传统加工中，淬火钢因硬度高、需要淬火（调质）后采取磨削工艺实现零件的精加工。PCBN刀具的出现，使淬火钢的精加工实现了以车代磨、以铣代磨，大大提高了生产效率，同时，由于PCBN刀具加工淬火钢可以干式切削，避免了磨削工艺带来的磨泥、废水等工业废物，对改善环境也有很大的帮助。本文开发一种CBN含量低的细晶粒PCBN刀具材料，主要应用于发动机凸轮轴、变速箱齿轮轴、活塞销等各种淬火钢轴类零件轴颈的连续、微断续精加工。

1淬火钢轴类零件的技术要求与加工特性

发动机凸轮轴、活塞销、变速箱齿轮轴等轴类零件的一般要求：①硬度高。轴颈部位硬度范围一般为55-63HRC，个别应用场合甚至要求70HRC，淬硬层深度一般要求2mm以上；②加工表面质量要求高。轴颈部位表面粗糙度Ra0.4-1.6，而且随着对产品性能要求的提高，甚至要求表面粗糙度Ra0.4-0.1。③淬火钢车削时的切屑为带状，容易缠绕和刮伤工件表面；④淬火钢导热系数小，切削热集中在刀具的切削刃部位，要求刀具具有更好的红硬性和耐磨性。

在目前传统加工中，该轴类零件轴颈外圆的加工工艺一般采用“粗车—半精车—淬火—粗磨—精磨（—超精加工）”的顺序，在淬火前采用硬质合金刀具进行粗加工和半精加工，淬火后采取磨削工艺，加工效率低。PCBN刀具出现后，由于其刀具耐用度高、切削效率高等优点，并能够实现高速高效干式切削，因此越来越多的厂家开始采用PCBN刀具、按照“粗车—淬火—半精车—精车”的顺序以车代磨，提高加工效率、减少功耗。

2淬火钢精加工用PCBN刀具的制备

(1)PCBN刀具原材料的组分配比

用于淬火钢加工的PCBN刀具材料的CBN含量较低，结合剂一般以陶瓷类结合剂为主，配以少量的金属结合剂，然后按照一定的配比混合。

通过对CBN含量、粒度、结合剂种类、粒度及不同配比的大量实验，最终确定了淬火钢精加工用PCBN刀具材料的组分配比如表1所示。其中CBN与结合剂的质量百分比各为50%；CBN粉末由4种粒度的细颗粒微粉按比例组成；结合剂由3种不同材料按比例组成，其中TiC和TiN为陶瓷结合剂，Al为金属结合剂。在高温高压下烧结时，Al融化为液相，有利于CBN微粒和陶瓷微粒的扩散及微粒间的结合、形成组织结构均匀的PCBN聚晶材料，TiN陶瓷结合剂有利于提高刀具的耐磨性和抗热冲击性能，TiC除有利于耐磨性的提高，还可抑制CBN微粒的结晶长大，阻碍裂纹的产生和扩展。

表1PCBN刀具材料的组分配比

(2)PCBN材料制备的组装结构

按照表1所示的组分配比将原料放入行星球磨机的球磨罐中，充分混合4小时使物料混合均匀，然后放入真空还原炉中加热1-2小时，对物料进行净化处理，并按图1所示的直接加热组装方式进行组装。

1.导电钢圈2.导电钢圈填充物3.钛片4.碳片5.碳模6.物料混合物7.叶腊石块

图1PCBN制备组装结构图

图1所示组装结构每次烧结合成2片PCBN聚晶刀具。首先将物料混合物填充入碳模中，两端用黏结剂各黏附一个碳片，并装入叶腊石块中，叶腊石块两端各装入一个钛片和导电钢圈，导电钢圈填充物与导电钢圈为一个整体。该组装形式利用导电钢圈、钛片和碳片、碳模的导电性能即可对物料混合物进行通电加热烧结，达到节约能源的目的。

(3)PCBN材料的烧结工艺参数

合成压力、合成温度和合成时间是影响PCBN性能的主要因素。六面顶压机的功率可以间接地反映合成温度，油压可以间接地反映合成腔体内的压力，本文PCBN的制备采取一次升压二次升温最后慢降温退火的烧结工艺，合成工艺曲线如图2所示，上方的曲线表示油压曲线，下方的曲线表示功率曲线。图中油压65MPa，对应合成腔体内压力5.5GPa；图中最高功率7.5kW，对应腔体内温度℃左右；总的合成时间为6min。

图2合成工艺曲线

3PCBN材料的性能分析

将烧结合成的PCBN材料经加工、抛光后，进行SEM电镜扫描如图3所示，从图中可以看出，材料的组织结构比较致密、均匀。

图3PCBN材料的SEM扫描图

制备的PCBN材料经磨削加工后制成SNGN-型号的刀具，取其中5片进行硬度和致密度检测，结果数据见表2。从表中可以看出，由于原料组分粒度偏细，刀具致密度较大，硬度高，达到了HV，且材料的硬度随致密度的增加而提高，说明产品制备工艺参数合理，原料粒度比合适。

表2PCBN材料的检测数据

4PCBN刀具材料的切削加工试验

(1)被加工工件的特点

被加工工件材料为20CrMnTi，热处理工艺为粗车后渗碳淬火、保温后油冷的轴类零件，心部硬度35-40HRC，表层硬度60-63HRC，加工部位为两个轴颈，其中一个轴颈存在储油槽，为典型的轻微断续切削。该工件的化学成分及硬度见表3。

表3零件的化学成分与硬度(wt%)

(2)刀具结构及切削参数

采用整体PCBN材料制成的SNGN刀具精加工20CrMnTi轴类零件的轴颈，刀片结构及切削参数见表4，所用刀杆型号为CSRNR，刀杆尺寸30mm×30mm×mm。

(3)切削试验结果分析

由于被加工工件的轴颈存在储油槽，属于断续切削，因此，刀具主偏角κr选择较大值75°，并选择系统刚性好的数控车床。此外，由于是精加工，切削深度ap和进给量f参数比较小，因此本加工属于轻微的断续车削。

采用整体PCBN刀片车削上述被加工轴类零件时，刀具的几何角度和切削参数见表4。切削过程中，工件每转一周，刀具承受2次轻微断续冲击。

表4刀具的结构及切削参数

切削结果显示：制备的整体PCBN刀具一个刀尖加工了58件工件，而现用中粗粒度的刀具一个刀尖仅加工30余件，小直径的轴颈由于进给量0.1mm/r，表面粗糙度Ra0.8，大直径的轴颈由于存在储油槽，减小进给量为0.05mm/r，表面粗糙度达到Ra0.4。该切削结果充分展现了该PCBN材料具有较好的抗冲击性能和高的耐磨性，不仅提高了表面加工质量，而且大幅降低了加工成本，减少了换刀次数。图4为加工后的零件示意图。

图4加工后的轴类零件

从切削过程看，最初切屑颜色为淡黄色，随着加工件数的增加，切屑颜色逐渐变为蓝色，工件表面光洁度没有发生变化，切削声音正常，加工50余件后，切屑颜色变为紫色，切削声音出现异常。停车检视刀具的后刀面，发现有轻微磨损，但没有出现微崩刃现象。刀具转位、更换刀尖后继续加工，整个刀片(8个刀尖)共加工工件余件。

小结

通过试验确定了淬火钢精加工用PCBN刀具材料的制备方法。采用低含量的CBN微粉和以陶瓷结合剂为主的组分配比，其中CBN微粉由4种不同粒度的细颗粒微粉按不同比例混合而成。原料经充分混合后高温高压烧结合成PCBN刀具材料，通过电镜扫描、硬度和致密度检测发现，合成的淬火钢精加工刀具材料硬度和致密度高，微观组织结构致密、均匀。切削试验结果表明，制备的淬火钢精加工PCBN刀具材料的耐用度和表面加工质量均明显提高，刀具刃口没有出现微崩刃现象。

原载《工具技术》作者：聂建军