10):204-105.

[15] 王林静,张伟,干为民,等.硬质合金刀具刃口钝化方式对比试验研究[J].工具技术,2013,47(12);25-28.

[16] 李畅.PcBN刀具高速车削镍基高温合金试验及仿真研究[D].湘潭:湘潭大学,2014.

[17] 邹玉明.PcBN刀具切削粉末冶金气门座圈切削性能研究[D].合肥:合肥工业大学,2015.

[18] 楚文斌,林大钧,陈浩,等.刀具参数对加工表面粗糙度影响的研究[J].图学学报,2014,35(1):52-56.

[19] 李盼来.PcBN超硬刀具加工蠕墨铸铁切削性能研究[D].广州:广东工业大学,2015.

TheResearchProgressofthePolycrystallineCubicBoronNitrideCuttingTool

ZHANG Zhe，ZHANG Jun

(GuilinTebonSuperhardMaterialCo.,Ltd.,Guilin,Guangxi541004)

With the rapid development of high-speed cutting, polycrystalline cubic boron nitride tool has gradually claimed an increasing market share due to its superiorities such as high efficiency, time-saving, minimum surface roughness and environment friendly. The service life of PCBN cutting tool is related to not only the type of binder for the tool bit material (Cubic Boron Nitride) and the content of cBN, but also to the fact that whether the structure of the cutting tool would match its geometrical parameter. The latest research progress by researchers in the recent years and geometric parameter optimization and theoretical study to improve the surface quality of the workpiece and to extend the service life of the cutting tool has been discussed in this article. Moreover, the outlook of the future development of it has been offered.

polycrystalline cubic boron nitride cutting tools; structure of the cutting tool; geometric parameters of the cutting tool

2017-01-15

张喆(1988-)，女，广西桂林人，研究生，工学硕士学位，主要从事超硬材料相关研究。

张喆，张俊.聚晶立方氮化硼刀具研究进展[J].超硬材料工程，2017，29(5)：52-55.

TQ164

A

1673-1433(2017)05-0052-04