1 概述

高铬铸铁，耐磨合金铸铁，冷硬铸铁等难加工材料在电力、冶金、煤炭、建榜等行业，已被广泛应用。高铬白口铸铁就是经常被采用的材料，该材料属高合金铸铁类，铸件耐磨性好，硬度高；然而在刀具高速切削高铬白口铸铁时，要求有很高的切削率，相应切削温度也高，再加上刀具的塑性变形，很容易导致刀具断裂。

在以上行业的金属切削中，长期以来面临着以下问题：硬质合金刀片只能承受较低的切削速度，无法加工58HRC以上的铸件；陶瓷刀片在粗车中能承受10m／min左右的切削速度，但遇到夹渣、沙眼或在渣浆泵叶轮这样的断续车削的加工中，常出现刀片碎裂现象，刀片的磨损、破损、崩刃十分严重，切削效率极低。人们一直在寻找更适合的刀具，而新型整体聚晶立方氮化硼（PCBN）刀具的开发和应用，很好地解决这些瓶颈问题。

随着立方氮化硼（CBN）纳米技术的开发和合成技术的创新，利用PCBN刀具加工高铬铸铁，白口铸铁已成为现实。与陶瓷刀具相比，PCBN刀具具有更高的硬度、耐磨性、冲击强度和抗破碎能力。PCBN刀片材料的主要合成类型包括聚晶片（由CBN与结合剂合成的刀片）和复合片（以硬质合金为基体的复合型CBN刀片）。大量事实表明：以聚晶立方氮化硼为材料制造的PCBN刀具，是实现铸铁和硬钢件（45HRC以上）高效率、高质量加工的首选刀具

。

2 整体PCBN刀具与陶瓷刀具切削性能比较

2.1 刀具结构及切削参数的选择

分别用整体PCBN刀具和氮化硅陶瓷刀具干式车削渣浆泵护套，所用刀杆的尺寸：150mm×30mm×35mm。刀片结构及切削参数见表2。

2.2 切削现象

PCBN刀具车削Cr26时，刚开始切屑呈崩碎屑，10～15min之后，刀刃有微量磨损，开始出现切屑拉长现象，同时，切屑的颜色由金黄色变成浅蓝色或深蓝色，刀片加工工件的过程由纯粹的切削转化为切削与挤削共存，这与陶瓷刀具的纯挤削现象不同。PCBN刀具加工时，声音清脆，没有陶瓷刀具加工时的刺耳噪声。PCBN刀具的后刀面没有出现明显的豁口，而陶瓷刀具后刀面出现豁口，而且很快扩大。PCBN刀具加工的表面粗糙度值前后一致，而陶瓷刀具加工的表面粗糙度值则随加工时间的增加而增加。图1是PCBN刀具和氮化硅陶瓷刀具切削Cr26时后刀面磨损（VB）情况，由图可知，PCBN刀具切削性能优于Si₃N₄陶瓷刀具。高速切削Cr26时，PCBN刀具的耐磨性是氮化硅陶瓷的25倍，抗冲击能力是氮化硅陶瓷的2000多倍，刀具寿命可以达到氮化硅陶瓷的22～30倍。

2.3 刀片性能对比分析

与陶瓷刀片相比，整体PCBN刀片有许多优越性。首先，它的硬度高，一般在3500HV左右，是陶瓷刀片的2倍，是合金刀片的4倍。CBN耐热性可达1400～l500℃，PCBN在1000℃时的硬度还要高于陶瓷和硬质合金的常温硬度，如图2所示。因此PCBN刀具可用比硬质合金刀具高3～5倍的速度切削高温合金和淬硬钢，这也为PCBN刀具的高速切削创造了条件。

其次，耐磨性好，立方氮化硼为非金属硼化物，晶体结构属立方晶系，氮硼原子以共价键结合，彼此形成四配对的饱和结构，而且在超高压、高温下形成的PCBN烧结体含有氮化物、硼化物、氧化物，这些超硬混合物以强大的共价键结合，具有很低的标准自由能，构成十分稳定的体系，所以整体PCBN刀片在高温下硬度也不会降低。

另外，强度高，CBN的断裂韧性K_IC值高于陶瓷，有些牌号的K_IC甚至接近硬质合金。对于脆性刀具材料来说，其磨损机理属于脆性断裂，在磨损表面会产生晶界断裂，部分晶粒发生局部破碎，这时的抗磨损取决于材料的K_IC值，K_IC值越大越不易断裂。当粗车铸造零件时，由于切削量很大，要提高效率，必须增大切削深度。主切削力F_Z=2000fa_p，若增大切削深度a_p，势必会增大切削力F_Z，这就要求刀具有更高强度；与陶瓷刀具相比，整体PCBN刀具更适合大切深的高速切削。

3 应用实例

3.1 整体PCBN刀具断续车削渣浆泵叶轮外圆

用整体PCBN刀具车削渣浆泵叶轮外圆，由于叶轮有5枚叶片，故为断续切削。HLCBN刀具切削参数为：v_c=75m／min，a_p=5mm，f=0.1mm／r。切削过程中，叶轮每转一周刀具要承受5次冲击，一次走刀一个刀刃要承受3000多次冲击。切削结果显示：HLCBN刀具切完一个工件后没有产生断裂破碎，一片刀片相当于25片陶瓷刀片，充分展现了其耐热抗冲击性能，不仅大大降低了刀具的使用成本，而且使生产效率提高了5倍。

3.2 整体PCBN刀具精车叶轮内孔

采用HLCBN圆形刀片精车内孔，孔深80mm，切削参数：v_c=100m／min，a_p=1mm，f=0.5mm／r。内孔一次精车完成，测得两端尺寸相同，无退刀现象。整体PCBN耐磨性好，加工零件尺寸的一致性得到保障；而陶瓷刀具精车需要3～4刀才能完成，并且切削时刀片刃部磨损较快，致使切削抗力增加，产生退刀现象，严重影响了加工表面的质量。

4结束语

1）针对整体PCBN刀具高速切削渣浆泵过程中出现的问题，总结了一些切削参数和使用经验。实际中可选用的粗加工参数：v_c=65～90m／min，a_p=5～10mm，f=0.12～0.18mm／r；精加工参数：v_c=80～120m／min，a_p≤5mm，f=0.2～0.3mm／r。当被加工材料硬度高、机床刚性较差、断续切削较严重时，在以上的切削参数范围内，可选用较低的加工参数以延长刀具寿命。

2）整体PCBN刀具硬度高、耐磨性好、不易断裂，更适用于高硬度高耐磨材料的断续切削。

3）与陶瓷刀具相比，整体PCBN刀具可采取高切削速度，实现真正的高速切削。

4）整体PCBN刀具的应用不仅提高了产品的加工质量，而且大幅度提高生产效率，满足现代工业高质高效生产的需要，具有很好的推广价值。
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