PCD和CBN刀具的（de）區別

PCD刀具的性能特點

　　金剛石刀具（jù）具（jù）有硬度高、抗壓（yā）強度高、導熱性（xìng）及耐（nài）磨性好等特性，可在高速切削中獲得很高的加工精度和加（jiā）工效率。金剛石刀具的上述特性是由金剛石晶體狀態決定的。在金剛石晶體中，碳原子的四個價電子按四麵體結構（gòu）成（chéng）鍵，每個碳原子與四個相鄰原子形（xíng）成共價鍵，進而組成金剛石結構，該結（jié）構的結合力和方向性很強，從（cóng）而（ér）使金（jīn）剛石具（jù）有極高硬度。由於聚晶金剛石（PCD）的結（jié）構是取向不一的細晶粒金剛石燒結體，雖然（rán）加入（rù）了結合劑，其硬度及耐（nài）磨性仍低於（yú）單晶金剛石（shí）。但由於PCD燒結（jié）體表現為各向同性（xìng），因此不易沿單（dān）一解理麵裂開。

PCD刀具材料（liào）的主要性能指標

　　①PCD的硬（yìng）度可達8000HV，為硬質合金的80～120倍；

　　②PCD的導熱係數為（wéi）700W/mK，為硬質合金的1.5～9倍，甚至高於PCBN和銅，因此PCD刀具（jù）熱（rè）量傳遞迅速；

　　③PCD的摩（mó）擦係數一般僅為0.1～0.3（硬質合金的摩擦係數為0.4～1），因此PCD刀具可顯著減小切削力；

　　④PCD的熱膨（péng）脹係數僅為0.9×10^-6～1.18×10^-6，僅相當於硬質合金（jīn）的1/5，因此PCD刀具熱變形小，加工精度高；

　　⑤PCD刀具與有色金屬和非（fēi）金屬材（cái）料間的（de）親（qīn）和力很小，在加工過程中切屑不（bú）易（yì）粘結在刀尖上形成積屑瘤。

PCD刀具的應用

　　工業（yè）發（fā）達國家對PCD刀具的研究開展較早，其應用（yòng）已比較成熟。自1953年在瑞（ruì）典首次合成人造金剛石以來，對PCD刀具切削（xuē）性（xìng）能的研究獲（huò）得了（le）大量成果，PCD刀具的應用範圍及（jí）使用量迅速擴大。目前，國際上著名的人造（zào）金剛石（shí）複合片生產商主要有英國DeBeers公司、美國（guó）GE公司、日本住友電工株式會社等。據報道，1995年一季度僅日本的PCD刀具產量即達10.7萬把。PCD刀具的應用（yòng）範圍已由（yóu）初（chū）期的車削加工向鑽削、銑削加工（gōng）擴展。由日本一家組織（zhī）進行的關於超硬刀具的調查表明：人們選用PCD刀具的主要考慮因素是基於PCD刀具加工後的表麵精（jīng）度、尺寸精度及刀具壽命等優勢。金剛（gāng）石複（fù）合片合成技術也得到了較大發展（zhǎn），DeBeers公司已（yǐ）推出了直徑74mm、層厚（hòu）0.3mm的聚晶金剛石複合片。

　　國內（nèi）PCD刀具市場隨著刀具技術水平的發展也（yě）不斷擴（kuò）大。目前中國第一汽車（chē）集團已有一（yī）百（bǎi）多個PCD車刀使用（yòng）點，許多人造板（bǎn）企業也采用PCD刀具進行木製品加工。PCD刀具（jù）的應用也進一步推（tuī）動了對其設計與製造技術的研究。國內的清華大學、大連理工大學、華（huá）中理（lǐ）工大學、吉林工業大學、哈爾濱工業大學等均在積極開展（zhǎn）這方麵的研究。國內從事（shì）PCD刀具研發、生產的有上海舒伯哈特、鄭州新亞、南（nán）京藍幟、深圳潤（rùn）祥、成都工具研究（jiū）所等幾十家單位。目前，PCD刀具的（de）加工範圍已從（cóng）傳（chuán）統（tǒng）的金屬切削加工擴展到石（shí）材加（jiā）工、木材加工、金屬基複合材料、玻璃、工程陶瓷等材料的加工。通過對近年來PCD刀具應用的分析可見，PCD刀具主要應用於以下兩方麵：①難加工有色金（jīn）屬材料的加工：用普通（tōng）刀具加工難加工有色金屬材料時，往往產生刀具（jù）易磨損、加工效率低等缺陷（xiàn），而PCD刀具則可表現出良好的加工性能。如用PCD刀具可（kě）有效加工新型發動機活塞材料——過（guò）共晶矽鋁（lǚ）合金（對該材料加工機理的研究已取得突破）。②難加工非（fēi）金屬材料的加工（gōng）：PCD刀具非常適合對石（shí）材（cái）、硬質碳、碳纖維增強塑料（CFRP）、人造板材等難（nán）加工非金（jīn）屬材料的加工。如華中理工大學1990年實現了用PCD刀具加工玻璃（lí）；目前強化（huà）複合地板及其它木基板材（如MDF）的應用日趨廣泛，用PCD刀具加工這些材料可有（yǒu）效避免（miǎn）刀具易磨損等缺陷。

PCBN刀具的切削性能

　　由於CBN晶體（tǐ）與金剛石晶體都屬閃鋅礦型，且晶格常數相近，化學鍵類型相同，因（yīn）而CBN具有接近金（jīn）剛石的硬度和抗（kàng）壓強度，又因為其是由N、B原子所組成（chéng），因此具有比（bǐ）金剛石更高的熱穩定性和（hé）化學惰性。PCBN刀（dāo）具材料主要性能如下：

具有很高的硬度和耐磨性

　　CBN單晶的顯微硬度為HV8000～9000，是目前已（yǐ）知的第二高硬度的物質，PCBN複合片的硬（yìng）度一般為HV3000～5000。因此用於加工高硬度材料時具（jù）有（yǒu）比硬質（zhì）合（hé）金（jīn）及陶瓷更高的耐磨性（xìng），能減少大型零件加工中的尺（chǐ）寸偏差或尺寸分（fèn）散性，尤（yóu）其（qí）適用於自動化程度高的設備中（zhōng），可以減少換刀調刀輔助時間，使其效能得到充分發揮。

具有很高的熱（rè）穩定性和高溫硬度

　　CBN的耐熱性可達1400～1500℃，在（zài）800℃時的硬度為Al2O3/TiC陶瓷的常（cháng）溫硬度，因此，當切（qiē）削溫度較高時，會使被加工材（cái）料軟化，與刀具間硬度差增大，有利於切削加工進（jìn）行，而對刀具壽命影（yǐng）響不（bú）大。

具有較高的化學穩定性

　　CBN具有很高的抗氧化能力，在1000℃時也（yě）不產生氧化（huà）現象，與鐵係材（cái）料在1200～1300℃時（shí）也不發生化（huà）學反應，但在1000℃左右時會與水產生水解作用，造成大量（liàng）CBN被磨耗，因此用PCBN刀（dāo）具濕式切削時需注意選擇切削（xuē）液種類。一般情況下，濕切（qiē）對PCBN刀具壽命無明顯提高，所以（yǐ）使用PCBN刀（dāo）具時往往采用幹切方式。

具有良好的導熱（rè）性

　　CBN材料的導熱係數低於金剛石但大大高於硬質合金，並且隨著切削溫度的提高，PCBN刀具的（de）導（dǎo）熱係數不斷增大（dà），因此可使刀尖處熱量很快傳出，有利於工件加工精度的提（tí）高。

具有較低（dī）的摩擦係數

　　CBN與不同材料的摩擦係（xì）數在0.1～0.3之間，大大低於硬質合金的摩（mó）擦係數(0.4～0.6)，而且隨（suí）摩擦速度及正壓力的增大而略有減小。因此低的摩擦係數及優良的抗粘結能力，使CBN刀具切削時不易形（xíng）成滯留層或積屑瘤，有利於加工表麵（miàn）質（zhì）量的提高（gāo）。

PCBN刀具應用於先（xiān）進切削（xuē）加工工藝

適用於高速及超高速切削加工技術

　　PCBN刀具最（zuì）適合於鑄（zhù）鐵、淬硬鋼等材料的高速切削加（jiā）工（gōng）。由PCBN刀具切削鑄（zhù）鐵及淬硬鋼（gāng）時刀（dāo）具後刀麵磨損與切削距（jù）離的關係可以看出：當切削速度超過一定限度後（hòu），切削速度越高，PCBN刀具後刀麵（miàn）磨損（sǔn）速度反而越小，即高速切削下刀具的（de）壽命反而高，這一特（tè）點尤其（qí）適合現代高速切削加工。

硬態切削加工技術的最佳刀具材料

　　對淬硬件(硬度HRC55以上)的精加工（gōng），通常采用磨削加工方法來完（wán）成，然而隨著刀具材料發展及車（chē）床(尤其是數控車床)加工精度的（de）提高，以硬態切削代替磨削來完成零件的最終加（jiā）工已（yǐ）成為一個新的精加工途徑，這種以車代磨的工藝方法有以下優（yōu）點：

　　（1）可提高加工柔性，突（tū）破了砂輪磨削的限製（zhì），通（tōng）過改變切削刃及走刀（dāo）方式可（kě）以加工出幾何形狀各（gè）異的工件；

　　（2）切削加工中的環保（bǎo）問題日益嚴峻，磨削加（jiā）工產生的廢液和廢棄物越來越難以處理和清除，而且對人體有（yǒu）害（hài），而硬態切削無須加冷卻液，意義（yì）重大；

　　（3）切削效（xiào）率（lǜ）高，加工時間短，設備投資費（fèi）用小，可降低加工成本；

　　（4）切除相同體積（jī）所（suǒ）消耗的能量僅為磨削的20%，因此產生的切削熱較少（shǎo），加工（gōng）表（biǎo）麵不易引起燒傷和微小裂紋，易於保持工件（jiàn）表麵性能的完整性；

　　（5）同樣金屬去除率情況下，硬態切削較磨削節省能源。

　　通常用於硬態切削的（de）刀具材料有陶瓷、TiC塗層刀片及PCBN刀具材料，但要在較高速度(1000m/min以上)下進行硬態車（chē）削（xuē），PCBN是最佳刀具材料品種。如在汽車變速箱同步器套撥叉(材料為20CrMnTi，硬度（dù）為HRC58～62)加工采用以（yǐ）車（chē）代磨後，效（xiào）率提高（gāo）4倍以上，加工成本降低為原來磨削工藝的1/3～1/2。

進行幹切削加工工（gōng）藝的理想刀具材（cái）料

　　由於經濟（jì）與環保方麵的原因，近（jìn）幾年幹切削加工方法已成為機械製造領域中的重點研究（jiū）課題。我們首先來看一下濕切工藝由於使用切削液帶來（lái）的問（wèn）題（tí）：

　　（1）長期暴露在空氣中或切削加工中（zhōng）由切削熱造成的切削液霧狀揮發，容易汙染環境、危害操（cāo）作者健康，切削液中的硫、氯等添加劑（jì）危害更大，影響加工表麵質量；

　　（2）切削（xuē）液的使（shǐ）用影響加工成本，據統計（jì），切削液（yè）占生產成本（běn）的（de）15%，而刀具（jù）費用（yòng）僅占3%～4%；

　　（3）切削液的（de）滲漏、溢出會汙染環（huán）境，易發生安全、質量事故（gù）；

　　（4）切削液的（de）傳輸、回（huí）收（shōu）、過濾（lǜ）等裝置（zhì）及其（qí）維護費用較高（gāo），增加了生產成（chéng）本。

　　由（yóu）於以上原因，幹切削加工工藝已在西方（fāng）工業發（fā）達國家有了相當的應用。由美國Makino公司推薦的“紅月牙（yá）”(Red Crescent)幹切工藝，既可以（yǐ）充分（fèn）發揮刀具的切削性能（néng），與濕切相比又能大大提高生（shēng）產率。其機理是由於切削速度很高，產（chǎn）生的熱量聚集於刀具前部，使（shǐ）切（qiē）削區附近材料達到紅熱狀態，屈服強度（dù）下降，進而達到提高切削效率的效果（guǒ）。采用紅月牙幹切（qiē）削工藝的前（qián）提條件是在較高切削溫度下，被切材料強度有明（míng）顯下降，變得易切削（xuē），而刀具材料的（de）強（qiáng）度在同樣狀態下要有較好的紅硬性及熱穩定性，還要有較好的耐磨性和抗粘結性。

　　適用於幹切工（gōng）藝的刀（dāo）具材料有（yǒu）陶瓷、金屬（shǔ）陶瓷、塗層（céng）硬質合金及PCBN刀具材料（liào）等等，但就紅硬（yìng）性和熱穩定性來說，PCBN材料（liào）是最適合（hé）幹切工（gōng）藝的刀（dāo）具材料，且由於PCBN刀具材料具有上述優點，更適（shì）於高速條件下的幹式切削加工，用PCBN刀具切（qiē）削（xuē）灰口鑄鐵幹切削和濕切削兩種情況下的對比可以看出：PCBN在高速幹切情況下，比濕切（qiē）削具有更高的刀具壽命。

適應於自動化加工及難加工材料加工

　　PCBN刀具有很高的硬度及耐磨性，能在（zài）高切（qiē）削速度下（xià）長（zhǎng）時間地加工出高精度零件（尺寸分散（sàn）性小），大大減少換刀次數和刀具磨損（sǔn）補償停（tíng）機（jī）所花費的時間。因此，很適合於數（shù）控機床及自動化程度較（jiào）高的加工設備，並且能使設備（bèi）的高效能得到充分發揮。

　　在難加（jiā）工材料應用方麵，PCBN刀具也顯示了其卓越的性能，如表麵噴焊(塗)材料的加工，用其它材（cái）料刀具加工，刀具壽命極低，也（yě）無法采用磨削方（fāng）法加工，而PCBN是惟一適（shì）合的刀具（jù）材料；又如，在石油電站設（shè）備中使用的高合金耐磨鑄鐵，采用PCBN刀具較硬質合金刀具提（tí）高切削效率4倍以上，單件刀具成本下降為原來的1/5。另外在硬質（zhì）合金等燒結材料的切削加工方麵，PCBN刀（dāo）具也顯示了很好的切削性能（néng）。

PCBN刀具的應用事例

　　由於PCBN具有較高的硬度和耐磨性，在（zài）高溫下不與鐵族金屬起反應的化（huà）學惰（duò）性（xìng），因此主要用於（yú）高（gāo）硬度材料及難（nán）加工材料的切削加工，如淬硬鋼、高合金耐磨鑄（zhù）鐵、高溫合金、高速鋼、表麵噴焊（hàn）材料（liào）、燒結金屬（shǔ）材料等難加工材料的切削加工。

　　（1）加工淬硬鋼，可起到以車代磨的效果，由於切削深度比磨削深度大十幾倍以上，因此加工效率高，表麵不產生燒傷。如以車代磨加工變速滑動齒輪(20CrMnTi，硬度為HRC58～62)時，切削比原磨削（xuē）加（jiā）工效率提高4倍以上。

　　（2）加工高合金(含鎢（wū）或鉻18%)耐磨鑄鐵（tiě），切削速度（dù）較硬質合金刀具提高10倍以上，切削效率提高4倍以上。

　　（3）加工高鈷鉻（gè）鉬耐蝕耐熱合金，PCBN刀具切削速度為160m/min，是硬質合金刀具的8倍。

　　（4）加工熱噴塗(噴焊)材料，表麵噴焊件無法用磨削加工，而（ér）用硬質合金刀具切削效（xiào）率極低，改用PCBN刀具後可提高加工效率，節省（shěng）加工費（fèi）用50%以上。PCBN刀具（jù）還可用於有色（sè）金（jīn）屬的精密切削及燒結金屬的切削加工等等。