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超硬刀具材料―金刚石与立方氮化硼
! r& H' r8 I( ~( e6 f; c: @ ]% e 1 前言
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1 S! L7 q8 j! r5 H6 W W9 Z 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。 9 _1 o( H, l3 z* o/ q
$ ^+ v) V) R8 @1 q 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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! r6 m3 x6 Q; g) J5 D6 ^( J6 _ 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。 4 Y+ q' t+ `( S+ M
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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。
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& o$ B; j' ]; t% N0 O3 ]: h0 q2 聚晶立方氮化硼(PCBN)刀具切削淬硬钢 : ~4 [& m! `2 Q( [) }/ ]
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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。 " K5 \! p6 z* c+ j+ D
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图1所示为PCBN与PCD刀具的磨损曲线。. |7 ]& m9 ]$ F0 Y
: n) U' K, {, w9 Y+ p 切削用量：αp=0.1mm，f=0.05mm/r，ν=84m/min2 S! `8 [$ q4 J
刀具几何参数：γ0=0°，α0=8°
+ h! S; W, I% j+ j PCBN：κr =45°，λs=0°，rε=0.5mm，bγ1=0.2mm，γ01=-20°7 f: b5 i e& ~" [
PCD：rε=4mm，λs =0°，bγ1=0.2mm，γ01=-20°; V7 I3 k: y1 ?; v, z- N- }% [3 a) a
2 N8 Z: O; x9 w4 b( |; [7 e
" y1 A: x [% W 不加切削液。
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5 T) r a8 X/ V/ \图2所示为YS8与Si3N4基复合陶瓷刀具的磨损曲线。
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0 ~5 r1 k3 w& ] F0 J4 `( W 切削用量：αp=0.1mm，f=0.05mm/r，0=44m/min; F6 G1 j% o7 P( I6 {4 G6 a k
刀具几何参数：γ0=-8°，α0=8°，κr =45°，λs =-4°，rε=0.5mm。不加切削液。
8 V( M9 D$ b* X0 Z P& ~ 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。* G. |; d3 u! f+ J! ^+ a3 E
9 O2 `+ M. U+ u' {0 L 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：
: Y; ~2 V$ ~) {2 u& b# D- y" p% @* L+ k( {
C+O→CO
. o5 L& P- _) m$ L) _1 h& J
& v/ U2 w1 V; V" V# A$ G D2 c6 q CO+O→CO2 ; Z# Z8 l ^0 D) a+ D6 s) \8 `
; @: q. m3 F+ l% i0 M
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。 / ?: z4 W0 r/ o
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其泰勒(Taylor)方程：ν=11000/T1.84 ' O- M9 Q1 H$ Z, Z o! |
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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。
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2 J8 d& {" U! M% T: O3 聚晶立方氮化硼(PCBN)刀具车削冷硬铸铁
# J2 c \5 W) O4 a6 x( b 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。( K/ b9 t" P" b. C2 \3 [
切削用量：αp=O.3mm，f=0.22mm/r，v=-60m/min
; {( ~4 F0 V$ |4 N 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。9 O$ f2 F7 s# f( q# Q
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。; S5 d) B+ Q1 q
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。) M/ t; x& p( n0 P
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。
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1 o! i0 z- u! u: j1 w6 h) B6 K4 超硬刀具切削纯钼、纯钨
0 ^$ }! `$ U3 x' v9 t 用CVD金刚石厚膜刀具车削纯钼棒，硬度为125HBS。( j, ~: I* x7 z8 v/ J! J* o
切削用量：αp=0.1mm，f=0.05mm/r，v=32.3～64m/min s. [( n! Z7 i
切削试验中：兼用硬质合金813作对比。; E2 Q& J- A# O3 f5 [7 |
刀具几何角度：
9 P% @% K7 Z3 u9 A9 G0 W/ W CVD γ0=-5°，α0=7°，κr =45°，λs =3°，rε=0.5mm
# R- N n3 q$ ^9 `, `) s e' x 813 γ0=30°，α0=9°，κr =90°，λs =O°，rε=0.3mm
5 {9 ^1 ^" O0 ~" y 不用切削液。 |
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发表于 2009-5-18 21:10:45
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