李艷國(guó)， 成照楠， 鄒 芹,， 王明智， 尹育航

(1. 燕山大學(xué)， 亞穩(wěn)材料制備技術(shù)與科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 河北 秦皇島 066004)(2. 燕山大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)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)

作為21世紀(jì)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(jì)效益，引起世界各工業(yè)國(guó)家的重視。超硬材料刀具的開(kāi)發(fā)利用，是美國(guó)等先進(jìn)工業(yè)國(guó)家保持技術(shù)和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)的關(guān)鍵之一。但由于其成本較高以及用戶(hù)對(duì)超硬材料刀具缺乏了解，目前國(guó)內(nèi)對(duì)PCBN超硬刀具的應(yīng)用尚處于試用和待開(kāi)發(fā)階段，對(duì)大多數(shù)用戶(hù)來(lái)說(shuō)，只有在生產(chǎn)中碰到用其他刀具材料不能解決的問(wèn)題或在引進(jìn)技術(shù)中采用PCBN超硬刀具時(shí)才會(huì)考慮選用PCBN超硬刀具。與此同時(shí)，部分發(fā)達(dá)國(guó)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(chǎng)份額的30%，這與國(guó)外高速數(shù)控機(jī)床在近20年來(lái)的快速發(fā)展是分不開(kāi)的。PCBN刀具以其高硬度、高耐磨性、良好的導(dǎo)熱性和低摩擦系數(shù)等優(yōu)異性能，非常適合在汽車(chē)工業(yè)等數(shù)控自動(dòng)加工流水線上應(yīng)用。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)高溫高壓燒結(jié)合成PCBN燒結(jié)體制備工藝的研究熱度從未減少。目前，我國(guó)陶瓷結(jié)合劑刀具在結(jié)合劑性能及制造工藝技術(shù)方面與國(guó)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(jié)溫度高。雖然隨著非化學(xué)計(jì)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(jié)溫度，但這種新型材料并沒(méi)有投入到生產(chǎn)實(shí)際中，仍有待于進(jìn)一步研究。

1 PCBN超硬刀具發(fā)展歷史

1957年，美國(guó)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(lái)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(kāi)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(guó)通用電氣公司在1973年制成立方氮化硼刀具；1975年，日本引進(jìn)GE公司的技術(shù)開(kāi)始研發(fā)本國(guó)立方氮化硼刀具[3]，并于1977年開(kāi)發(fā)本國(guó)產(chǎn)品。之后，各國(guó)競(jìng)相開(kāi)始研發(fā)自己本國(guó)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(gè)品種4個(gè)牌號(hào)的CBN，即CBNⅠ、CBNⅡ、CBN500和CBN510。1981年又增加了CBN550、CBN560、CBN570等3個(gè)新牌號(hào)，使產(chǎn)品達(dá)到7個(gè)；蘇聯(lián)的產(chǎn)品包括庫(kù)波尼特系列和愛(ài)爾鮑爾系列；De Beers公司在1974年生產(chǎn)了2個(gè)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(gè)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(guó)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(guó)第一代立方氮化硼刀具[5-6]；1981—1982年，國(guó)內(nèi)研制出應(yīng)用最廣泛的LDP-J9-CF型復(fù)合刀片；1985年，桂林礦產(chǎn)地質(zhì)研究院超硬研究所研發(fā)出LBN-Y-2型復(fù)合刀片?，F(xiàn)如今，國(guó)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(dá)國(guó)家在PCBN超硬刀具行業(yè)的差距，2010年，我國(guó)設(shè)立“高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備”國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)，并明確提出要對(duì)超硬材料刀具的設(shè)計(jì)與制造、高精度刀具進(jìn)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(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)，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(kù)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(yīng)用

2.1 PCBN超硬刀具性能

用具有超硬效應(yīng)的結(jié)合劑在高溫高壓下與CBN單晶充分反應(yīng)來(lái)合成超硬燒結(jié)體是目前制備PCBN最普遍的制備工藝。單晶CBN顆粒細(xì)小無(wú)規(guī)則，各向異性，脆性大，生長(zhǎng)和解理破損均極易在[111]晶面上進(jìn)行[3]。通過(guò)聚合CBN形成PCBN可以有效克服上述缺點(diǎn)，使PCBN超硬刀具表現(xiàn)出無(wú)可比擬的優(yōu)異性能：(1)高硬度和高耐磨性，不同黏結(jié)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(dá)1 400～1 500 ℃，可軟化工件，更加有利于切削進(jìn)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(jī)械制造加工工業(yè)的大規(guī)模自動(dòng)化生產(chǎn)使用；(4)高導(dǎo)熱性，CBN的導(dǎo)熱系數(shù)僅次于金剛石，而遠(yuǎn)大于硬質(zhì)合金，在加工過(guò)程中，其熱傳導(dǎo)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(yuǎn)低于硬質(zhì)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(zhuǎn)速2 000 r/min以上的條件下連續(xù)干切削，達(dá)到拋光級(jí)的加工表面光潔度。高強(qiáng)度、高耐磨性、高導(dǎo)熱性、良好的高溫力學(xué)穩(wěn)定性以及高溫化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)異性能，使PCBN超硬刀具成為最能滿足當(dāng)前嚴(yán)苛切削要求的首選工具[6]。目前常用刀具的性能對(duì)比如表1所示。

表1 常用刀具性能對(duì)比

2.2 PCBN超硬刀具應(yīng)用

制造技術(shù)和材料技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)刀具技術(shù)的發(fā)展。由于PCBN在切削中有著紅硬性、耐磨性等優(yōu)勢(shì)，所以能夠廣泛地應(yīng)用于車(chē)削、銑削和鏜削等加工領(lǐng)域。根據(jù)制造行業(yè)[7]的統(tǒng)計(jì)，PCBN超硬刀具在制造業(yè)中的應(yīng)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(chē)行業(yè)、車(chē)削和加工淬火鋼等領(lǐng)域，也從側(cè)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(dá)到80～120 m/min，每齒進(jìn)給量0.1～0.2 mm/z；在切削高溫合金時(shí)切削速度可以達(dá)到60～80 m/min。此外，PCBN在加工過(guò)程中可以省去切削液，實(shí)現(xiàn)硬態(tài)干切削[11-13]。這樣有利于保護(hù)環(huán)境和工人身體健康，實(shí)現(xiàn)綠色切削，同時(shí)可以充分發(fā)揮刀具的切削性能和金屬軟化效應(yīng)，可明顯提高經(jīng)濟(jì)效益。

不同CBN含量的PCBN刀具適合不同的切削領(lǐng)域，HALPIN等[14]對(duì)不同CBN含量的PCBN的切削領(lǐng)域進(jìn)行了總結(jié)，如表2所示。

目前，國(guó)內(nèi)PCBN超硬刀具市場(chǎng)的發(fā)展并未達(dá)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(lái)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(diǎn)于一身的綠色切削。隨著人類(lèi)社會(huì)的不斷進(jìn)步，工業(yè)化和智能化的不斷發(fā)展，PCBN超硬刀具材料將會(huì)不斷改進(jìn)，將會(huì)在機(jī)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(lǐng)域

3 PCBN超硬刀具分類(lèi)

3.1 按添加成分分類(lèi)

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

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

結(jié)合劑的選取對(duì)PCBN性能影響重大，適當(dāng)?shù)慕Y(jié)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(jié)合劑包括金屬結(jié)合劑和陶瓷結(jié)合劑。金屬結(jié)合劑在燒結(jié)過(guò)程中以液化的金屬為媒介，加速流動(dòng)傳質(zhì)過(guò)程，使PCBN可以在較低的溫度下快速燒結(jié)致密化。金屬Al的熔點(diǎn)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(xué)反應(yīng)生成AlBx。Al不僅能活化燒結(jié)，加速燒結(jié)體致密化，生成的AlN等物質(zhì)還能抑制CBN轉(zhuǎn)化成hBN[13]，是制備PCBN最常用的一種結(jié)合劑。但是，金屬結(jié)合劑與CBN的線膨脹系數(shù)相差較大，燒結(jié)后易因熱脹冷縮產(chǎn)生較大的溫差應(yīng)力，使結(jié)合劑與CBN間存在縫隙而黏結(jié)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(guò)程中，局部高溫會(huì)使結(jié)合劑軟化和氧化，會(huì)降低PCBN的高溫硬度和穩(wěn)定性。

陶瓷結(jié)合劑主要包括TiC、TiN和AlN等過(guò)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(xué)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(chǎng)上主流PCBN大多采用金屬陶瓷型結(jié)合劑，選用可以與CBN顆粒反應(yīng)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(zhì)作為結(jié)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(diǎn)，既解決了金屬結(jié)合劑高溫易軟化的問(wèn)題，又克服了陶瓷結(jié)合劑抗沖擊韌性差的缺點(diǎn)。HELMERSSON等[18]發(fā)現(xiàn)了VN/TiN納米多層膜中的超硬效應(yīng)之后，近幾年超硬行業(yè)的陶瓷結(jié)合劑也越來(lái)越熱衷于TiN材料的研究與應(yīng)用。Ti(C，N)兼具TiC和TiN的優(yōu)點(diǎn)，具有熔點(diǎn)高、硬度高的特性，并具有良好的導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性和化學(xué)穩(wěn)定性[19]，其作為刀具結(jié)合劑可以有效提高陶瓷結(jié)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(zhǎng)PCBN的壽命[20]。

除了上述常規(guī)化學(xué)計(jì)量比的PCBN的研究，學(xué)者們探究了在CBN中混入非化學(xué)計(jì)量比的結(jié)合劑來(lái)改善性能，如在PCBN復(fù)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(yīng)生成Ti(C，N)，以有效改善PCBN復(fù)合片的綜合性能[21]。劉一波等[22]對(duì)非化學(xué)計(jì)量比結(jié)合劑進(jìn)行的研究，得出結(jié)論：適量的TiC0.47和CBN反應(yīng)生成TiBx和Ti(C，N)等新的化合物，極大提高了結(jié)合劑與CBN的黏結(jié)強(qiáng)度，也提高了黏結(jié)層的硬度和耐磨性，當(dāng)體系中生成的Ti(C，N)達(dá)到12%～15%時(shí)，材料耐磨性最好。武迪[23]利用非化學(xué)計(jì)量比TiN0.3的空位效應(yīng)來(lái)活化燒結(jié)，從而降低燒結(jié)溫度，通過(guò)添加微量過(guò)渡族金屬碳化物和改進(jìn)燒結(jié)工藝來(lái)改善材料的力學(xué)性能。XUE等[24]通過(guò)改變燒結(jié)過(guò)程充入的氣氛(真空、氮?dú)狻鍤?，證實(shí)了真空條件下所形成的非化學(xué)計(jì)量比TiN1-x內(nèi)部的N空位對(duì)燒結(jié)體的致密化過(guò)程有促進(jìn)作用。UEMATSU等[25]發(fā)現(xiàn)非化學(xué)計(jì)量比TiN1-x(0.56<1-x<0.97)所需的燒結(jié)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(xué)計(jì)量比TiN1-x(0.6<1-x<1)，在燒結(jié)過(guò)程中，TiH2含量的增加導(dǎo)致了TiN燒結(jié)體晶粒尺寸變大。雖然對(duì)這種非化學(xué)計(jì)量比PCBN材料地研究很多，但對(duì)于這種材料的實(shí)際切削報(bào)道相對(duì)較少，所以這種非化學(xué)計(jì)量比的研究越來(lái)越成為含有結(jié)合劑PCBN的熱門(mén)方向。

由于結(jié)合劑的存在，降低了PCBN的硬度、強(qiáng)度及耐磨性[27]，因此近年來(lái)純PCBN發(fā)展迅猛。住友公司在2000年研制出了代號(hào)為IZ900的純PCBN，其CBN體積含量超過(guò)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(zhuǎn)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(dāng)CBN體積分?jǐn)?shù)≥99.9%，晶粒尺寸<0.5 μm時(shí)，制備出的PCBN在任何溫度下都有很高的斷裂強(qiáng)度和硬度。

3.2 其他分類(lèi)方式

PCBN超硬刀具按制造方式可分為：由整體燒結(jié)塊制造的PCBN超硬刀具和與硬質(zhì)合金復(fù)合燒結(jié)而成的復(fù)合片PCBN超硬刀具。按照PCBN超硬刀具結(jié)構(gòu)可分為：整體燒結(jié)制造的PCBN超硬刀具、在硬質(zhì)合金刀體上鑲嵌的PCBN超硬刀具和在硬質(zhì)合金基體上焊接的復(fù)合式PCBN超硬刀具，如圖2所示。

4 PCBN超硬刀具的制造

PCBN復(fù)合片是直接在高溫高壓下把CBN層與硬質(zhì)合金襯底復(fù)合在一起，經(jīng)過(guò)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(jié)塊是不帶合金基體直接燒結(jié)成為整體PCBN刀胚，經(jīng)過(guò)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(lái)介紹。

4.1 PCBN超硬刀具的切割

復(fù)合片的切割主要是采用激光或者線切割。激光切割由于價(jià)格昂貴并且加工質(zhì)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(zhì)電源和自適應(yīng)電路，自動(dòng)調(diào)整加工所需要的脈沖參數(shù)，只需要設(shè)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(guó)外以德國(guó)Vollmer公司的QWD機(jī)床[32]為例，該機(jī)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(dòng)可控制在0.001 mm，表面粗糙度可達(dá)Ra0.4 μm，并且一次輸入程序即可切割出不同復(fù)雜幾何形狀的刀具，自動(dòng)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(jià)格昂貴。

由于PCBN中CBN單晶顆粒不導(dǎo)電，線切割加工難度大，易斷絲，許多學(xué)者對(duì)此做了研究。肖露等[33]認(rèn)為聚晶層中的CBN單晶不導(dǎo)電，火花放電是通過(guò)黏結(jié)劑Co產(chǎn)生的，其導(dǎo)電能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于硬質(zhì)合金，造成PCBN切割效率難以提高。王軍等[31]認(rèn)為PCBN進(jìn)行電火花線切割加工時(shí)，放電電流因CBN單晶特性，產(chǎn)生了相當(dāng)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(fù)合片電火花線切割試驗(yàn)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(yùn)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。

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(zhì)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(zhì)量，刃口質(zhì)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(lèi)，如表3所示。

表3 按切刃的精度用途分類(lèi)

5 PCBN超硬刀具結(jié)構(gòu)

5.1 PCBN超硬刀具斷屑槽

為了更好的控制切屑，很多國(guó)內(nèi)外廠商都在PCBN超硬刀具上加上斷屑裝置，因?yàn)閿嘈佳b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(jī)床和工件的振動(dòng)；(5)影響加工工件的表面質(zhì)量等。

斷屑的方法很多，如振動(dòng)斷屑、變進(jìn)給量斷屑(斷續(xù)進(jìn)給)、在工件上預(yù)制溝槽以及用機(jī)械方法或高壓射流強(qiáng)制斷屑等。但目前自動(dòng)化機(jī)床上應(yīng)用最廣泛的是采用在可轉(zhuǎn)位刀片上直接壓制出斷屑槽來(lái)實(shí)現(xiàn)斷屑?？赊D(zhuǎn)位刀片不僅能滿足自動(dòng)化機(jī)床換刀迅速、定位準(zhǔn)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(diǎn)，是國(guó)內(nèi)外斷屑技術(shù)發(fā)展的主要方向。

圖4為“雙刃”P(pán)CBN長(zhǎng)頸立銑刀CBN-2XLRB，刀頭形狀這樣設(shè)計(jì)是為了更好的排出切屑，而且可以長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定地加工工件。

5.2 PCBN超硬刀具修光刃

修光刃技術(shù)可改變刀尖圓角半徑，提高進(jìn)給速率，實(shí)現(xiàn)高速切削。在切削參數(shù)不變的情況下，表面質(zhì)量可大大提高。Sandvik Coromant公司將修光刃技術(shù)引入到超硬刀片領(lǐng)域，可在精加工外圓和內(nèi)圓上提高表面質(zhì)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(shè)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(zhǎng)度為2 mm，修光部分的頂角處設(shè)有圓弧結(jié)構(gòu)，圓弧結(jié)構(gòu)和右側(cè)邊之間設(shè)有傾角為85°±15′的斜坡過(guò)渡，這種新型結(jié)構(gòu)在加工臺(tái)階時(shí)可節(jié)省工作時(shí)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(shí)得到更好的加工質(zhì)量和加工效率，Sandvik Coromant公司推出新的具有safe-lock(安全鎖)結(jié)構(gòu)的CB7015刀片，如圖5所示。這種刀片采用機(jī)械鎖定，使得刀片遠(yuǎn)離高溫切削區(qū)域，可加強(qiáng)刀尖結(jié)構(gòu)的強(qiáng)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(yù)測(cè)的性能。

6 車(chē)削仿真

制造業(yè)的發(fā)展對(duì)產(chǎn)品不斷提出新要求，且產(chǎn)品的生命周期越來(lái)越短。由于實(shí)驗(yàn)周期長(zhǎng)、耗資大，單憑實(shí)驗(yàn)無(wú)法跟進(jìn)生產(chǎn)需求，仿真軟件的出現(xiàn)解決了這一問(wèn)題。隨著科學(xué)技術(shù)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(cè)到切削實(shí)驗(yàn)無(wú)法測(cè)量的數(shù)據(jù)，如切削溫度、切削應(yīng)力等，并且可以觀測(cè)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(shí)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(guò)調(diào)整刀具的幾何形狀和結(jié)構(gòu)可以降低切削溫度和切削力，這對(duì)于PCBN刀具設(shè)計(jì)來(lái)講尤為重要。

王曉明等[37]采用ABAQUS對(duì)無(wú)織構(gòu)刀具和織構(gòu)刀具進(jìn)行了切削過(guò)程仿真分析，如圖6所示。結(jié)果表明：刀具表面適當(dāng)?shù)目棙?gòu)可以提高刀具的切削性能，降低刀具在切削過(guò)程中的切削力和切削溫度；與無(wú)織構(gòu)刀具相比，等間距織構(gòu)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。

(a)等間距(T1)Equidistanttexturecutters(T1)(b)非等間距(T2)Non-equidistanttexturecutters(T2)(c)微細(xì)混合型(T3)micro-mixedtexturecutters(T3)圖6 不同織構(gòu)刀具Fig.6Toolswithdifferenttextures

表4 切削力與切削溫度仿真結(jié)果

王文韜[38]利用ADVANTEFGE軟件模擬切削50Mn鋼時(shí)不同斷屑槽寬和槽高對(duì)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(tái)高度的降低而增大，隨著槽寬的增大而增大。由此仿真結(jié)果可以推理：在合理范圍內(nèi)，如果斷屑臺(tái)越高、槽寬越小，切屑的曲率半徑就越小，從而切屑更容易達(dá)到材料斷裂應(yīng)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(duì)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(duì)30CrMnSiA進(jìn)行切削模擬，探究前角、后角、切削速度和背吃刀量的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)：當(dāng)切削速度為70 m/min，背吃刀量為0.1 mm，同時(shí)增大前角和后角，切削力增大，前角的影響程度較大；當(dāng)切削速度為90 m/min，背吃刀量為0.2 mm，同時(shí)增大前角和后角，切削力增大，且后角的影響程度較大；當(dāng)切削速度為110 m/min，背吃刀量為0.3 mm，同時(shí)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(jié)出刀具適合加工的環(huán)境、工時(shí)等，在刀具設(shè)計(jì)中尤為重要。

張佳奕[40]通過(guò)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(qiáng)度鋼Cr12MoV的過(guò)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(shí)，切削力和切削溫度隨著刀具磨損量的增大而增大，對(duì)切屑形態(tài)的影響也較大；雖然磨損標(biāo)準(zhǔn)為0.20 mm，但當(dāng)PCBN超硬刀具切削Cr12MoV的磨損量為0.15 mm時(shí)，就己經(jīng)對(duì)切削過(guò)程產(chǎn)生很大影響，并通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。

邱慧等[41]通過(guò)使用Deform 3D切削軟件模擬切削GCr15材料，發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)值比模擬值要大，但模擬值與實(shí)驗(yàn)值的誤差不超過(guò)10%，是由于刀具磨損增大導(dǎo)致刀具角度改變?cè)斐傻?。在?shí)際切削過(guò)程中，由于GCr15中存在大量的硬質(zhì)顆粒，刀具磨損較大，同時(shí)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(shí)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(guò)程中切削力增大。

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

6.4 刀具切削力仿真

呂釗[43]通過(guò)AdvantEdge模擬軟件仿真了同型號(hào)PCBN車(chē)刀車(chē)削不同硬度的Cr12MoV，發(fā)現(xiàn)工件硬度對(duì)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(dāng)工件硬度達(dá)到55HRC時(shí)，切削力達(dá)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(duì)鎳基高溫合金GH4169進(jìn)行高速切削試驗(yàn)，結(jié)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(jìn)給量的增加而增大。回歸分析顯著性檢驗(yàn)結(jié)果證明：所建立的模型能對(duì)切削力進(jìn)行有效預(yù)測(cè)，三向切削力模擬的綜合平均偏差小于15%，驗(yàn)證了有限元模型的正確性和有效性。

6.5 刀具應(yīng)力仿真

吳春雨等[45]通過(guò)ABAQUS有限元模擬切削Cr12MoV，并且結(jié)合單因素正交試驗(yàn)法和多元正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，得到了不同切削參數(shù)對(duì)零件表面殘余應(yīng)力的影響規(guī)律以及最佳切削方案，得到結(jié)論如下：零件表面殘余壓應(yīng)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?。辉谶x取的3種切削參數(shù)中，對(duì)零件表面殘余應(yīng)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(duì)鎳基高溫合金GH4169進(jìn)行車(chē)削過(guò)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(yuǎn)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?yàn)榻饘貵H4169的導(dǎo)熱性比PCBN超硬刀具的導(dǎo)熱性差，整個(gè)刀具的切削熱最集中位置在距離刀尖1～2 mm處，這個(gè)區(qū)域散熱條件較差，溫度較高，導(dǎo)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(shuō)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(huì)影響刀具前刀面的摩擦系數(shù)；后刀面接觸長(zhǎng)度較短，在極短的時(shí)間會(huì)完成溫度的升降，因此刀尖部分會(huì)受到熱沖擊。圖7為不同負(fù)倒棱角度下的切削溫度圖。

7 總結(jié)及展望

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

PCBN超硬刀具的生產(chǎn)制造工藝相對(duì)復(fù)雜，影響因素較多。例如刀具的加工工藝，加工設(shè)備等都制約著其在機(jī)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(huì)淪為閉門(mén)造車(chē)，必定帶來(lái)研發(fā)周期長(zhǎng)、研發(fā)方向失準(zhǔn)等問(wèn)題。為了穩(wěn)定控制PCBN超硬刀具的質(zhì)量并促進(jìn)其發(fā)展，需要原料供應(yīng)商、PCBN材料廠商、刀具制造商等協(xié)同合作發(fā)展才能實(shí)現(xiàn)。

在刀具研發(fā)方面，模擬仿真是一項(xiàng)重要的研發(fā)手段，可以減少試驗(yàn)次數(shù)，有效控制成本，并且更容易觀測(cè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。但相對(duì)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其真實(shí)性。為了更加精確的仿真切削，為刀具研發(fā)節(jié)省時(shí)間和成本，需要注意3點(diǎn)：(1)建立完善的切削仿真數(shù)據(jù)庫(kù)；(2)建立完善的刀具材料本構(gòu)方程和模型數(shù)據(jù)庫(kù)；(3)開(kāi)發(fā)符合實(shí)際需求的仿真軟件。

我國(guó)是CBN原材料生產(chǎn)大國(guó)，但在PCBN刀具材料和刀具研發(fā)及其應(yīng)用上遠(yuǎn)不如其他制造業(yè)強(qiáng)國(guó)，這對(duì)我國(guó)超硬材料刀具研發(fā)提出了新的挑戰(zhàn)。我們要吸取國(guó)外研發(fā)經(jīng)驗(yàn)，突破制造瓶頸，提高超硬材料質(zhì)量，優(yōu)化刀具結(jié)構(gòu)，為“中國(guó)制造2025”添磚加瓦。