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超硬刀具材料―金刚石与立方氮化硼
0 i9 O! I* W7 K# q 1 前言 @& Q" S% z6 q; H! I. D
+ ^) ]- w) y; e3 c 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。
3 Z2 ]. X4 U+ \* a& J& ^. B" b9 X+ R( o) C6 M+ G- s6 D
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。 . ]. o; G# ~; C: }; l8 ~
' Q1 C* e/ ]8 \ 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。 6 b: @3 t1 _& g7 x+ z8 l
* [; e( a1 [- o9 b* q0 Y# _6 _ 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。 7 o. z% m# p/ T- E+ o& |
3 M8 O& W7 V" R3 U' n 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。 2 n' w# Y3 _1 S% Z- P' L( B* b
, j" ^9 g! r+ ?
& Z" q4 [" W4 {; t5 c7 R2 聚晶立方氮化硼(PCBN)刀具切削淬硬钢 + t1 e$ t+ w& S
/ ~+ o6 q9 D4 R, B5 a
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。 0 v2 Z. K, V. l/ r) Z+ c" Y
9 f0 |3 ^' ]" l( P+ H( {图1所示为PCBN与PCD刀具的磨损曲线。
8 D) `$ f, C+ B) O% w4 h) L; ?( H5 X& F6 `1 L& O' r
切削用量：αp=0.1mm，f=0.05mm/r，ν=84m/min
t" w" O) U- W# ^1 b 刀具几何参数：γ0=0°，α0=8°
5 J# v/ b( m { PCBN：κr =45°，λs=0°，rε=0.5mm，bγ1=0.2mm，γ01=-20°" k7 S9 z* M( l% a
PCD：rε=4mm，λs =0°，bγ1=0.2mm，γ01=-20°
, ]6 X$ R8 v R/ Q0 j
6 ^) R& L$ ?& v* r; m
' K/ D" m7 [/ W3 G" N e 不加切削液。
. ~( M# J' h& j$ Y' B0 q) _0 B! M, W8 W9 g. r, ?+ C6 ]& R0 A
图2所示为YS8与Si3N4基复合陶瓷刀具的磨损曲线。
1 u, F9 I& o4 M* \
8 e- I1 I ]; G* X \( q7 D( h 切削用量：αp=0.1mm，f=0.05mm/r，0=44m/min8 ?6 O/ ^5 G+ U& P1 ]6 h0 {) a
刀具几何参数：γ0=-8°，α0=8°，κr =45°，λs =-4°，rε=0.5mm。不加切削液。
8 }/ w/ V7 {" c! \ 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。1 ?& J. z6 s6 I
$ U" y/ y0 q- V% {8 n( k8 c
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：
# M5 P- _4 F% g1 J9 V: l- ^7 V4 t; m0 |7 \4 K% R0 x1 x
C+O→CO
# S6 a) c6 U' M) T& g6 Q0 V, j$ i* m' z/ Y* _7 D$ A
CO+O→CO2
8 H& L' e# F, a9 r7 Q! ]1 s) \; n( }* F3 T
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。 : p1 g0 B2 @7 X
* Z2 P: d3 q0 G( B0 v4 r9 |
其泰勒(Taylor)方程：ν=11000/T1.84
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8 P: M/ g* _1 ]5 U, i! x2 D 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。* P5 z& ^1 P& Q: ~, u; `7 P# ]. C
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3 聚晶立方氮化硼(PCBN)刀具车削冷硬铸铁* c( ~. o# M0 s: ^3 S
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。; |" X* j# V# Y! Z" _
切削用量：αp=O.3mm，f=0.22mm/r，v=-60m/min& J. i+ U0 j$ X
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。% n0 ^" i) w @) i7 P1 D7 a! }4 W+ j
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。
1 n% t9 k. C: ?, `% e5 _: @ 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。+ s4 R) [0 L, c0 r/ ]; f
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。
$ r9 w+ S$ d1 ?; c+ z) v. q; d; |" Y
2 @! t6 h/ P* N4 超硬刀具切削纯钼、纯钨. P! ]: H0 r, A" |
用CVD金刚石厚膜刀具车削纯钼棒，硬度为125HBS。; E5 z- J0 u- V5 p% H2 z
切削用量：αp=0.1mm，f=0.05mm/r，v=32.3～64m/min/ `7 u: x X* Y* U7 w
切削试验中：兼用硬质合金813作对比。' D9 m2 ]. `* v, j- P
刀具几何角度：4 l2 {0 Y6 @5 r
CVD γ0=-5°，α0=7°，κr =45°，λs =3°，rε=0.5mm1 i# f4 I% K; l3 q+ w8 s; t
813 γ0=30°，α0=9°，κr =90°，λs =O°，rε=0.3mm1 W2 z. n; v, T* p; X
不用切削液。 |
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发表于 2009-5-18 21:10:45
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