立方氮化硼有单晶体和多晶烧结体两种。单晶体是把六方氮化硼和触媒在压力为3000～8000兆帕、温度为800～1900℃ 范围内制得。典型的触媒材料选自碱金属、碱土金属、锡、铅、锑和它们的氮化物。立方氮化硼的晶形有四面体的截锥、八面体、歪晶和双晶等。工业生产的立方氮化硼有黑色、琥珀色和表面镀金属的,颗粒尺寸通常在1毫米以下。它具有优于金刚石的热稳定性和对铁族金属的化学惰性，用以制造的磨具，适于加工既硬又韧的材料，如高速钢、工具钢、模具钢、轴承钢、镍和钴基合金、冷硬铸铁等。用立方氮化硼磨具磨削钢材时，大多可获得高的磨削比和加工表面质量。
氮化硼的性质与形状同石墨很相似。石墨经高温高压处理变成人造金钢石，用类似的手段处理氮化硼(六方)就能得到立方氮化硼。立方氮化硼是六万氮化硼的同素异形体，是人类已知的硬度仅次于金刚石的物质，两者的性能比较见表3。
表3 CBN和金刚石性能比较
性材 料 金刚石 CBN
C BN
能 成分 比重 g/cm3 3.52 3.48
硬度 HV 热稳定性 与铁元素备注 （在空气中） 化学惰性 小 大
聚晶CBN 4000～7000HV
10000 <700～800℃ 8000
<1600℃
CBN的热稳定性和化学惰性大大优于金刚石，在空气中人造金刚石在700～800℃时即碳化，而立方氮化硼可耐1300～15000℃的高温，甚至在1500℃时也不发生相变，从而保持其硬度。CBN与铁系金属的亲和性较低，而金刚石刀具在一定的切削温度下与铁发生反应而难于切削铁系材料，故CBN刀具能对铁系金属进行高速切削，加工精度高，表面粗糙度低。精度可达1级，粗糙度可达Ra0.8以下，切削速度比硬质合金提高10倍，其硬度和耐磨性是硬质合金刀具的50倍，陶瓷刀具的25倍。
CBN刀片可用机械夹固或焊接的方法固定在刀杆上，也可将CBN薄片和硬质合金压制在一起成为复合刀具。
3 CBN刀具的应用范围
由于CBN刀具的特性，决定了CBN刀具在金属切削加工中所具有的高热硬性、高耐磨性和不易粘刀等优越性能。CBN刀具的应用范围主要包括以下难加工材料。
1 各类淬火钢：碳素工具钢、合金钢、轴承钢、模具钢、高速钢等工件，工
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件硬度在50—68HRC。
2 热喷涂类：Ni基、Fe基两大系列产品及其它一些耐磨、耐腐、耐热喷涂材料。
3 耐磨铸铁类：V—Ti铸铁、高磷铸铁和冷硬铸铁等。 4 钛合金类：TC4等。 5 耐热合金的部分工件。
6 CBN刀具还可切削加工YG类硬质合金工件，以及在某些场合下代替原用的金刚石刀具。
4 CBN刀具设计
4.1 CBN刀具参数的选择
4.1.1切削刀具几何参数的选择
刀具的几何参数选择是否合理，对CBN刀具影响如同其它刀具一样，其使用寿命有时会相差几倍甚至十几倍之多。这要视工件的材料成分、机械性能、加工要求、机床情况和操作技术水平等许多因素所决定。根据实践经验，初用者需作选择试切，推荐使用90°刀尖角和120°刀尖角作试切基础，同时推荐0°前角和
°
负前角(0°～-10°)；后角一般偏小，在8°～12范围内。当刀尖需要增加强度(例如粗车)，选较大的负前角(-7°～-10°)，刀圆弧半径ra=0.05～0.15mm为宜。
CBN刀具材料的硬度主要取决于其CBN的含量，一般CBN刀具的含量在40％～95％之间，随着CBN含量的增高，CBN刀具的硬度、耐磨性和热导率也增高，但韧性下降。CBN刀具中的CBN含量，有一定的合适使用范围，其刀具寿命与CBN含量并非呈线性关系，需根据切削加工系统的条件通过试验加以恰当地选择，采用纯CBN材料制造的刀具不一定能获得最佳切削加工效果。如果CBN含量超过95％，则CBN刀具的性能变差，CBN颗粒易脱落，耐磨性急剧变差。如果CBN含量低于50％，则CBN刀具的硬度明显下降，切削刃易变形而损坏。
CBN晶粒大小影响CBN刀具的强度和抗破损能力。细晶粒可使晶粒的界面积增加，提高烧结强度和抗裂纹扩展的能力，刀具切削刃的锋利性也可提高。CBN颗料大，耐冲击，但由于大颗料问有问隙，CBN含量就会少一些，影响耐磨性；CBN颗料小一些，CBN含量高一些，耐磨，但耐冲击性差一些。
4.1.2 切削用量的合理选择
选择切削用量，对CBN刀具的寿命、效率影响很大。一般而言，CBN刀具所选用的切削速度均大大高于普通高速钢刀具或硬质合金刀具。切削速度口靠试
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验或经验确定，而进给量厂f，吃刀深度ap要与切削速度v相匹配。由于CBN刀具多用于半精加工和精加工所以f、ap都较小。表4为根据试验列出的几种曲型材料加工时，切削参数秽、f、ap。的参考值。一般来说，合金元素含量越高，或硬度越硬，所使用的切削速度越低。而加工碳钢，可使用较高的切削速度。
表4 几种曲型材料加工切削用量选择表
被加工材料 淬火钢 喷涂（焊）合金 耐磨铸铁
CH182
v m/min 70～120 50～100 70～120 70～80
切削用量 ap mm 0.1～0.2 0.1～0.3 0.1～0.3 0.1～1.5
f mm/r 0.05～0.20 0.05～0.20 0.05～0.20 0.05～0.20
4.2 CBN刀具的制造
CBN是氮化硼的致密相，有很高的硬度(仅次于金刚石)和耐热性(1300、1500度)，优良的化学稳定件(远优于金刚石)和导热性，低的摩擦系数。PCBN与Fe族元素亲和性很低，所以它是高速切削黑色金属较理想的刀具材料。
4.2.1 CBN刀具的结构特点
CBN刀具是由CBN(立方氮化硼)晶粒为主体，添加一定比例的结合剂烧结而成的PCBN材料制成，也有由CBN单晶直接烧结而成的PCBN材料制成。CBN是由六方氮化硼在高温高压下转化而成的，其硬度很高，仅次于金刚石，其晶粒硬度可达8000～9000HV，一般的CBN刀具硬度也已达到3500～4500HV以上，耐磨性很好。
CBN刀具切削部分的结构形式基本上也是分为两大类：可转位刀片式刀具和焊接式刀具。可转位CBN刀片外形上类似普通的硬质合金可转位刀片，有整个刀片都是CBN材料的整体式CBN刀片，也有在硬质合金的基体上，仅在某个或某几个角上焊接CBN材料形成CBN切削刃的刀片，这两种CBN刀片同硬质合金刀片一样，可直接装在一般的可转位刀具刀体上使用。在汽车零部件的切削加工中，在数控加工中心机床所组成的生产线上使用很多。
焊接式CBN刀具结构特点与一般的焊接式硬质合金刀具一样，使用过的刀具，在一定范围内，可以进行重新修磨再使用，而且CBN刀片与刀体的连接也更可靠，刚性好。CBN刀具的强度比硬质合金刀具低，在切削加工钢铁材质工件时，通常采用0前角， CBN刀具的强度比硬质合金刀具低，后角一般也选择得比较小，以保证刀具切削部分的楔角足够大，切削刃切入时处于较好的受力状态，刀尖研磨成0.3～1mm的圆弧，以保证刀尖有足够的强度。
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断续切削时，一般需进行刃口钝化处理，有时采用负倒刃来增加切削刃强度，负倒刃宽度一般取0.1～0.3mm，负倒刃角度为-25o～-8o。
4.2.2 PCBN刀具
PCBN刀具的制造主要通过CBN粉末和结合剂经超高压高温烧结而成。关键技术在于CBN与结合剂的选择与配比,超高压高温烧结工艺参数的确定。大致步骤有：混合粉末—模压成型/与硬质合金底层组装成整体—超高压高温烧结—深加工。
PCBN刀具是人造立方氮化硼刀具，在高温的时候还能保持高硬度的特性，主要做加工铁件之用。其硬度仅次于金刚石而远远高于其它材料，因此它与金刚石统称为超硬材料。
1 PCBN刀具材料的种类
按添加成分分：有直接由CBN单晶烧结而成的PCBN和添加一定比例粘结剂的PCBN烧结体两大类；按制造复合方式分：有整体PCBN烧结块和与硬质合金复合烧结的PCBN复合片两类。目前应用较广的是带粘结剂的PCBN复合片，根据添加的粘结剂比例不同则PCBN硬度也不同，粘结剂含量越多则硬度越低、韧性越好；粘结剂种类不同，则PCBN的用途也不同。
2 PCBN复合片显微硬度与抗弯强度(TRS)
温度是影响PCBN复合片烧结好环的主要因素之一。测试发现，随着温度的升高TRS值明显变大。当CBN颗粒间结合能大于单晶的解理能时就表现为穿晶断裂，反之为沿晶断裂。通过电镜观测断口的形貌发现，沿晶断裂和穿晶断裂共存。但随着温度的升高或颗粒粒度的增大，穿晶断裂逐渐增多而且从PCBN层中心沿径向到边缘穿晶断裂也逐渐增多。
3 硬质合金对PCBN硬度与导电性的影响
在合成PCBN的过程中，硬质合金中的钴扫越CBN层，尽管Co与CBN不反应，少量的钴还是残留在PCBN中作为CBN颗粒间“孔隙”的填充剂。而Co的硬度与CBN颗粒的硬度相比要低得多，因而导致CBN层硬度的降低。PCBN杨氏模量约为750GPa，高于WC、TiC、Al2O3等材料。PCBN热膨胀系数约为（2.1～2.3）×10-6/K，而硬质合金热膨胀系数为（5～7）×10-6/K。PCBN密度为3.48g/cm3，与Al2O3、Si3N4密度相近。PCBN断裂韧性约为（3.5～5）Pa?m0.5，仅为陶瓷刀具材料一半。这PCBN唯一不足之处。
4 PCBN刀具应用于先进切削加工工艺 （1）适用于高速及超高速切削加工技术
PCBN刀具最适合于铸铁、淬硬钢等材料的高速切削加工。当切削速度超过一定限度后，切削速度越高，PCBN刀具后刀面磨损速度反而越小，即高速切削下刀具的寿命反而高，这一特点尤其适合现代高速切削加工。
（2）硬态切削加工技术的最佳刀具材料
对淬硬件(硬度HRC55以上)的精加工，通常采用磨削加工方法来完成，然而随
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着刀具材料发展及车床(尤其是数控车床)加工精度的提高，以硬态切削代替磨削来完成零件的最终加工已成为一个新的精加工途径，这种以车代磨的工艺方法有以下优点：
①可提高加工柔性，突破了砂轮磨削的限制，通过改变切削刃及走刀方式可以加工出几何形状各异的工件；
②切削加工中的环保问题日益严峻，磨削加工产生的废液和废弃物越来越难以处理和清除，而且对人体有害，而硬态切削无须加冷却液，意义重大； ③切削效率高，加工时间短，设备投资费用小，可降低加工成本； ④切除相同体积所消耗的能量仅为磨削的20%，因此产生的切削热较少，加工表面不易引起烧伤和微小裂纹，易于保持工件表面性能的完整性； ⑤同样金属去除率情况下，硬态切削较磨削节省能源。
（3）进行干切削加工工艺的理想刀具材料
干切工艺：机理是由于切削速度很高，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。采用红月牙干切削工艺的前提条件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。
就红硬性和热稳定性来说，PCBN材料是最适合干切工艺的刀具材料，且由于PCBN刀具材料具有上述优点，更适于高速条件下的干式切削加工。
（4）适应于自动化加工及难加工材料加工 PCBN刀具有很高的硬度及耐磨性，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），大大减少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。
在难加工材料应用方面，PCBN刀具也显示了其卓越的性能，如表面喷焊(涂)材料的加工，用其它材料刀具加工，刀具寿命极低，也无法采用磨削方法加工，而PCBN是惟一适合的刀具材料；又如，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。
5 PCBN 刀具的合理使用
由于 PCBN 刀具材料具有优良的切削性能，所以特别适合加工其硬度在 HRC45 以上的淬火钢、耐磨铸铁、 HRC35 以上的耐热合金以及 HRC30 以下而其它刀片很难加工的珠光体灰口铸铁。
（1）硬态切削时，径向力很大，这就要求机床功率要大，机床系统刚性要好，这既可保护 PCBN 刀具，又可获得满意的加工效果。
表5 PCBN 刀片常用切削用量
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