郑州磨料磨具磨削研究所王光祖

　　常州华中金刚石工具制造有限公司王芸

　　河南伊格尔磨料磨具有限公司秦宇

　　作为21世纪更新换代的新型刀具——立方氮化硼刀具（Polycrystalline Cubic Boron Nitride,PCBN）刀具，其使用已产生巨大的经济效益，引起世界各工业国家的高度重视。超硬刀具材料的开发利用，是美国等先进工业国家保持技术和经济优势的关键之一。

　　PCBN刀具的发展与国外高速数控机床近20年来的快速发展密不可分。PCBN刀具以其高硬度、高耐磨性、良好的导热性和低摩擦系数等优异性能，非常适合在汽车工业自动化加工流水线上应用。

　　1.发展历史

　　1957年，美国通用电气公司首次合成出CBN（立方氮化硼）。

　　1996年11月10日，中国第一颗立方氮化硼在王光祖、卢飞雄研究团队的努力下，于河南省郑州市原第一机械工业部磨料磨具磨削研究所第六研究室问世。这是中国超硬材料发展史上的又一个里程碑式成就。

　　为缩短与发达国家在PCBN超硬刀具行业的差距，2010年国家设立了“高档数控机床与基础制造装备”科技重大专项，并明确提出：要对超硬刀具材料、刀具的设计与制造、高精度刀具等进行研发；积极建立高精度、高效率切削装置；根据不同的工件及加工工艺要求，开展大量实验，建立健全不同刀具在不同条件下加工不同工件的数据库；研发适用于钛合金、高温合金等难加工材料的高效切削刀具系列产品。

　　2.性能、应用及其影响因素

　　2.1 性能影响因素研究

　　PCBN刀具的综合性能主要受结合剂类型、cBN含量、粒度分布及制备工艺等因素影响。研究表明，结合剂是决定PCBN材料性能的关键：金属结合剂（如Al）可降低烧结温度并促进致密化，但高温下易软化；陶瓷结合剂（如TiC、TiN、AlN）具有高硬度和热稳定性，但韧性较差；当前主流采用金属–陶瓷复合结合剂，在兼顾高温性能的同时提升抗冲击能力。例如，适量添加Al可与cBN反应生成AlN，有效抑制cBN向hBN转化，并改善界面结合；而引入Ti(C,N)或Si₃N₄晶须等可显着增强材料的断裂韧性和耐磨性。

　　cBN含量与粒度亦显着影响刀具性能。高cBN含量（如>90%）可提升硬度与耐磨性，适用于连续精加工；而低含量配方因结合剂比例高，韧性更优，适合断续切削。混合粒度（粗细比约3:1）有助于提高堆积密度和致密性，从而优化力学性能。此外，合成温度、压力及基底材料（通常为WC–Co硬质合金）也对界面结合强度和服役可靠性产生重要影响。值得注意的是，PCBN的显微硬度、耐磨性与导电性并非简单正相关，需结合具体工况综合评价。

　　2.2 应用研究

　　凭借高硬度、优异热稳定性和化学惰性，PCBN刀具已成为淬硬钢、铸铁、高温合金等难加工材料高效干式切削的首选。在绿色制造趋势下，PCBN支持“以车代磨”“以铣代磨”，实现无切削液的干切削，大幅降低能耗与污染。实际应用表明：在发动机缸体粗铣、ADI断续车削、硼铸铁缸套加工等场景中，高cBN含量刀具（如DBW85、BN700）表现出更长寿命和更高表面质量；而在强断续切削条件下，适当降低cBN含量并优化结合剂（如引入Co、Al）可提升抗冲击性，避免崩刃。

　　针对钛合金TC4等高活性材料，PCBN虽非传统首选（因易发生化学反应），但在特定参数下仍可实现有效切削。仿真与实验均证实：切削力、温度及刀具磨损受切削速度、进给量及工件硬度共同作用；干切削时工件表层易形成白层，而合理控制刀具磨损可有效抑制其厚度增长。总体而言，PCBN刀具在高速、硬态、干式及精密加工领域展现出广阔应用前景，其选型需根据工件材料、加工方式（连续/断续）及工艺要求进行系统匹配。

　　3.PCBN超硬刀具分类

　　3.1按添加成分类

　　PCBN超硬刀具可分为两大类：

　　添加一定比例结合剂后烧结、再经加工而成的PCBN刀具；

　　直接由PCBN单晶烧结、后期加工而成的PCBN刀具。

　　PCBN刀具性能在很大程度上受其结合剂影响。选择结合剂应满足以下要求：

　　结合剂与CBN的线膨胀系数尽可能相近，以减少热应力集中对刀具性能的影响；

　　结合剂最好能与CBN发生化学反应生成化学键，以增强CBN颗粒间的黏结强度；

　　结合剂应具备优良的高温力学性能，以降低高温环境下对PCBN切削性能的不利影响。

　　结合剂的选取对PCBN性能影响重大。合适的结合剂既能降低PCBN的合成工艺难度，又可能提升其综合性能。

　　PCBN结合剂主要包括金属结合剂和陶瓷结合剂。

　　金属结合剂：在烧结过程中以液态金属为媒介，加速流动传质过程，使PCBN可在较低温度下快速致密化。例如，金属Al熔点较低，在高温高压下可迅速熔融液化，在较宽的温度和压力范围内促进致密化。Al还能与CBN反应生成AlN，不仅活化烧结、加速致密化，生成的AlN还能抑制CBN向hBN（六方氮化硼）转化，是制作PCBN最常用的结合剂之一。

　　然而，金属结合剂与CBN的线膨胀系数差异较大，烧结后易因热胀冷缩产生较大温差应力，导致结合剂与PCBN间出现缝隙、粘结不牢，从而降低刀具耐磨性；此外，金属在高温下易软化和氧化，会削弱PCBN的高硬度和热稳定性。

　　陶瓷结合剂：主要包括TiC、TiN和AlN等过渡族金属的碳、氮化合物，具有高硬度、良好高温稳定性和化学惰性。但其冲击韧性差，刀具易崩刃、破损，使用寿命较短。

　　目前，市场上主流PCBN刀具多采用金属陶瓷型结合剂，即选用能与CBN颗粒反应生成氮化物、硼化物等中间相的陶瓷型化合物，并辅以少量金属单质。此类结合剂兼具金属型和陶瓷型PCBN的优点：既解决了金属结合剂高温易软化的问题，又克服了陶瓷结合剂抗冲击韧性差的缺点。

　　Mellmers、Son等人发现VN/TiN纳米多层膜具有超硬效应后，近年来超硬材料行业对TiN基陶瓷结合剂的研究与应用日益活跃。Ti(C,N)兼具TiC和TiN的优点，具有高熔点、高硬度，并具备良好的导热性、导电性和化学稳定性。将其作为结合剂可有效提高陶瓷结合剂的韧性，改善PCBN刀具的热稳定性，减少前刀面磨损，延长刀具寿命。

　　除常规化学计量比PCBN外，学者们还探索在CBN中混入非化学计量比结合剂以改善性能。例如，在PCBN复合片中添加适量TiC或TiN，可与体系中的其他碳化物或氧化物反应生成Ti(C,N)，从而有效提升PCBN复合片的综合性能。

　　由于结合剂的存在会降低PCBN的硬度、强度和耐磨性，近年来纯PCBN发展迅勐。住友公司于2000年研制出代号IZ900的纯PCBN，其CBN含量超过99.9%。该材料通过催化剂在高压条件下将hBN转化为CBN合成，因此其硬度与热稳定性均优于普通合成PCBN。

　　刘一波等人对非化学计量比结合剂的研究表明：适量TiC与CBN反应生成的TBₓ和Ti(C,N)等新化合物，可极大提高结合剂与CBN的黏结强度，同时提升黏结层的硬度和耐磨性；当体系中生成的Ti(C,N)含量达到12%–15%时，材料的耐磨性最佳。

　　武迪等人利用非化学计量比TiN₀.₃的空位效应活化烧结，从而降低烧结温度；通过添加适量过渡金属化合物并改进烧结工艺，有效改善了材料的力学性能。

　　3.2其他分类方式

　　按制造方式，PCBN超硬刀具可分为：

　　由整体烧结块制造的PCBN刀具；

　　与硬质合金复合而成的复合PCBN刀具。

　　按结构形式，可分为：

　　整体烧结的PCBN刀具；

　　在硬质合金刀体上镶嵌的PCBN刀具；

　　在硬质合金基体上焊接烧结复合式的PCBN刀具。

　　图1PCBN刀具结构分类

　　4.PCBN超硬刀具结构

　　4.1 PCBN超硬刀具断屑槽

　　断屑方法多样，如振动断屑、变进给量断屑（断续进给）、在工件上预开沟槽，以及采用机械或射流强制断屑等。目前，在自动化机床上应用最广泛的是在可转位刀片上直接压制出断屑槽来实现断屑。可转位刀片不仅能满足自动化机床换刀迅速、定位准确的要求，而且具有效率高、使用方便、无需额外装置、综合成本低等优点，已成为国内外断屑技术发展的主要方向。

　　4.2 PCBN修光刃

　　修光刃技术可通过改变刀尖圆角半径，在不改变切削参数的前提下提高进给率、实现高速切削，并显着提升表面质量。Sandvik Coromant公司将修光刃技术引入超硬刀片领域，在外圆和内圆加工中大幅提高了表面质量和生产效率，取得巨大成功。

　　张海滨等人研发了一款PCBN修光刃刀片：修光部分设置在刀体钝角处，修光部分顶角为70°±15°，左下角为85°，左下边长度为2 mm；顶角处设有圆弧结构，圆弧与右侧边之间设有倾角为85°的斜坡过渡。该新型结构在加工台阶结构时可显着缩短工作时间，提高效率。

　　4.3新型PCBN超硬刀具

　　为在淬硬钢加工中获得更优的加工质量与效率，Sandvik Coromant公司推出了具有Safe-Lock结构的CB7015刀片。该刀片采用机械锁定方式，使刀片远离高应力切削区域，增强刀具结构安全性，即使在连续或轻微断续切削条件下，也能提供可预测的稳定性能。

　　5.车削仿真

　　5.1刀具角度的仿真

　　合理的刀具角度可降低切削温度、减小切削力，从而延长刀具寿命、提高生产效率，这对PCBN超硬刀具的切削优化至关重要。

　　汪道银等人利用ABAQUS软件对30CrMoSA钢进行切削模拟，探究前角、后角、切削速度和背吃刀量的关系。结果表明：

　　当切削速度为90 m/min、背吃刀量为1 mm时，同时增大前角和后角，切削力显着增大；

　　当切削速度为110 m/min、背吃刀量为0.5 mm时，同时增大前角和后角，切削力反而减小。

　　5.2切削力的仿真

　　吕针等人通过Advantage Edge模拟软件仿真同型号PCBN车刀车削不同硬度的Cr12MoV钢，发现：工件硬度越大，切屑–刀具接触面上的切削力越大；当工件硬度达到55 HRC时，切削力达到最大值；继续提高硬度，切削力反而逐渐减小。

　　胡自化等人使用PCBN超硬刀具对镍基高温合金GH4169进行高速切削实验，结果表明：切削力随切削速度的增大先增大后减小；随切削深度和进给量的增大而增大。回归分析与显着性检验表明，所建模型能有效预测切削力，三向切削力的综合平均偏差小于15%，验证了有限元模拟的正确性与有效性。

　　5.3刀具应力的仿真

　　吴春雨等人通过ABAQUS有限元模拟切削Cr12MoV钢，并结合单因素与多元正交实验设计，得出不同切削参数对零件表面残余应力的影响规律及最佳切削方案。结论如下：

　　零件表面残余压应力随摩擦系数增大而增大；

　　随切削深度增大而增大；

　　随切削速度增大而减小。在三种参数中，对表面残余应力的影响程度从大到小依次为：摩擦系数>切削深度>切削速度。

　　5.4刀具温度的仿真

　　王博利用Advantage Edge软件对镍基高温合金GH4169进行车削过程仿真，分析发现：刀具表面大部分热量集中在切削刃和切屑剪切变形区，且剪切变形区温度呈阶梯状分布——靠近切削刃区域温度高（颜色深），远离区域温度低（颜色浅）。因此，切削温度会影响前刀面摩擦系数，后刀面接触长度较短，且在极短时间内完成温度升降，导致刀尖部位易受热冲击。

　　6.总结及展望

　　21世纪机械制造业正朝着高效率、高精度、自动化和柔性化方向飞速发展。与此同时，新技术、新设备、高档数控机床以及性能优良的新材料，为性能卓越的超硬材料刀具提供了广阔的应用空间。

　　为稳定控制PCBN超硬刀具的质量并促进其发展，需要原料供应商、PCBN材料厂、刀具制造商等多方协同合作。

　　为实现更精准的切削仿真，为刀具研发节省时间和成本，需注意以下三点：

　　建立完整的切削仿真数据库；

　　建立完整的刀具材料本构模型和性能数据；

　　开发符合实际需求的仿真软件。

　　我国是CBN原料生产大国，但在PCBN刀具材料的研发、制造及应用方面，与发达国家相比仍有差距。当前，我国超硬材料刀具开发面临新的挑战。我们应积极借鉴国外研发经验，突破瓶颈，提升超硬材料质量，优化刀具结构，为中国制造2025战略添砖加瓦。