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超硬刀具材料―金刚石与立方氮化硼
3 i- s9 Q$ X* L( D2 I 1 前言 & h2 Q+ E% U) W2 x
$ H, `" s, B: x* V0 T 随着现代科技的发展，各种新型工件材料得到了发展和应用。其中有不少是难加工材料，且其加工精度与技术条件的要求越来越高。传统的刀具材料，如高速钢、硬质合金、陶瓷等常不能满足上述加工的需要，而必须采用超硬材料刀具。
* Z' i; ], B( Q3 E2 ^' o" O9 h0 ^" B) ?) ^) h
由于超硬刀具材料与被加工材料之间的摩擦系数很小，制成刀具时能够刃磨、研磨出极其锋利的切削刃。故超硬材料刀具可以进行精密切削与超精密切削。在这一方面，金刚石刀具尤为突出，人们常用金刚石刀具对有色金属及其合金进行超精密切削。
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利用超硬材料刀具有高硬度、高杨氏模量、高导热性能与低摩擦、低热膨胀的特点，故可切削各种硬材料和难加工材料。但是，除考虑超硬刀具材料与被加工材料之间机械、物理性能和匹配以外，还应注意它们之间化学性能的匹配。
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本文中将阐明PCPN刀具加工淬硬钢与冷硬铸铁的优越性，和金刚石刀具不能切削淬硬钢的原因，并列出切削试验数据。 / i( ^( \+ z% w6 H" U5 g( e3 W# O
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本文还将介绍超硬材料刀具切削难加工材料(如纯Mo、纯W数种硬脆非铁质金属与非金属材料以及复合材料等)的情况，列出切削试验数据，分析切削机理。
% H$ b; }1 b+ X. ]# P: F0 U3 c/ S% p) w3 ]: B& i3 `. A$ r4 `3 ?& b( R
( l7 M! x; k7 Z3 T1 o) |4 `9 g2 聚晶立方氮化硼(PCBN)刀具切削淬硬钢
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用PCBN刀具车削淬硬钢T10A(60～63HRC)，并与人造金刚石(PCD)、硬质合金YS8、Si3N4基复合陶瓷刀具进行对比。 * ~2 v9 r+ Q6 r9 W: q
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图1所示为PCBN与PCD刀具的磨损曲线。( u$ @1 N, W; \
3 }# x" z4 X3 Q% Z, ~
切削用量：αp=0.1mm，f=0.05mm/r，ν=84m/min
9 b% h8 w9 S) N 刀具几何参数：γ0=0°，α0=8°1 \6 r& R3 s8 F# D0 |- Q) F
PCBN：κr =45°，λs=0°，rε=0.5mm，bγ1=0.2mm，γ01=-20°
]0 E5 I5 d/ R9 l- V# z0 o5 J+ G PCD：rε=4mm，λs =0°，bγ1=0.2mm，γ01=-20°) v2 M! s, Y$ ^- a6 X, r, I
7 u8 o& |( a, G0 \* q1 ^) B; s
! o1 ]5 V7 R- D! W 不加切削液。
% h- J0 L2 b; c2 c7 E
8 k* y |* p- S b( C$ m图2所示为YS8与Si3N4基复合陶瓷刀具的磨损曲线。
. @9 @1 A. Q/ h9 O6 v. H, a/ M: C- H
+ P6 b: X# q) ~0 F2 B( C$ K 切削用量：αp=0.1mm，f=0.05mm/r，0=44m/min" r' O2 \* c- F3 L2 J/ A
刀具几何参数：γ0=-8°，α0=8°，κr =45°，λs =-4°，rε=0.5mm。不加切削液。
[/ d4 j; J& W7 D/ k: Q 由图1、图2可以看出，在车削淬硬钢时，Si3N4基复合陶瓷刀具的磨损略小于YS8硬质合金，它们的切削速度低，ν=44m/min。
( p0 u+ O; @) Z2 f' M/ w, T" W5 S3 t+ e6 R. m1 c9 m
在切削速度高达ν=84m/min时，PCBN的后刀面磨损量大为减缓。切削时间近30min，VB=0.25～0.3mm。但PCD刀具急剧磨损。因为在700℃以上，金刚石在Fe元素的催化作用下转化为石墨而失去了硬度。金刚石中的C元素易向淬硬钢工件方面扩散，降低刀具的硬度。在700～800~C温度下，它也能产生氧化反应： # N6 P5 Y. `8 B& H
7 O$ ^8 w0 v' b9 a/ S
C+O→CO 3 C$ F! B' o/ O8 ^. f% r. h
: q# {- v3 m& g. x( \% G) } CO+O→CO2
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; A5 f# ^7 a9 F1 _8 h! o作者还用PCBN刀具车削淬硬合金钢CrMnB(60～64HRC)，切削用量、刀具几何参数同上，但切削速度从18m/min到150m/min范围内变化，分为6档，得到6条磨损曲线；然后规定磨钝标准为VBs=0.2mm，进一步得到T-ν曲线如图3所示。
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其泰勒(Taylor)方程：ν=11000/T1.84 # B+ f1 M+ y4 |/ Q% t
* Z$ x& e: q6 Y* E, [; u( x# T8 y R 虽然6把PCBN刀具的切削数据比较分散，但仍有刀具耐用度随切削速度提高而降低的规律。但m=1.84，比一般刀具的m值大得多，说明切削速度在18～150m/min范围内对刀具耐用度的影响很小。' M! T2 K; _5 d' {
+ y. I' I5 d4 [- B! I7 h* W! v2 k
3 聚晶立方氮化硼(PCBN)刀具车削冷硬铸铁1 l( z) u I) p5 x2 ]/ A
用PCBN刀具车削球墨冷硬铸铁(含C 2.8～3.5％，Mn 0.4～1.0％，Si 0.3～3.2％)，硬度为58～68HS。
1 {# x3 D: u- V 切削用量：αp=O.3mm，f=0.22mm/r，v=-60m/min
. y# G7 Y1 L: ]# F9 s 刀具几何参数：γ0=-3°，α0=8°，κr =84°，λs =0°，rε=0.6mm，bγ1=O.25mm，γ01=-15°，不加切削液。+ E4 K! H8 q4 u" } z
图4为这一组试验的磨损曲线。可见PCBN刀具的耐用度相当长，切削路程达8000m时，VB值仅为0.16mm。! @# u5 ^5 y. {; y$ k
若用硬质合金YG6X刀具车削冷硬铸铁，切削速度只能采用6～10m/min，其刀具耐用度和加工效率均比PCBN刀具低得多。* `! b, ~1 R) c8 w8 _6 W+ z) f4 I
在工业工程与机械制造中，黑色金属特别是钢、铁用量最大，故PCBN在钢、铁的硬切削中能发挥重大作用。PCBN刀具正可补金刚石刀具之不足。+ S) d {7 k7 j8 f! ?
. k4 d8 u4 a1 p6 |9 j4 超硬刀具切削纯钼、纯钨) t$ m; S8 H0 a& B: Y6 A% S
用CVD金刚石厚膜刀具车削纯钼棒，硬度为125HBS。
8 G" ~2 e' A3 E) w* [* y# N- ^ 切削用量：αp=0.1mm，f=0.05mm/r，v=32.3～64m/min. t2 W" j) G* X6 F
切削试验中：兼用硬质合金813作对比。
( _/ F8 g2 C$ U" T8 E1 e1 e7 r 刀具几何角度：
& N' O$ [1 R. d8 c( P CVD γ0=-5°，α0=7°，κr =45°，λs =3°，rε=0.5mm
7 ~& A: d; ^0 }% p- n2 L 813 γ0=30°，α0=9°，κr =90°，λs =O°，rε=0.3mm& V6 r3 N4 x8 W) K# M! A/ b
不用切削液。 |
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发表于 2009-5-18 21:10:45
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