立方氮化硼（CBN）是硬度仅次于金刚石的超硬材料，其氧化温度高达1 360℃，具有高硬度、高热稳定性及高化学稳定性等优异性能，因此特别适合加工高硬度、高韧性的难加工金属材料。聚晶立方氮化硼 PCBN是作为切削刀具的CBN烧结体，是能够满足先进切削要求的主要刀具材料，也是国内外公认的用于硬态切削、高速切削及干式切削加工的理想刀具材料。PCBN刀具主要用于加工淬硬钢、铸铁、高温合金及表面喷涂材料等。

1.PCBN刀片在汽缸盖顶、底面上的半精加工铣削试验

（1）试验条件。汽缸盖顶面如图1所示，主要特征是断续面和搭子较多，切削加工为典型的断续切削；汽缸盖底面如图2所示，主要特征是一个面上分布一定数量的孔，切削加工过程是半连续切削。

试验刀具结构如图3所示，刀盘直径200mm，刀盘上均布有28个刀片安装位，其中每隔90°安装一片修光刃，其余24个位置安装切削刃。

切削刃如图4a所示，切削刃体采用硬质合金，PCBN切削刃通过钎焊粘结在刃体上。刀片前角0°、主偏角45°、后角11°，安装后径向和轴向前角3°～5°、主偏角43°。

修光刃如图4b所示，切削刃体采用硬质合金，PCBN切削刃钎焊粘结在刃体上。刀片前角0°、主偏角45°、后角11°，安装后径向和轴向前角3°～5°、主偏角43°。

试验要求：局部平面度0.05/100mm、表面粗糙度值Ra=25μm、厚度123.5±0.05mm；试验设备：进口数控卧式加工中心；工件材料：HT250；工件硬度：180～249HBW；切削面积：873mm×331mm；加工余量0.5mm；刀片布置如图3所示。

（2）半连续表面与断续表面的刀具寿命对比。汽缸盖顶面切削试验共进行两次，刀具寿命分别为200个和242个工件，主要失效形式为刀片崩刃，其中修光刃崩刃率达100%，切削刃崩刃率达83%。

汽缸盖底面切削试验共进行8次试验，刀具平均寿命为424.5个工件，主要失效形式为刀片崩刃，其中修光刃崩刃率25%，切削刃崩刃率达29%。

由上述试验情况可见，对于像汽缸盖顶面这样的断续表面，切削冲击对PCBN刀片影响很大，PCBN刀片崩刃率太高，明显不适应于PCBN刀片的应用；对于像汽缸盖底面这样的半连续表面，切削冲击对PCBN刀片影响还是很大，PCBN刀片崩刃率比汽缸盖顶面这样的断续表面要低得多，但相对硬质合金刀片也较高，PCBN刀片有一定的应用前景。

（3）PCBN刀片的失效模式。PCBN刀片在试验过程中主要失效模式为刀片崩刃（见图6、图7），少量为切削刃磨损和刀体压紧点异常受力后压紧部位崩裂。造成失效模式主要为刀片崩刃的原因，我们认为主要有以下几个方面：①切削刃在切削过程中，由于受到断续切削的冲击，引起崩刃。②切削刃磨损后切削力加大引起崩刃。③切削刃在切削过程中，遇到残留的切削液，由于热冲击而引起崩刃。④切削刃磨损后切削力加大引起刀体压紧点崩裂。⑤刀片崩刃后切削力继续加大，引起刀体压紧点崩裂。⑥切削刃钎焊强度不足，承受不了冲击，引起切削刃崩刃。

（4）主轴功率与刀片磨损的关系。图8所示是一次试验所跟踪的刀盘寿命与功率的关系。刀盘寿命从开始加工到加工第150个工件，主轴功率比较平稳；从150～200个工件间，主轴功率开始增加，说明刀片磨损加大；200～250个工件之间，主轴功率快速增加，加工到第233件时1片切削刃崩刃，2片切削刃轻微爆口；250～400个工件之间，崩刃继续增加，但主轴功率又趋于平稳，原因是崩刃后的刀片切削刃相当于新刃的状态。加工至第411个工件时，刀片失效，加工表面质量变差。取下后检查发现：修光刃表面有堆积瘤，切削刃6片刀片崩裂，8片刀片爆口。

（5）切削液与刀片寿命的关系。当PCBN刀具应用到汽缸盖底面半精加工时，一段时间刀盘的平均寿命只有917孔面，刀具的100%寿命达到率只有32%。经过现场分析发现：由于汽缸盖宽度大于铣刀直径，因此铣削汽缸盖底面时，分上下两次横向走刀。CNC程序设置先进行上半部分的横向走刀，然后再进行下半部分的横向走刀（见图9）。在进行上半部分横向走刀时，机床主轴旁的冷却水管存在的残液溅到汽缸盖底面的下半部分表面（见图10），因此，当PCBN刀片对汽缸盖底面下半部分进行铣削时，高温的PCBN刀片遇到切削液后发生崩裂。改进措施：修改CNC程序，先对汽缸盖底面下半部分进行铣削（见图9）。改进后，刀盘的平均寿命上升到1 113孔面，刀具的100%寿命达到率为93%（见表1）。 

（6）刀具成本。按照试验条件对汽缸盖底面半精加工进行试验，试验中共使用4套切削刃刀片（共48片）和5套修光刃刀片（共20片），进行8次试验，共加工3 396只工件，工件质量合格；PCBN半精加工单件时间为40s，与硬质合金刀片相比，减少节拍20s。

切削刃试验平均每个切削刃加工424.5件，每片刀片可以转位一次，平均每片寿命849件；修光刃平均加工679件（不可转位）。每片刀片单价235元，因此单件刀片成本为4.7元，成本比硬质合金刀片提高1.2元。

2.应用跟踪

完成扩大试验PCBN刀片准备投入使用前，首先要制定使用作业标准，具体规定如下：

（1）切削刃第一次第一刃刃口崩刃长度不超过1/3，可以进行转位使用。

（2）根据试验结果设定铣刀盘的机床监控寿命为1 200孔面（实际加工工件数=监控寿命÷折算系数，该刀具的折算系数等于3）。

（3）修光刃第一次安装后，跟随切削刃使用到切削刃寿命（400个工件，机床折算寿命1 200）后，如果没有发生崩刃且磨损量不大，允许投入第二次使用。

2009年对汽缸盖生产线的半精铣工序进行刀具寿命连续生产跟踪3个月，表2所示为CBN铣刀的实际使用情况。由表2可见，切削刃平均转位0.6次，与试验阶段转位1次有较大的差距；修光刃平均只能使用一次，与试验阶段部分可使用两次有一定的差距；该工序刀具成本单件7.02元，与试验阶段的计算成本也有较大的差距。但由于CBN刀具的使用该工序的节拍下降10%，产能得到了提升。

3.结语

PCBN铣刀使用到汽缸盖底面半精加工后，刀具成本虽然有所上升，但由于PCBN铣刀的应用解决了生产线的节拍瓶颈，提升了生产效率，降低了人力、电能等其他消耗，因此具有较好的应用价值。在今后的研究中希望能够进一步提升刀具寿命，同时需要与刀具厂家一起解决刀片焊接强度的问题。