簡(jiǎn)介

立方氮化硼

cubic boron nitride

立方結(jié)構(gòu)的氮化硼,分子式為BN,其晶體結(jié)構(gòu)類似金剛石,硬度略低于金剛石，為HV72000～98000兆帕,常用作磨料和刀具材料。1957年,美國(guó)的R.H.溫托夫首先研制成立方氮化硼。但至今尚未發(fā)現(xiàn)天然的立方氮化硼。

起源

立方氮化硼CBN(Cubic Boron Nitride)是20世紀(jì)50年代首先由美國(guó)通用電氣(GE)公司利用人工方法在高溫高壓條件下合成的，其硬度僅次于金剛石而遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其它材料，因此它與金剛石統(tǒng)稱為超硬材料。

資料

立方氮化硼是由六方氮化硼和觸媒在高溫高壓下合成的，是繼人造金剛石問(wèn)世后出現(xiàn)的又一種新型高新技術(shù)產(chǎn)品。它具有很高的硬度、熱穩(wěn)定性和化學(xué)惰性，以及良好的透紅外形和較寬的禁帶寬度等優(yōu)異性能，它的硬度僅次于金鋼石，但熱穩(wěn)定性遠(yuǎn)高于金鋼石，對(duì)鐵系金屬元素有較大的化學(xué)穩(wěn)定性。立方氮化硼磨具的磨削性能十分優(yōu)異，不僅能勝任難磨材料的加工，提高生產(chǎn)率，還能有效地提高工件的磨削質(zhì)量。立方氮化硼的使用是對(duì)金屬加工的一大貢獻(xiàn)，導(dǎo)致磨削發(fā)生革命性變化，是磨削技術(shù)的第二次飛躍。

分類

立方氮化硼有單晶體和多晶燒結(jié)體兩種。單晶體是把六方氮化硼和觸媒在壓力為3000～8000兆帕、溫度為800～1900℃ 范圍內(nèi)制得。典型的觸媒材料選自堿金屬、堿土金屬、錫、鉛、銻和它們的氮化物。立方氮化硼的晶形有四面體的截錐、八面體、歪晶和雙晶等。工業(yè)生產(chǎn)的立方氮化硼有黑色、琥珀色和表面鍍金屬的,顆粒尺寸通常在1毫米以下。它具有優(yōu)于金剛石的熱穩(wěn)定性和對(duì)鐵族金屬的化學(xué)惰性，用以制造的磨具，適于加工既硬又韌的材料，如高速鋼、工具鋼、模具鋼、軸承鋼、鎳和鈷基合金、冷硬鑄鐵等。用立方氮化硼磨具磨削鋼材時(shí)，大多可獲得高的磨削比和加工表面質(zhì)量。

制作方法

立方氮化硼多晶燒結(jié)體的主要制法有：①用立方氮化硼微粉和少量結(jié)合劑(如鈷、鋁、鈦和氮化鈦等)，在壓力4000～8000兆帕、溫度為1300～1900℃下燒結(jié)而成；②以立方氮化硼微粉和結(jié)合劑為一層，以硬質(zhì)合金（片或粉）為一層，在上述壓力、溫度下把兩者燒結(jié)在一起，制得帶硬質(zhì)合金襯底的多晶燒結(jié)體，這種燒結(jié)體具有高的強(qiáng)度，同時(shí)保持立方氮化硼的原有理化性能，可制成直徑達(dá)16毫米的圓片，切割加工成適當(dāng)形狀后，作為車刀和鏜刀的刀頭，適于切削淬火鋼、鑄鐵和鎳基合金等。

立方氦化硼(CBN)在切削加工中的應(yīng)用

用PCBN刀片精車淬硬鋼

加工硬鑄鐵和灰口鑄鐵

高速鏜削鑄件孔

鉸削淬硬鋼或硬鑄件小孔

用于難加工材料的切削加工

采用PCBN刀具精車淬硬鋼，其工件硬度高于45HRC，效果最好。其切削速度一般為80～120m/min，工件硬度越高，切削速度宜取低值，如車硬度為70HRC的工件，其切削速度宜選60～80m/min。精車的切深在0.1～0.3mm，進(jìn)給量在0.05～0.025mm/r，精車后的工件表面粗糙度為Ra0.3～0.6μm，尺寸精度可達(dá)0.013mm。若能采用剛性好的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)控車床加工，PCBN刀具的剛性好和刃口鋒利，則精車后的工件表面粗糙度可達(dá)Ra0.3μm，尺寸精度可達(dá)0.01mm，可達(dá)到用數(shù)控磨床加工的水平。 如果機(jī)床剛性好，選用的切削速度較低，則選用PCBN復(fù)合刀片可精車斷續(xù)表面。 精車加工余量一般為0.3mm左右，盡可能提高工件淬火前的尺寸精度和減少熱變形，以保證精車時(shí)切削余量均勻，延長(zhǎng)PCBN刀具的使用壽命。 精車一般不用切削液，因?yàn)樵谳^高的切削速度下，大量的切削熱由切屑帶走，很少會(huì)停留在工件表面而影響加工表面質(zhì)量和精度。 精車刀片宜選用強(qiáng)度和韌性高的80°菱形刀片，刀尖半徑在0.8～1.2mm之間，為保護(hù)刀具刃口，使用前需用細(xì)油石倒棱。 精車淬硬工件是一門新工藝，實(shí)施前需做工藝試驗(yàn)，可用與工件材料、硬度和大小相同的棒料，在同類機(jī)床上進(jìn)行精加工或粗加工試驗(yàn)，關(guān)鍵是要試驗(yàn)刀具與切削參數(shù)的選擇及工藝系統(tǒng)是否有足夠的剛性。該工藝目前國(guó)內(nèi)已經(jīng)采用，如一汽集團(tuán)用PCBN刀具加工滲碳淬火(58～63HRC)的20CrMnTi變速箱齒輪撥叉槽，采用的工藝參數(shù)為Vc=150m/min,f=0.1mm/r，ap=0.2～0.3mm，實(shí)現(xiàn)了以車代磨。

加工硬鑄鐵

用PCBN刀具車削淬硬鋼時(shí)，要求工件淬火硬度高于45～55HRC，加工硬鑄鐵時(shí)，只要硬度達(dá)到中等硬度水平(45HRC)，就會(huì)取得良好的加工效果。如汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋上的排氣閥座，該閥座是采用含銅、鉬的高鉻合金鑄鐵材料，其硬度一般約為44HRC，其閥座上孔采用锪(鉸)、車兩種工藝，大多是在專用自動(dòng)線上加工，與槍鉸導(dǎo)管孔一道進(jìn)行。所采用的切削用量為：Vc=71.6m/min，Vf=26.5mm/min，ap=1.0mm，采用BC拉削油，自采用PCBN刀具加工后，與以往采用的各種硬質(zhì)合金刀片加工相比，刀具平均耐用度為1200件，加工表面粗糙度為Ra0.4μm，閥座面擺差≤0.05mm。東風(fēng)汽車公司發(fā)動(dòng)機(jī)廠自1988年使用PCBN刀具后，其效果一直保持穩(wěn)定，較好地解決了引進(jìn)設(shè)備的刀具國(guó)產(chǎn)化問(wèn)題。

高速銑削灰口鑄鐵

高速銑削灰鑄鐵時(shí)，一般粗加工當(dāng)然可以使用K類硬質(zhì)合金，精加工可用氦化硅陶瓷刀片。如在一個(gè)裝有8塊刀片的端銑刀上改用只裝對(duì)稱式的兩片PCBN刀片，并將切削速度提高4倍，其結(jié)果是金屬切除率相同，而切削力卻下降3/4，刀具壽命與加工質(zhì)量超過(guò)前者。 對(duì)珠光體鑄鐵與冷硬鑄鐵，也宜采用PCBN刀具進(jìn)行高速加工，與其它刀具材料比較，可提高切削速度、延長(zhǎng)刀具壽命、降低了表面粗糙度。在高速鏜桿上采用成對(duì)鑲片PCBN鏜刀與單片鏜刀相比，其平衡性好，從而增加了鏜桿的剛性，在給定的進(jìn)給量下，采用PCBN雙刀片鏜孔可獲得高的金屬切除率與表面質(zhì)量。 目前國(guó)內(nèi)已有較多的發(fā)動(dòng)機(jī)制造廠，對(duì)氣缸體的缸孔(或缸套)精加工已使用PCBN刀具。如上海大眾和一汽集團(tuán)的發(fā)動(dòng)機(jī)廠，缸孔精鏜均采用PCBN刀片并可自動(dòng)補(bǔ)償(υc=500m/min，f=0.2mm/r，ap=0.1mm)。所以加工出的缸孔精度高、尺寸穩(wěn)定，而且生產(chǎn)效率高，刀具壽命長(zhǎng)。 對(duì)于小孔鏜削，雖可使用陶瓷或涂層刀片，但刀片應(yīng)帶有負(fù)前角，這將增加切削和排屑的阻力，易使細(xì)長(zhǎng)鏜桿產(chǎn)生振動(dòng)。若用PCBN刀具進(jìn)行高速鏜削，其孔的表面質(zhì)量好、生產(chǎn)效率高。對(duì)這類工件的孔加工宜采用CBN電鍍鉸刀。這種鉸刀是以其硬度為42HRC的45號(hào)鋼或9CrSi鋼作為基體，具有前后導(dǎo)向和切削部分，其基體制造精度要高，設(shè)計(jì)要合理。如其鉸刀的前導(dǎo)向部分直徑要小于切削刃部分直徑0.04mm，切削區(qū)的長(zhǎng)度要大于工件孔深，后導(dǎo)向的長(zhǎng)度要大于切削區(qū)長(zhǎng)度，其直徑應(yīng)小于切削刃部直徑0.02mm。為了在鉸削中能用切削液沖洗切屑和冷卻潤(rùn)滑加工表面，其鉸刀基體上開(kāi)有兩條較深的螺旋槽。 如某廠加工淬火鋼工件孔f12.06±0.05mm，硬度為45HRC，底孔尺寸為f12±0.01mm，要求孔的圓柱度為0.005mm，表面粗糙度為Ra0.2μm。采用一組五把的電鍍CBN鉸刀加工后，取得較好的經(jīng)濟(jì)效果。有的發(fā)動(dòng)機(jī)制造廠采用金剛石或CBN電鍍鉸刀對(duì)氣缸體的主軸承孔進(jìn)行珩鉸，代替原來(lái)的珩磨加工，使加工效率提高了數(shù)倍，且質(zhì)量穩(wěn)定。采用帶正前角的PCBN刀具，選用適當(dāng)?shù)那邢鲄?shù)，即Vc=100m/min,f=0.05～0.2mm，ap=0.1～0.2mm，采用極壓型乳化液或油冷卻液，可加工奧氏體不銹鋼(45HRC)、高溫合金鋼、高錳鋼、高強(qiáng)度鋼及高鎳合金鋼等材料，可獲得較高的加工效率和表面質(zhì)量。

CBN砂輪在磨削加工中的應(yīng)用

CBN材料除用來(lái)制作刀具外，其最大的應(yīng)用領(lǐng)域還是制成CBN磨具，用于高速高效磨削和珩磨加工，可使磨削效率大大提高，其磨削精度和質(zhì)量提高一個(gè)等級(jí)。

磨削汽車零件——凸輪軸和曲軸

CBN砂輪在內(nèi)孔磨削中的應(yīng)用

采用CBN砂輪磨削齒輪

應(yīng)用CBN磨具加工難加工材料及難加工面

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)上的凸輪軸具有多個(gè)凸輪，淬火后的凸輪粗磨及精磨是影響凸輪質(zhì)量的關(guān)鍵工序。一般都是采用靠模仿形磨削，工件速度的提高受到限制，工件易產(chǎn)生磨削燒傷裂紋，采用靠模仿形磨削，其凸輪表面的輪廓曲線要受砂輪直徑大小的影響，所以很難保證凸輪輪廓曲線的正確。生產(chǎn)實(shí)踐證明，當(dāng)砂輪直徑大時(shí)，磨出的凸輪瘦，當(dāng)砂輪直徑小時(shí)，磨出的凸輪胖，只有當(dāng)砂輪直徑接近或等于磨削靠模凸輪的滾輪直徑時(shí)(一般為f570mm)，其仿形誤差接近于零，即磨出的凸輪表面輪廓曲線接近于靠模凸輪。在實(shí)際生產(chǎn)中，所用的砂輪直徑一般都是從D600(或610)用到D500，與理想的砂輪直徑(570)相差甚多，所以生產(chǎn)中總有大部分凸輪軸的凸輪曲線超標(biāo)。為解決這個(gè)問(wèn)題，我們?cè)诳磕７滦瓮馆喣ゴ采喜捎肅BN砂輪磨削，可把CBN砂輪直徑制成D575，CBN磨料層厚為4～5mm，其磨輪的磨削最小直徑是D565，磨削直徑范圍雖然只有10mm，但磨削零件數(shù)卻相當(dāng)于幾十片普通砂輪，不僅可保證凸輪曲線正確，而且也不會(huì)產(chǎn)生磨削燒傷現(xiàn)象。 如Liton工業(yè)自動(dòng)化公司用CBN砂輪磨削凸輪軸，其成本降低了50%，凸輪表面的疲勞強(qiáng)度提高了30%；東風(fēng)汽車公司襄樊柴油發(fā)動(dòng)機(jī)廠用陶瓷結(jié)合劑CBN砂輪粗磨冷激鑄鐵凸輪軸，其凸輪磨削余量t=4～5mm，V砂=60m/s，工件轉(zhuǎn)速n=100r/min,Vf=0.1mm/s，采用高速磨削液，CBN砂輪的壽命基本相當(dāng)于20片剛玉磨料砂輪。內(nèi)圓磨削的效率一直很低，其主要原因就是磨削速度、砂輪材質(zhì)及磨桿的剛性問(wèn)題。生產(chǎn)過(guò)程中用在修整砂輪、更換砂輪的時(shí)間幾乎占了單件工時(shí)的1/3～1/5。如果內(nèi)圓或溝槽磨削采用CBN電鍍砂輪，并把砂輪速度提高，增大磨桿直徑，便可適當(dāng)提高工件轉(zhuǎn)速與進(jìn)給速度，不僅可保證孔(弧)徑、槽寬尺寸與形位精度，表面粗糙度和避免燒傷，而且還可以成倍地提高加工效率，降低加工成本。 如國(guó)內(nèi)某廠加工一個(gè)年產(chǎn)60萬(wàn)件的紡機(jī)滾動(dòng)軸承套，磨f15.5+0.04的孔及相鄰的弧槽，過(guò)去用鉻剛玉(GG)砂輪，需用兩道工序分別在兩臺(tái)M224內(nèi)圓磨床上加工，其槽(弧)徑差及尺寸與孔的同軸度很難保證，且效率低，采用CBN砂輪后，加粗了磨桿，提高了進(jìn)給量，節(jié)約了修整和更換砂輪的時(shí)間，徹底解決了原有問(wèn)題。后又改為孔、溝同時(shí)磨，即在磨桿上裝兩個(gè)砂輪，使磨削效率提高1倍，節(jié)省了一臺(tái)磨床。所加工的工件表面粗糙度為Ra0.63μm采用的磨削工藝參數(shù)：V砂=36m/s，V2=19m/min，f粗切=1μm/r,f精切=0.5μm/r，光磨時(shí)間t=bs，采用10%濃度的乳化值。齒輪磨削以往是采用單齒面與多齒面磨削，單齒面磨削雖然可獲得較高的加工精度，但效率低，成本高，多齒面磨削雖生產(chǎn)效率高，但其加工質(zhì)量比單齒磨削差。若采用CBN砂輪磨削，無(wú)論采用單齒面磨削還是采用多齒面磨削，采用電鍍CBN砂輪或陶瓷結(jié)合劑砂輪進(jìn)行磨削，其效果極為顯著：

CBN砂輪可以制成精度較高的齒形，由于耐用度高，不頻繁修整，不需經(jīng)常調(diào)整機(jī)床，可獲得穩(wěn)定的齒廊、導(dǎo)程和節(jié)距精度。

可實(shí)現(xiàn)高速磨削與高進(jìn)給率磨削齒面，粗糙度低且不會(huì)燒傷，可在提高磨削效率的條件下獲得較高的齒輪精度(6～7級(jí))。

CBN砂輪壽命長(zhǎng)，磨削性能好，節(jié)約了砂輪更換修整、機(jī)床調(diào)整和工件檢測(cè)等許多輔助時(shí)間。

對(duì)淬硬鋼件或冷硬鑄鐵件孔的珩磨，可采用CBN珩磨油石，對(duì)高強(qiáng)度、高硬度和高熱敏性的合金鋼、不銹鋼、耐熱鋼與合金，宜采用高硬度、高強(qiáng)度的CBN砂輪，采用極壓乳化液或高速磨削液進(jìn)行冷卻。對(duì)較長(zhǎng)的導(dǎo)軌面或復(fù)雜型面、凸輪磨床的靠模軸等均宜采用CBN砂輪。

CBN材料在機(jī)械加工關(guān)鍵工序中的應(yīng)用

CBN材料無(wú)論制作刀具或制作磨具，應(yīng)用于高速切削或磨削，都可收到提高產(chǎn)品質(zhì)量、提高加工效率、縮短加工周期和降低加工成本等顯著效果。因此，在加工中，大力推廣CBN刀(磨)具是提高制造技術(shù)的有力措施。但若普遍推廣使用，尚有許多問(wèn)題。 為了在生產(chǎn)中更好地推廣使用CBN刀(磨)具，應(yīng)做以下幾方面的工作：

發(fā)揮CBN刀(磨)具研究院(所)的主導(dǎo)作用

實(shí)現(xiàn)三點(diǎn)一線聯(lián)合開(kāi)發(fā)，即CBN——工具制造——用戶或CBN與工具制造——機(jī)床——用戶共同開(kāi)發(fā)CBN的應(yīng)用

積極開(kāi)展CBN刀(磨)具制造與使用技術(shù)的研究

目前國(guó)內(nèi)CBN材料生產(chǎn)廠家很多，產(chǎn)量也不少，但高質(zhì)量的不多，CBN刀(磨)具的穩(wěn)定用戶更少。究其原因主要是機(jī)械加工部門對(duì)價(jià)格昂貴的CBN刀(磨)具缺乏選擇與使用的知識(shí)，采購(gòu)來(lái)的CBN工具實(shí)效不多，在其經(jīng)濟(jì)緊縮的條件下，不敢輕易投資進(jìn)行工藝試驗(yàn)。

用戶需要提高產(chǎn)品質(zhì)量意識(shí)

勇于提高制造技術(shù)要想解決這個(gè)問(wèn)題，只有CBN刀(磨)具研究院(所)主動(dòng)深入機(jī)械制造的生產(chǎn)單位，選擇生產(chǎn)效率與質(zhì)量的薄弱環(huán)節(jié)，且已具有或易于創(chuàng)造CBN加工條件的點(diǎn)，與用戶協(xié)商簽訂共同開(kāi)發(fā)CBN應(yīng)用合同。由工具研制單位負(fù)責(zé)免費(fèi)提供試驗(yàn)用的CBN刀(磨)具，用戶負(fù)責(zé)提供試驗(yàn)所需條件下組織生產(chǎn)試驗(yàn)。這就發(fā)揮了多方積極性，從CBN質(zhì)量選擇到工具制造，都會(huì)以最優(yōu)、最快的速度進(jìn)行，用戶從準(zhǔn)備試驗(yàn)條件到使用，見(jiàn)到了達(dá)到合同目標(biāo)值的成果，不花試驗(yàn)費(fèi)便解決了生產(chǎn)難題，很容易推廣。而工具院(所)亦可在以后的供貨中逐步回收利潤(rùn)，只要雙方保持互惠、互利，協(xié)作關(guān)系便會(huì)更加鞏固。我廠就是利用這種方式與多家研究院校開(kāi)發(fā)了很多新技術(shù)。在機(jī)械加工中的許多加工難點(diǎn)，雖然可用CBN工具來(lái)解決，但就目前條件，不是國(guó)內(nèi)哪家所能單獨(dú)做到的，因?yàn)椴⒎欠彩荂BN工具都有奇特的和萬(wàn)能的加工能力。我們也曾用過(guò)CBN刀片精鏜硼缸套，其效果并不比新型陶瓷刀片好。

質(zhì)量原因

其原因是多方面的，如CBN質(zhì)量、含量、品牌規(guī)格及結(jié)合劑等是否適合硼鑄鐵的加工。至于CBN磨具影響的磨削效果的因素就更多了，除自身原材料的質(zhì)量、配比和磨具制造技術(shù)外，還有使用條件與技術(shù)。如磨削速度(應(yīng)用高速磨削速度)、磨床剛性好、無(wú)振動(dòng)、有自動(dòng)精細(xì)進(jìn)給及修整補(bǔ)償機(jī)構(gòu)、適當(dāng)?shù)哪ハ鲄?shù)和冷卻液等，這些都是相輔相成的重要因素，靠有關(guān)方面共同努力，各自提高自家產(chǎn)品的質(zhì)量，相互促進(jìn)，才能使CBN工具與專用設(shè)備成功地用于生產(chǎn)。用戶希望使用具有實(shí)效的CBN工具，為此，要求工具制造單位，除了盡快提高CBN工具的制造技術(shù)外，還應(yīng)對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量建立明確的鑒定標(biāo)準(zhǔn)與方法，分布某些性能參數(shù)，如刀具的CBN含量與品牌、磨具的硬度與CBN精度、濃度等，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行生產(chǎn)使用試驗(yàn)，以便充分發(fā)揮用戶的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)不同的切削參數(shù)與冷卻液所取得的加工結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，使CBN工具得到質(zhì)的提高。CBN工具的適用范圍、使用條件和應(yīng)用的技術(shù)配套(如設(shè)備和冷卻液等)，用戶可正確選用和使用CBN工具。21世紀(jì)是高科技時(shí)代，產(chǎn)品必須是有高性能、高質(zhì)量才有市場(chǎng)，企業(yè)才有生命力。為此，應(yīng)盡快提高制造技術(shù)水平，而推廣使用CBN工具提高制造技術(shù)是一種有力措施，這不僅需要有關(guān)主管部門的有力資助和支持，有組織、有計(jì)劃地逐步推廣CBN工具的技術(shù)配套與使用，同時(shí)也要求用戶勇于接受新材料、新技術(shù)，改變過(guò)去陳舊的生產(chǎn)觀念與管理方法，即刀(磨)具均消耗費(fèi)用指標(biāo)很低，只許占產(chǎn)品成本的1/100左右，而不是以提高生產(chǎn)效率和保證產(chǎn)品質(zhì)量為準(zhǔn)，這樣會(huì)限制優(yōu)質(zhì)高效的刀(磨)具應(yīng)用與先進(jìn)設(shè)備生產(chǎn)能力的發(fā)揮。實(shí)踐證明，CBN刀(磨)具的成效不僅可提高產(chǎn)品的加工質(zhì)量，而且也可提高經(jīng)濟(jì)效益。

PCBN刀具的制造工藝

PCBN刀具的制造主要通過(guò)CBN粉末和結(jié)合劑經(jīng)超高壓高溫?zé)Y(jié)而成.大致步驟有;混合粉末--模壓成型/與硬質(zhì)合金底層組裝成整體--超高壓高溫?zé)Y(jié)--深加工.

關(guān)鍵技術(shù)在于CBN與結(jié)合劑的選擇與配比,超高壓高溫?zé)Y(jié)工藝參數(shù)的確定.