干切削加工刀具材料的选择

1.刀具材料的发展

刀具材料的发展史，实际上就是不断提高刀具材料耐热性能的过程。18世纪后半叶，采用碳素钢作车刀，由于耐热性很低（200℃左右），切削钢时的切削速度仅为6～8m/min，切削铸铁的速度仅为3～5m/min。用碳素工具钢车刀镗削瓦特蒸汽机的一个大气缸的孔和端面需用去27.5个工作日。1861年英国人R.莫歇特（Robert Mushet）制成含钨的合金工具钢。1898年美国人W.泰罗（Winslow Taylor）和M.怀特（Maunsel White）研究成功了高速钢，最初的高速钢中w（W）、（Cr）分别为8％、3.6％，切削速度达12m/min。1906年确定的高速钢最佳成分：w（C）为0.67％，w（W）为18.91％，w（Cr）为5.47％，w（Mn）为0.11％，w（V）为0.29％，其余为Pe。从1900年到1920年，出现了添加钒和钴的高速钢，使耐热性提高到500～600℃，同时还出现了铸造钴基合金（斯太立特合金），使切削速度达到了30～40m/min，切削铸铁的速度提高了近六倍。高速钢的出现，引起了金属切削实践的革命，大大提高了金属切削的生产率，并要求完全改变机床结构，以适应新刀具性能的要求。

1925年德国人K.史律太尔（K.Schroter）发明了硬质合金。最初研制的是WC-Co合金，耐热性达到了800℃，切削速度提高到40m/min以上。这种合金加工铸铁时效果很好，加工钢时的寿命却很低。到了1931年，出现了在WC-Co合金中添加TiC，即WC-TiC-Co合金，其耐热性达到900℃以上，切削钢件时的切削速度达到220m/min。这就是说，在这40年间，由于刀具材料耐热性的提高，切削速度提高了近40倍7。

随着制造业的发展，新型刀具材料不断涌现，比如陶瓷刀具、金刚石刀具、立方氮化硼等超硬材料刀具的出现，使切削加工的水平提高到了一个崭新的水平，切削速度大幅提高，使一些原来难加工或不可切削加工的硬脆材料的加工也成为可能。

2.干切削刀具材料

由于干切削不同于以往的传统切削，它对刀具材料提出了更高的要求。合适的刀具材料是干切削加工的基本条件。干切削刀具材料的选择首先应考虑干切削加工的特点，即刀具材料应具有耐高温、耐磨损、高韧度、低摩擦因数等性能。工件材料不同，所选用的刀具材料也不同。表3-4为加工常见工件材料的干切削刀具材料。

表3-4 加工常见工件材料的干切削刀具材料

其次，刀具材料的选择还应考虑加工要求、加工方式等因素，并进行必要的试验研究。例如，有色金属干切削较为理想的刀具材料是K10和K20硬质合金，而精加工时金刚石刀具则效果更好。

（1）硬质合金刀具材料 硬质合金是由难熔金属碳化物（WC、TiC等）和金属粘结剂（如Co）粉末在高温下烧结而成，硬质合金可分为WC基和TiC基两大类。我国最常用的碳化钨基硬质合金有钨钴类和钨钛钴类。表3-5是常用硬质合金的化学成分、力学性能及用途。

表3-5 常用硬质合金的化学成分、力学性能及用途

（续）

1）WC-TiC-Co（P类）类硬质合金中的硬质相除WC外，还含有5％～30％（质量分数）的TiC。由于含有TiC，因而具有较高的硬度，特别是具有较高的耐磨性，在高温时的硬度和抗压强度比K类硬质合金高，抗氧化性能好。常用牌号有YT5、YT14、YT15及YT30，TiC含量（质量分数）分别为5％、14％、15％和30％，相应的钴含量（质量分数）为10％、8％、6％及4％，主要用于加工热轧、锻造或铸造高合金钢，退火工具钢（低于45HRC）等材料。随着合金成分中TiC含量的提高和Co含量的降低，硬度和耐磨性提高，抗弯强度则降低。与WC-Co（YG）类硬质合金比较，YT类合金的硬度提高了，但抗弯强度，特别是冲击韧度却显著降低。

在用WC-TiC-Co类硬质合金干切削钢材时，金属切削率常常不是受刀具抗月牙洼磨损能力的限制，而是受刀具抗塑性变形能力或抵抗刀具后刀面快速磨损能力的限制。

WC-TiC-Co类硬质合金的导热性能差，切削时传入刀具的热量较少，大部分热量集中在切屑中，切屑受强热后会发生软化，因而有利于干切削的顺利进行。

2）WC-Co（K类）类硬质合金由WC和Co组成。常用牌号有YG3X、YG6X、YG6及YG8等，钴含量（质量分数）分别为3％、6％、6％、8％，这种合金有较高的抗弯强度和冲击韧度（与P类硬质合金相比），这可减少切削时的崩刃。同时，WC-Co类硬质合金的热导率比较大，有利于切削热从刀尖散走，降低刀尖温度，避免刀尖过热软化。因此，WC-Co类硬质合金主要用于加工奥氏体钢、淬硬钢（高于45HRC）、冷硬铸铁、铸铁、有色金属、高温合金以及非金属材料等。

3）超细晶粒硬质合金。一般普通硬质合金中WC粒度为微米级，而超细晶粒硬质合金WC的粒度在0.2～1μm之间，大部分在0.5μm以下。这种硬质合金也称为超微粒硬质合金。

超细晶粒硬质合金是一种高硬度、高强度兼备的硬质合金，它具有硬质合金的高硬度和高速钢的强度。其钴含量（质量分数）通常为9％～15％，硬度一般为90～93HRA，抗弯强度为2000～3500MPa。与钴含量相同的一般WC-Co硬质合金相比，其硬度一般要高1.5～2HRA，抗弯强度要高600～800MPa，这是由于其硬质相和钴高度分散，增加了粘结面积，提高了粘结强度。这种合金的高温硬度比一般的WC-Co要高。

我国研制的YM051、YM052、YM053即属于超细晶粒硬质合金范围，其平均晶粒尺寸为0.4～0.5μm，1μm以下的占95％以上。一般硬度大于92.5HRA，抗弯强度在1600MPa以上。YM051和YM052的通用性很强，既能干切削加工钢材，又能干切削加工铸铁，还能干切削加工耐热合金，特别是对难加工材料的干切削效果尤为显著。YM053则主要用于干切削加工各种铸铁。

超细晶粒硬质合金由于其优异的性能也常作为涂层硬质合金的基体材料。

4）WC-TiC-TaC（NbC）-Co（M类）类硬质合金。这类硬质合金是在YT类硬质合金成分中加入一定数量的TaC（NbC），常用牌号有YWl和YW2，加入TaC（NbC）可提高抗弯强度、疲劳强度和冲击韧度，提高合金的高温硬度和高温强度，提高抗氧化能力和耐磨性。这类合金既可加工铸铁和有色金属，也可加工钢，因此常称为通用硬质合金。

（2）金属陶瓷刀具 金属陶瓷刀具是硬质合金的一种，与前述WC基硬质合金不同，它主要的硬质相成分是TiC和TiCN，具有高的抗磨损性能。作为刀具材料的金属陶瓷，应用最广泛的是TiCN基金属陶瓷，通常以TiC为主要成分，Ni作为粘结金属，增加其含量，可提高合金的强度，但却会使合金的硬度降低。向Ni中添加Mo（或Mo₂C），可改善液态金属对TiC的湿润性，使TiC晶粒变细，可提高合金的强度及硬度。Ni和Mo的总含量（质量分数）通常为20％～30％。

TiCN基金属陶瓷是20世纪70年代出现的新型工具材料，其性能具有以下特点：

1）硬度很高。一般可达91～93.5HRA，有些可达94～95HRA，即达到陶瓷刀具硬度的水平。

2）有很高的耐磨性和理想的抗月牙洼磨损性能，在高速切削钢材料时磨损率极低，其耐磨性可比WC基硬质合金高3～4倍。

3）有较高的抗氧化能力。一般硬质合金月牙洼磨损开始产生温度为850～900℃，而TiCN基金属陶瓷为1100～1200℃，高出200～300℃。TiC氧化形成的TiO₂有润滑作用，所以氧化程度较WC基的硬质合金低约10％。

4）有较高的耐热性。TiCN基金属陶瓷的高温硬度、高温强度与高温耐磨性都比较好，在1100～1300℃的高温下尚能进行切削。一般切削速度可比WC基硬质合金高2～3倍，可达300～400m/min，即使加工某些高硬度材料和难加工材料，切削速度也可达到200m/min。

5）化学稳定性好。TiCN基金属陶瓷刀具切削时，在刀具与切屑、工件接触表面上会形成Mo₂ O₃、镍钼酸盐和氧化钛薄膜，它们都可以作为干润滑剂以减少摩擦。TiCN基合金与钢不易产生粘结，在700～900℃时也未发现粘结情况，即不易产生积屑瘤，加工表面粗糙度较低。

TiCN基金属陶瓷在具有良好综合性能的同时，还可以节约普通硬质合金所必需的Co、Ta、W等贵重稀有金属。随着资源消耗速度的加快和绿色制造的推广应用，TiCN基金属陶瓷必会成为一种应用广泛的工具材料。

TiCN基金属陶瓷刀具与传统的硬质合金刀具相比，具有较高的热硬性、耐磨性、抗月牙洼磨损能力及较低摩擦因数的特点，从而刀具使用寿命较长，或在寿命相同的情况下，可采用较高的切削速度。与陶瓷相比，TiCN基金属陶瓷接近于陶瓷的硬度和耐热性，其抗弯强度及断裂韧度却比陶瓷高。但也存在抗塑性变形能力、抗崩刃性能差及韧度不好等问题。因此，长期以来对金属陶瓷刀具进行增韧一直是材料科学工作者努力的方向，已有一些增韧技术得到了应用。而近几年来出现的纳米技术，特别是通过纳米添加对传统材料进行改性，则为金属陶瓷刀具的增韧提供了新的途径。

图3-19 干车削冷硬铸铁时的刀具磨损状况

a）磨损曲线 b）后刀面磨损形貌

图3-20 干车削45钢时的刀具磨损状况

a）磨损曲线 b）后刀面磨损形貌

图3-19和图3-20分别为TiCN基金属陶瓷刀具干车削冷硬铸铁和高速干车削45钢的磨损对比曲线和后刀面的磨损形貌。由图3-19可见，干车削冷硬铸铁时，TiCN基金属陶瓷刀具的切削性能低于YG8硬质合金，后刀面的磨损形态也不相同，主要是因为TiCN基金属陶瓷材料加工冷硬铸铁时的磨损机理属于脆性断裂。由图3-20可见，高速干车削45钢时，TiCN基金属陶瓷材料的切削性能优于YT15，其工作寿命约为YT15的两倍。

（3）陶瓷刀具材料：

1）氧化铝基陶瓷。这类陶瓷的基本成分是Al₂O₃，故统称为Al₂O₃基陶瓷。主要包括纯Al₂O₃陶瓷、氧化铝-金属系陶瓷、氧化铝-碳化物系陶瓷和氧化铝-碳化物-金属系陶瓷。

① 纯Al₂O₃陶瓷。这类陶瓷的Al₂O₃纯度在99.9％以上，采用热压制成，其密度多在3.9～4.0g/cm³之间，俗称白陶瓷，为了降低烧结温度，避免晶粒过分长大，常在Al₂O₃中添加少量（0.1％～0.15％）玻璃氧化物，如MgO、NiO＼TiO₂、Cr₂O₃等。添加玻璃氧化物对陶瓷的强度有好处，但高温性能却有所降低。

② 氧化铝-金属系陶瓷。为提高纯Al₂O₃陶瓷的韧性，可添加些数量不多（10％以下）的金属，如Cr、Co、Mo、W、Ti等，以构成所谓的金属陶瓷，其密度都在4.1g/cm³以上，在现在陶瓷刀具中，这类陶瓷牌号不多，由于这类陶瓷蠕变强度低，抗氧化性能也差，故使用得较少。

③ 氧化铝-碳化物系陶瓷。这类陶瓷是将百分之几到百分之几十的碳化物添加到Al₂O₃中热压（温度1500～1800℃，压力1500～3000MPa）烧结而成，添加的碳化物有TiC、WC等，使用得最多的是TiC，在Al₂O₃中添加TiC而组成的Al₂O₃-TiC混合陶瓷（俗称黑陶瓷）的使用性能有很大程度的提高，我国生产的M16、AT6、SG3、SG4均属此类陶瓷，后两种还加入了WC的成分。

④ 氧化铝-碳化物-金属系陶瓷。在氧化物-碳化物陶瓷中添加粘结金属，如Ni、Mo、Co、W等，可提高Al₂O₃与碳化物的连接强度，提高其使用性能，可用于断续切削加工和使用切削液加工的场合。

陶瓷不仅硬度和耐磨性高，高温性能好，而且抗粘结性能和化学稳定性优良，摩擦因数低，在一定切削条件下是比硬质合金切削性能更好的一种刀具材料，非常适合干切削。但陶瓷材料脆性大、强度和韧度差，在很大程度上限制了陶瓷刀具的应用范围和可靠性，尤其是在干切削中的应用。因此，改善陶瓷刀具材料的脆性，成为推广使用陶瓷刀具和扩大其加工范围的关键所在。新型陶瓷材料的开发较好地解决了这一难题。

2）高纯度细晶粒氧化铝陶瓷刀片。提高陶瓷材料强度及韧度最有效的方法是减小陶瓷晶粒尺寸，提高材料纯度。通常，在陶瓷刀片制造过程中，特别是在高温烧结时，存在晶粒长大现象。为遏制晶粒长大，常在陶瓷粉末加入MgO作为抑制剂，但该氧化物烧结后形成玻璃相，沉积于晶界处，使晶界分离，从而降低了晶界强度，且易产生晶间碎裂。如能在低温下烧结陶瓷，则无须添加抑制剂，就可避免上述现象，提高陶瓷刀片性能。

日本学者开发了一种微细晶粒（0.22μm）、高纯度（99.99％）的新型氧化铝陶瓷粉末，用于制造陶瓷刀片。这种微细粉末具有很大的比表面积（15.1m²/g），压实时具有极大的表面能，在此能量作用下，烧结时所需温度明显降低，1230℃时即可充分烧结，这就意味着烧结时无须添加抑制剂，从而使晶界处无杂质存在。这种刀片采用高速离心压实法制造，在100～200N的大离心力作用下压实坯料，经干燥后，在1230℃的温度下烧结1.5h即可获得成品。这种新型陶瓷刀片的平均晶粒尺寸0.7μm，使用时以穿晶碎裂为主。而一般陶瓷刀片的晶粒尺寸为2μm，使用中的碎裂形式以晶间碎裂为主。使用这种刀片对灰铸铁和中碳钢进行干车削和干铣削试验，结果表明，这种刀具在干切削中具有满意的切削性能。

表3-6为新型氧化铝陶瓷刀片（HU）与普通刀片（AW）的力学性能比较。

表3-6 新型氧化铝陶瓷刀片（HU）与普通刀片（AW）的力学性能比较

分别用HU刀片和AW刀片对灰铸铁和中碳钢进行干车削和干铣削，进行对比试验，结果表明，晶粒更细，晶界更纯的HU陶瓷刀片在干切削中具有更为优异的切削性能。

图3-21a、b分别为HU刀片与AW刀片干切削灰铸铁时后刀面平均磨损量和最大磨损量随切削时间的变化曲线（切削用量：v_c＝300m/min，a_p＝1.0mm，f＝0.39mm/r）。

图3-21 HU刀片与AW刀片干切削灰铸铁时后刀面平均磨损量和最大磨损量随切削时间的变化曲线

a）平均磨损量随切削时间的变化曲线 b）最大磨损量随切削时间的变化曲线

通过对切削5min后的刀片形态进行SEM检查，结果显示HU刀片磨损很小，而AW刀片后刀面相当粗糙。这是因为普通陶瓷刀片晶粒较大，磨损主要是由晶间碎裂造成，而新型陶瓷刀片不仅硬度高，而且晶界无杂质，粘结强度好，磨损形式主要为穿晶碎裂。

同样用这两种刀片干车削中碳钢，图3-22a、b分别为a_p＝1.0mm、1.5mm时，两种刀片的磨损宽度随切削时间的变化曲线（切削用量：v_c＝200m/min，a_p＝1.0mm、1.5mm，f＝0.21mm/r）。

图3-22 HU刀片与AW刀片干车削中碳钢时后刀面平均磨损量和最大磨损量随切削时间的变化曲线

a）a_p＝1.0mm b）a_p＝1.5mm

由图3-22可见，当背吃刀量较小时（a_p＝1.0mm），HU刀片耐磨性好；当背吃刀量较大时（a_p＝1.5mm），切削1min后AW刀片破碎失效，而HU刀片切削5min后仍可继续使用。对磨损后的刀片进行SEM检查表明，AW刀片的磨损由破碎造成，而HU刀片的磨损是逐渐形成的，没有明显的破碎现象。

上述结果表明，晶粒更细、晶界更纯的新型氧化铝陶瓷刀片，具有良好的机械冲击和热冲击性能，以及极高的耐磨性和抗破损能力，是用于干切削的理想刀具。

3）高温自润滑陶瓷刀具 实现陶瓷刀具材料本身自润滑的主要方法有三种，即：

① 利用陶瓷刀具在切削高温作用下的摩擦化学反应，在陶瓷刀具材料表面原位生成具有润滑作用的反应膜，从而实现陶瓷刀具的自润滑。由于刀具在切削过程中其表面始终存在高温，因此，摩擦化学反应发生在刀具表面上且伴随着整个切削过程。通过对陶瓷刀具材料进行合理的组分匹配设计和摩擦学设计，有望利用切削过程中的摩擦化学反应，在陶瓷刀具表面原位生成具有润滑作用的反应膜，从而达到陶瓷刀具自润滑的效果，所得到的自润滑陶瓷刀具材料在高温下具有很好的自润滑能力，尤其适合于高速干切削。

② 对陶瓷刀具材料施加自润滑涂层，或对陶瓷刀具材料表面进行离子注入。用涂层、镀膜等方法将固体润滑剂粘结在陶瓷刀具表面，或采用离子注入等表面处理手段在陶瓷表面形成固体润滑膜，可使陶瓷刀具材料具有自润滑功能。例如，采用MoS₂、WS₂、TaS₂、MoS₂/Mo、WS₂/W等进行“软”涂层，可减小摩擦和粘结，降低切削力和切削温度。与普通涂层刀具不同，自润滑涂层通过在陶瓷表面采用合适的硬、软相材料成分和特殊工艺，能够在高温高压下形成有较强减摩和抗磨功能的陶瓷刀具表面。另外，金属Al、Ti、Si、V、Mo和W等的氧化物保护膜具有较低的摩擦因数，在陶瓷刀具材料表面通过离子注入这些元素，也可形成具有极小摩擦因数和自润滑功能的摩擦表面。

③ 以固体润滑剂作为陶瓷刀具材料的添加剂，制备自润滑陶瓷刀具材料。以固体润滑剂（如MoS₂、H₃ BO₃、WS₂等）作为添加剂，加入到陶瓷刀具材料基体中形成复合陶瓷刀具材料时，利用固态润滑剂易施敷、摩擦因数低的特点，在陶瓷刀具表面形成连续的固态润滑层，从而赋予陶瓷刀具材料自润滑特性。

由于硼化物在摩擦过程中，很容易生成溶解有其他元素的硼氧化物润滑膜，该润滑膜具有较低的抗剪强度。因此，目前已经有用硼化物作为添加剂制备的陶瓷刀具材料。例如，用硼化钛（TiB₂）作为添加剂（TiB₂粉末纯度大于99.8％，密度为4.5g/cm³，平均粒径小于1.0μm），以Al₂O₃，陶瓷为基体（氧化铝粉末为α-Al₂O₃，纯度大于99.9％，密度为5.99g/cm³，粉末平均粒径小于0.5μm）的Al₂O₃/TiB₂陶瓷刀具材料制作的刀片SNGN15608［几何参数为：γ₀＝－5°，α₀＝5°，λ_s＝－5°，K_r＝75°，b_r0×γ₀₁＝0.2×（－20°）］，在CA6140车床上干切削45淬硬钢（45HRC）。由图3-23可见，随着切削速度的升高，切削温度升高，当v＝210m/min时，切削温度已达1190℃。

图3-23 Al₂O₃/TiB₂陶瓷刀具干切削淬火钢时切削速度对切削温度的影响

注：f＝0.15mm/r，a_p＝0.3mm，t＝10min。

由于TiB₂的氧化温度为800℃，当υ＜120m/min时，切削温度小于800℃，此时刀具表面未形成氧化物保护膜，刀具的磨损机制主要表现为磨粒磨损与粘着磨损。当υ＞120m/min时，刀具表面平均切削温度大于800℃，实际瞬间最高温度比平均温度还要大。在这样高的切削温度作用下，刀具中的TiB₂将会被氧化，形成氧化膜。当陶瓷刀具表面覆盖有氧化膜时，基体承受载荷，而摩擦则在氧化膜上发生。TiB₂氧化物将会在切屑与刀具前刀面之间起到固体润滑剂的作用，并能使刀具与切屑之间的粘结减弱，进而可减小切削力和前刀面的平均摩擦因数，减轻刀具的磨损，从而提高刀具的耐磨性能。

4）加入结晶纹理或碳化硅晶须，提高氧化铝陶瓷韧度的方法 在陶瓷材料的增韧补强方面常用的主要方法（粒子弥散增韧、氧化锆相变增韧和晶须增韧）中，实践证明晶须增韧不仅增韧效果高，而且适用于室温和高温，因此，该方法是目前陶瓷材料的最佳增韧手段。

SiC增韧Al₂O₃基陶瓷材料是国外研究最多、应用最广的陶瓷刀具材料，它比一般陶瓷刀具材料表现出更好的韧性、强度和导热性，可大大提高加工速率和加工质量，且刀片寿命长，抗机械冲击和热冲击性好，可加工各种难加工材料且刀片质量稳定。这种方法可在材料中形成特殊的、很结实的SiC晶须（平均直径1nm，长度20μm），其作用犹如钢筋混凝土中的钢筋，能阻挡或改变裂纹的发展方向，极大地增加了陶瓷的韧性、强度和抗冲击性能。晶须加强陶瓷是一种很有前途的干切削刀具材料。

（4）聚晶立方氮化硼（PCBN）刀具材料 聚晶立方氮化硼（PCBN）是干切削加工中应用较为广泛的超硬刀具材料。这主要是因为这类刀具材料具有优良的切削加工性能。

1）PCBN的种类。按添加成分的不同，PCBN可以分为直接由CBN单晶烧结而成的PCBN和添加一定比例粘结剂的PCBN烧结体两大类；按制造复合方式可分为整体PCBN烧结块和与硬质合金复合烧结的PCBN复合片两类。目前应用较广的是带粘结剂的PCBN复合片。添加的粘结剂的比例不同，PCBN的性能也不同，粘结剂含量越多则硬度越低；粘结剂种类不同，PCBN的用途也不同。表3-7为常见粘结剂的PCBN刀具及其用途。

表3-7 常见粘结剂的PCBN刀具及其用途

2）PCBN刀具的性能。由于CBN晶体与金刚石晶体都属于闪锌矿型且晶格常数相近，化学键类型相同，因此，其具有接近金刚石的硬度和抗压强度，是自然界中硬度仅次于金刚石的矿物质（显微硬度达8000～9000HV）。而且由于CBN是由N、B原子所组成，因此，其具有比金刚石更高的热稳定性和化学惰性。PCBN刀具的主要性能如下：

① PCBN刀具具有很高的硬度和耐磨性。CBN单晶的显微硬度为8000～9000HV，其硬度仅次于金刚石，至少是其他刀具材料（如碳化硅、氧化铝、硬质合金）硬度的两倍，是工具钢的六倍。PCBN复合片的硬度一般为3000～5000HV左右，如图3-24所示。CBN的耐磨性约为陶瓷的2～5倍，是涂层硬质合金的5～10倍，如图3-25所示。因此，PCBN刀具用于加工高硬度材料时，具有比硬质合金及陶瓷更高的耐磨性，能减小大型零件加工中的尺寸偏差及尺寸分散性，尤其适用于自动化程度高的加工设备，减少换刀调刀的辅助时间。

图3-24 各种刀具材料的硬度

图3-25 刀具材料的耐磨性比较

② 具有很高的热稳定性和高温硬度。CBN的耐热性可达1400～1500℃，在800℃时仍具有相当Al₂O₃/TiC陶瓷的常温硬度。因此，当切削温度较高时，被加工材料会软化，此时工件材料与刀具间的硬度差增大，有利于切削加工进行，而对刀具寿命影响不大。

③ 具有较高的化学稳定性。CBN具有很高的抗氧化能力，在1000℃时不产生氧化现象，与铁系材料在1200～1300℃时不发生化学反应，但在1000℃左右时与水产生水解作用，造成大量CBN被磨耗。因此，PCBN刀具最适合干切削加工方式。

④ 具有良好的导热性。CBN材料的热导率低于金刚石，但大大高于硬质合金，并且随切削温度的提高，PCBN刀具的热导率会增大，可使刀尖处的热量很快传出，有利于加工精度的提高。

⑤ 具有较低的摩擦因数。CBN与不同材料的摩擦因数为0.1～0.3，大大低于硬质合金的摩擦因数（0.4～0.6），而且随摩擦速度及正压力的增大略有减小。因此，低的摩擦因数及优良的抗粘结能力，使PCBN刀具切削时不易形成滞留层或积屑瘤，有利于加工表面质量的提高。

图3-26 不同的PCBN刀片的磨损曲线

a）连续加工（工件材料：4043钢，硬度58HRC；切削速度：109m/min，进给速度：0.2mm/r，背吃刀量：0.25mm）

b）断续加工（工件材料：4043钢，硬度58HRC；切削速度：109m/min，进给速度：0.13mm/r，背吃刀量：0.5mm；刀片形状：SNG323）

图3-26a、b是两种不同的PCBN刀具材料［PCBN1：90％（质量分数）CBN；PCBN2：65％（质量分数）CBN］在断续和连续切削时的性能对比情况。在试验条件下，PCBN2显得较为耐磨，但在恶劣的条件下，PCBN1的性能则显得更为适用，如图3-27所示。PCBN在高速干切削情况下，比湿切削具有更高的刀具使用寿命，如图3-28所示。这是因为干切削时的切削温度高，PCBN刀具在高温下硬度降低少，而工件材料在高温下硬度大幅度下降。刀具硬度与工件硬度在高的切削温度下的这种相对变化，有利于干切削的顺利进行。

图3-27 切削状态与PCBN1与PCBN2的选择

图3-28 干切削与湿切削PCBN刀具寿命与切削速度的关系选择

例如，某企业生产的三缸及四缸柴油机机体缸孔精度要求如图3-29所示。缸体材料是HT250，硬度为200～250HBW。原先一直采用YG3硬质合金刀具加工，由于加工的孔较深，刀具切削行程长，磨损快，在镗孔过程中主要存在以下几方面的问题：a、精镗后缸孔产生上大下小的锥度，圆柱度达不到要求；b、刀具刃磨频繁，调刀工作量大；c、加工尺寸散差大，稳定性差；d、工件热变形大，影响加工尺寸精度；e、生产效率低，严重影响生产批量的扩大等。为此，企业选用PCBN刀具材料，并根据其切削性能，分别在加工中心及组合机床上进行了工艺试验，取得了很好的效果。

图3-29 柴油机机体

试验得出的最佳刀具几何参数见表3-8，主偏角等其他角度根据需要确定。合理切削用量见表3-9，表3-10为PCBN与YG3硬质合金刀具加工缸孔对比表。

表3-8 最佳刀具几何参数

表3-9 合理切削用量

表3-10 PCBN与YG3硬质合金刀具加工缸孔对比

3）PCBN刀具应用范围。PCBN刀具是高速精加工或半精加工淬硬钢、冷硬铸铁和高温合金等的理想刀具材料，可以实现“以车代磨”。国外还研制了不同CBN含量的PCBN刀具，以充分发挥PCBN刀具的切削功能，如表3-11所示。

表3-11 不同CBN含量的PCBN刀具及用途

（5）聚晶金刚石（PCD）刀具材料 聚晶金刚石复合片是由粒度为微米级的金刚石颗粒与Co、Ni等金属粉末均匀混合后，在高压高温下，在碳化钨（WC）基材上烧结而成的一种刀坯材料。PCD复合片不仅具有金刚石高硬度、高耐磨性、高导热性、低摩擦因数、低热膨胀系数等优越性能，同时还具有硬质合金良好的强度和韧度。PCD复合片还具有导电性，因此，可用线切割机切割成所需刀头，将刀头焊接在刀体上，经过刃磨制成PCD刀具。

PCD刀具材料的主要性能表现在：①PCD的硬度可达8000HV，为硬质合金的80～120倍；②PCD的热导率为700W/（m·K），为硬质合金的1.5～9倍，甚至高于PCBN和铜，因此，PCD刀具热量传递迅速；③PCD的摩擦因数一般仅为0.1～0.3（硬质合金的摩擦因数为0.4～0.6），因此，PCD刀具可显著减小切削力；④PCD的热膨胀系数仅为0.9×10^－6～1.18×10^－6，仅相当于硬质合金的1/5，因此，PCD刀具热变形小，加工精度高；⑤PCD刀具与有色金属和非金属材料间的亲和力很小，在加工过程中切屑不易粘结在刀尖上。

表3-12是PCD刀具的应用范围。但是，金刚石刀具对铁族金属的亲和力会引起化学反应，因此，它只能用于加工非铁零件；同时，PCD不能经受切削区超过600～800℃高温，因而不能加工韧度及高延展性材料。

表3-12 PCD刀具的应用范围

在实际选用时，应根据PCD刀具的使用场合、被切削材料的特性以及加工的具体要求，选用适当牌号和粒径的PCD复合片制作刀具刀头。一般情况下，复合片中金刚石体积浓度高或粒径较大的耐磨性较好，金刚石体积浓度低或粒径较小的则韧度较好。