CBN刀具在切削中应用

CBN刀具的特性及应用案例（精）CBN 刀具的特性及应用案例CBN 刀具是由立方氮化硼制作而成的刀具。

CBN 是氮化硼(BN 的同素异构体之一,结构与金刚石差不多,利用超高温超高压技术人工合成的超硬材料。

CBN 刀具分为焊接式 CBN 刀具和整体式 CBN 刀具。

焊接式 CBN 刀具是以硬质合金作基体,只在刃口上镶焊有 CBN 复合层,整体式CBN 刀具是通体都是一种材料。

两者的区别在于焊接式CBN 刀具适合精加工工序,只能加工背吃刀量ap ≤ 0.3mm 以下的工件,而整体式 CBN 刀具可以加工余量为0.3mm 以上的工件, 适合粗加工和半精加工工序。

CBN 刀具的特性为:(1具有较高的硬度和耐磨性;(2具有很高的热稳定性;(3具有优良的化学稳定性;(4具有较好的导热性;(5具有较低的摩擦系数。

CBN 刀具适合加工的材料范围:高硬度铸铁、热处理之后的高硬度工件加工(淬硬钢HRC ≥ 50 、灰铸铁球墨铸铁、和高温合金等材料。

以下是华菱超硬刀具针对各种材料的加工进行分析。

一、加工高硬度铸铁材料对于 HSD75以上的铸铁加工(如高硬度轧辊,因硬度较高,毛坯一般伴随着气孔,沙眼,包砂等铸造缺陷,对刀片的抗冲击性、耐高温、耐磨损性能要求很高;适合此材料的CBN 刀具为BN-K1牌号,此牌号保持了CBN 刀具硬度及耐磨性能优异之外,抗冲击韧性较好,不宜崩损,能承受较大的切削深度, 适合大余量粗加工高硬度铸铁,也适用于精加工工序。

以加工以镍铬合金铸铁轧辊加工为例,轧辊硬度:HSD80, 刀具牌号:BN-K1, 切削参数:ap=4mm , Fr=1mm/r, Vc=55m/min,切削方式:干式切削。

加工效果:BN-K1牌号与某陶瓷刀具相比刀片寿命长,遇到气孔,砂眼不崩刀。

二、加工热处理后的高硬度工件材料经过热处理后的工件硬度高,加工较困难,陶瓷刀具脆性大遇到断续切削会产生崩刀(如淬火后齿轮加工端面,端面部位有螺栓孔等,华菱针对淬火钢断续切削推出的 CBN 刀具 BN-H20牌号和 BN-S20牌号,两者的区别在于 BN-H20牌号适合加工中等断续切削, BN-S20牌号加工强断续切削。

立方氮化硼（CBN）砂带的特点及应用砂带作为一种柔性磨削工具，与固结磨具砂轮相比，具有磨削发热量小、磨削效率高以及形状保持性好等诸多优点，因此在现代的工业磨削加工过程中，其使用越来越广泛。

CBN砂带具有磨削的高效性，耐磨性好，高的加工表面质量和环保特性。

CBN硬度仅次于金刚石，而热稳定性，远远高于金刚石，对于Fe族金属及其合金工具有较大的化学惰性。

因此CBN磨料加工黑色金属及其金属材料是其他一般磨料所无法比拟的。

这就为硬而韧的难加工材料的加工供给了新的手段，金刚石适合于加工硬脆材料，CBN恰恰能与之互为补充。

CBN与一般磨料磨具相比具有以下优点：1、CBN的硬度比一般磨料高得多。

特别适合加工硬度高，韧性大，高温，强度高，热传导率低的材料，其金属磨除率也是金刚石的10倍。

2、CBN磨具的磨削性能非常优异，不仅能够胜任难磨材料的加工，提高生产效率，而且有利于严格掌控工件的形状和尺寸精度，还能有效提高工件的磨削质量，显著提高磨后工件的表面完整性，因而提高了零件的疲乏强度，延长了使用寿命，加添了牢靠性。

3、CBN磨具磨损少，使用周期长，磨削比较高，使用合理可获得良好的经济效果。

4、CBN磨具使用时，形状和尺寸变化极为缓慢，更适用于CNC数控加工中心加工高精度零件。

5、能长时间保持锋利的切削刃，故磨削力较小，有利于零件的精度和干净度的提高，还可以削减机床的动力消耗。

6、磨削温度较低，可以大大提高工件的表面质量，避开零件显现裂纹、烧伤、组织变化等等弊病，改善加工表面应力情形，有利于零件使用寿命的延长。

7、一般磨料砂带在人工使用过程中产生大量粉尘，对人体健康有害，长期使用会引发“矽肺病”。

CBN砂带重要的应用范围：1.含钨材料制品。

含钨钼和其他高速钢，特别是钒合金钢，钴合金钢，特种高速钢刀具的刃磨和粗磨。

2.由耐热钢、不锈钢和高硬度的合金结构钢制成的精密零件的精磨和终磨。

这些零件用一般磨具时因磨具磨损消耗或磨钝过快，而不能获得很高的精度。

cbn涂层及其在刀具上的应用随着现代切削技术的发展，金属切除率不断提高。

1900年，用碳素工具钢刀具车削标准钢棒(500mm×100mm)需用时约100分钟，20世纪50年代采用硬质合金刀具后，加工时间缩短为几分钟。

1969年开始采用涂层硬质合金刀具，最初用涂层刀片切削标准钢棒需用时1.5min，而采用gc1025和gc015涂层刀片使加工时间进一步缩短到1.25min和1min。

通过对加工过程进行分析可知，要提高切削速度、降低切削成本，在所有加工因素中最经济的办法就是应用新型刀具材料。

刀具表面涂层是提高刀具寿命、降低切削成本的有效手段。

刀具涂层不仅可以提高刀具的表面硬度，增强其耐磨性，而且可以减小刀具表面摩擦系数，增加润滑能力，提高切削速度，减少换刀次数，提高被加工零件的精度和表面质量，从而提高生产效率。

目前，在工业发达国家，涂层刀具已占所用全部刀具的80%以上，而我国这一比例尚不及20%，因此推广涂层刀具的应用、开发新的涂层刀具材料具有重大意义。

1. cbn的性能特点cbn（cubic boron nitride,立方氮化硼）是继人工合成金刚石之后出现的另一种超硬无机材料，它除了具有许多与金刚石类似的优异物理、化学特性，如超高硬度(仅次于金刚石)、高耐磨性、低摩擦系数、低热膨胀系数等，同时还具有一些优于金刚石的特性（cbn与金刚石的性能对比见表1）。

与金刚石不适合加工钢铁材料不同，cbn对铁族金属具有极为稳定的化学性能，因此可广泛用于钢铁制品的精密加工、研磨等。

cbn除具有优良的耐磨损性能外，其耐热性也极为优良，在相当高的切削温度下也能切削耐热钢、淬火钢、钛合金等，并能切削高硬度的冷硬轧辊、渗碳淬火材料以及对刀具磨损非常严重的sial合金等难加工材料。

表1 cbn与金刚石的性能对比性能――cbn――金刚石晶体结构――闪锌矿――金刚石晶格常数(a°)――3.615――3.567密度(g·cm-3)――3.48――3.515显微硬度(mpa)――46042～84337――>;88260弹性模量(gpa)――700――1000热膨胀系数(×10的-6次方/℃)――4.7――3.1化学稳定性――与fe系金属不反应，大气中至1000℃不氧化――与fe系金属反应，大气中600℃以上氧化热稳定性――真空中，温度至1550℃才发生从cbn至hbn的相变――真空中，温度超过1300℃，金刚石开始向石墨转变cbn并不是天然存在的，需要靠人工合成，合成cbn的传统方法是高温高压法。

cBN涂层及其在刀具上的应用随着现代切削技术的发展，金属切除率不断提高。

1900年，用碳素工具钢刀具车削标准钢棒(500mm×100mm)需用时约100分钟，20世纪50年代采用硬质合金刀具后，加工时间缩短为几分钟。

1969年开始采用涂层硬质合金刀具，最初用涂层刀片切削标准钢棒需用时1.5min，而采用GC1025和GC015涂层刀片使加工时间进一步缩短到1.25min和1min。

通过对加工过程进行分析可知，要提高切削速度、降低切削成本，在所有加工因素中最经济的办法就是应用新型刀具材料。

刀具表面涂层是提高刀具寿命、降低切削成本的有效手段。

刀具涂层不仅可以提高刀具的表面硬度，增强其耐磨性，而且可以减小刀具表面摩擦系数，增加润滑能力，提高切削速度，减少换刀次数，提高被加工零件的精度和表面质量，从而提高生产效率。

目前，在工业发达国家，涂层刀具已占所用全部刀具的80%以上，而我国这一比例尚不及20%，因此推广涂层刀具的应用、开发新的涂层刀具材料具有重大意义。

1. cBN的性能特点cBN（Cubic Boron Nitride,立方氮化硼）是继人工合成金刚石之后出现的另一种超硬无机材料，它除了具有许多与金刚石类似的优异物理、化学特性，如超高硬度(仅次于金刚石)、高耐磨性、低摩擦系数、低热膨胀系数等，同时还具有一些优于金刚石的特性（cBN与金刚石的性能对比见表1）。

与金刚石不适合加工钢铁材料不同，cBN对铁族金属具有极为稳定的化学性能，因此可广泛用于钢铁制品的精密加工、研磨等。

cBN除具有优良的耐磨损性能外，其耐热性也极为优良，在相当高的切削温度下也能切削耐热钢、淬火钢、钛合金等，并能切削高硬度的冷硬轧辊、渗碳淬火材料以及对刀具磨损非常严重的SiAl 合金等难加工材料。

表1 cBN与金刚石的性能对比性能――cBN――金刚石晶体结构――闪锌矿――金刚石晶格常数(A°)――3.615――3.567密度(g·cm-3)――3.48――3.515显微硬度(MPa)――46042～84337――88260弹性模量(GPa)――700――1000热膨胀系数(×10的-6次方/℃)――4.7――3.1化学稳定性――与Fe系金属不反应，大气中至1000℃不氧化――与Fe 系金属反应，大气中600℃以上氧化热稳定性――真空中，温度至1550℃才发生从cBN至hBN的相变――真空中，温度超过1300℃，金刚石开始向石墨转变cBN并不是天然存在的，需要靠人工合成，合成cBN的传统方法是高温高压法。

CBN刀具车削加工淬火钢件的切削参数范围CBN刀具车削加工淬火钢件，已经是非常普遍的一种现象，采用CBN刀具以车代磨加工淬火钢件效率成倍提高，而且干式切削，车削加工过程中不添加切削，绿色环保，更适合制造业的绿色制造。

CBN刀具虽然广泛应用于淬火钢件的车削加工，但很多工人还不太了解CBN刀具的切削参数，经常刚上去就出现崩刀、打刀现象。

主要就是不了解CBN刀具的切削参数，用硬质合金刀具的参数测试，效果不好。

小编在机械加工行业摸爬滚打了十几年，还算是有一点小心得，今天分享给大家。

在先介绍CBN刀具车削加工淬火钢件的切削参数范围之前，先来了解一下淬火钢都有哪些难加工问题。

1、淬火钢件的粗加工：车削加工淬火过的齿轮，齿圈的生产过程中，一些齿轮、齿圈淬火或渗碳淬火后，硬度一般在HRC55以上，而且变形严重，如高铁齿轮，工程机械大齿圈，重工行业用大齿圈等，这些大型齿轮齿圈淬火后变形量非常大，这就涉及到淬火钢粗加工。

同样，在模具钢生产过程中，淬火钢的粗加工也经常看到，但很多厂家采取的措施也五花八门，有的先把大余量线切割掉，有的用硬质合金刀具慢慢啃，有的用立方氮化硼（PCBN）刀具多次走刀才能完成加工，工人感慨粗加工淬火钢是有劲使不出，干着急，没办法。

2、淬火钢件的断续加工：间断切削加工一直是个难题，何况是动辄HRC60左右的淬火钢。

特别是在高速车削淬火钢时，刀具在间断车削淬火钢时会以每分钟100次以上的冲击来完成加工，对刀具的抗冲击性能是个很大的挑战。

以汽车齿轮加工为例，淬硬齿轮以车代磨已经成为一种趋势，据了解，作为齿轮产业的三大市场之一，车辆齿轮占据了齿轮市场总额的62%，其中汽车齿轮又占据了车辆齿轮市场份额的62%。

也就是说，汽车所用齿轮占有了整个齿轮市场近40%的比重，可见齿轮对于汽车产业的重要性。

虽然淬火钢的以车代磨和硬车削已经很普及，其实汽车淬硬齿轮加工过程中仍然遇到很多问题，如一些汽车齿轮内孔有油孔，这就出现间断切削加工难题，很多CBN刀具在高速运转时期遇到油孔容易崩刀，齿轮的位置公差难以保证，等等3、淬火钢件的切槽加工：举一个简单的例子，同步器滑套啮合槽淬火后的硬车削加工，虽然立方氮化硼刀具厂家开发出了同步器滑套专用立方氮化硼切槽刀具，但PCBN刀具的寿命仍然不尽如人意。

CBN刀具硬车轴承优势及应用，大型号轴承硬车，刀具只是一部分CBN刀具硬车轴承优势及应用导读：随着超硬刀具（CBN刀具）的研制应用，在许多冷加工中，磨削可以被车削所取代。

本文介绍了轴承套圈的硬车加工工序，工件表面粗糙度达到Ra0.4-Ra0.8，满足轴承精度要求。

随着科技的发展，对大型、特大型轴承精度的要求越来越高，公差等级要求达到P5，P4的范围越来越广，通常情况下，大型轴承在机械加工方面主要依靠数控立式车床和立式磨床，由于受一般数控立式车床加工精度限制，磨加工工序的余量较多，磨削时间较长，效率较低。

随着超硬刀具（CBN刀具）的研制应用，在许多冷加工中，磨削可以被车削所取代。

本文介绍了轴承套圈的硬车加工工序，工件表面粗糙度达到Ra0.4-Ra0.8，满足轴承精度要求。

1、硬车轴承的CBN刀具特点CBN刀具是目前加工黑色金属脆硬材料的优选材质，具有很高的硬度和耐磨性，是目前已知的第二高硬度的物质，加工高硬度材料时可减少大型零件加工中的尺寸偏差和尺寸分散性。

CBN刀具具备很高的热稳定性和高温硬度，当切削温度较高时，会使被加工材料软化，与刀具间硬度增大，有利于切削加工进行，但对刀具寿命影响不大。

CBN刀具具备很高的抗氧化能力，与铁系材料在1200～1300℃时也不发生化学反应，但在1000℃左右时会与水产生水解作用，所以采用CBN刀具加工轴承时，尽量采用干式切削的加工方式。

CBN刀具具备较低的摩擦系数，切削时不易形成滞留层或积屑瘤，有利于加工表面质量的提高。

2、硬车轴承的CBN刀具材质大型轴承热处理后留的余量较大，采用整体聚晶CBN刀具可减少走刀次数，提高生产效率。

其中BN-S20牌号是目前应用较为广泛的一款CBN材质。

BN-S20牌号属于整体聚晶CBN刀具，硬度达到HRC95-HRC100之间，而且含陶瓷结合剂，保证在高温下具备更高的抗化学腐蚀性，耐磨性更优异。

如加工外径φ1900mm，厚130mm风电1.5MW机组用变浆轴承内外圈：采用磨削加工，磨时间是18小时以上，采用以车代磨工艺，时间只需4.5小时。

立方氮化硼(CBN)在切削加工中的应用用PCBN刀片精车淬硬钢加工硬铸铁和灰口铸铁高速镗削铸件孔铰削淬硬钢或硬铸件小孔用于难加工材料的切削加工采用PCBN刀具精车淬硬钢，其工件硬度高于45HRC，效果最好。

其切削速度一般为80～120m/min，工件硬度越高，切削速度宜取低值，如车硬度为70HRC 的工件，其切削速度宜选60～80m/min。

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，PCBN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。

如果机床刚性好，选用的切削速度较低，则选用PCBN复合刀片可精车断续表面。

精车加工余量一般为0.3mm左右，尽可能提高工件淬火前的尺寸精度和减少热变形，以保证精车时切削余量均匀，延长PCBN刀具的使用寿命。

精车一般不用切削液，因为在较高的切削速度下，大量的切削热由切屑带走，很少会停留在工件表面而影响加工表面质量和精度。

精车刀片宜选用强度和韧性高的80°菱形刀片，刀尖半径在0.8～1.2mm之间，为保护刀具刃口，使用前需用细油石倒棱。

精车淬硬工件是一门新工艺，实施前需做工艺试验，可用与工件材料、硬度和大小相同的棒料，在同类机床上进行精加工或粗加工试验，关键是要试验刀具与切削参数的选择及工艺系统是否有足够的刚性。

该工艺目前国内已经采用，如一汽集团用PCBN刀具加工渗碳淬火(58～63HRC)的20CrMnTi变速箱齿轮拨叉槽，采用的工艺参数为Vc=150m/min,f=0.1mm/r，ap=0.2～0.3mm，实现了以车代磨。

加工硬铸铁用PCBN刀具车削淬硬钢时，要求工件淬火硬度高于45～55HRC，加工硬铸铁时，只要硬度达到中等硬度水平(45HRC)，就会取得良好的加工效果。

铣削加工中的刀具材料选择铣削加工是现代制造业中不可或缺的一部分，在汽车、航空、家电、通讯等领域中扮演着重要的角色。

而刀具材料的选择则直接关系到铣削加工的效率、质量和成本。

本文将详细介绍铣削加工中的刀具材料选择，以便读者更好地了解它的重要性和影响。

一、刀具材料的种类刀具材料按照其物理和化学性质的不同，可以分为硬质合金、高速钢、陶瓷、PCD和CBN五种类型。

1、硬质合金（WC）硬质合金最大的特点是硬度高，在磨削和抗磨损等方面表现出色。

它主要由钨钴碳和钨钴钛碳等复合材料构成。

在加工锻件、不锈钢、镍基合金等材料时，尤为适用。

2、高速钢（HSS）高速钢是一种由钼、钴、钢和其他元素制成的合金材料，它也是铣削加工中最常用的刀具材料之一。

高速钢刀具具有良好的切削性和强度，在适当的条件下可以进行高速切削。

但是在加工难加工材料时容易断刃和变形。

3、陶瓷陶瓷刀具是一种无机非金属材料，它具有高硬度、高耐磨性和高耐腐蚀性等特点。

陶瓷刀具适用于加工高硬度、脆性材料，例如钢化玻璃、陶瓷、石英和高分子材料等。

4、PCD聚晶金刚石（PCD）刀具是一种由聚晶金刚石颗粒和金属粉末制成的高强度复合材料，它的硬度比陶瓷还要高。

PCD刀具适用于铣削加工铝合金、纤维强化塑料、合成材料、铜等材料的高效率切削。

5、CBN晶体立方氮化硼（CBN）刀具是一种由晶体立方氮化硼和金属粉末制成的材料，它的热稳定性非常好，在高温和高速切削中表现优异，适用于铣削加工高温合金、镍合金、钢等难加工材料。

二、刀具材料选择的依据正确的刀具材料选择可以极大地提高加工效率和产品品质。

因此在选择刀具材料时，需要考虑如下因素。

1、被加工材料的性质材料的硬度、塑性和耐热性等性质，直接影响了刀具材料的选择。

例如硬质合金适用于加工材料硬度较大的材料，高速钢适用于加工硬度适中的材料，而陶瓷和PCD适用于加工高硬度、脆性材料等。

2、切削工况切削速度、冷却液、进给量、切削深度等切削条件，对刀具材料选择有重要的影响。