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【摘 要】 聚晶立方氮化硼（简称PCBN）是目前利用人工方法合成的硬度仅次于金刚石的新型刀具材料，这种材料的物理性能、化学性能和优异的干切削特性，使之不仅适用于有色金属及其合金的切削加工，还适用于黑色金属及其合金的切削加工，在满足一定条件要求时，最符合绿色制造技术要求，具有非常广阔的发展前景。
【关键词】 PCBN刀具 绿色制造 切削液 干切削 红硬性
前言：绿色制造是一种现代化制造模式，是人类可持续发展战略在现代制造业中的体现。绿色制造，又称环境意识制造（Environmentally Conscious Mannufacturing）、面向环境的制造（Manufacturing For Environment）等。它是一个综合考虑环境影响和资源效益的现代化制造模式，其目标是使产品从设计、制造、包装、运输、使用到报废处理的整个产品生命周期中，对环境的影响（负作用）最小，资源利用率最高，并使企业经济效益和社会效益协调优化。
保护地球环境是21世纪最优先考虑的课题。在机械加工领域，一些保护环境措施的研究开发及其成果已得到广泛应用。目前，对节约能源和减少废物的主要加工方式，即干式、半干式切削加工技术、微量润滑切削、低温微量润滑切削等绿色切削工艺和应用技术的研究，正在加速进行。
1 切削液的使用对绿色制造技术的影响
在节约能源方面，机械制造中切削液所消耗的功率要占总功率的60%以上，切削液占生产成本的15%，而刀具费用仅占3%～4%； 因此，干式、半干式切削加工技术对节约能源是切实有效的。
减少废弃物方面，主要是减少切削液的废液量。目前研究工作多致力于切削液的长效化和重复循环使用等技术的开发与应用。在切削液长效化（长寿命化）方面，切削液的合成化是开发的项目之一，而合成切削液是以化学合成的油剂为基液来使用的，它和水的亲和性要求我们必须处理产生的废水，切削液的传输、回收、过滤等装置及其维护费用较高，增加了生产成本。切削液还会使滑动部分润滑液被洗掉，切削液的渗漏、溢出会污染环境，易发生安全、质量事故，而且对电气系统产生不良影响。作为高压润滑油添加剂含在高负荷用切削液中的氯系化合物，在高温切削和废油燃烧处理时，可产生剧毒物，并影响加工表面质量，已开始逐步废除。作为清洁生产重要组成部分的绿色切削研究表明：干式切削和高速切削的有机结合将是一种理想的具有高效、低耗、优质、环境污染小、综合效益好的绿色切削，是未来机械切削加工的主流。
2 干切削是绿色切削
干式切削在机械加工中的作用，在于找到一种代替冷却和润滑的方法。目前，比较成功的干式切削法有两种：高速干式切削和低温冷风切削。
2.1 高速干式切削法。该加工方法是在无冷却、润滑油剂的作用下，采用很高的切削速度进行切削加工。干式切削必须选用适当的切削条件。首先，采用很高的切削速度，尽量缩短刀具与工件间的接触时间，再用压缩空气或其他类似的方法移去切屑，以控制工作区域的温度。随着数控技术的广泛使用，机床刚性和动态性能不断提高，提高机床的切削速度并非难事。实践证明，当切削参数设置正确时，切削产生的热量80%可被切屑带走。
2.2 高速干式切削法的优势。干切削加工工艺已在西方工业发达国家有了相当的应用。由美国Makino公司推荐的“红月牙”（Red Crescent）干切工艺，既可以充分发挥刀具的切削性能，与湿切相比又能大大提高生产率。其机理其实就是金属软化效应：由于切削速度很高，产生的热量聚集于刀具前部，使切削区附近材料达到红热状态，屈服强度下降，进而达到提高切削效率的效果。
高速干式切削法有如下优点：首先，由于它省去了油屑分离过程，无冷却润滑油箱和油屑分离装置以及相应的电气设备，因此，机床结构紧凑。其次，这种方法极大地改善了加工环境；加工费用也大大降低。为进一步延长刀具寿命、提高工件质量做了保障。
2.3 高速干式切削法对刀具的要求。高速干式切削法对刀具有严格的要求：①刀具应具有优异的耐高温性能，可在无切削液条件下工作；②切屑和刀具之间的摩擦系数要尽可能小，并辅以排屑良好的刀具结构，减少热量堆积；③干式切削刀具还应具有比湿式切削刀具更高的强度和抗冲击韧性。
总体而言，干切削工艺要求刀具是在较高切削温度下，被切材料强度有明显下降，变得易切削，而刀具材料的强度在同样状态下要有较好的红硬性及热稳定性，还要有较好的耐磨性和抗粘结性。
3 PCBN刀具的使用可实现绿色干切削
3.1 PCBN刀具材料。聚晶立方氮化硼PCBN（Polycrystalline Cubic Boron Nitride）是立方氮化硼CBN（Cubic Boron Nitride）颗粒加结合剂在高温高压下的烧结体，而CBN也是利用人工方法在高温高压条件下合成的，其硬度仅次于金刚石而远远高于其它材料。PCBN以优越的切削性能应用于切削加工的各个领域，尤其在高硬度材料、难加工材料的切削加工中更是独树一帜，适用于高速及超高速切削加工技术，能在高切削速度下长时间地加工出高精度零件（尺寸分散性小），精车后的淬硬钢表面粗糙度可达Ra0.3～0.6，尺寸精度可控制在0.013mm。大大减少了换刀次数和刀具磨损补偿停机所花费的时间。因此，很适合于数控机床及自动化程度较高的加工设备，并且能使设备的高效能得到充分发挥。
3.2 PCBN刀具最符合绿色制造技术要求。立方氮化硼合金（PCBN）的热传导性和热化学稳定性使得之具备很高的热稳定性，加之其较高的硬度、高红硬性、高耐磨性及小摩擦系数，PCBN不仅适用于有色金属及其合金的切削加工，还适用于黑色金属及其合金的切削加工，最符合绿色制造技术要求，能加工如高速钢、硬质合金、陶瓷等传统刀具难以加工的新型工件材料，是国内外公认的用于硬态切削、高速切削以及干式切削加工的理想刀具材料，主要用于加工淬硬钢、铸铁、高温合金以及表面喷涂材料等。在石油电站设备中使用的高合金耐磨铸铁，采用PCBN刀具较硬质合金刀具提高切削效率4倍以上，单件刀具成本下降为原来的1/5。另外在硬质合金等烧结材料的切削加工方面，PCBN刀具也显示了很好的切削性能。国外的汽车制造业大量使用PCBN刀具切削铸铁材料，PCBN刀具已成为国外主要汽车制造厂家各条生产线上使用的新一代刀具。 3.3 PCBN刀具在干切削时的切削参数选择。PCBN刀具在干切削时主要用于精加工和半精加工，它摩擦系数小，排屑流畅，散热速度快于被加工材料，只要选择合适的参数，PCBN材料高温下硬度损失小，加工速度达到一定值后，切削速度与刀具寿命关系便不再符合泰勒公式，切削速度高出一定数值后寿命反而增加，因为干切时切削温度高，PCBN刀具的红硬性和热稳定性，使之高温硬度损失少，而工件材料在高温下硬度损失大，硬度降低后更易于切削（简称金属软化效应），使切削加工更易于进行而不需要使用切削液。PCBN这些特性非常适于干切削加工高硬度材料，以车削、铣削、钻削代磨削可获得以往只有用磨削加工才能得到的加工表面质量，前提条件是正确选择切削参数。
在选择刀道具几何参数时，往往刀尖部分研磨成圆弧（γε=0.4～1.2mm）来增强刀尖强度，刀刃研磨出负倒棱来增强切削刃强度，取小后角（？艽6°），前角？艽0°、后倾角=0°，主偏角依据机床刚度在45°～60°之间进行调整，具体根据加工情况而定。
在切削用量的选择方面，切削速度、深度、进给量的选择均根据PCBN刀具材料的特有性能决定。如：高速或超高速的切削速度、1mm以下但不过于小的切削深度以及选择大的进给量（目的是为了产生金属软化效应），三方面的指标综合调整，使得高硬度材料的切削加工精度高，工件表面完整性好，切削表面纹理整齐、光亮、Ra？艽8μm，几乎不破坏工件表面组织、不产生退火软化层、无变质层，达到以车代磨的目的，可以降低成本，取得良好的经济效益。
4 结束语
综上所述，先进制造技术是当今世界制造业发展的主体技术，绿色制造技术是人们重视环境和合理利用资源的必然结果。干切削制造技术作为一种绿色制造的工艺，对于节省资源，保护环境和降低成本具有重要意义，而PCBN刀具非常适合硬态材料的干切削。经过十几年，尤其是近几年高速切削技术及刀具材料、涂层技术的不断研究突破，加之对环境要求的法律法规越来越严格，绿色制造技术的应用已越来越广泛，PCBN刀具材料的应用必将更加广泛。
参考文献
1 郭丽君.PCBN刀具在切削加工中的应用.农机化研究，2005（11）：205-206
2 谢国如.PCBN刀具在干切削中的应用研究.机械工程师，2006（2）：82-83
3 蒋向东.聚晶立方氮化硼刀具的性能及其选用.农机化研究，2006（2）：133-134
4 互联网.PCBN刀具在中国市场的应用现状与思考.中华机械网，2009-04-01
【关键词】 PCBN刀具 绿色制造 切削液 干切削 红硬性
前言：绿色制造是一种现代化制造模式，是人类可持续发展战略在现代制造业中的体现。绿色制造，又称环境意识制造（Environmentally Conscious Mannufacturing）、面向环境的制造（Manufacturing For Environment）等。它是一个综合考虑环境影响和资源效益的现代化制造模式，其目标是使产品从设计、制造、包装、运输、使用到报废处理的整个产品生命周期中，对环境的影响（负作用）最小，资源利用率最高，并使企业经济效益和社会效益协调优化。
保护地球环境是21世纪最优先考虑的课题。在机械加工领域，一些保护环境措施的研究开发及其成果已得到广泛应用。目前，对节约能源和减少废物的主要加工方式，即干式、半干式切削加工技术、微量润滑切削、低温微量润滑切削等绿色切削工艺和应用技术的研究，正在加速进行。
1 切削液的使用对绿色制造技术的影响
在节约能源方面，机械制造中切削液所消耗的功率要占总功率的60%以上，切削液占生产成本的15%，而刀具费用仅占3%～4%； 因此，干式、半干式切削加工技术对节约能源是切实有效的。
减少废弃物方面，主要是减少切削液的废液量。目前研究工作多致力于切削液的长效化和重复循环使用等技术的开发与应用。在切削液长效化（长寿命化）方面，切削液的合成化是开发的项目之一，而合成切削液是以化学合成的油剂为基液来使用的，它和水的亲和性要求我们必须处理产生的废水，切削液的传输、回收、过滤等装置及其维护费用较高，增加了生产成本。切削液还会使滑动部分润滑液被洗掉，切削液的渗漏、溢出会污染环境，易发生安全、质量事故，而且对电气系统产生不良影响。作为高压润滑油添加剂含在高负荷用切削液中的氯系化合物，在高温切削和废油燃烧处理时，可产生剧毒物，并影响加工表面质量，已开始逐步废除。作为清洁生产重要组成部分的绿色切削研究表明：干式切削和高速切削的有机结合将是一种理想的具有高效、低耗、优质、环境污染小、综合效益好的绿色切削，是未来机械切削加工的主流。
2 干切削是绿色切削
干式切削在机械加工中的作用，在于找到一种代替冷却和润滑的方法。目前，比较成功的干式切削法有两种：高速干式切削和低温冷风切削。
2.1 高速干式切削法。该加工方法是在无冷却、润滑油剂的作用下，采用很高的切削速度进行切削加工。干式切削必须选用适当的切削条件。首先，采用很高的切削速度，尽量缩短刀具与工件间的接触时间，再用压缩空气或其他类似的方法移去切屑，以控制工作区域的温度。随着数控技术的广泛使用，机床刚性和动态性能不断提高，提高机床的切削速度并非难事。实践证明，当切削参数设置正确时，切削产生的热量80%可被切屑带走。
2.2 高速干式切削法的优势。干切削加工工艺已在西方工业发达国家有了相当的应用。由美国Makino公司推荐的“红月牙”（Red Crescent）干切工艺，既可以充分发挥刀具的切削性能，与湿切相比又能大大提高生产率。其机理其实就是金属软化效应：由于切削速度很高，产生的热量聚集于刀具前部，使切削区附近材料达到红热状态，屈服强度下降，进而达到提高切削效率的效果。
高速干式切削法有如下优点：首先，由于它省去了油屑分离过程，无冷却润滑油箱和油屑分离装置以及相应的电气设备，因此，机床结构紧凑。其次，这种方法极大地改善了加工环境；加工费用也大大降低。为进一步延长刀具寿命、提高工件质量做了保障。
2.3 高速干式切削法对刀具的要求。高速干式切削法对刀具有严格的要求：①刀具应具有优异的耐高温性能，可在无切削液条件下工作；②切屑和刀具之间的摩擦系数要尽可能小，并辅以排屑良好的刀具结构，减少热量堆积；③干式切削刀具还应具有比湿式切削刀具更高的强度和抗冲击韧性。
总体而言，干切削工艺要求刀具是在较高切削温度下，被切材料强度有明显下降，变得易切削，而刀具材料的强度在同样状态下要有较好的红硬性及热稳定性，还要有较好的耐磨性和抗粘结性。
3 PCBN刀具的使用可实现绿色干切削
3.1 PCBN刀具材料。聚晶立方氮化硼PCBN（Polycrystalline Cubic Boron Nitride）是立方氮化硼CBN（Cubic Boron Nitride）颗粒加结合剂在高温高压下的烧结体，而CBN也是利用人工方法在高温高压条件下合成的，其硬度仅次于金刚石而远远高于其它材料。PCBN以优越的切削性能应用于切削加工的各个领域，尤其在高硬度材料、难加工材料的切削加工中更是独树一帜，适用于高速及超高速切削加工技术，能在高切削速度下长时间地加工出高精度零件（尺寸分散性小），精车后的淬硬钢表面粗糙度可达Ra0.3～0.6，尺寸精度可控制在0.013mm。大大减少了换刀次数和刀具磨损补偿停机所花费的时间。因此，很适合于数控机床及自动化程度较高的加工设备，并且能使设备的高效能得到充分发挥。
3.2 PCBN刀具最符合绿色制造技术要求。立方氮化硼合金（PCBN）的热传导性和热化学稳定性使得之具备很高的热稳定性，加之其较高的硬度、高红硬性、高耐磨性及小摩擦系数，PCBN不仅适用于有色金属及其合金的切削加工，还适用于黑色金属及其合金的切削加工，最符合绿色制造技术要求，能加工如高速钢、硬质合金、陶瓷等传统刀具难以加工的新型工件材料，是国内外公认的用于硬态切削、高速切削以及干式切削加工的理想刀具材料，主要用于加工淬硬钢、铸铁、高温合金以及表面喷涂材料等。在石油电站设备中使用的高合金耐磨铸铁，采用PCBN刀具较硬质合金刀具提高切削效率4倍以上，单件刀具成本下降为原来的1/5。另外在硬质合金等烧结材料的切削加工方面，PCBN刀具也显示了很好的切削性能。国外的汽车制造业大量使用PCBN刀具切削铸铁材料，PCBN刀具已成为国外主要汽车制造厂家各条生产线上使用的新一代刀具。 3.3 PCBN刀具在干切削时的切削参数选择。PCBN刀具在干切削时主要用于精加工和半精加工，它摩擦系数小，排屑流畅，散热速度快于被加工材料，只要选择合适的参数，PCBN材料高温下硬度损失小，加工速度达到一定值后，切削速度与刀具寿命关系便不再符合泰勒公式，切削速度高出一定数值后寿命反而增加，因为干切时切削温度高，PCBN刀具的红硬性和热稳定性，使之高温硬度损失少，而工件材料在高温下硬度损失大，硬度降低后更易于切削（简称金属软化效应），使切削加工更易于进行而不需要使用切削液。PCBN这些特性非常适于干切削加工高硬度材料，以车削、铣削、钻削代磨削可获得以往只有用磨削加工才能得到的加工表面质量，前提条件是正确选择切削参数。
在选择刀道具几何参数时，往往刀尖部分研磨成圆弧（γε=0.4～1.2mm）来增强刀尖强度，刀刃研磨出负倒棱来增强切削刃强度，取小后角（？艽6°），前角？艽0°、后倾角=0°，主偏角依据机床刚度在45°～60°之间进行调整，具体根据加工情况而定。
在切削用量的选择方面，切削速度、深度、进给量的选择均根据PCBN刀具材料的特有性能决定。如：高速或超高速的切削速度、1mm以下但不过于小的切削深度以及选择大的进给量（目的是为了产生金属软化效应），三方面的指标综合调整，使得高硬度材料的切削加工精度高，工件表面完整性好，切削表面纹理整齐、光亮、Ra？艽8μm，几乎不破坏工件表面组织、不产生退火软化层、无变质层，达到以车代磨的目的，可以降低成本，取得良好的经济效益。
4 结束语
综上所述，先进制造技术是当今世界制造业发展的主体技术，绿色制造技术是人们重视环境和合理利用资源的必然结果。干切削制造技术作为一种绿色制造的工艺，对于节省资源，保护环境和降低成本具有重要意义，而PCBN刀具非常适合硬态材料的干切削。经过十几年，尤其是近几年高速切削技术及刀具材料、涂层技术的不断研究突破，加之对环境要求的法律法规越来越严格，绿色制造技术的应用已越来越广泛，PCBN刀具材料的应用必将更加广泛。
参考文献
1 郭丽君.PCBN刀具在切削加工中的应用.农机化研究，2005（11）：205-206
2 谢国如.PCBN刀具在干切削中的应用研究.机械工程师，2006（2）：82-83
3 蒋向东.聚晶立方氮化硼刀具的性能及其选用.农机化研究，2006（2）：133-134
4 互联网.PCBN刀具在中国市场的应用现状与思考.中华机械网，2009-04-01