PCD和CBN刀（dāo）具的區別

PCD刀具的性能特點

　　金剛石刀具具有硬度高、抗壓強度高、導熱性及耐磨性好等特性，可在高速切削中獲得很高的加工精度和加工（gōng）效率。金剛石刀具的上述特性是由金剛石晶體狀態決定的。在金剛石晶體中，碳原子的四個價電子（zǐ）按四麵體結構成鍵，每個碳原子與四個相鄰原子形成（chéng）共價鍵，進而組成金剛石結構，該結構的結合力（lì）和方向性很強，從而使（shǐ）金剛（gāng）石具有極高硬度。由於聚晶金剛（gāng）石（PCD）的結構是取（qǔ）向不一的（de）細晶粒金剛石燒結體，雖然加入了結合劑，其硬度及耐磨性仍低於單晶金剛石。但由於PCD燒結體表現為各向（xiàng）同性，因此不易沿單一解理（lǐ）麵裂開。

PCD刀具材料的主要性能（néng）指標

　　①PCD的硬度可（kě）達8000HV，為硬質合（hé）金的80～120倍（bèi）；

　　②PCD的導熱係數為700W/mK，為硬質合金（jīn）的1.5～9倍，甚至高於PCBN和銅，因此PCD刀具熱量傳遞迅速；

　　③PCD的摩擦係數一般（bān）僅為0.1～0.3（硬質合金的摩擦係數為0.4～1），因此PCD刀（dāo）具可顯著減小切削力；

　　④PCD的熱膨脹係數（shù）僅為0.9×10^-6～1.18×10^-6，僅相當於（yú）硬（yìng）質合金的1/5，因此PCD刀具熱變形小，加工精度高；

　　⑤PCD刀具與有（yǒu）色金屬和非金屬材料間的親和力很小，在加工過程中切屑不易粘結在刀（dāo）尖上形成積屑瘤。

PCD刀具的（de）應用

　　工業發（fā）達（dá）國家對PCD刀具的研究開（kāi）展較早，其（qí）應用已（yǐ）比較成熟。自（zì）1953年在瑞典首次合成人造金剛石以來，對PCD刀具切削性能的研（yán）究獲得了大量成果，PCD刀具的應用範圍（wéi）及使用量迅速擴大。目（mù）前，國際（jì）上著名的人造金（jīn）剛石（shí）複合片生產（chǎn）商（shāng）主要（yào）有英（yīng）國DeBeers公（gōng）司、美國（guó）GE公（gōng）司、日本住（zhù）友電工株式會社等。據報道（dào），1995年一（yī）季度僅日本的PCD刀具產量即達10.7萬把。PCD刀具的應用範圍已由初期的車削加工向鑽削、銑削加工擴展。由日本一（yī）家組織（zhī）進行的關（guān）於超硬刀具的調查表明：人們選用PCD刀具的主要考慮（lǜ）因素是（shì）基於PCD刀（dāo）具（jù）加工後的表（biǎo）麵精度、尺寸精度及刀具壽命等優（yōu）勢。金剛石複合片合成技術也得到了較大發展（zhǎn），DeBeers公司已推出（chū）了直徑（jìng）74mm、層厚0.3mm的聚晶金剛石複合（hé）片。

　　國內PCD刀具市（shì）場隨著刀具技術水平的發展也不斷（duàn）擴大。目前中國第一汽車集團已（yǐ）有一百多個PCD車刀使用（yòng）點，許多人造板企業也采用PCD刀具進行木（mù）製品加工。PCD刀具的（de）應（yīng）用也進一步推動了對其設（shè）計與製造技術的研究。國內的清華大學、大連理工大學、華中理工大學、吉林工業大學、哈爾濱工業大學等（děng）均在積極開（kāi）展這方麵的研究。國內從事PCD刀具（jù）研發、生（shēng）產的有上海舒伯哈特（tè）、鄭州新亞、南京藍幟、深圳潤祥、成都工具（jù）研究所等幾十家單位（wèi）。目前（qián），PCD刀（dāo）具的加工範圍已從傳統的（de）金屬切削加工擴展到石材加工（gōng）、木（mù）材加工、金屬基複合材料、玻璃、工程陶瓷等材料的加工。通過對近年來PCD刀具應用的分（fèn）析（xī）可見，PCD刀具主（zhǔ）要應（yīng）用於（yú）以下兩方（fāng）麵：①難加工有色金屬材料的（de）加工：用普通刀具加工難（nán）加工有色金屬材料時，往往產生刀具易磨損、加工效率低等（děng）缺陷，而（ér）PCD刀具則可表現出良好（hǎo）的加工（gōng）性能。如用PCD刀具可有效（xiào）加工新型發動機活塞材料——過（guò）共晶矽鋁合金（對該材料加工（gōng）機理的研究（jiū）已取得突破（pò））。②難加工非金屬材料的加工：PCD刀具非（fēi）常適（shì）合對石材（cái）、硬（yìng）質碳、碳纖維增強（qiáng）塑料（CFRP）、人造板材等（děng）難加（jiā）工非金屬材料的加工（gōng）。如華中理工大學1990年實（shí）現了用PCD刀具加工玻璃；目前強化複合（hé）地板及其它木基板（bǎn）材（如MDF）的應用日趨廣（guǎng）泛，用PCD刀具加工這（zhè）些材料可有效避免刀（dāo）具易磨損（sǔn）等缺陷。

PCBN刀具的切（qiē）削性能

　　由於（yú）CBN晶體與（yǔ）金剛石晶體都屬閃鋅礦型，且晶格常數相近，化學鍵類型相同，因而CBN具有接近金剛石（shí）的硬度和抗壓強度，又因為（wéi）其是由N、B原子所組成，因此具有比金剛石更高的（de）熱穩定性和化學惰性。PCBN刀具材（cái）料（liào）主要性能（néng）如下：

具有很高的硬度和耐磨性

　　CBN單晶的（de）顯微硬度為HV8000～9000，是目前已知的第二高硬度的物質，PCBN複合（hé）片的硬（yìng）度一般為HV3000～5000。因（yīn）此用（yòng）於加工高硬度材料時具有比硬質合金及陶瓷（cí）更高的耐磨性，能減少大型零件加工中的尺寸偏差或尺寸分散性，尤其適用於自動化程度高的設備中，可以減少換刀調刀（dāo）輔助時間，使其效能得（dé）到充分發揮。

具有很高的熱穩定性和高溫硬度（dù）

　　CBN的耐熱性可達1400～1500℃，在800℃時的硬度（dù）為Al2O3/TiC陶瓷的常溫（wēn）硬度，因此，當切（qiē）削溫度較高時，會（huì）使被（bèi）加工材料軟化，與刀具間硬度差增大，有（yǒu）利於切削加工進行，而對刀具壽命影響不大（dà）。

具有較高的化學穩定性

　　CBN具（jù）有很高（gāo）的抗氧化能力，在1000℃時也不產生氧化（huà）現象，與鐵係材料在（zài）1200～1300℃時也不（bú）發生化學反應，但在1000℃左右時會與水產（chǎn）生水解作用，造成大量（liàng）CBN被（bèi）磨耗，因此用PCBN刀具濕（shī）式切削時需注意選（xuǎn）擇切削液種類。一般情況下，濕（shī）切對PCBN刀（dāo）具壽命無明顯提高，所以使（shǐ）用PCBN刀具時往往采用幹切方式。

具有良好的導熱性

　　CBN材料的導（dǎo）熱係數低（dī）於金剛石（shí）但大大高於硬質合金（jīn），並且隨著切削溫度的提高（gāo），PCBN刀具的導熱係數不斷增大，因此可使刀尖處熱量很快傳出，有利於工件加工精度的提高。

具有較低的摩擦係數

　　CBN與（yǔ）不同材（cái）料的（de）摩擦係數在0.1～0.3之間，大大低於硬質合金的摩擦係數(0.4～0.6)，而且隨摩擦速度及正壓力的增大而略有減小。因此低的摩（mó）擦係數及優良的抗粘結能力，使CBN刀具切（qiē）削時不易形成滯（zhì）留層或積屑瘤，有（yǒu）利於加工表麵質量（liàng）的提高。

PCBN刀具（jù）應用於先進切削加工（gōng）工藝（yì）

適用於高速及超高速切削加工技術

　　PCBN刀具最適合於鑄鐵、淬硬鋼（gāng）等材料的高速切削加（jiā）工。由PCBN刀具切削（xuē）鑄鐵及淬硬鋼（gāng）時刀具後刀麵磨損與切削距離的（de）關（guān）係可以（yǐ）看出：當切削速（sù）度超過一定限度後，切削速度越高，PCBN刀具後刀麵磨損速度反而越（yuè）小（xiǎo），即高速切削下刀具的壽命（mìng）反而高，這一特點尤其適合現代高速切削加工。

硬態切削加工技術的最佳刀具材料

　　對淬硬件(硬度HRC55以（yǐ）上)的精加工，通常采用磨削加工方法來完成，然而隨著（zhe）刀具材料發展及車床(尤其是（shì）數控（kòng）車床)加工精度的提高，以硬態切削代替磨削來完成零件的最（zuì）終加工已成為一（yī）個新（xīn）的精加（jiā）工（gōng）途徑，這種（zhǒng）以車代磨的工藝方法有以下優點：

　　（1）可（kě）提高加工柔性，突破了（le）砂輪磨削的限製（zhì），通過改變切削刃（rèn）及走刀方（fāng）式可以加工出幾何形狀各（gè）異的工件；

　　（2）切削加工中的環保問題日益嚴峻（jun4），磨削加工產生的廢（fèi）液和廢棄（qì）物越來越難以處理和清除，而且對（duì）人體有害，而硬態切削無須加冷卻（què）液，意義重大；

　　（3）切削效率高，加工時間短，設備投資費用小，可（kě）降低加工成本；

　　（4）切除相同體積（jī）所消耗的能量（liàng）僅為磨削的20%，因此產（chǎn）生的切削熱較少，加工表麵（miàn）不易引起燒（shāo）傷和微小裂紋，易於（yú）保持工件表麵性能的完（wán）整性；

　　（5）同樣金屬（shǔ）去除率情況（kuàng）下，硬態切削較磨削節省能源。

　　通常用於硬態（tài）切削的刀（dāo）具材料有陶瓷、TiC塗層刀片及PCBN刀具材料，但要在（zài）較高速度（dù）(1000m/min以上)下進（jìn）行硬態（tài）車削，PCBN是最佳刀具材料品種。如在汽車變速箱同步器套撥叉(材料為20CrMnTi，硬度為HRC58～62)加工采用以車代磨後，效率提（tí）高4倍以上，加工成本降低為原來磨削工藝的1/3～1/2。

進行幹切削加工工藝的（de）理想刀具（jù）材料

　　由於經濟（jì）與環保方麵（miàn）的（de）原因，近幾年幹切削（xuē）加工方法已（yǐ）成為（wéi）機械製造領（lǐng）域中（zhōng）的重點研究課題。我們首先（xiān）來（lái）看一下濕切工藝由於使用切削液帶來的問題：

　　（1）長期暴露在空氣（qì）中（zhōng）或切（qiē）削加工中（zhōng）由切削熱造成的切削液霧狀揮發，容（róng）易汙染環境、危害操作者健康，切削液中的硫、氯等添加劑危害更大，影響加工表麵質（zhì）量；

　　（2）切削液的使用影響加工成（chéng）本，據統計，切削液（yè）占生產成本的15%，而刀具費（fèi）用僅占3%～4%；

　　（3）切削液的滲漏（lòu）、溢（yì）出會汙染環境，易發生安全、質量事故；

　　（4）切削液的傳輸、回收、過濾等裝置及其維護費用較高，增加了生產成本（běn）。

　　由於以上原因（yīn），幹切削加工工藝已在西方工業（yè）發達國家有了相當的應用。由（yóu）美國Makino公司推薦的“紅（hóng）月牙”(Red Crescent)幹切工藝，既可以充分發（fā）揮刀具的切削性能，與濕（shī）切相比又能（néng）大大提（tí）高生產（chǎn）率。其機理是由（yóu）於切削速度很高，產（chǎn）生的熱量聚集於刀具前部，使切削區附近材料達到紅熱狀態，屈服強度下降，進而達到（dào）提高切（qiē）削（xuē）效率的效（xiào）果。采用紅月牙幹切削工藝的前（qián）提條件是在較高切削溫度下，被切材料強度有（yǒu）明顯下降，變得易切削，而刀具材料的（de）強度在同樣狀（zhuàng）態下要有較（jiào）好的紅硬性及熱穩定性，還要有較好的耐磨性和抗粘結性。

　　適用於幹切工藝的刀具材料有陶瓷、金屬陶瓷、塗層（céng）硬（yìng）質合（hé）金及PCBN刀具（jù）材（cái）料等等，但就紅硬性和熱穩（wěn）定性來（lái）說，PCBN材（cái）料是最適合幹切工藝的（de）刀具材料（liào），且由於PCBN刀（dāo）具材（cái）料具有上述優點，更適於高速條件下的幹（gàn）式切削加工，用PCBN刀具切（qiē）削灰口鑄鐵幹切（qiē）削和濕切削兩種（zhǒng）情況下的對比可以看（kàn）出（chū）：PCBN在高速幹切情況下，比濕切削具有更高的刀具壽命。

適應於自動化加工（gōng）及難加工材料加工

　　PCBN刀具（jù）有很高的（de）硬度及耐磨性（xìng），能在高切削速度下（xià）長時（shí）間地加工（gōng）出（chū）高精度零件（尺（chǐ）寸分散性小），大大減少換刀次數和刀具磨損補償停（tíng）機所（suǒ）花費的時間。因此，很適合於數控機床（chuáng）及（jí）自動化程度較高的加（jiā）工設備，並且能使設備的（de）高效能得到充分發揮。

　　在難加工材（cái）料應用方麵，PCBN刀具也顯示（shì）了其卓越的性能，如（rú）表麵噴焊(塗)材料的加工，用其它材料刀具加工，刀具壽命（mìng）極低，也無法采用（yòng）磨削方法加工（gōng），而PCBN是惟一（yī）適合的（de）刀具材料；又如，在石油電站（zhàn）設備中使（shǐ）用的高合金耐磨鑄（zhù）鐵，采用PCBN刀具較硬質合（hé）金刀具提高（gāo）切削效率4倍以上（shàng），單件刀具成本（běn）下降為原（yuán）來的1/5。另外（wài）在硬質合金等燒結材料（liào）的切削加工方麵，PCBN刀具也顯示了很好的切削性能。

PCBN刀具的應用事例

　　由於PCBN具（jù）有較高的硬度和耐磨性，在高溫下不與鐵族（zú）金屬起反應的化學（xué）惰性，因此主要用於高硬度材（cái）料及難加工材料的（de）切削加工，如淬硬鋼、高合（hé）金（jīn）耐磨鑄鐵、高溫合金、高速鋼、表麵噴焊材料、燒結金屬（shǔ）材料等（děng）難加工材料的切削加工。

　　（1）加工淬硬鋼，可起到以車代磨的效果，由於切削深度比磨削深度大十幾倍以上，因（yīn）此（cǐ）加工效率高，表麵不產生燒傷。如以車代磨加工變速滑動齒輪(20CrMnTi，硬度為HRC58～62)時，切削比原磨削加工（gōng）效率提高（gāo）4倍以上。

　　（2）加工高（gāo）合金(含鎢或鉻18%)耐磨鑄鐵，切削速度（dù）較硬質合（hé）金刀具提高10倍以上（shàng），切削效率（lǜ）提高4倍以上。

　　（3）加工高鈷（gǔ）鉻鉬耐蝕耐熱合金，PCBN刀具切削速度為160m/min，是硬質合金刀（dāo）具的8倍。

　　（4）加（jiā）工熱噴塗(噴焊)材料，表麵（miàn）噴焊件無法用磨削加工，而用硬質合金刀具（jù）切（qiē）削效（xiào）率極（jí）低，改用PCBN刀具後可提高（gāo）加工效率，節省加工費用50%以上。PCBN刀具還可用於有色金屬的精密切削（xuē）及燒結（jié）金屬的切（qiē）削加工等等。