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[摘 要]当前，汽车制造业已发生了革命性的转变，切削刀具制造技术的发展至关重要。本文介绍聚晶立方氮化硼有良好的综合性能及应用发展趋势。
[关键词]聚晶立方氮化硼，应用，汽车零件
中图分类号：F407.471 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）03-0375-02
PCBN tools in the application of auto parts
Zhong Zheng Guo
Yun nan Tin Vocatianal & Technical College
[Abstract]At present， automobile manufacture has produced revolutionary change， the development of cutting tool manufacturing technology is critical. In this paper， the polycrystalline cubic boron nitride has good comprehensive performance and application development trend.
[Key words]PCBN， application， auto parts
1 引言
当今世界汽车工业竞争越来越激烈，对汽车制造业要求越来越高。在发达的工业国家，对于大批量，高精度的磨削加工，其加工件硬度HRC大于45，基本上都用聚晶立方氮化硼（PCBN）刀具。它被广泛的用在汽车的主要零件上如凸轮轴、曲轴、变速箱的齿轮轴和齿轮、轴承和刹车片等。
目前，PCBN刀具的应用相当普遍，而PCBN成形磨削由于设备、刀具的经济性，普及面不广。如何提高生产效率、降低制造成本、提高市场竞争力，是当务之急。
2 聚晶立方氮化硼（PCBN）在汽车零件的优良性能
立方氮化硼的致密相，聚晶立方氮化硼（PCBN）则是由CBN微粉与少量粘结相（Co，Ni或TiC、TiN、Al2O3）在高温高压下烧结而成。PCBN组织中各微小晶粒呈无序排列状态，因此PCBN硬度均匀，无方向性，具有优良的综合性能，见表1。
2.1 聚晶立方氮化硼有极强的化学稳定性。
立方氮化硼是化学惰性特别大的物质，在中性还原气体介质中，对酸碱都是稳定的，与碳在2000℃时才起反应，与铁族材料在1200-1300℃时也不起反应。立方氮化硼与各种材料的粘结和扩散作用比硬质合金小得多，可以用来切削金刚石不能切削的钢铁材料。因此，聚晶立方氮化硼刀具特别适合加工钢铁材料。
2.2 硬度和优良的耐磨性。
立方氮化硼与不同材料的摩擦系数在0.1-0.3之间，远小于硬质合金的摩擦系数（0.4-0.6）。较低的摩擦系数使切削力减小，切削温度降低，不易产生积屑，有利于提高加工材料的表面质量。
CBN是人工合成的，其硬度仅次于金刚石，晶粒硬度可达HV8000～HV9000，远远高于陶瓷和硬质合金。PCBN复合片的硬度（通常为HV3000～HV5000）主要取决于CBN的含量，一般CBN含量在40%～95%之间。随着CBN含量的增加，PCBN的硬度增加；而耐磨性与CBN含量之间不是单调关系，不同加工条件下有不同最佳值，加工模具钢时，CBN含量大约为55%时，其刀具最耐磨。
2.3 立方氮化硼有很高的热稳定性。
聚晶立方氮化硼在高达1200℃的温度下还表现出良好的热稳定性，其刀具在1000℃以下不会出现氧化现象，立方氮化硼的耐热温度高达1400-1500℃，比金刚石的耐热温度（700-800℃）几乎高一倍。立方氮化硼在1370℃以上才由立方晶体转变为六方晶体而开始软化，用它制作刀具可以高速切削高温合金，其切削速度比硬质合金刀具高3-5倍。
2.4 可重磨。
PCBN刀具的聚晶切削刃采用先进的镶嵌工艺，镶嵌牢固。可采用粒度180-240目的人造金刚石树脂砂轮在普通工具磨床上刃磨，方便用户，降低刀具成本。
2.5 立方氮化硼的导热性能好。
立方氮化硼的导热系数为79.54w/m.k，仅次于金刚石（146.5 w/m.k），是硬质合金的20倍，而且随着切削温度的提高聚晶立方氮化硼的导热系数是增大的，并且随着温度得体高立方氮化硼的导热系数逐渐增大，有利于刀具在刀尖切削区的温度和刀具的很快擴散出去。
2.6 立方氮化硼刀具以车代磨。
立方氮化硼刀具（CBN）不仅有很高的金属切除率，而且有很好的表面加工质量。切削各种淬火钢可以有效地代替磨削，减少加工工序，提高生产率。立方氮化硼刀具精车淬硬钢，其工件硬度高于45HRC，效果最好，工件硬度越高，切削线速度宜取低值，如车硬度为70HRC的工件，其切削速度宜选用60-80m/min；当精车的切深在0.1～0.3mm，进给量在0.05～0.025mm/r，精车后的工件表面粗糙度为Ra0.3～0.6μm，尺寸精度可达0.013mm。若能采用刚性好的标准数控车床加工，刀具的刚性好和刃口锋利，则精车后的工件表面粗糙度可达Ra0.3μm，尺寸精度可达0.01mm，可达到用数控磨床加工的水平。
3 PCBN应用发展趋势
目前世界先进国家如美国G.E.公司，英国De.Beers公司，以及日本住友公司等大公司在金属陶瓷复合聚晶立方氮化硼PCBN研究与应用方面投入大量的人力和物力，对其进行不断试验研究。
由G.E.公司研究的 BEN Compact复合片直径为8.3mm、13.2mm、23.5mm、50.8mm。片的总厚度分别为1.6mm、3.2mm、4.8mm，其中的PCBN净厚分别为0.6mm、1.2mm、1.6mm，适用于切削高硬度高速钢、冷硬铸铁、超硬耐磨合金等。 由De.Beers公司研究的AMBORITE和DB80、DB50的PCBN是用CBN的不同粒径、不同含量和不同粘结剂合成，适用于高速切削淬火钢、高硬度轧辊，加工表面十分光洁。
日本住友电工公司生产的BNX0等PCBN产品都具有优良的耐磨性，其PCBN刀具广泛应用于切削加工，替代硬质合金刀具，在加工不锈钢方面具有优异的效果。其PCBN刀具用量已占硬质合金、陶瓷刀具市场的50%。
日本三菱金属公司以陶瓷TiCN-A12O3、TiN-TiCN-TiB2与CBN复合制备PCBN，耐高温性能好。
由于CBN的三高性：高硬度、高的热稳定性和高的与铁族元素的惰性，在工业发达国家将其作为提高及加工工业中的经济效益（节能、高效、精密、自动化）的重要工具材料加以发展，尤其在军工、宇航、喷涂焊加工工业中更为突出。
（1）用于精密加工。目前，将经过特殊磨削的PCBN刀具用于超精密车床上，在切削深度为15～20μm、进给量为0.608μm/r转的条件下，切削加工表面光洁度可达Rmax=0.0254μm。在一般精密数控车床上切削不锈钢，可获得Rmax=0.2μm以内的表面粗糙度。
3.1 用于铸铁的高速铣削
在日本、英国和德国均有应用实例，并已显示出较大的优越性，主要有：切削速度高，使用寿命长而稳定，与陶瓷刀具相比，提高使用寿命20～30倍，切削时工件尺寸精度稳定，可减少尺寸调整次数，加工表面光洁度良好，可缩短珩磨等下道工序的加工时间。
3.2 用于旋转刀具
PCBN旋转刀具如日本住友公司的Sumiboron绞刀及用于模具和工具修整及精加工的立铣刀和镗刀。因为PCBN为厚度1.6mm的聚合体，在使用时，必须用焊料将硬质合金基体焊接在刀体上，可用于PCBN钻头和螺旋齿立铣刀。
3.3 精加工淬硬齿轮
去除螺旋伞齿轮淬火变形量是相当困难的一种加工。目前普遍采用一对齿轮配合研磨或者用手工逐齿进行修正，不仅耗时长，而且齿距精度不够理想。采用PCBN刀具加工模数为7的淬硬螺旋伞齿轮，能获得研磨和手工修磨无法得到的齿距精度，合传动噪音可降低2～8分贝。最近采用PCBN刀具加工模数为4的小型齿轮也取得了良好的效果。
4 结论
立方氮化硼具有优良的综合性能。解决汽车制造业、轴承行业、大型铸、锻件高精加工的关键工具，具有高精度、高效率、高耐用度、綜合成本低的关键刀具材料。我国也有很多科研部门正在加紧新型PCBN复合片和PCBN聚合体的研制，相信不久的将来一定会带来我国PCBN刀具应用的大发展。
参考文献
[1] 陈云.现代金属切削刀具实用技术[M].北京：化学工业出版社，2008.
[2] 袁哲俊，刘华明.金属切削刀具设计手册[M].北京.机械工业出版社，2008.
[3] 姚福新李长河.高速切削加工刀具材料[J].精密制造与自动化2010.
[4] Kabayama.Method of synthesizing cubic crystal structure boronNitride.U.S pat.
[关键词]聚晶立方氮化硼，应用，汽车零件
中图分类号：F407.471 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）03-0375-02
PCBN tools in the application of auto parts
Zhong Zheng Guo
Yun nan Tin Vocatianal & Technical College
[Abstract]At present， automobile manufacture has produced revolutionary change， the development of cutting tool manufacturing technology is critical. In this paper， the polycrystalline cubic boron nitride has good comprehensive performance and application development trend.
[Key words]PCBN， application， auto parts
1 引言
当今世界汽车工业竞争越来越激烈，对汽车制造业要求越来越高。在发达的工业国家，对于大批量，高精度的磨削加工，其加工件硬度HRC大于45，基本上都用聚晶立方氮化硼（PCBN）刀具。它被广泛的用在汽车的主要零件上如凸轮轴、曲轴、变速箱的齿轮轴和齿轮、轴承和刹车片等。
目前，PCBN刀具的应用相当普遍，而PCBN成形磨削由于设备、刀具的经济性，普及面不广。如何提高生产效率、降低制造成本、提高市场竞争力，是当务之急。
2 聚晶立方氮化硼（PCBN）在汽车零件的优良性能
立方氮化硼的致密相，聚晶立方氮化硼（PCBN）则是由CBN微粉与少量粘结相（Co，Ni或TiC、TiN、Al2O3）在高温高压下烧结而成。PCBN组织中各微小晶粒呈无序排列状态，因此PCBN硬度均匀，无方向性，具有优良的综合性能，见表1。
2.1 聚晶立方氮化硼有极强的化学稳定性。
立方氮化硼是化学惰性特别大的物质，在中性还原气体介质中，对酸碱都是稳定的，与碳在2000℃时才起反应，与铁族材料在1200-1300℃时也不起反应。立方氮化硼与各种材料的粘结和扩散作用比硬质合金小得多，可以用来切削金刚石不能切削的钢铁材料。因此，聚晶立方氮化硼刀具特别适合加工钢铁材料。
2.2 硬度和优良的耐磨性。
立方氮化硼与不同材料的摩擦系数在0.1-0.3之间，远小于硬质合金的摩擦系数（0.4-0.6）。较低的摩擦系数使切削力减小，切削温度降低，不易产生积屑，有利于提高加工材料的表面质量。
CBN是人工合成的，其硬度仅次于金刚石，晶粒硬度可达HV8000～HV9000，远远高于陶瓷和硬质合金。PCBN复合片的硬度（通常为HV3000～HV5000）主要取决于CBN的含量，一般CBN含量在40%～95%之间。随着CBN含量的增加，PCBN的硬度增加；而耐磨性与CBN含量之间不是单调关系，不同加工条件下有不同最佳值，加工模具钢时，CBN含量大约为55%时，其刀具最耐磨。
2.3 立方氮化硼有很高的热稳定性。
聚晶立方氮化硼在高达1200℃的温度下还表现出良好的热稳定性，其刀具在1000℃以下不会出现氧化现象，立方氮化硼的耐热温度高达1400-1500℃，比金刚石的耐热温度（700-800℃）几乎高一倍。立方氮化硼在1370℃以上才由立方晶体转变为六方晶体而开始软化，用它制作刀具可以高速切削高温合金，其切削速度比硬质合金刀具高3-5倍。
2.4 可重磨。
PCBN刀具的聚晶切削刃采用先进的镶嵌工艺，镶嵌牢固。可采用粒度180-240目的人造金刚石树脂砂轮在普通工具磨床上刃磨，方便用户，降低刀具成本。
2.5 立方氮化硼的导热性能好。
立方氮化硼的导热系数为79.54w/m.k，仅次于金刚石（146.5 w/m.k），是硬质合金的20倍，而且随着切削温度的提高聚晶立方氮化硼的导热系数是增大的，并且随着温度得体高立方氮化硼的导热系数逐渐增大，有利于刀具在刀尖切削区的温度和刀具的很快擴散出去。
2.6 立方氮化硼刀具以车代磨。
立方氮化硼刀具（CBN）不仅有很高的金属切除率，而且有很好的表面加工质量。切削各种淬火钢可以有效地代替磨削，减少加工工序，提高生产率。立方氮化硼刀具精车淬硬钢，其工件硬度高于45HRC，效果最好，工件硬度越高，切削线速度宜取低值，如车硬度为70HRC的工件，其切削速度宜选用60-80m/min；当精车的切深在0.1～0.3mm，进给量在0.05～0.025mm/r，精车后的工件表面粗糙度为Ra0.3～0.6μm，尺寸精度可达0.013mm。若能采用刚性好的标准数控车床加工，刀具的刚性好和刃口锋利，则精车后的工件表面粗糙度可达Ra0.3μm，尺寸精度可达0.01mm，可达到用数控磨床加工的水平。
3 PCBN应用发展趋势
目前世界先进国家如美国G.E.公司，英国De.Beers公司，以及日本住友公司等大公司在金属陶瓷复合聚晶立方氮化硼PCBN研究与应用方面投入大量的人力和物力，对其进行不断试验研究。
由G.E.公司研究的 BEN Compact复合片直径为8.3mm、13.2mm、23.5mm、50.8mm。片的总厚度分别为1.6mm、3.2mm、4.8mm，其中的PCBN净厚分别为0.6mm、1.2mm、1.6mm，适用于切削高硬度高速钢、冷硬铸铁、超硬耐磨合金等。 由De.Beers公司研究的AMBORITE和DB80、DB50的PCBN是用CBN的不同粒径、不同含量和不同粘结剂合成，适用于高速切削淬火钢、高硬度轧辊，加工表面十分光洁。
日本住友电工公司生产的BNX0等PCBN产品都具有优良的耐磨性，其PCBN刀具广泛应用于切削加工，替代硬质合金刀具，在加工不锈钢方面具有优异的效果。其PCBN刀具用量已占硬质合金、陶瓷刀具市场的50%。
日本三菱金属公司以陶瓷TiCN-A12O3、TiN-TiCN-TiB2与CBN复合制备PCBN，耐高温性能好。
由于CBN的三高性：高硬度、高的热稳定性和高的与铁族元素的惰性，在工业发达国家将其作为提高及加工工业中的经济效益（节能、高效、精密、自动化）的重要工具材料加以发展，尤其在军工、宇航、喷涂焊加工工业中更为突出。
（1）用于精密加工。目前，将经过特殊磨削的PCBN刀具用于超精密车床上，在切削深度为15～20μm、进给量为0.608μm/r转的条件下，切削加工表面光洁度可达Rmax=0.0254μm。在一般精密数控车床上切削不锈钢，可获得Rmax=0.2μm以内的表面粗糙度。
3.1 用于铸铁的高速铣削
在日本、英国和德国均有应用实例，并已显示出较大的优越性，主要有：切削速度高，使用寿命长而稳定，与陶瓷刀具相比，提高使用寿命20～30倍，切削时工件尺寸精度稳定，可减少尺寸调整次数，加工表面光洁度良好，可缩短珩磨等下道工序的加工时间。
3.2 用于旋转刀具
PCBN旋转刀具如日本住友公司的Sumiboron绞刀及用于模具和工具修整及精加工的立铣刀和镗刀。因为PCBN为厚度1.6mm的聚合体，在使用时，必须用焊料将硬质合金基体焊接在刀体上，可用于PCBN钻头和螺旋齿立铣刀。
3.3 精加工淬硬齿轮
去除螺旋伞齿轮淬火变形量是相当困难的一种加工。目前普遍采用一对齿轮配合研磨或者用手工逐齿进行修正，不仅耗时长，而且齿距精度不够理想。采用PCBN刀具加工模数为7的淬硬螺旋伞齿轮，能获得研磨和手工修磨无法得到的齿距精度，合传动噪音可降低2～8分贝。最近采用PCBN刀具加工模数为4的小型齿轮也取得了良好的效果。
4 结论
立方氮化硼具有优良的综合性能。解决汽车制造业、轴承行业、大型铸、锻件高精加工的关键工具，具有高精度、高效率、高耐用度、綜合成本低的关键刀具材料。我国也有很多科研部门正在加紧新型PCBN复合片和PCBN聚合体的研制，相信不久的将来一定会带来我国PCBN刀具应用的大发展。
参考文献
[1] 陈云.现代金属切削刀具实用技术[M].北京：化学工业出版社，2008.
[2] 袁哲俊，刘华明.金属切削刀具设计手册[M].北京.机械工业出版社，2008.
[3] 姚福新李长河.高速切削加工刀具材料[J].精密制造与自动化2010.
[4] Kabayama.Method of synthesizing cubic crystal structure boronNitride.U.S pat.