异形刀片的现状及发展

现代切削技术正向着高速度、高精度、高效率的方向发展，与此同时，切削技术对刀具性能的要求也越来越高。聚晶立方氮化硼（Polycrystalline Cubic Boron Nitride，PCBN）作为利用人工方法合成的硬度仅次于天然金刚石的新型刀具材料，是目前高速切削铁系金属最合适的刀具材料。 聚晶立方氮化硼（PCBN）于上世纪由美国GE公司首先研制成功，由于PCBN材料具有高的硬度和耐磨性、很高的热稳定性和高温硬度、优良的化学稳定性以及较好的导热性和较低的摩擦系数，因此PCBN刀具自问世之初就受到美国、德国、英国、日本等工业发达国家的重视。经过30多年的发展，国外对PCBN刀具的研究已基本进入成熟阶段，产品也向多样化、系列化方向发展。我国也有不少单位和学者从事PCBN刀具的开发和研究，但与国外相比，无论在PCBN材料的合成还是刀具切削性能的研究方面都有所滞后。

PCBN刀具作为21世纪的主要换代刀具之一，在工业发达国家工具使用总量中所占比重越来越大。美国GE公司认为，在工业化国家，PCBN刀具材料将有62亿美元的市场。我国机床工具行业的“十五”规划重点是发展数控机床及其配套部件，2005年国内PCBN刀片需求量已达到662万片（折合为30mm的片）。根据市场调查和科学预测，我国PCBN刀具消费总值到2010年可达到54亿元。 从1957年美国GE公司研制出立方氮化硼（CBN）单晶粉末、70年代研制成功PCBN刀具至今，经过30多年的发展，PCBN刀具已逐步趋于成熟。目前PCBN刀具多由PCBN刀片与刀杆或可转位刀片焊接而成，近年来整体式PCBN刀片种类也越来也多。PCBN刀片是05mm左右的PCBN层直接烧结在硬质合金基体上形成的复合整体。这种材料既具有PCBN的高硬度、高热稳定性和高的化学稳定性，同时又具有硬质合金强度好、可焊性好的优点，使PCBN刀具不仅可切削各种硬度的工件，而且也易于生产。PCBN刀片质量的好坏直接影响着刀具切削性能。 21 PCBN刀片的烧结 PCBN刀片的制作方法主要有两种：一种是一次聚合法，即直接用六方氮化硼（HBN）一次聚合成高密度的烧结体；另一种是二次聚合法，先合成高密度立方氮化硼（CBN），然后再以其为原料经高温高压烧结成聚晶立方氮化硼。目前较为普遍的是加入粘结剂的二次聚合法：

（1）加入金属粘结剂的CBN烧结 金属粘结剂种类很多，主要有Ni、Co、Ti、Ti-Al等。在烧结温度下，金属粘结剂成为液相，液相的出现对CBN烧结有一定的促进作用，烧结可以在稍低的温度和压力下进行。另外，由于CBN不溶于金属粘结剂，不会发生可以促进收缩和晶体长大的溶解析出过程。在烧结过程中硬质合金中的钴呈液态渗入CBN晶界中，将硬质合金与CBN烧结体紧密粘结在一起。采用金属粘结剂的PCBN刀具的硬度较纯CBN烧结的刀具硬度低，但是韧性好。英国Element six 公司的AMB90、美国GE公司的BZN6000以及日本三菱生产的MB710等牌号都是由金属粘结剂烧结而成。

（2）加入陶瓷粘结剂的CBN烧结 陶瓷粘结剂主要有TiN、TiC、Al2O3等。由于烧结过程中易产生裂纹，因此多在陶瓷粘结剂中加入铁族元素（铁、钴、镍） 以及Mo或Mo2C等增加陶瓷离子间的强度，起到流体传压介质的作用，有利于形成内部无变形的烧结体，钼等还可以改进陶瓷粒子和铁元素之间的润湿性。陶瓷粘结剂PCBN中粘结剂的含量一般较高，韧性较金属粘结剂刀具差，但其抗高温性能更好。这类产品有英国Element six公司的DBA80、DBC50，美国GE公司的BZN7000S、BZN8200，日本住友的NBX300、NBX3200等。

（3）纯CBN烧结 在CBN聚晶体中也可以不加粘结剂直接烧结而成聚晶立方氮化硼。CBN在烧结时发生再结晶和晶粒长大过程， 烧结后的CBN多晶体的晶粒已不是原来的CBN单晶体颗粒。这种PCBN刀具耐磨性好，寿命长，但较脆且温度条件苛刻，难以制成高韧性及大尺寸的刀片。 异形刀片的质量受到多种因素的影响，其中烧结过程中各种工艺参数的改变，对异形刀片的质量影响最大。粘结剂/催化剂材料、基体材料等组成材料，以及颗粒表面清洁度、颗粒度等都决定了异形刀片的性能。

（1）基体的选择 由于碳化钨硬质合金具有较高的硬度，较好的导热性和韧性，因此多采用含有Co的碳化钨硬质合金作为PCBN刀片基体。Co作为一种溶剂和粘结剂可以显著提高CBN的烧结度，增强PCBN的强度[3]，但是碳化钨硬质合金中Co的含量不能过高，否则将影响PCBN刀片的耐磨性，缩短刀具的使用寿命。

（2）CBN晶粒的清洁度与颗粒度 CBN晶粒的表面清洁度将直接影响着PCBN的烧结质量，因此在烧结前都要对CBN晶粒进行严格地处理，以去掉晶粒表面的水分及氧化物等杂质。采用的方法主要是在真空或氢气、氨气等还原性气体下加热1~2个小时。否则过多的杂质会影响CBN-CBN颗粒间及CBN与粘结剂间的粘结，使得PCBN刀片强度减小，耐磨性能降低。

CBN颗粒的大小不但对PCBN刀具的切削表面质量有影响而且对PCBN烧结时粘结剂的烧结能力起到一定的作用。一般来说，CBN颗粒度越小，PCBN刀具切削表面质量越好，刀具抗冲击能力和耐磨性越好，因此，在加工淬硬钢并且要求高的表面质量（即实现PCBN刀具的“以车代磨”）时，所采用PCBN刀具中的CBN颗粒应取较小值。但另一方面，由于PCBN刀片的烧结是通过“毛细现象”即各种粘结剂元素渗透到CBN颗粒之间实现的，如果CBN颗粒太小，CBN颗粒间的间隙就会减小，从而使得粘结剂元素的渗透量减小。因此，烧结时CBN颗粒又应选得大一些。综合考虑以上两种因素，CBN烧结时应多选择混合粒度，并根据所选粘结剂粘结能力的不同而确定不同的粒度范围。

（3）CBN晶粒含量 CBN含量对PCBN刀具的硬度、导热性有较大的影响。CBN含量越高，刀具的硬度越高，导热性越好。高含量PCBN刀具（一般CBN含量为80%～90%）是以CBN之间的直接结合为主，具有高硬度和高导热性。这类PCBN刀具适合加工高硬度合金和组织中含有高硬质点的材料，如冷硬铸铁、耐热合金等。目前此类刀具刀片主要有GE公司的BZN6000，Element six公司的AMB90、住友电工公司的BN100、BN600等。低含量PCBN刀片多为陶瓷粘结剂，耐热性好，易于加工淬硬钢（合金钢、轴承钢、模具钢、碳钢等），利用切削区内热滞留高温形成的金属软化效应进行切削。GE公司的BZN8100、BZN8200，Element six公司的DBC50，住友电工公司的NB300、NB220以及山高公司的CBN10、CBN100、CBN150等均属于此类。

（4）粘结剂 CBN烧结所需的粘结剂：①物理化学性能越接近CBN越好，这样不会过多的削弱烧结后PCBN刀具的切削性能；②易于达到熔点温度或在此温度下具有好的塑性；③相对于CBN具有足够的化学活性，具有使六方氮化硼（HBN）向CBN转化的催化性。 目前，常用到的粘结剂按其物理化学性质可分为金属粘结剂（如Ni、Co、Ti、Ti-Al等）和陶瓷粘结剂（如TiN、TiC、TiCN、Al2O3等）；按作用可分为催化剂（如，Al、AlN、AlB2、Si等）和溶解剂（如Ti、Ni、Co、TiN、TiC、TiCN等）。粘结剂种类和含量都对PCBN刀片的性能有不同的影响。碳化物、氮化物、碳氮化物可以提高PCBN刀片的抗化学磨损能力和抗冲击能力，但含量过高会降低刀具硬度，使刀具寿命缩短；钴是最常用的粘结剂，可以提高CBN烧结时的烧结度；Ti陶瓷粘结剂可以提高PCBN刀片的韧性；铝及铝的化合物可与CBN颗粒及其它粘结剂发生反应，使CBN颗粒粘结得更加牢固，提高刀具耐磨性；Si和Al、AlN、AlB2的混合物是HBN向CBN转化的有效催化剂，在陶瓷粘结剂里加入少量的Al、Si还可以增强CBN间的粘结，形成连续的陶瓷相[12]；以铝化镍作为粘结剂的PCBN复合片导电性好，适于采用低成本电火花进行切割。 由于粘结剂的不同，现在PCBN刀片趋于两种特性：一种是具有高的耐磨性（高含量CBN，催化粘结剂），另一种是具有好的抗冲击性（低含量CBN，陶瓷粘结剂）。 目前国内外异形刀片的制造厂商参差不齐，异形刀片质量上有很大的差异，但总体来说国内的异形刀片较国外产品无论从质量上、规格上还是品种上都有一定的差距。 随着研究制造的日益深入，国外异形刀片现已形成系列化，从而带来了应用的专业化；另一方面PCBN复合片的尺寸也大型化，目前可供货规格有57mm、74mm、1016mm等。大复合片不仅单位面积成本降低，利用率提高，而且更能满足用户制造各种规格刀片的要求。另外，整体式刀片的推出（如，山高公司CBN100、CBN30、CBN300等），克服了由于焊接式PCBN刀片尺寸小引起的切削深度限制和由于加工过程中焊接点失效引起的PCBN失效风险；PCBN刀片材料也向多元形式发展，涂层异形刀片已经研制成功，并应用于工业生产（如住友公司BNC80、BNC150、BNC200；山高公司CBN50C、CBN400C等）。

工程材料中应用最多的是钢材，因为它们具有强度高、韧性好、疲劳抗力高等优良性能，用来制造各种重要的机器零件和工程结构件。

一、机床零件的选材分析

机床零件的品种繁多，按结构特点、功用和受载特点可分为：轴类零件、齿轮类零件、机床导轨、垫片等。

1．机床轴类零件的选材 机床主轴是机床中最主要的轴类零件。机床类型不同，主轴的工作条件也不一样。根据主轴工作时所受载荷的大小和类型，大体上可以分为四类：

（1）轻载主轴。工作载荷小，冲击载荷不大，轴颈部位磨损不严重，例如普通车床的主轴。这类轴一般用45钢制造，经调质或正火处理，在要求耐磨的部位采用高频表面淬火强化。

（2）中载主轴。中等载荷，磨损较严重，有一定的冲击载荷，例如铣床主轴。一般用合金调质钢制造，如40Cr钢，经调质处理，要求耐磨部位进行表面淬火强化。

（3）重载主轴。工作载荷大，磨损及冲击都较严重，例如工作载荷大的组合机床主轴。一般用20CrMnTi钢制造，经渗碳、淬火处理。

（4）高精度主轴。有些机床主轴工作载荷并不大，但精度要求非常高，热处理后变形应极小。工作过程中磨损应极轻微，例如精密镗床的主轴。一般用38CrMoAlA专用氮化钢制造，经调质处理后，进行氮化及尺寸稳定化处理。 过去，主轴几乎全部都是用钢制造的，现在轻载和中载主轴已经可用球墨铸铁制造。

2．机床齿轮类零件的选材

机床齿轮按工作条件壳分为三类：

（1）轻载齿轮。转动速度一般都不高，大多用45钢制造，经正火或调质处理。

（2）中载齿轮。一般用45钢制造，正火或调质后，再进行高频表面淬火强化，以提高齿轮的承载能力及耐磨性。对大尺寸齿轮，则需用40Cr等合金调质钢制造。一般机床住传动系统及进给系统中的齿轮，大部分属于这一类。

（3）重载齿轮。对于某些工作载荷较大，特别是运转速度高又承受较大冲击载荷的齿轮大多用20Cr、20CrMnTi等渗碳钢制造。经渗碳、淬火处理后使用。例如：变速箱中一些重要传动齿轮等。

3．机床导轨的选材

机床导轨的精度对整个机床的精度有很大的影响。必须防止其变形和磨损，所以机床导轨通常都是选用灰口铸铁制造，如HT200和HT350等。灰口铸铁在润滑条件下耐磨性较好，但抗磨粒磨损能力较差。为了提高耐磨性，可以对导轨表面进行淬火处理。  

二、拖拉机及汽车零件的选材分析

1．发动机和传动系统零件的选材

这两部分包括的零件相当多。其中，有大量的齿轮和各种轴，还有在高温下工作的零件，如进、排气阀、活塞等。它们的用材都比较重要，目前一般都是根据使用经验来选材。对于不同类型的汽车和不同的生产厂，发动机和传动系统的选材是不相同的。应该根据零件的具体工作条件及实际的失效方式，通过大量的计算和试验选出合适的材料。

2．减轻汽车自重的选材

随着能源和原材料供应的日趋短缺，人们对汽车节能降耗的要求越来越高。而减轻自重可提高汽车的重量利用系数，减少材料消耗和燃油消耗，这在资源、能源的节约和经济价值方面具有非常重要的意义。

减轻自重所选用的材料，比传统的用材应该更轻且能保证事业性能。比如，用铝合金或镁合金代替铸铁，重量可减轻至原来的1/3～1/4，但并不影响其使用性能；采用新型的双相钢板材代替普通的低碳钢板材生产汽车的冲压件，可以使用比较薄的板材，减轻自重，但一点不降低构件的强度；在车身和某些不太重要的结构件中，采用塑料或纤维增强复合材料代替钢材，也可以降低自重，减少能耗。 

三、典型零件的选材实例

1．机床主轴

机床主轴是典型的受扭转—弯曲复合作用的轴件，它受的应力不大（中等载荷），承受的冲击载荷也不大，如果使用滑动轴承，轴颈处要求耐磨。因此大多采用45钢制造，并进行调质处理，轴颈处由表面淬火来强化。载荷较大时则用40Cr等低合金结构钢来制造。

车床主轴的选材结果如下：

材料：45号钢。

热处理：整体调质，轴颈及锥孔表面淬火。

性能要求：整体硬度NB220～HB240；轴颈及锥孔处硬度HRC52。

工艺路线：锻造→正火→粗加工→调质→精加工→表面淬火及低温回火→磨削。

该轴工作应力很低，冲击载荷不大，45钢处理后屈服极限可达400MPa以上，完全可满足要求。现在有部分机床主轴已经可以用球墨铸铁制造。

2．拖拉机半轴

汽车半轴是典型的受扭矩的轴件，但工作应力较大，且受相当大的冲击载荷，其结构如图5所示。最大直径达50mm左右，用45钢制造时，即使水淬也只能使表面淬透深度为10%半径。为了提高淬透性，并在油中淬火防止变形和开裂，中、小型汽车的半轴一般用40Cr制造，重型车用40CrMnMo等淬透性很高的钢制造。  

例：铁牛45半轴

材料：40Cr（好点可以用P20，相对40Cr材质整体硬度更稳定，局部不会相差太大）。

热处理：整体调质。

性能要求：杆部HRC37～HRC44；盘部外圆HRC24～HRC34。

工艺路线：下料→锻造→正火→机械加工→调质→盘部钻孔→磨花键。

3．机床齿轮

机床齿轮工作条件较好，工作中受力不大，转速中等，工作平稳无强烈冲击，因此其齿面强度、心部强度和韧性的要求均不太高，一般用45钢制造，采用高频淬火表面强化，齿面硬度可达HRC52左右，这对弯曲疲劳或表面疲劳是足够了。齿轮调质后，心部可保证有HB220左右的硬度及大于4kg·m/cm2的冲击韧性，能满足工作要求。对于一部分要求较高的齿轮，可用合金调质钢（如40Cr等）制造。这时心部强度及韧性都有所提高，弯曲疲劳及表面疲劳抗力也都增大。

例：普通车床床头箱传动齿轮。

材料：45号钢。

热处理：正火或调质，齿部高频淬火和低温回火。

性能要求：齿轮心部硬度为HB220～HB250；齿面硬度HRC52。

工艺路线：下料→锻造→正火或退火→粗加工→调质或正火→精加工→高频淬火→低温回火（拉花键孔）→精磨。

4．拖拉机齿轮

拖拉机齿轮的工作条件远比机床齿轮恶劣，特别是主传动系统中的齿轮，它们受力较大，超载与受冲击频繁，因此对材料的要求更高。由于弯曲与接触应力都很大，用高频淬火强化表面不能保证要求，所以拖拉机的重要齿轮都用渗碳、淬火进行强化处理。因此这类齿轮一般都用合金渗碳钢20Cr或20CrMnTi等制造，特别是后者在我国拖拉机齿轮生产中应用最广。为了进一步提高齿轮的耐用性，除了渗碳、淬火外，还可以采用喷丸处理等表面强化处理工艺。喷丸处理后，齿面硬度可提高HRC1～3单位，耐用性可提高7～11倍。

例：拖拉机后桥圆锥主动齿轮。

材料：20CrMnTi钢。

热处理：渗碳、淬火、低温回火，渗碳层深12mm～16mm。

性能要求：齿面硬度HRC58～HRC62，心部硬度HRC33～HRC48。

工艺路线：下料→锻造→正火→切削加工→渗碳、淬火、低温回火→磨加工。

以上各类零件的选材是根据金华洲的诸多零件生产商总结而来，只能作为机械零件选材时进行类比的参照，这些都是长期经验积累的结果。经验和指导固然很重要，但是只凭经验是不能得到最好的效果的。在具体选材时，还要参考有关的机械设计手册、工程材料手册，结合实际情况进行初选，重要零件在初选后，必须进行强度计算校核，确定零件尺寸后，还需审查所选材料淬透性是否符合要求，并确定热处理技术条件。目前比较好的方法是，根据零件的工作条件和失效方式，对零件可选用的材料进行定量分析，然后参考有关经验作出选材的最后决定，选出最相匹配的材质和工艺，优秀的选材能力可以助你在行业里提高竞争力。

网页链接

这里是有参数的：

Type:Class A Pressure Gradient FET Condenser Microphone古典型场效应电容麦克风

Polar Pattern:Fixed Cardioid固定心型声场

Sensitivity:15mv/Pa灵敏度15毫伏每帕斯卡

Impedance:200O阻抗2000欧姆

S/N Ratio:81dB (Ref: 1 Pa / A-Weighted)信噪比81分贝（1帕斯卡A计权模式下）

Equivalent Self-Noise:15dB (A-Weighted / IEC 268-4)底噪(等效噪音给）：15分贝

Max SPL @ 05% THD:126dB / 140dB (0dB/-14dB Switchable PAD)百分之05时的声压级126/140分贝

Total Dynamic Range:125 dB动态范围125分贝

Low-Cut Filter (HPF):Flat / 89Hz低频切入，89赫兹

Power Requirement:Phantom Power 48V plusmn; 4V幻像电压48伏正负4伏。

这里缺少最重要的参数，频率范围和极坐标图，不知道在90－15000赫兹范围内是否平直。信躁比稍差一些。所以怎么说呢？我没有用过这款，只能说一搬吧。虽然说一般，个人主播和K歌用绝对没有问题，只有录管弦乐队时不够用吧。我是老发烧友，用20元的耳机就能区分96K音质和128K音质的那种人，要求有点高。

我用的工艺库中找不到NPN管，所以下面的仿真采用了PNP管，并将vcc与gnd互换，但电路结构完全相同。

瞬态仿真结果如下：

电路启动部分

解释：

t

=

0时刻，两个电容都不带电，即

v(nc1)

=

v(nb2)

=

31V

v(nc2)

=

v(nb1)

=

25V

所以Q1导通，Q2截止。

由于R2两端有电势差，有从nb2向gnd方向的电流，而Q2截止，基极电流很小，所以这个电流只能来自于C2，所以C2内部有从nc1向nb2的位移电流。而nc1电势基本不变，所以nb2电势逐渐下降。

与此同时，C1通过Q1的EB结和Rc2进行充电，使nb1的电势比nc2高一些。

当nb2电势降至比Vcc低07V左右时，Q2突然开启，Q2的集电极电流骤增，nc2的电势升至接近vcc，图中显示是31V。由于C1上有一定电荷存储，使nb1比nc2更高（39V），Q1管立即截止。

现在C2开始通过Rc1开始放电（由于nb2电势基本恒定，所以可以无视R2的分流），使nc1电势下降。当nc1

<

nb2后，开始反向充电。

同时，C1以nc2为恒压源，与R1串联充电，使nb1电势降低，直到nb1

<

vcc

-

07V，电路状态再次转换。

下面是完整的仿真结果，四个节点电压分开画

电路的SPICE

design

file如下

Vib

lib

"log018l"

TT_BIP3

netlist

Vsrc

vcc

gnd

33

Rc1

gnd

nc1

20k

R1

gnd

nb1

20k

Rc2

gnd

nc2

20k

R2

gnd

nb2

40k

C1

nb1

nc2

100n

C2

nb2

nc1

100n

Q1

nc1

nb1

vcc

PNP10_3

IC

=

0,

-33

Q2

nc2

nb2

vcc

PNP10_3

IC

=

-33,

0

tran

20ns

10ms

UIC

end

希望能有帮助