大齒圈加工是一個強(qiáng)斷續(xù)高強(qiáng)度切削過程，對刀具性能要求很高。本文介紹了適合強(qiáng)斷續(xù)加工的高性能PCBN刀具需具備的特點以及刀片結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案。提出適合強(qiáng)斷續(xù)加工的PCBN刀片應(yīng)具備結(jié)合強(qiáng)度高、顆?？刂凭鶆颉⒔Y(jié)構(gòu)致密、抗沖擊性能好等特點。實驗結(jié)果表明刀片的最佳結(jié)構(gòu)：刀尖圓弧1.2mm，負(fù)倒棱寬度0.3mm，負(fù)倒棱角度25°。同時通過對比說明了PCBN刀片代替硬質(zhì)合金加工大齒圈，可以顯著提高加工效率和保證大齒圈質(zhì)量。

　　齒輪通常分為車輛齒輪和工業(yè)齒輪，通常情況下，把直徑小于500mm的齒輪稱為車輛齒輪，直徑大于500mm的稱為工業(yè)齒輪，又叫大齒輪(大齒圈)。工業(yè)齒輪進(jìn)一步細(xì)分，將直徑500mm到3000mm的齒輪劃歸為大型齒輪，直徑大于3000的齒輪稱為特大型齒輪[1]。大齒輪是重型裝備制造的關(guān)鍵零部件，廣泛應(yīng)用于國防、能源、船運和制造業(yè)等各個領(lǐng)域。國防領(lǐng)域有雷達(dá)、重型坦克等;能源領(lǐng)域有風(fēng)電、海上石油開采、太陽能發(fā)電和光熱發(fā)電等;船舶領(lǐng)域有船用起重機(jī)、港口移動起重機(jī)、卸船機(jī)等;裝備制造業(yè)有礦用堆取料機(jī)、礦山機(jī)械[2]、工程機(jī)械、盾構(gòu)機(jī)、鋼包回轉(zhuǎn)臺等。

　　一、大齒圈加工現(xiàn)狀

　　大齒圈因其體積龐大，都在大型機(jī)床上進(jìn)行加工，對機(jī)床剛性要求高。大齒圈還有個重要特點就是齒圈壁相對較薄，加工過程中容易變形而造成齒圈不圓等情況[3]。此外大齒圈齒頂和齒根加工是一個強(qiáng)斷續(xù)加工過程，對刀具抗沖擊性有很高要求。大齒圈硬度較高，大部分淬火硬度在HRC55-65范圍內(nèi)，對刀具磨損嚴(yán)重，要求刀具有很高的硬度和耐磨性。

　　目前大齒圈加工仍大量采用硬質(zhì)合金刀片，加工效率低，刀片壽命短，一個齒圈需要更換好幾次刀尖才能完成，齒圈上有接刀痕，影響齒圈質(zhì)量。

　　二、PCBN刀片性能

　　1、較高的硬度和耐磨性

　　CBN晶體結(jié)構(gòu)與金剛石相似，化學(xué)鍵類型相同、晶格常數(shù)相近，因此具有與金剛石相近的硬度和強(qiáng)度。CBN微粉的顯微硬度為HV8000～9000，其燒結(jié)體PCBN的硬度一般為HV3000～5000。在切削淬硬材料時其耐磨性是硬質(zhì)合金刀具的50倍，是涂層硬質(zhì)合金刀具的30倍，是陶瓷刀具的25倍[4]。

　　2、具有很高的熱穩(wěn)定性

　　CBN的耐熱性可達(dá)1400～1500℃，PCBN在800℃時的硬度還高于陶瓷和硬質(zhì)合金的常溫硬度，如圖2所示。因此PCBN刀具可用比硬質(zhì)合金刀具高3～5倍的速度高速切削高溫合金和淬硬鋼[5]。

　　3、具有優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性

　　CBN的化學(xué)惰性特別大，在1200～1300℃時也不與鐵系材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，與碳在2000℃時才發(fā)生反應(yīng);在中性、還原性的氣體中，對酸、堿都是穩(wěn)定的;其對各種材料的粘結(jié)、擴(kuò)散作用比硬質(zhì)合金小得多，因此PCBN刀具特別適合加工鋼鐵材料[6]。

　　4、具有較好的導(dǎo)熱性

　　在各類刀具材料中CBN的導(dǎo)熱性僅次于金剛石，導(dǎo)熱系數(shù)為1300W/(m·℃)，是紫銅的3.2倍，是硬質(zhì)合金的20倍，立方氮化硼與陶瓷的導(dǎo)熱系數(shù)的比值為37.1：1，熱擴(kuò)散率比值為65.5：1，而且隨著溫度的升高，PCBN導(dǎo)熱系數(shù)是增加的，而氧化鋁的導(dǎo)熱系數(shù)是降低的[7]。

　　三、刀片性能優(yōu)化

　　針對大齒圈加工的特點，博特公司專門研究開發(fā)了新型PCBN刀片材料，并且經(jīng)過大量現(xiàn)場切削試驗總結(jié)了最佳的刀具結(jié)構(gòu)。

　　1、材料性能

　　針對大齒圈齒頂加工強(qiáng)斷續(xù)、切削阻力大、切削溫度高等特點，專門開發(fā)了新的牌號。新牌號優(yōu)選原材料，選擇強(qiáng)度高的立方氮化硼微粉，結(jié)合劑也經(jīng)過嚴(yán)格篩選。配方上經(jīng)過大量嘗試選擇了最佳配比，保證材料具有良好的抗沖擊韌性和結(jié)合強(qiáng)度。材料制備工藝上進(jìn)行了全面優(yōu)化，充分保證材料均勻性，燒結(jié)溫度和壓力匹配特性等，使得材料致密性提高，材料晶體顆粒得到很好控制。從圖1可以看出，博特公司PCBN材料均勻性極好，結(jié)合劑在CBN顆粒間均勻分布，沒有團(tuán)聚現(xiàn)象。CBN顆粒幾乎維持了原始粒度，團(tuán)聚長大現(xiàn)象不明顯，顆粒之間看不到氣孔，結(jié)構(gòu)致密。而市面上其他PCBN材料燒結(jié)不均勻，結(jié)合劑團(tuán)聚嚴(yán)重，CBN顆粒之間界限不明顯，說明CBN顆粒在燒結(jié)過程中進(jìn)行二次團(tuán)聚，并且工藝控制不當(dāng)，團(tuán)聚顆粒大小不均，造成顆粒之間形成較大氣孔，結(jié)構(gòu)疏松。

圖1 PCBN刀片顯微結(jié)構(gòu)對比(3000倍)

　　A、博特公司PCBN B、其他公司PCBN

　　表1是在公司自制抗沖擊韌性測試裝置上進(jìn)行抗沖擊試驗結(jié)果比較，新型PCBN材料抗沖擊韌性遠(yuǎn)高于國內(nèi)同類產(chǎn)品，并且已經(jīng)接近了硬質(zhì)合金。其中原因在于該PCBN材料在配方上設(shè)計科學(xué)，制備工藝上嚴(yán)格控制，達(dá)到了結(jié)合劑分布均勻，CBN顆粒結(jié)合強(qiáng)度高，材料致密度高，顆粒間氣孔少，進(jìn)一步提高了材料抗沖擊韌性能的效果。

　　表1 抗沖擊韌性對比表

　　2、結(jié)構(gòu)設(shè)計

　　大齒圈體積大，齒圈壁相對較薄，加工過程中容易變形，因此合理設(shè)計刀片結(jié)構(gòu)，降低切削力是減小變形的有效途徑。博特公司設(shè)計了多種刀片結(jié)構(gòu)進(jìn)行現(xiàn)場切削試驗，為優(yōu)化刀片結(jié)構(gòu)提供可靠依據(jù)。試刀結(jié)果見表2。

　　表2 不同結(jié)構(gòu)設(shè)計刀片切削性能比較

　　綜上可知，圓弧較小時，可以降低切削力，但是刀尖和工件接觸面減小，刀尖強(qiáng)度降低，導(dǎo)致斷續(xù)切削下刀尖崩口而影響刀具壽命。而圓弧太大時，刀尖強(qiáng)度得到改善，但是切削力明顯提高，導(dǎo)致齒圈發(fā)生變形。負(fù)倒棱增大在一定程度上增大切削力，增強(qiáng)刀尖強(qiáng)度。負(fù)倒棱角度影響切削力的方向和切削刃強(qiáng)度，實際證明，角度增大切削力增大，影響了齒圈質(zhì)量?？偨Y(jié)可知刀尖圓弧1.2mm，負(fù)倒棱寬度0.3，角度25°時刀片切削效果最佳。

　　四、大齒圈加工實例

　　1、大齒圈齒根強(qiáng)斷續(xù)硬車加工

　　在國內(nèi)某大型回轉(zhuǎn)支承制造企業(yè)，加工直徑8m的特大齒圈，材質(zhì)：20CrMnTi，淬火硬度HRC53-55，在大型立車上加工齒圈內(nèi)齒齒頂。切削實驗數(shù)據(jù)列如表3。

　　表3 大齒圈齒根加工效果對比表

　　從表3對比看出，開發(fā)的新型PCBN刀片壽命是硬質(zhì)合金的10倍，綜合加工效率是硬質(zhì)合金的3倍。硬質(zhì)合金加工一個齒圈需要更換5次刀尖，加工效率低，工人勞動強(qiáng)度大，關(guān)鍵是每次更換刀尖就會存在一個接刀痕，影響大齒圈質(zhì)量。

　　2、風(fēng)電大齒圈齒頂強(qiáng)斷續(xù)硬車加工

　　在某大型風(fēng)電齒輪制造企業(yè)，加工直徑3m的大型齒圈，材質(zhì)：20CrMnTi，淬火硬度HRC58-62，加工部位齒圈內(nèi)齒頂。

　　表4 風(fēng)電大齒圈加工效果對比表

　　對比硬質(zhì)合金刀具的切削數(shù)據(jù)如表4，從表4可以看出PCBN刀片切削速度是硬質(zhì)合金的2倍之多，加工的齒頂沒有毛刺;PCBN刀片壽命是硬質(zhì)合金的15倍之多，綜合效率提高4倍。實驗數(shù)據(jù)證實了開發(fā)的新型PCBN刀片優(yōu)良的材料性能和長的使用壽命。

　　五、總結(jié)

　　斷續(xù)切削在金屬切削加工中是較難加工的過程，再加上齒圈硬度大，加工難度更大，這就要求機(jī)床功率足夠高，剛性足夠好，對刀片強(qiáng)度和壽命提出更高要求。博特公司針對性的開發(fā)了相應(yīng)材料并對刀片結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，最終實現(xiàn)了大齒圈高效加工，減少了換刀次數(shù)，提高了齒圈質(zhì)量，也總結(jié)了許多應(yīng)用經(jīng)驗。

　　(1)科學(xué)的配方設(shè)計以及原材料和工藝的嚴(yán)格控制是保證PCBN材料優(yōu)良性能的前提。只有結(jié)合劑分布均勻，結(jié)合強(qiáng)度高，CBN顆粒大小均勻，結(jié)構(gòu)致密的PCBN刀片才能抵抗高強(qiáng)度、強(qiáng)斷續(xù)切削對刀片的破壞，才能保證刀片良好的切削性能。

　　(2)刀片結(jié)構(gòu)優(yōu)化可以顯著改變切削力，從而影響刀片壽命和工件質(zhì)量。經(jīng)過試驗總結(jié)出PCBN刀片強(qiáng)斷續(xù)加工大齒圈最佳刀片結(jié)構(gòu)：刀尖圓弧1.2mm，負(fù)倒棱0.3mm，倒棱角度25°。

　　(3)通過實際使用發(fā)現(xiàn)，新型PCBN刀片完全可以代替硬質(zhì)合金刀片實現(xiàn)大齒圈高效、強(qiáng)斷續(xù)加工，不僅顯著提高加工效率，降低工人勞動強(qiáng)度，工件質(zhì)量也得到很大提高?，F(xiàn)代制造業(yè)正強(qiáng)烈追求高效加工和質(zhì)量控制水平以及自動化生產(chǎn)，PCBN刀片順應(yīng)了市場需求，有很大推廣價值。