崔金蒙, 孟德忠, 吳 哲, 岳 文,, 王成彪

(1. 中國地質(zhì)大學(xué)(北京) 工程技術(shù)學(xué)院, 北京 100083)

(2. 中國地質(zhì)大學(xué)(北京) 數(shù)理學(xué)院, 北京100083)

(3. 中國地質(zhì)大學(xué)(北京) 鄭州研究院, 鄭州 451283)

(4. 中國地質(zhì)科學(xué)院 鄭州礦產(chǎn)綜合利用研究所, 鄭州450006)

立方氮化硼(CBN)是20世紀50年代發(fā)展起來的超硬材料，其晶體結(jié)構(gòu)與金剛石相似，熱穩(wěn)定性高于金剛石的，且具有僅次于金剛石的高硬度、高耐磨性、高化學(xué)穩(wěn)定性、高導(dǎo)熱性和低摩擦系數(shù)等優(yōu)異性能[1]。CBN通過人工合成制備[2-3]，聚晶立方氮化硼(PCBN)的制備也是如此[4]。

PCBN是以CBN微粉為原料，在適當黏結(jié)劑的作用下或CBN本身經(jīng)過高溫高壓燒結(jié)而成[4-6]。PCBN與鐵族金屬有良好的化學(xué)穩(wěn)定性，在1 200～1 300 ℃的高溫下不與其發(fā)生化學(xué)反應(yīng)[1,3]，因此可用作鐵族金屬材料的切削刀具，廣泛應(yīng)用于各種淬硬鋼、耐磨鑄鐵類材料的加工上，且彌補了金剛石材料高溫下易石墨化、與鐵族元素反應(yīng)等缺點[3]。與硬質(zhì)合金刀具相比，采用PCBN刀具切削時工件可獲得更好的加工表面質(zhì)量，是一種“以車代磨”的新型刀具，據(jù)統(tǒng)計50%的PCBN刀具用來替代磨削工具[7]。此外，PCBN刀具還可進行干式切削等，減少了切削液用量，對環(huán)境污染小。

2010年我國設(shè)立“高檔數(shù)控機床與基礎(chǔ)制造裝備”國家科技重大專項，明確支持對超硬刀具的制造和研究[8]；另外，“十三五”規(guī)劃《新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展指南》也指出：調(diào)整超硬材料品種結(jié)構(gòu)，發(fā)展高精密人造金剛石和立方氮化硼材料，并解決高檔數(shù)控機床專用刀具材料的制約[9]。由此可見，發(fā)展PCBN刀具已成為機械制造業(yè)的重要議題之一。

作為性能獨特且可實現(xiàn)綠色應(yīng)用的刀具，PCBN刀具的切削性能和磨損研究得到國內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注，相比于傳統(tǒng)硬質(zhì)合金等刀具的優(yōu)勢也凸顯出來。本文在前人研究的基礎(chǔ)上綜述影響PCBN刀具切削性能的因素，并總結(jié)PCBN刀具加工不同材料時的磨損機理等。

1 影響PCBN刀具切削性能的因素

材料被切削加工成合格零件時的難易程度被稱為材料切削加工性能，一般而言，切削加工性能可由刀具壽命、已加工表面質(zhì)量、切削力、斷屑性能等來衡量[10]。因此，研究刀具切削性能影響因素可為提高刀具壽命、優(yōu)化已加工表面質(zhì)量和減小切削力等提供依據(jù)。研究發(fā)現(xiàn)PCBN刀具成分、幾何形狀、切削參數(shù)等會對刀具的切削性能產(chǎn)生影響。

1.1 刀具成分的影響

1.1.1 CBN含量

在一定范圍內(nèi)，CBN含量越高，刀具磨損量越多。張松鋒等[11]發(fā)現(xiàn)：CBN質(zhì)量分數(shù)為75%時刀具的磨損率明顯高于CBN質(zhì)量分數(shù)為50%和60%時刀具的。另外，CBN含量也對刀具切削形式和使用壽命產(chǎn)生影響。研究顯示：CBN質(zhì)量分數(shù)為85%～90%時的高CBN含量(H-CBN)刀具適合間斷切削，CBN質(zhì)量分數(shù)為50%～60%時的低CBN含量(L-CBN)刀具適合連續(xù)切削[12]，且連續(xù)切削時L-CBN刀具的壽命比H-CBN刀具的高2～3倍[13-14]。這主要是因為H-CBN刀具斷裂韌性好，更適應(yīng)間斷切削時的沖擊[13]；而連續(xù)切削時L-CBN刀具不但壽命更長，且被加工表面的質(zhì)量更優(yōu)。KUMAR等[15]研究PCBN刀具加工不同硬度工件時發(fā)現(xiàn)：L-CBN刀具加工工件的表面粗糙度輪廓算術(shù)平均差Ra變化范圍是0.6～1.2 μm，而H-CBN刀具已加工表面的Ra變化范圍是0.8～1.6 μm，如圖1所示。這可能是由于H-CBN刀具熱傳導(dǎo)率相對較高，切削熱更易擴散到工件表面上導(dǎo)致工件表面變軟，從而造成工件表面質(zhì)量變差所致。綜合起來發(fā)現(xiàn)：相同切削條件下，L-CBN刀具耐磨性更好，刀具壽命更長，更能加工出好的表面質(zhì)量；而H-CBN刀具斷裂韌性更好，更適用于間斷切削。2種類型的刀具性能對比如表1所示。

圖1 不同PCBN刀具加工不同硬度工件的表面粗糙度對比[15]

表1 L-CBN和H-CBN刀具切削性能對比Tab. 1 Comparison of cutting performances between L-CBN and H-CBN tools

1.1.2 黏結(jié)劑

根據(jù)PCBN刀具中有無黏結(jié)劑把PCBN刀具分為黏結(jié)劑型PCBN刀具和純相PCBN刀具[4]，且黏結(jié)劑影響工件已加工表面質(zhì)量和刀具磨損量。BUSHLYA等[16]研究不同CBN含量的刀具連續(xù)精加工冷作模具鋼時發(fā)現(xiàn)：黏結(jié)劑較多的L-CBN刀具的加工表面質(zhì)量最好，無黏結(jié)劑刀具(即純相PCBN刀具)的次之，黏結(jié)劑較少的H-CBN刀具的最差；由于無黏結(jié)劑刀具自銳性好，刀具不斷進行自我磨損修銳，所以無黏結(jié)劑刀具的磨損量是L-CBN刀具的3～5倍。

另外，黏結(jié)劑型PCBN刀具的黏結(jié)劑類型有金屬型和陶瓷型的，由于陶瓷型黏結(jié)劑有良好的熱穩(wěn)定性能[4]，所以表現(xiàn)出獨特的切削性能。張弘弢等[17]對比了不同黏結(jié)劑PCBN刀具加工等溫淬火球墨鑄鐵時的切削性能，發(fā)現(xiàn)當使用含鉿的陶瓷黏結(jié)劑刀具切削時，其切削力和摩擦系數(shù)均較小，且二者隨著切削速度的增加逐漸減?。划斒褂媒饘傩宛そY(jié)劑刀具時，其摩擦力和摩擦系數(shù)均較大。這是因為陶瓷黏結(jié)劑耐高溫性能優(yōu)異，能適應(yīng)切削時產(chǎn)生的切削熱；而金屬型黏結(jié)劑抗高溫能力較差，在高溫下容易軟化導(dǎo)致刀具硬度降低，從而改變其切削性能。

在探究不同種類刀具切削GH706材料時還發(fā)現(xiàn)：與陶瓷型黏結(jié)劑刀具相比，金屬型黏結(jié)劑刀具更耐磨，所以更適合加工高溫合金材料[18]。進一步研究也發(fā)現(xiàn)：刀具中的鎢元素可以提高PCBN刀具壽命，這可能是因為加入鎢元素后的刀具斷裂韌性好，所以這種刀具不易產(chǎn)生微崩刃[19]。在實際生產(chǎn)中，針對不同類型的工件，應(yīng)選擇適當種類的黏結(jié)劑類型刀具來加工，這樣才能夠增加刀具壽命、降低成本、提高生產(chǎn)效率等。

1.2 刀具幾何形狀的影響

刀具幾何形狀(包括刀具前角、后角、主偏角、刃傾角、刀尖半徑、刃口倒棱角度和倒棱寬度等)對切削熱、刀具壽命、切削力有很大影響，合理的選擇刀具幾何形狀參數(shù)不僅能提高刀具的切削性能，還可提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本等[20]。PCBN刀具廣泛用來加工淬硬鋼(50 HRC以上)，因此常叫作“硬態(tài)加工”。在使用其加工時，刀具的進給量和切削深度相對較小(<0.2 mm)，通常與刀尖幾何尺寸近似，故PCBN刀具的前角、后角、主偏角等對其切削性能影響較小，而刃傾角、刀尖半徑、刀具倒棱角度和倒棱寬度等幾何形狀參數(shù)對PCBN刀具切削性能的影響較大[21]。

KLIMENKO等[22]在研究刃傾角對刀具壽命影響時發(fā)現(xiàn)，刃傾角為50°時刀具壽命最長。此外，刀尖半徑也影響刀具的壽命，當?shù)都獍霃捷^小時，切屑變厚，產(chǎn)生的切削熱多且熱量不易散發(fā)，最終導(dǎo)致刀尖半徑變小，刀具壽命縮短[23]。倒棱角度和倒棱寬度也是影響PCBN刀具切削性能的最主要因素，這是由于在“硬態(tài)加工”過程中，為增加PCBN刀具的刃口強度，通常會對刃口進行倒棱處理[20]。CHEN等[24]通過改變刀具倒棱角度和倒棱寬度探究切削過程產(chǎn)生的切削熱，發(fā)現(xiàn)隨著倒棱角度和倒棱寬度增加，切削溫度隨之增加，如圖2和圖3所示。這主要是由于倒棱角度和倒棱寬度的增加促使剪切區(qū)發(fā)生變形，使刀具和工件之間的摩擦逐漸增加，從而使切削溫度升高。進一步研究發(fā)現(xiàn)：隨著刀具倒棱角度和倒棱寬度增加，切削力呈逐漸上升趨勢，尤其是徑向力的增加更明顯，且當?shù)估饨嵌葹?0°時，切屑鋸齒化程度最低[24-25]。李啟泉等[26]用不同PCBN刀具車削硼鑄鐵時發(fā)現(xiàn)：倒棱寬度增加切削溫度和刀具磨損不斷增加，刀具壽命降低。原因是隨著倒棱寬度的增加，切削刃有向工件回轉(zhuǎn)中心下方移動的偏差，這導(dǎo)致刀具磨損加大。研究還發(fā)現(xiàn)：與其他刀具參數(shù)相比(如刀尖圓弧半徑和后角)，刀具倒棱角度對刀具壽命的影響最明顯[20]。

圖2 不同切削速度下刀具倒棱角度對切削溫度的影響[24]

圖3 不同切削速度下刀具倒棱寬度對切削溫度的影響[24]

鑒于刀具倒棱角度對刀具切削性能產(chǎn)生顯著影響，眾多學(xué)者研究了可變倒棱角度刀具和固定倒棱角度刀具的磨損特性。顧名思義可變倒棱角度刀具的倒棱角度是變化的，其可以形成空間彎曲的刀刃，如圖4所示，圖4中的L是固定值，倒棱角αi(i=A,B,C,D,E)沿拐角半徑線性變化，且最小倒棱角度為15°，最大倒棱角度為30°[27]?？勺兊估饨嵌鹊毒叩妮S向和徑向載荷在一定程度上被分解，產(chǎn)生的徑向力和軸向力相對較小，且可提高切屑去除性能，刀具壽命相應(yīng)延長[27-30]。進一步研究還發(fā)現(xiàn)：由于可變倒棱角度刀具產(chǎn)生相對較小的切削力，刀具側(cè)面磨損面積較小，已加工工件表面的質(zhì)量較好[31]?？傊瑱C械加工時刀具倒棱角度嚴重影響刀具的切削性能，因此可適當采用可變倒棱角度的刀具，以提高刀具切削性能。

圖4 具有可變倒棱角度的刀具結(jié)構(gòu)[27]

1.3 切削參數(shù)的影響

切削參數(shù)(含背吃刀量、進給量、切削速度等)也是影響刀具切削性能的一個重要因素。研究發(fā)現(xiàn)：背吃刀量越大切削力越大，由于PCBN的韌性較低，故刀具容易發(fā)生斷裂[32]。李慶華等[33]在分析切削用量對PCBN刀具車削鈦合金的影響時發(fā)現(xiàn)：切削力隨著背吃刀量和進給量的增加而增大，其中背吃刀量對切削力的影響最大，這是因為隨著背吃刀量的增加，切削寬度和切削層面積不斷增大，所以工件與刀具之間的摩擦加大，造成刀具切削力增大。進一步研究發(fā)現(xiàn)：切削參數(shù)對切削溫度同樣影響顯著，其中切削速度對切削溫度的影響最大，其次是進給量和背吃刀量的影響[33-34]。

實際加工中，切削速度對PCBN刀具切削性能的影響比進給量和背吃刀量等的更加顯著。一般而言，切削速度越高，切削溫度也會越高[35]，溫度升高將導(dǎo)致刀具硬度線性下降[36]，由于刀具硬度和刀具使用壽命密切相關(guān)，所以切削速度升高會降低刀具使用壽命。在用PCBN刀具連續(xù)車削淬硬鋼時發(fā)現(xiàn)，切削速度每增加40.0 m/min，刀具壽命會縮短1倍[37]。雖然切削速度升高會顯著降低PCBN刀具的壽命，但其依然可以在高速切削時使用，而硬質(zhì)合金刀具卻在高速切削時失去切削能力。BOING等[38]研究硬質(zhì)合金刀具、PCBN刀具加工GCr15鋼時發(fā)現(xiàn)：當切削速度為187.5 m/min和234.0 m/min時，硬質(zhì)合金刀具失效而PCBN刀具依然可以切削，所以相比硬質(zhì)合金刀具，PCBN刀具更適合高速車削，且銑削時也有相似結(jié)論[39]。這是因為PCBN的熱穩(wěn)定性高于硬質(zhì)合金的，如表2所示，所以在較高的切削速度下，硬質(zhì)合金刀具的硬度下降相對較快，并伴隨崩刃斷裂等現(xiàn)象[40]，最終導(dǎo)致硬質(zhì)合金刀具高速切削時失去切削性能。

表2 CBN和硬質(zhì)合金性能比較

PCBN刀具的已加工表面粗糙度值在一定切削速度范圍內(nèi)呈下降趨勢，如圖5所示。從圖5中可以看出：當切削速度從60 m/min增加到120 m/min時，工件的表面粗糙度輪廓算術(shù)平均差Ra、表面粗糙度輪廓峰谷總高度Rt、表面粗糙度輪廓最大幅度值Rz都呈下降趨勢，當切削速度為120 m/min時Ra達最低值；切削速度繼續(xù)增大到280 m/min，Ra基本保持不變。這是由于切削速度增加切削力逐漸下降，因此加工系統(tǒng)逐漸穩(wěn)定，使Ra基本保持不變[41]。通過研究發(fā)現(xiàn)：在使用PCBN刀具加工Cr12MoV時，已加工表面的Ra穩(wěn)定在0.2 μm[42]；而在相同試驗條件下使用硬質(zhì)合金刀具加工，已加工表面的Ra范圍是1.0～2.5 μm，且切削速度對工件表面精度影響很大，導(dǎo)致已加工表面質(zhì)量變化劇烈[43]。由于PCBN刀具與不同材料之間的摩擦系數(shù)為0.1～0.3，小于硬質(zhì)合金刀具的摩擦系數(shù)0.4～0.6[1]，并且隨切削速度增加PCBN刀具的摩擦系數(shù)還不斷減小[44]，故PCBN刀具可實現(xiàn)“以車代磨”，能加工出表面質(zhì)量更好的工件。

圖5 切削速度對粗糙度的影響[41]

進一步研究還發(fā)現(xiàn)：切削速度增加時，切削力逐漸下降。TU等[45]在探究PCBN刀具切削溫度變化時發(fā)現(xiàn)：隨著切削速度增加，切削力不斷減小。這主要是因為切削速度越高，產(chǎn)生的切削熱越多，金屬工件逐漸被軟化，加工所需要的切削力也會降低。綜合以上的結(jié)果表明，進給量、背吃刀量、切削速度等都會影響刀具壽命和工件表面質(zhì)量等，因此實際生產(chǎn)中可通過對切削參數(shù)進行優(yōu)化來提高刀具切削性能。

1.4 冷卻條件的影響

切削液會帶走一部分熱量，改善工件被加工表面的熱軟化情況，顯然使用切削液可提高工件已加工表面質(zhì)量且延長刀具使用壽命，但PCBN刀具不加冷卻液時，對工件的加工也可達到理想的表面質(zhì)量且刀具有較長的使用壽命，所以PCBN刀具是獨特的“干式切削”刀具。另外，CBN易在1 000 ℃時發(fā)生水解[1]，所以不能用水性切削液進行冷卻。張松峰等[11]發(fā)現(xiàn)濕切時刀具的壽命要高于干切時刀具的壽命，這顯然是由于潤滑劑的作用；但對于H-CBN刀具，其濕切時的刀具壽命小于干切時的刀具壽命。進一步研究發(fā)現(xiàn)：由于濕切時刀具承受較大的熱沖擊而產(chǎn)生熱裂紋，導(dǎo)致刀具的磨損量增加[46]。但在探究固體潤滑劑對PCBN刀具切削性能影響時發(fā)現(xiàn)：干切削時刀具的壽命比使用純油潤滑時縮短28.7%，比使用固體潤滑劑時縮短36.4%[47]。因此，在硬車削中使用固體潤滑劑是解決刀具磨損、提高其壽命的途徑之一。

1.5 PCBN刀具切削對機床的要求

PCBN是一種相對較脆的材料，因此機床的任何不穩(wěn)定都會對刀具的磨損及其切削力產(chǎn)生負面影響，進而影響工件的表面質(zhì)量。與此同時，PCBN刀具主要用于加工淬硬鋼及耐磨鑄鐵等難加工材料，刀具有負倒棱，因而徑向力較大，這就要求機床剛度和精度要好，系統(tǒng)振動要小，刀具安裝時的懸臂要小等。CHRYSSOLOURIS等[48]發(fā)現(xiàn)當機床不穩(wěn)定時，刀具磨損加快，從而縮短了刀具的使用壽命，使刀具的可靠性下降；而當設(shè)備足夠剛性時，PCBN刀具的磨損比較平穩(wěn)，且還發(fā)現(xiàn)已加工表面質(zhì)量對刀架的振動更敏感等。因此，使用高精度機床是提高PCBN刀具切削性能的重要途徑，這些高精度機床可在加工過程中進行監(jiān)控，且具有補償工件、刀具和刀架的熱膨脹效應(yīng)等功能[49]。

2 PCBN刀具的磨損機理

PCBN刀具與工件接觸時刀面上的壓力可達2～3 GPa，切削溫度達1 000 ℃以上，刀具發(fā)生磨損是不可避免的[10,50]。當?shù)毒吣p達到一定程度后，其使用壽命達到極限。同時，刀具過度磨損會造成其切削力過高，從而造成刀具故障，調(diào)查顯示由于刀具故障導(dǎo)致機床的停用時間占總使用時間的20%[51]。刀具的磨損狀態(tài)很大程度上影響著已加工表面的質(zhì)量，使用過度磨損的刀具進行加工將導(dǎo)致工件報廢、切削效率降低、切削成本提高等。

研究發(fā)現(xiàn)：PCBN刀具的磨損形式并不是單一的，而是相互作用、相互促進、共同影響的結(jié)果。GAO等[52]分析PCBN刀具加工淬硬鋼的磨損形式時發(fā)現(xiàn)：黏著磨損、擴散磨損與化學(xué)磨損共存的磨損形式最終造成刀具的側(cè)面磨損而使其失效。CHEN等[53]對干式加工高鉻鑄鐵材料時的刀具的磨損性能進行評估時，發(fā)現(xiàn)PCBN刀具的磨損過程存在擴散、化學(xué)、磨粒這3種磨損機理，且磨粒磨損和磨粒碎裂密切相關(guān)。綜合起來，PCBN刀具的磨損形式主要是磨粒磨損、黏著磨損、擴散磨損和化學(xué)磨損。

2.1 磨粒磨損

PCBN刀具的磨粒磨損是指切削過程中產(chǎn)生的硬顆粒造成刀具磨損的現(xiàn)象。在PCBN刀具車削40CrNiMo硬化合金鋼時，發(fā)現(xiàn)工件中的硬質(zhì)碳化物顆粒使刀具黏結(jié)劑產(chǎn)生磨損溝槽[54]；且被加工材料存在的硬顆粒和夾雜物不同，對刀具的壽命影響也不同[55]。NAYAK等[56-57]使用PCBN刀具加工時發(fā)現(xiàn)：隨著切削的進行，CBN顆粒逐漸裸露，裸露的CBN顆粒充當微切削刃加劇了刀具的磨損。因此，加工時工件中的硬顆粒和夾雜物留在接觸區(qū)域，造成刀具的磨粒磨損；同時，由于黏結(jié)劑相的磨損和脫落，導(dǎo)致CBN顆粒脫落，又充當了微切削刃加速了刀具磨損。

2.2 黏著磨損

黏著磨損指在適當?shù)那邢鳒囟群蛪毫ο?，工件與刀具材料接觸達到原子間距時，接觸區(qū)域的材料從一方表面遷移到另一方表面的現(xiàn)象。SIRTULI等[58]在研究PCBN刀具對磨Cr12MoV模具鋼時，在刀具表面發(fā)現(xiàn)了明顯的工件黏著材料，黏著材料使刀具的幾何形狀發(fā)生變化，且黏著層發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致刀具產(chǎn)生磨損。在切削鎳基合金時，PCBN刀具表面發(fā)現(xiàn)有一層B2O3黏著層，使刀具的切削能力下降且磨損加劇[59]。

研究還發(fā)現(xiàn)黏著磨損與切削速度有關(guān)。BUSHLYA等[60]在研究PCBN刀具低速切削時的磨損機理時發(fā)現(xiàn)：刀具磨損主要是黏著磨損，但隨著速度增加黏著磨損的現(xiàn)象不斷減弱。因此，黏著磨損與切削速度有關(guān)，且黏著材料可能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。

2.3 擴散磨損

擴散磨損主要是指在切削過程中，當?shù)毒吆凸ぜg處于高溫狀態(tài)時，工件中的材料元素活性增強，擴散到刀具中，從而在刀具表面及內(nèi)部出現(xiàn)工件材料元素而造成磨損的現(xiàn)象。在用PCBN刀具高速切削淬硬軸承鋼時，在刀具切削刃處發(fā)現(xiàn)大量的Fe和C等工件材料元素，而刀具本身的N、Ti、Al等元素含量卻下降，證明刀具切削刃處發(fā)生了嚴重的擴散磨損[61]。BUSHLYA等[62]在研究PCBN切削鎳鉻鐵合金時發(fā)現(xiàn)：刀具中的B和N元素擴散到工件中形成固溶體，導(dǎo)致刀具的切削能力下降。ZOYA等[63]在研究PCBN刀具加工鈦合金時發(fā)現(xiàn)：刀具的切削刃處發(fā)生碎裂和擴散磨損，且切削刃處有O元素存在，表明刀具伴隨有化學(xué)磨損發(fā)生。故擴散磨損伴隨氧化現(xiàn)象發(fā)生，為擴散磨損也為化學(xué)磨損的產(chǎn)生創(chuàng)造了條件。由于各元素的活化能不同導(dǎo)致不同材料的擴散能力不同，在PCBN刀具切削鎳合金時發(fā)現(xiàn)，Ni元素的擴散能力大于Fe元素的[46]。

2.4 化學(xué)磨損

化學(xué)磨損主要是刀具材料與空氣中的O元素發(fā)生化學(xué)反應(yīng)造成的磨損。PCBN刀具的化學(xué)磨損形式包括：刀具元素發(fā)生氧化反應(yīng)生成氧化物，刀具元素與生成的氧化物反應(yīng)以及刀具元素與工件元素反應(yīng)生成N2[64]?；瘜W(xué)磨損與切削時產(chǎn)生的切削熱有關(guān)。在研究O元素對PCBN刀具切削鋁高溫合金材料的影響時發(fā)現(xiàn)：較低的切削速度下，刀具上會產(chǎn)生較淺的鋸齒坑，但當以200 m/min的速度進行加工時，鋸齒坑會明顯加劇，并且在鋸齒坑中檢測出大量的Al2O3氧化物，這表明在高速切削時，氧化機理在切削熱的作用下被激活[65]。進一步研究還發(fā)現(xiàn)，CBN與工件之間也會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。胡小龍等[64]切削鎳基合金時發(fā)現(xiàn)：PCBN刀具表面N含量下降而O、Fe和B含量增加，推測刀具發(fā)生了放氮反應(yīng)，而O含量增加與刀具發(fā)生的氧化磨損有關(guān)。PCBN刀具氧化磨損的化學(xué)反應(yīng)式為：

4BN + 3O2= 2N2+ 2B2O3

(1)

4BN + C = B4C + 2N2

(2)

2BN + 4Fe = 2Fe2B + N2

(3)

2BN + 2Fe = 2FeB + N2

(4)

3 結(jié)語及展望

PCBN刀具以其獨特的“以車代磨”、“硬態(tài)加工”、“干式切削”等方式被譽為21世紀的綠色環(huán)保刀具，故迫切需要研究PCBN刀具的切削性能和磨損機理。通過研究發(fā)現(xiàn)：PCBN刀具成分、刀具幾何形狀、切削參數(shù)等會對刀具的切削性能產(chǎn)生影響，PCBN刀具加工不同材料時的磨損主要有磨粒磨損、黏著磨損、擴散磨損和化學(xué)磨損。為提高PCBN刀具的切削性能，可使用可變倒棱角度的L-CBN刀具，同時不斷優(yōu)化切削參數(shù)，且在經(jīng)濟可控下可使用固體潤滑劑、高精度機床等。

《中國制造2025》明確提出“全面推行綠色制造”，實施“綠色制造工程”，PCBN刀具作為綠色環(huán)保刀具的代表，將在高精尖加工領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。同時，“十三五”規(guī)劃等明確指出“發(fā)展高精密人造金剛石和立方氮化硼材料”。PCBN刀具作為21世紀的新型超硬刀具，未來的研究應(yīng)注重其“以車代磨”的綠色環(huán)保特性，從PCBN刀具的制造入手，確保原材料性能穩(wěn)定，并進一步拓展其應(yīng)用空間，如開展特殊環(huán)境如真空、極低溫的應(yīng)用研究等，為PCBN刀具在未來空間探索中的應(yīng)用提供重要的技術(shù)支撐。