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[推荐] 超硬刀具材料―金刚石与立方氮化硼

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发表于 2009-5-18 21:10:45 | 显示全部楼层 |阅读模式 来自: 中国山东聊城

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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
) [% r2 V2 }& k+ V$ r
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。
' s- e, K3 A9 O& i4 y
! 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。
/ j0 M9 c) Q+ n! {, n  @" C- J# r! Y1 @2 t: E  h+ r: E
    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
, `) N7 g. A- E
    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。
3 n2 b" [& u% R) H1 x8 ?; H3 y/ \8 d) H9 b9 C* v  P% Z

& 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( [) }/ ]
' I. J) K4 U' @* ~# H$ W
    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
/ o1 ^  H6 J9 c' \" s
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。
6 B, p6 @, n+ H' u% z% l
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。
6 U' f8 c: v* i5 ]# ^- I# M+ y. `6 J
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
. @, |& f8 A; W" z
    其泰勒(Taylor)方程:ν=11000/T1.84 ' O- M9 Q1 H$ Z, Z  o! |
6 Q9 e( g' Y6 a5 M; x
    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。
; e$ v% E, F; j+ y
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
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。
' R6 A) D& R8 M6 r( r1 }
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。
 楼主| 发表于 2009-5-18 21:11:28 | 显示全部楼层 来自: 中国山东聊城

超硬刀具材料―金刚石与立方氮化硼

CVD厚膜金刚石刀具用两种切削速度:第一种:ν=64m/min,与813对比,此时CVD刀具磨损甚快。第二种:ν=32.3m/min,也不如813。刀具磨损曲线如图5所示。/ [$ s" t6 e- i
    由图5可见,硬质合金813刀具用ν=64m/min车削纯钼时,刀具磨损比CVD金刚石刀具慢得多,CVD金刚石刀具的切削速度降低到32.3m/min时,也不能改变这一状况。好像金刚石刀具的高硬度不起作用。有人认为,制造纯钼时,可能渗入了少量的碳元素,而形成了钼的碳化物,其硬度很高(Mn2C为74HRA);还可能形成钼的氮化物和氧化物。从而使金刚石刀具在加工中容易磨损。还有人认为金刚石与Mo能产生化学反应,改变了刀具表面层与刀尖部分的性质,使刀具磨损加快。作者倾向于后一种解释。总之,金刚石刀具不适合切削纯钼;生产中钼的加工常使用硬质合金刀具。, N( c5 G$ C0 q: h5 k9 Z
    再用CVD金刚石与PCBN刀具车削纯钨棒(硬度350HBS),兼与硬质合金YS8刀具作对比。( |: l7 ?5 s$ T  c. M( i, ~/ i$ m8 C
切削用量:αp=0.1mm,f=0.04mm/r,ν=2.99m/min
2 s% _$ g+ i, v" w2 s6 [- n$ l    刀具几何参数:
+ J# @) O7 g# V    CVD γ0=-5°,α0=8°,κr =75°,rε=O.5mm/ m/ j, R/ n- ?7 ?+ L
    CBN
γ0=O°,α0=8°,κr =75°,rε=0.5mm,bγ=0.2mm,γ01=-15°
" x9 a+ ~$ l4 p- `* W( e: U    YS8 γ0=20°,α0=8°,κr =75°,rε=0.5mm。不用切削液。7 S( X% ]2 w& o2 O% y$ m8 ?& W
刀具磨损曲线如图6所示。8 `- U1 Y% N- y  P; s% {$ k
    再用CVD金刚石刀具车削纯钨,改变三种切削速度,切削深度%与进给量f同上,做切削试验,得T-v曲线如图7(VBs=0.05mm)和图8(VBs=0.07mm)所示。7 I6 f1 D1 _4 y0 \; I% U
    由图6~图8可以看出,纯钨是很难加工的。切削速度仅为2.99m/min时,YS8刀具很快磨损失效。CVD金刚石与PCBN刀具尚可胜任;但当切削速度提高后,CVD金刚石刀具的使用寿命也不是很长,且前刀面产生月牙洼磨损。有人认为,钨元素易与碳元素化合形成高硬度的WC(2000HV),导致刀具磨损,甚至还有其他化学作用。那么,PCBN刀具的切削机理又是如何?故金刚石与立方氮化硼刀具加工钼、钨的切削机理尚待进一步探讨。2 w. J# B0 o+ {5 V6 o( E
    根据图7、图8,可得T-ν曲线的泰勒(Taylor)方程。
# g! l8 _" W* \    CVD金刚石厚膜刀具车削纯钨
" |8 ?8 i9 p. \5 P5 O    当VBs=0.05mm时,在ν=15~20范围内,
/ V  R; \, q1 j: M$ ^" H6 x6 i    Taylor方程为ν=18/T0.726
) X, v9 O) X# [) V# M6 k    当VBs=0.07mm时,
! q5 r4 }& i) w5 Q2 n: N0 _6 o" i    taylor方程为ν=50/T0.88
' Z7 g$ m7 O/ {+ G: b6 M# y: g    方程中的T的指数值亦远远大于一般刀具。一般刀具,其指数仅为0.2左右。
发表于 2009-5-19 12:04:25 | 显示全部楼层 来自: 中国山东济南
金属陶瓷刀也算超硬刀具材料。
发表于 2009-5-19 13:56:18 | 显示全部楼层 来自: 中国北京
学习学习啊
发表于 2009-5-19 14:21:46 | 显示全部楼层 来自: 中国河南焦作
陶瓷刀具如果可以突破脆的难关,一定是未来最受欢迎的刀具材料了。
发表于 2009-7-20 10:25:43 | 显示全部楼层 来自: 中国广东东莞
呵,正要学习了。跟磨床砂轮差不多原理。
发表于 2009-7-20 15:13:39 | 显示全部楼层 来自: 中国四川成都
学习了,谢谢楼住
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