齿轮通常分为车辆齿轮和工业齿轮，通常情况下，把直径小于500mm的齿轮称为车辆齿轮，直径大于500mm的称为工业齿轮，又叫大齿轮(大齿圈)。工业齿轮进一步细分，将直径500mm到3000mm的齿轮划归为大型齿轮，直径大于3000的齿轮称为特大型齿轮。大齿轮是重型装备制造的关键零部件，广泛应用于国防、能源、船运和制造业等各个领域。国防领域有雷达、重型坦克等;能源领域有风电、海上石油开采、太阳能发电和光热发电等;船舶领域有船用起重机、港口移动起重机、卸船机等;装备制造业有矿用堆取料机、矿山机械、工程机械、盾构机、钢包回转台等。

　　一、大齿圈加工现状

　　大齿圈因其体积庞大，都在大型机床上进行加工，对机床刚性要求高。大齿圈还有个重要特点就是齿圈壁相对较薄，加工过程中容易变形而造成齿圈不圆等情况。此外大齿圈齿顶和齿根加工是一个强断续加工过程，对刀具抗冲击性有很高要求。大齿圈硬度较高，大部分淬火硬度在HRC55-65范围内，对刀具磨损严重，要求刀具有很高的硬度和耐磨性。

　　目前大齿圈加工仍大量采用硬质合金刀片，加工效率低，刀片寿命短，一个齿圈需要更换好几次刀尖才能完成，齿圈上有接刀痕，影响齿圈质量。

　　二、PCBN刀片性能

　　1、较高的硬度和耐磨性

　　CBN晶体结构与金刚石相似，化学键类型相同、晶格常数相近，因此具有与金刚石相近的硬度和强度。CBN微粉的显微硬度为HV8000～9000，其烧结体PCBN的硬度一般为HV3000～5000。在切削淬硬材料时其耐磨性是硬质合金刀具的50倍，是涂层硬质合金刀具的30倍，是陶瓷刀具的25倍。

　　2、具有很高的热稳定性

　　CBN的耐热性可达1400～1500℃，PCBN在800℃时的硬度还高于陶瓷和硬质合金的常温硬度，如图2所示。因此PCBN刀具可用比硬质合金刀具高3～5倍的速度高速切削高温合金和淬硬钢。

　　3、具有优良的化学稳定性

　　CBN的化学惰性特别大，在1200～1300℃时也不与铁系材料发生化学反应，与碳在2000℃时才发生反应;在中性、还原性的气体中，对酸、碱都是稳定的;其对各种材料的粘结、扩散作用比硬质合金小得多，因此PCBN刀具特别适合加工钢铁材料。

　　4、具有较好的导热性

　　在各类刀具材料中CBN的导热性仅次于金刚石，导热系数为1300W/(m·℃)，是紫铜的3.2倍，是硬质合金的20倍，立方氮化硼与陶瓷的导热系数的比值为37.1：1，热扩散率比值为65.5：1，而且随着温度的升高，PCBN导热系数是增加的，而氧化铝的导热系数是降低的。

　　三、刀片性能优化

　　针对大齿圈加工的特点，博特公司专门研究开发了新型PCBN刀片材料，并且经过大量现场切削试验总结了最佳的刀具结构。

　　1、材料性能

　　针对大齿圈齿顶加工强断续、切削阻力大、切削温度高等特点，专门开发了新的牌号。新牌号优选原材料，选择强度高的立方氮化硼微粉，结合剂也经过严格筛选。配方上经过大量尝试选择了最佳配比，保证材料具有良好的抗冲击韧性和结合强度。材料制备工艺上进行了全面优化，充分保证材料均匀性，烧结温度和压力匹配特性等，使得材料致密性提高，材料晶体颗粒得到很好控制。从图1可以看出，博特公司PCBN材料均匀性极好，结合剂在CBN颗粒间均匀分布，没有团聚现象。CBN颗粒几乎维持了原始粒度，团聚长大现象不明显，颗粒之间看不到气孔，结构致密。而市面上其他PCBN材料烧结不均匀，结合剂团聚严重，CBN颗粒之间界限不明显，说明CBN颗粒在烧结过程中进行二次团聚，并且工艺控制不当，团聚颗粒大小不均，造成颗粒之间形成较大气孔，结构疏松。

　　图1 PCBN刀片显微结构对比(3000倍)

　　A、博特公司PCBN B、其他公司PCBN

　　表1是在公司自制抗冲击韧性测试装置上进行抗冲击试验结果比较，新型PCBN材料抗冲击韧性远高于国内同类产品，并且已经接近了硬质合金。其中原因在于该PCBN材料在配方上设计科学，制备工艺上严格控制，达到了结合剂分布均匀，CBN颗粒结合强度高，材料致密度高，颗粒间气孔少，进一步提高了材料抗冲击韧性能的效果。

　　表1 抗冲击韧性对比表

　　2、结构设计

　　大齿圈体积大，齿圈壁相对较薄，加工过程中容易变形，因此合理设计刀片结构，降低切削力是减小变形的有效途径。博特公司设计了多种刀片结构进行现场切削试验，为优化刀片结构提供可靠依据。试刀结果见表2。

　　表2 不同结构设计刀片切削性能比较

　　综上可知，圆弧较小时，可以降低切削力，但是刀尖和工件接触面减小，刀尖强度降低，导致断续切削下刀尖崩口而影响刀具寿命。而圆弧太大时，刀尖强度得到改善，但是切削力明显提高，导致齿圈发生变形。负倒棱增大在一定程度上增大切削力，增强刀尖强度。负倒棱角度影响切削力的方向和切削刃强度，实际证明，角度增大切削力增大，影响了齿圈质量。总结可知刀尖圆弧1.2mm，负倒棱宽度0.3，角度25°时刀片切削效果最佳。

　　四、大齿圈加工实例

　　1、大齿圈齿根强断续硬车加工

        在国内某大型回转支承制造企业，加工直径8m的特大齿圈，材质：20CrMnTi，淬火硬度HRC53-55，在大型立车上加工齿圈内齿齿顶。切削实验数据列如表3。

　　表3 大齿圈齿根加工效果对比表

　　从表3对比看出，开发的新型PCBN刀片寿命是硬质合金的10倍，综合加工效率是硬质合金的3倍。硬质合金加工一个齿圈需要更换5次刀尖，加工效率低，工人劳动强度大，关键是每次更换刀尖就会存在一个接刀痕，影响大齿圈质量。

　　2、风电大齿圈齿顶强断续硬车加工

　　在某大型风电齿轮制造企业，加工直径3m的大型齿圈，材质：20CrMnTi，淬火硬度HRC58-62，加工部位齿圈内齿顶。

　　表4 风电大齿圈加工效果对比表

　　对比硬质合金刀具的切削数据如表4，从表4可以看出PCBN刀片切削速度是硬质合金的2倍之多，加工的齿顶没有毛刺;PCBN刀片寿命是硬质合金的15倍之多，综合效率提高4倍。实验数据证实了开发的新型PCBN刀片优良的材料性能和长的使用寿命。

　　五、总结

　　断续切削在金属切削加工中是较难加工的过程，再加上齿圈硬度大，加工难度更大，这就要求机床功率足够高，刚性足够好，对刀片强度和寿命提出更高要求。博特公司针对性的开发了相应材料并对刀片结构进行优化，最终实现了大齿圈高效加工，减少了换刀次数，提高了齿圈质量，也总结了许多应用经验。

　　(1)科学的配方设计以及原材料和工艺的严格控制是保证PCBN材料优良性能的前提。只有结合剂分布均匀，结合强度高，CBN颗粒大小均匀，结构致密的PCBN刀片才能抵抗高强度、强断续切削对刀片的破坏，才能保证刀片良好的切削性能。

　　(2)刀片结构优化可以显著改变切削力，从而影响刀片寿命和工件质量。经过试验总结出PCBN刀片强断续加工大齿圈最佳刀片结构：刀尖圆弧1.2mm，负倒棱0.3mm，倒棱角度25°。

　　(3)通过实际使用发现，新型PCBN刀片完全可以代替硬质合金刀片实现大齿圈高效、强断续加工，不仅显著提高加工效率，降低工人劳动强度，工件质量也得到很大提高。现代制造业正强烈追求高效加工和质量控制水平以及自动化生产，PCBN刀片顺应了市场需求，有很大推广价值。