1．引言

　　先進切削技術(shù)（硬態(tài)切削猜绣、高速切削课舍、干切削）的應(yīng)用不僅可以給企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟效益，而且也有利于環(huán)境保護谐宙。目前烫葬，先進切削技術(shù)在我國生產(chǎn)企業(yè)中的應(yīng)用規(guī)模和深度與國外相比還有很大差距。其中一個主要原因是國內(nèi)對于先進切削技術(shù)中的刀具磨損及其對加工質(zhì)量的影響的研究水平相對于國外還比較落后凡蜻，限制了先進切削技術(shù)在國內(nèi)生產(chǎn)企業(yè)中的推廣搭综。PCBN刀具是能夠滿足先進切削要求的主要刀具材料，也是國內(nèi)外公認的用于硬態(tài)切削划栓、高速切削以及干式切削加工的理想刀具材料兑巾，但是条获，如果使用不當造成磨損過快，就會降低使用PCBN刀具的經(jīng)濟性蒋歌。PCBN刀具主要用于加工淬硬鋼罪焰、鑄鐵、高溫合金以及表面噴涂材料等风承。

　　國外的汽車制造業(yè)大量使用PCBN刀具切削鑄鐵材料暴喂，PCBN刀具已成為國外主要汽車制造廠家各條生產(chǎn)線上使用的新一代刀具。因此家漂，開展我國PCBN刀具切削鑄鐵材料的研究霜售，對于促進我國先進切削技術(shù)的應(yīng)用以及汽車工業(yè)的發(fā)展具有重要意義。

　　2．PCBN刀具的發(fā)展及其切削性能

　　1957年且恼，美國GE公司的研究人員首先在世界上合成了硬度僅次于金剛石的立方氮化硼微粉妹髓，簡稱CBN（Cubic Boron Nitride）。人工合成的立方氮化硼單晶顆粒的尺寸小捉寻，無法直接利用其單晶顆粒制成切削刀具姜筋。上世紀70年代，各國相繼研制出可以應(yīng)用于切削加工領(lǐng)域的立方氮化硼燒結(jié)體硼洁，稱為聚晶立方氮化硼或PCBN（Polycrystalline Cubic Boron Nitride）伯板。目前，PCBN刀具坯料可以分為兩大類：一是整體聚晶體欢策，它由無數(shù)細小的CBN單晶體在高溫高壓下燒結(jié)而成吆寨；另一類是以硬質(zhì)合金為基體、高溫高壓下在其表面燒結(jié)一層CBN微粉制成的復(fù)合片踩寇。PCBN復(fù)合片將PCBN材料的高硬度啄清、高導(dǎo)熱性及高熱化學(xué)穩(wěn)定性和硬質(zhì)合金基體的強度與韌性結(jié)合在一起，因而具備了較高的耐磨性和一定的抗沖擊破損能力俺孙。由PCBN刀具坯料經(jīng)過切割辣卒、焊接和刃磨制成的PCBN刀具有良好的切削性能，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

　【﹂（1）高硬度和耐磨性

　　CBN的硬度僅次于金剛石荣茫，對于可切削黑色金屬的刀具材料來說，PCBN刀具的硬度最高场靴。PCBN刀具的耐磨性可以達到涂層刀具和陶瓷刀具的5～10倍啡莉，因此，使用PCBN刀具能夠明顯減少生產(chǎn)加工中的換刀次數(shù)旨剥，提高被加工工件的精度與互換性咧欣，縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期。

　　（2）良好的導(dǎo)熱性和熱穩(wěn)定性

　　PCBN刀具在800℃時的硬度仍高于硬質(zhì)合金刀具和陶瓷刀具的常溫硬度颖喧，在1200℃時仍能保持較高的硬度洒漱，而且隨著溫度的升高，其導(dǎo)熱系數(shù)也隨之升高铅坚。因此赃夷，PCBN刀具能夠很好地滿足硬態(tài)切削、高速切削和干切削時的惡劣加工條件對刀具材料的要求兰斑。

　◇钥ā（3）高的化學(xué)穩(wěn)定性

　　由于CBN的化學(xué)惰性特別大，在1200～1300℃時也不與Fe修暑、Ni询时、Co等發(fā)生反應(yīng)，所以PCBN刀具在切削加工時的化學(xué)磨損相對于其它刀具材料較小奥唯，可用于加工各種材料的工件捷夜。

　　（4）較低的摩擦系數(shù)

　　CBN與不同材料間的摩擦系數(shù)為0.1～0.3商贾，而且隨著切削速度的提高非震，PCBN的摩擦系數(shù)呈減小趨勢，從而使切削力減小满哪，減少切削時的刀屑粘結(jié)現(xiàn)象婿斥，有利于提高加工精度以及表面質(zhì)量。

　　由于PCBN刀具具有良好的切削性能哨鸭，目前在國外汽車制造行業(yè)的鑄鐵加工中已經(jīng)獲得了廣泛的使用民宿，相比之下，我國汽車制造企業(yè)中的PCBN刀具的使用規(guī)模還遠不能和國外相比像鸡，而且國內(nèi)在使用PCBN刀具切削鑄鐵材料時活鹰，刀具磨損的速度相對于國外較快。

　　3．鑄鐵材料在汽車工業(yè)中的應(yīng)用與發(fā)展

　　鑄鐵材料在汽車工業(yè)中的應(yīng)用較廣泛只估，根據(jù)石墨在鑄鐵材料中的存在形式华望，主要可以分為三類：灰鑄鐵、球墨鑄鐵和蠕墨鑄鐵仅乓。不同鑄鐵材料中的石墨形態(tài)、基體成分以及各種元素的質(zhì)量分數(shù)不僅決定其用途蓬戚，也對由該材料制成的鑄件的加工性能有很大的影響夸楣。

　　灰鑄鐵材料中石墨以片狀形式存在∪缏螅灰鑄鐵能夠較好地滿足發(fā)動機工作條件對發(fā)動機零部件

　　材料性能的要求忱确，同時具有生產(chǎn)成本較低的優(yōu)點。20世紀60年代以前，國內(nèi)外汽車行業(yè)普遍采用相當于HT200的灰鑄鐵生產(chǎn)氣缸體唐耿。近年來犹蝇，在轎車輕型化的發(fā)展趨勢要求下，國外已開始用鋁合金缸體和鎂合金缸體等新材質(zhì)缸體逐漸代替灰鑄鐵缸體的生產(chǎn)和應(yīng)用囤嗡，但是昵斤，目前國內(nèi)不少發(fā)動機鑄件生產(chǎn)廠家仍以生產(chǎn)HT250的灰鑄鐵氣缸體為主。與國外相比缤滑，國內(nèi)生產(chǎn)的氣缸體鑄件在質(zhì)量上有一定差距：國外鑄造廠家生產(chǎn)氣缸體鑄件的尺寸精度一般可以達到ISO 6～8級困邪，而國內(nèi)即使是專業(yè)水平較高的廠家生產(chǎn)的氣缸體坯件的尺寸精度也只能達到ISO 8～10級；國外毛坯鑄件的表面粗糙度一般為Ra12.5～50μm瓤危，而國內(nèi)為Ra25～100μm业馒。另外，國產(chǎn)毛坯在鑄件材料和鑄件尺寸的穩(wěn)定性等方面與國外也存在一定差距么鸿，這些因素對于PCBN刀具在加工國產(chǎn)鑄件時的磨損速度都有不良影響蛾趣。

　　在灰鑄鐵鐵水中加入球化劑，使硫爽冕、氧等雜質(zhì)元素含量大大降低仇祭，同時在結(jié)晶過程中析出球狀石墨而得到球墨鑄鐵。球墨鑄鐵是目前公認的生產(chǎn)中小型發(fā)動機曲軸的理想材料扇售，已經(jīng)開始廣泛替代傳統(tǒng)的鍛鋼曲軸前塔。近十幾年來，奧氏體等溫淬火球墨鑄鐵（ADI）在汽車曲軸承冰、凸輪軸华弓、齒輪及各種支架類零件制造中的應(yīng)用越來越廣泛。由于ADI的強度和韌性遠遠高于灰鑄鐵困乒，而且由于其本身硬度較高寂屏，以及內(nèi)部組織中殘留的奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橛捕雀叩鸟R氏體硬質(zhì)點，使得切削時刀具磨損劇烈娜搂。

　　蠕墨鑄鐵（CGI）自20世紀80年代初問世以來發(fā)展迅速迁霎。蠕墨鑄鐵中石墨以蠕蟲狀形式存在。事實上百宇，蠕墨鑄鐵中的石墨在三維空間中以珊瑚狀形態(tài)存在考廉，這種形態(tài)特征使蠕墨鑄鐵中的石墨和基體結(jié)合更加牢固，從而使其具有更高的強度水搀、硬度涛帐、減震性、熱傳導(dǎo)性以及鑄造性能等沟智。蠕墨鑄鐵已經(jīng)開始替代灰鑄鐵用于汽車發(fā)動機的缸體梯匠、缸蓋贱避、剎車盤等零件的生產(chǎn)中，是汽車鑄造行業(yè)的新一代鑄件材料扶绒。加工蠕墨鑄鐵也對機床和刀具提出了更高的要求疙汁。

　　4．PCBN刀具切削鑄鐵材料

　　高速切削灰鑄鐵材料是PCBN刀具的典型應(yīng)用場合之一。PCBN刀具高速切削灰鑄鐵材料時刀具壽命可以達到陶瓷刀具的20～30倍幅之，從而能夠帶來巨大的經(jīng)濟效益语哺。對于不同牌號的PCBN刀具來說，CBN含量越高瞒帜，PCBN刀具的硬度假棉、耐磨性和導(dǎo)熱率就越高。因此征绸，高速切削灰鑄鐵的PCBN刀具應(yīng)該選用CBN含量較高（80%～90%）牌號的刀坯制成(如DBC80久橙、CBN30等)。從灰鑄鐵的金相組織來說管怠，PCBN刀具在切削珠光體含量高（≥90%）的灰鑄鐵材料時磨損較小淆衷，而切削鐵素體含量較高的灰鑄鐵材料時磨損較快。根據(jù)GE公司的Mark Deming等人的研究渤弛，將鑄鐵材料中鐵素體含量限制在5%以下祝拯，有利于提高PCBN刀具的壽命。因為CBN中的硼元素能與鐵素體相發(fā)生反應(yīng)她肯，使PCBN刀具切削灰鑄鐵時的化學(xué)磨損作用增強佳头，從而降低刀具的使用壽命。國內(nèi)朱從容等人的研究表明晴氨，鑄件材料的金相組織直接影響PCBN刀具的選用康嘉，PCBN刀具在高速切削以鐵素體為主的鑄件GG20時，刀具產(chǎn)生擴散磨損籽前，這時刀具的使用壽命較低亭珍，達不到高速切削的目的，應(yīng)采用陶瓷刀具枝哄。因此稿服，只有在鑄件中鐵素體含量小于10%時才宜采用PCBN刀具。GE公司在進一步的研究中發(fā)現(xiàn)德籍，由于微觀組織不同舀闻，灰鑄鐵鑄件的加工性能差異有較大波動。鑄鐵材料的微觀組織對于PCBN刀具的磨損機理影響很大消耸。GE公司向全美和歐洲9個主要鑄造廠商訂購相同要求的灰鑄鐵鑄件焦凶，使用PCBN刀具在相同的切削條件下進行切削試驗，試驗結(jié)果顯示：在加工不同鑄造廠生產(chǎn)的灰鑄鐵鑄件時即耕，PCBN刀具的壽命相差可以達到5倍以上，PCBN刀具的主要磨損機理也發(fā)生了變化。

　　根據(jù)德國Darmstadt工業(yè)大學(xué)的E Abele等人的最新研究表明：灰鑄鐵材料中的硫元素含量對于高速切削灰鑄鐵材料時PCBN刀具的壽命影響很大克导。由于在切削時灰鑄鐵材料中的硫元素在PCBN刀具表面形成的MnS層符貌，在切削時可起到一定的保護作用，因此肪斗，降低灰鑄鐵中硫元素含量钾排，將大大降低PCBN刀具高速切削灰鑄鐵時的刀具壽命。

　　切削參數(shù)對PCBN刀具切削灰鑄鐵材料時的磨損速度也有較大影響共螺，其中對刀具壽命影響最大的是切削速度该肴。資料表明：切削灰鑄鐵時PCBN刀具壽命不符合泰勒公式；隨著切削速度的增加藐不，刀具壽命曲線發(fā)生彎曲匀哄。Mark Deming等人還在試驗中發(fā)現(xiàn)，使用PCBN刀具切削灰鑄鐵時雏蛮，刀具進給量增加到一定程度后涎嚼，可以抑制PCBN刀具切削灰鑄鐵時化學(xué)磨損的產(chǎn)生，從而可更好地利用PCBN刀具的高硬度和耐磨性挑秉，提高PCBN刀具切削灰鑄鐵材料時的壽命法梯。但是不利的一面是，增加進給量也使得加工的表面粗糙度變大犀概×⒀疲總的來說，PCBN刀具切削灰鑄鐵時的切削速度姻灶、進給量铛绰、切削深度存在一個合理的范圍；超過了一定的范圍能眠，PCBN刀具的壽命嫁潦、加工精度或表面質(zhì)量就可能受到預(yù)想不到的影響，從而可能降低使用PCBN刀具可以取得的經(jīng)濟效益糖窃。另外近殖，PCBN刀具切削灰鑄鐵件時的刀具幾何參數(shù)和刃口處理質(zhì)量也是影響PCBN刀具壽命的重要因素。主要的問題是如何增加PCBN刀具刀尖和刃口部分的強度烦优。目前國內(nèi)切削灰鑄鐵工件的PCBN刀具大多采用90°刀尖角并對刃口進行倒棱處理菱砚。國內(nèi)宋銀勝等人根據(jù)生產(chǎn)中的試驗結(jié)果提出了PCBN刀具切削HT250灰鑄鐵時合理的刀具幾何參數(shù)。

　　國外對于使用PCBN刀具車削灰鑄鐵時推薦的倒棱參數(shù)為：粗加工時的倒棱參數(shù)為0.2mm×-20°萤掷，精加工時的倒棱參數(shù)為0.1mm×-20°理促，當PCBN刀具的切削環(huán)境更惡劣時，刃口處理還要將倒棱的底邊鈍圓以增加刃口的強度焊轴，其鈍圓半徑為10～15μm控栓。當切削力較小時亭郑，也可以僅對刃口進行鈍圓處理，其鈍圓半徑為25～50μm辽乎。

　　一般認為媳谁，PCBN刀具切削珠光體含量高的灰鑄鐵材料時，刀具的主要磨損機理是機械磨損友酱。而PCBN刀具切削球墨鑄鐵材料時占主導(dǎo)作用的磨損機理是化學(xué)磨損晴音，因此，PCBN刀具切削球墨鑄鐵件時的刀具磨損速度較快缔杉。而且在球墨鑄鐵曲軸锤躁、凸輪軸等汽車零件的加工中對于切削速度的要求不是很高，所以PCBN在加工球墨鑄鐵件時的經(jīng)濟優(yōu)勢和其他刀具材料相比并不顯著或详。甚至有人提議在加工球墨鑄鐵材料的工件時不使用PCBN刀具系羞。因此，國內(nèi)外對于PCBN刀具切削球墨鑄鐵材料時的磨損機理和特性都沒有投入過多的研究鸭叙。相比之下觉啊，由于蠕墨鑄鐵很有可能在未來的發(fā)動機缸體、缸蓋以及汽車剎車盤的生產(chǎn)中完全取代傳統(tǒng)的灰鑄鐵鑄件沈贝，因此杠人，PCBN刀具切削蠕墨鑄鐵材料時的磨損機理和磨損特性的研究，近年來在國外備受重視宋下。國外采用與加工灰鑄鐵缸體相同的切削參數(shù)在蠕墨鑄鐵缸體的生產(chǎn)線上使用PCBN刀具進行加工時發(fā)現(xiàn)：在銑削加工中嗡善，PCBN刀具的壽命僅為加工灰鑄鐵缸體時刀具壽命的一半；而在鉆削加工中岖酸，刀具的壽命僅為原來的10%皆坚。德國Darmstadt工業(yè)大學(xué)的生產(chǎn)工程與機床研究所（PTW）用了六年時間，通過組織鑄造企業(yè)币遮、汽車制造商以及材料科學(xué)研究人員共同進行系統(tǒng)研究后得出結(jié)論：由于蠕墨鑄鐵的生產(chǎn)過程中加入的蠕化劑使鐵水中的硫元素含量急劇下降笑敷，所以PCBN刀具在切削蠕墨鑄鐵材料時刀具表面不能形成起保護作用的MnS層，是PCBN刀具切削蠕墨鑄鐵材料時刀具磨損過快的一個重要因素躏印。相比之下嫁商，由于國內(nèi)蠕墨鑄鐵的生產(chǎn)規(guī)模和鑄件質(zhì)量與國外還有一定差距，因此笋俭，國內(nèi)關(guān)于PCBN刀具切削蠕墨鑄鐵材料時的各種問題還很少有單位進行研究捏趴。

　　5．結(jié)語

　　（1）為了能夠盡快提高我國在PCBN刀具切削加工鑄鐵材料領(lǐng)域的應(yīng)用水平沦恩，如果能夠由有關(guān)部門組織國內(nèi)的鑄件生產(chǎn)企業(yè)筑唁、汽車制造企業(yè)以及刀具制造企業(yè)聯(lián)合起來進行系統(tǒng)研究，將大大有利于我國汽車工業(yè)的發(fā)展拒惯。

　〗确埂（2）在現(xiàn)有條件下渤早，繼續(xù)深入研究PCBN刀具在加工各種鑄鐵材料（尤其是灰鑄鐵和蠕墨鑄鐵材料）時的合理切削參數(shù)、理想的刀具幾何參數(shù)以及加工質(zhì)量砰奕，從而提高PCBN刀具在我國生產(chǎn)企業(yè)中應(yīng)用時可以取得的經(jīng)濟效益蛛芥。

　　（3）加強對PCBN刀具切削鑄鐵材料時的切屑形成與磨損機理的深入研究军援，為提高國產(chǎn)PCBN刀具的質(zhì)量以及解決國內(nèi)PCBN刀具使用時的磨損過快問題提供可以借鑒的資料。

　〕蒲（4）積極探索有限元建模胸哥、計算機仿真等先進研究手段在研究PCBN刀具切削以及磨損問題中的應(yīng)用，促進我國在該領(lǐng)域的研究由定性研究階段向定量研究階段發(fā)展赡鲜。

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