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    聚晶立方氮化硼(PCBN)是利用人工方法合成的硬度僅次于金剛石的新型刀具材料，在近二十多年中得到了很快的發(fā)展，并廣泛應(yīng)用于航天航空、汽車、電子、液壓元件等精密工業(yè)領(lǐng)域。由于聚晶立方氮化硼具備了許多優(yōu)良的機(jī)械性能，因此不僅常用于加工一些高硬度難加工材料，而且可以應(yīng)用于精加工淬硬鋼以代替磨削工藝。但到目前為止，PCBN刀具切削淬硬鋼的加工技術(shù)尚未被相關(guān)企業(yè)廣泛采用，其主要原因是企業(yè)對(duì)用PCBN刀具切削淬硬鋼的加工機(jī)理、刀具性能及使用技術(shù)等方面還沒有完全理解和掌握，此外切削過程中的一些不穩(wěn)定因素以及昂貴的刀具成本也制約了PCBN刀具的使用和推廣。近幾年來，國(guó)內(nèi)外加強(qiáng)了對(duì)PCBN刀具磨損的研究，但研究?jī)?nèi)容主要集中在一般磨損機(jī)理以及在具體加工條件下切削難加工材料等方面，而很少報(bào)導(dǎo)采用PCBN刀片加工淬硬鋼的磨損問題。

    本文以瑞典Sandvik公司CB20牌號(hào)PCBN刀具干式切削淬硬GCr15軸承鋼為研究對(duì)象，通過切削試驗(yàn)系統(tǒng)分析了PCBN刀具的磨損問題，同時(shí)探討了在切削過程中切屑形態(tài)與刀具磨損之間的關(guān)系，為拓寬PCBN刀具的應(yīng)用范圍，將其運(yùn)用于硬材料的精加工提供了試驗(yàn)依據(jù)。

1 試驗(yàn)條件

1) 試驗(yàn)用機(jī)床：C6132；
2) 工件：工件材料：淬硬GCr15軸承鋼(淬火后硬度61～63)，工件規(guī)格：φ40×280mm；
3) 刀片：采用瑞典sandvik公司生產(chǎn)的SNMA120408 S01020E CB20刀片(這種刀片是在硬質(zhì)合金的載體上焊接了添加氮化鈦的立方氮化硼刀尖)，刀片幾何形狀見圖#。裝夾后刀具的幾何參數(shù)：go=-6°，ao=6°，ls=-4°，kr=75°，kr’=15°，刀尖圓弧半徑re=0.8mm，負(fù)倒棱為26°×0.1mm(刀片的掃描電鏡圖片見圖3a)。
4) 切削參數(shù)：切削速度vc=140m/min，背吃刀量ap=0.2mm，進(jìn)給速率f=0.1mm/r，采用干式切削。
5) 測(cè)量與觀察：在切削試驗(yàn)中，每間隔3min，在40倍工具顯微鏡下測(cè)量刀具主后刀面磨損量并觀察前后刀面的磨損形態(tài)；在切削行程達(dá)到7800m時(shí)，用HITACHI S-570型掃描電鏡(SEM)觀察刀具表面磨損帶形貌，用熱電偶法測(cè)量切削溫度，用YCL型表面輪廓儀測(cè)量表面粗糙度。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

在用PCBN刀具干車削淬硬GCr15軸承鋼的試驗(yàn)中觀察到：切屑呈暗紅色，沿副切削刃方向流出。用熱電偶法測(cè)量的切削溫度達(dá)1000℃以上。

1) PCBN刀具磨損特征

CB20刀片車削淬硬GCr15軸承鋼時(shí)，在刀具前后刀面都會(huì)產(chǎn)生磨損。切削過程中，刀尖部位最先發(fā)生磨損，緊接著發(fā)生前刀面磨損，其主要特征是在靠近倒棱面處最先形成月牙洼。隨著切削的進(jìn)行，月牙洼向前刀面深處、主刀刃和副刀刃延伸。切削行程達(dá)到7800m時(shí)形成的月牙洼掃描電鏡圖片如圖3b所示，月牙洼寬度和深度比較均勻，但在靠近刀尖部分的金相照片和延伸到兩邊的金相照片有明顯不同，在刀尖部位有顆粒剝落和微崩刃現(xiàn)象。

在切削初期很難觀察到后刀面磨損，但靠近刀尖部位的磨損相對(duì)明顯。在切削進(jìn)行6～7分鐘后，主后刀面靠近刀尖圓弧處出現(xiàn)了磨損現(xiàn)象。切削行程達(dá)到7800m時(shí)形成的后刀面磨損帶掃描電鏡圖片見圖5b，后刀面磨損帶和傳統(tǒng)的后刀面磨損帶有明顯的不同，副后刀面的磨損遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于主后刀面的磨損，前、后刀面磨損區(qū)域較小。
2) 刀具磨損曲線

主后刀面磨損，隨著切削時(shí)間的增加，CB20刀片的磨損逐漸均勻增加，初期磨損階段和正常磨損階段有明顯區(qū)別，而正常磨損階段與劇烈磨損階段沒有明顯的區(qū)分界限。

分析認(rèn)為，在切削試驗(yàn)初期，由于新刀具的前后刀面在微觀上仍存在著一些粗糙不平的地方，在切削加工中與工件表面的接觸應(yīng)力很大，故刀具的磨損較快；隨著切削時(shí)間的增加，新刀具經(jīng)磨合后，刀具與工件的接觸面積增大，壓強(qiáng)減小，磨損曲線變化趨于穩(wěn)定。至試驗(yàn)結(jié)束、切削行程達(dá)到7800m時(shí)，主后刀面磨損量達(dá)0.35mm時(shí)，切削過程仍然比較平穩(wěn)，表面粗糙度Ra為1.6。

3) 磨損機(jī)理的研究及探討

a. 前刀面磨損

前刀面磨損現(xiàn)象在切削試驗(yàn)開始階段即會(huì)發(fā)生，主要表現(xiàn)為機(jī)械磨損造成的輕微劃痕和擦傷；隨著切削時(shí)間的推移，靠近刀尖附近的前刀面磨損呈月牙洼形狀，這是由于切削區(qū)的高溫作用使刀具表面發(fā)生了相變磨損，從而表現(xiàn)為“月牙洼”的出現(xiàn)。如果在切削過程中對(duì)PCBN刀具進(jìn)行適當(dāng)?shù)睦鋮s，比如用惰性氣體(以N2為佳)加以保護(hù)，則可以大大減緩刀具前刀面的磨損，從而提高刀具的使用壽命。

利用掃描電鏡對(duì)靠近微崩刃區(qū)域的月牙洼部分進(jìn)一步觀察分析，并與磨損前的刀具表面金相圖片進(jìn)行對(duì)比。從圖4可以清楚地看到未切削的CB20刀具前刀面晶粒分布均勻一致，而磨損后的刀具則呈現(xiàn)坑坑洼洼無規(guī)律性的表面結(jié)構(gòu)。對(duì)此現(xiàn)象的產(chǎn)生，筆者認(rèn)為是由于切削加工的溫度高達(dá)1000℃以上，PCBN刀具必然會(huì)發(fā)生氧化和放氮反應(yīng)，其反應(yīng)方程式為：

4BN(CBN)+3O2→2N2↑+2B2O3

上式表明PCBN刀具表面經(jīng)氧化作用后會(huì)在其表面形成一層氧化膜，但由于切屑的強(qiáng)烈摩擦與熱沖擊作用，這層氧化膜會(huì)很快被切屑帶走，造成進(jìn)一步的氧化磨損。對(duì)于相變磨損，圖4b中表現(xiàn)得并不明顯。

b. 后刀面磨損

在切削加工初期，后刀面的磨損現(xiàn)象很難觀察到，但刀尖部分磨損卻比較明顯，這是由于刀片的刀尖圓弧re=0.8mm，背吃刀量ap=0.2mm，切削加工剛開始時(shí)刀具的后刀面與工件并不接觸，而后刀面的磨損也就只反映在刀尖與后刀面的圓弧連接處，直到切削進(jìn)行了6～7分鐘左右，在主后面靠近刀尖圓弧處出現(xiàn)了磨損現(xiàn)象。

后刀面磨損部分呈麻點(diǎn)狀，刀具表面有顆粒脫落。這是由于在一定壓力和高溫條件下，CBN活性增強(qiáng)，與加工材料的親和傾向不斷增加，從而導(dǎo)致了粘結(jié)磨損的發(fā)生。副后刀面的粘結(jié)情況比主后刀面要好。由于切削加工中，主后刀面的溫度來自于刀具與工件的劇烈摩擦和切屑對(duì)刀具表面的熱沖擊，而副后刀面的溫度主要是高溫切屑流過而引起的，顯然比主后刀面的切削溫度要低，因此證明了粘結(jié)磨損受溫度的影響，溫度越高，粘結(jié)情況越嚴(yán)重。
(a)副后刀面表面形貌(100×) (b)主后刀面表面形貌(100×) (c)主后刀面微觀組織(3000×)
CB20刀具另一磨損機(jī)制的存在，即a節(jié)中所提到的相變磨損。由CB20主后刀面的金相組織可以觀察到乳突狀麻斑，CBN晶粒突出在表面，周圍的粘結(jié)劑已經(jīng)被磨去。這正是發(fā)生相變磨損的典型特征，即CBN顆粒發(fā)生了CBN→HBN的轉(zhuǎn)化。由于HBN硬度很低，從而喪失了切削能力。由于通常認(rèn)為前刀面的切削溫度要比后刀面高，后刀面有相變磨損產(chǎn)生，則前刀面也必然發(fā)生了相變磨損。

c. 顆粒剝落和微崩刃現(xiàn)象

顆粒剝落和微崩刃現(xiàn)象是超硬聚晶金剛石刀具材料所特有的磨損類型。在本試驗(yàn)中，當(dāng)切削了25分鐘左右時(shí)，CB20刀具切削刃與加工工件表面接觸區(qū)域(即負(fù)倒棱靠近刀尖圓弧部分)發(fā)生了微崩刃現(xiàn)象，用掃描電鏡觀察產(chǎn)生微崩的CB20刀尖部分，看到刀尖部分已有缺損。由于PCBN刀具是由無數(shù)細(xì)小的CBN顆粒構(gòu)成的，晶界處富集的“雜質(zhì)組元”相當(dāng)于一種“精細(xì)裂紋”，而且存在著不均勻的內(nèi)應(yīng)力，因而大大降低了晶界強(qiáng)度。因此當(dāng)高溫切屑流過刀具刀尖時(shí)，被加工材料材質(zhì)不均勻或存在硬質(zhì)點(diǎn)而導(dǎo)致的微沖擊以及機(jī)床主軸的跳動(dòng)等造成了CBN顆粒剝落和微崩刃。

4) 切屑形態(tài)變化分析

閻秋生教授的研究認(rèn)為：在切削速度較高、加工材料仍處于較低溫度的情況下，刀尖位置已經(jīng)滿足了被切除材料產(chǎn)生脆性剪斷的條件，因而在滿足切削區(qū)材料塑性剪切滑移應(yīng)力條件之前形成了產(chǎn)生鋸齒形切屑的裂紋而生成鋸齒形切屑。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)在相同切削用量下，切屑在不同時(shí)期也會(huì)有一些變化。在切削初期階段(見圖7a)，可以清楚地看見切屑是由層狀薄片擠壓堆積形成的。結(jié)合圖8來加以說明：切削初期，刀具與工件的接觸面小，擠壓作用比較大，切屑排出困難；切削進(jìn)行了一段時(shí)間之后，隨著刀具鈍圓rn的出現(xiàn)，切削接觸面積增大，并且刀具前刀面月牙洼的產(chǎn)生也使得刀具實(shí)際前角增大，同時(shí)刀具表面經(jīng)過切屑的滑擦作用也變得光滑，從而適宜切屑的流出，切屑的剪切變形和排出阻力都有所減小，因而切屑表面較為光滑(見圖7b、7c)。

(a)新刀具切削初期時(shí)的切屑形態(tài)(100×)
(b)刀具磨損后較低溫度下的切屑形(100×)
(c)刀具磨損后連續(xù)切削、高溫下的切屑形態(tài)(80×)

比較圖7b和7c：圖7b是刀片進(jìn)行磨損測(cè)量后再次進(jìn)行切削(工件溫度較低)產(chǎn)生的最初切屑形態(tài)，切屑平直呈長(zhǎng)條形；隨著切削時(shí)間的延長(zhǎng)，切削溫度升高后，切屑就變?yōu)閳D7c的螺旋鋸齒狀形態(tài)。由于在此過程中只有切削溫度發(fā)生了變化，切削參數(shù)并沒有改變，因此筆者認(rèn)為溫度的變化對(duì)切屑形態(tài)也有著一定的影響：隨著切削溫度的升高，切屑的剪切變形增大，鋸齒狀切屑的齒距和齒高都會(huì)有所變化。有關(guān)溫度因素對(duì)切屑的具體影響還有待深入研究。

3 結(jié)論

1) 用CB20刀具精車淬硬鋼(HRC>60)，切削過程比較平穩(wěn)且刀具使用壽命長(zhǎng)，是精加工淬硬鋼等硬脆材料的理想刀具。建議采用如下的切削用量：切削速度Vc≥140m/min，背吃刀量ap=0.2mm，進(jìn)給速率f=0.1mm/r。

2) CB20刀具前后刀面磨損區(qū)域較小且主要集中在刀尖和副倒棱附近，磨損原因主要是機(jī)械磨損、氧化磨損、相變磨損和粘結(jié)磨損，它們的共同作用造成了刀具的磨損。

3) CB20刀具在磨損區(qū)域有顆粒剝落和微崩刃發(fā)生，因此在加工中必須合理選擇切削用量，提高工件材料的材質(zhì)，選用剛性好的機(jī)床，注意機(jī)床—工件—刀具工藝系統(tǒng)的振動(dòng)。

4) 切削加工是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過程，在相同的切削參數(shù)下，切屑形態(tài)隨著刀具的磨損會(huì)發(fā)生變化，有關(guān)影響切屑形態(tài)變化的原因和機(jī)理有待于進(jìn)一步深入研究。