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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
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/min1 ?& 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
3 _- a2 C) f( b: w# k. X5 y( j
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
7 f9 y: e0 [1 L
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
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。
 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。% P0 g' S! |8 U2 C) v2 b5 J
    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。, |! V- k1 d! g; [8 b# H' o" _
    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。8 o/ s3 u5 L  e4 u
切削用量:αp=0.1mm,f=0.04mm/r,ν=2.99m/min* S6 m. C4 f2 X: ~( c9 E$ Z* N; h
    刀具几何参数:
! F5 V/ k1 m( }4 @  _    CVD γ0=-5°,α0=8°,κr =75°,rε=O.5mm
3 Q& q; r1 N4 a9 n; N% o. a    CBN
γ0=O°,α0=8°,κr =75°,rε=0.5mm,bγ=0.2mm,γ01=-15°
" ?' T) W2 J7 a    YS8 γ0=20°,α0=8°,κr =75°,rε=0.5mm。不用切削液。
& n+ Y# v% X/ |8 ]  u; h刀具磨损曲线如图6所示。' ]. f  d: V/ l0 E# [" l9 w
    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。
+ y: m' W0 B1 F    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。4 g, I3 v& O5 p
    根据图7、图8,可得T-ν曲线的泰勒(Taylor)方程。
2 y% X+ B% L4 g7 N    CVD金刚石厚膜刀具车削纯钨
5 l5 X  h. Z4 W) ?  d" I6 I% Q    当VBs=0.05mm时,在ν=15~20范围内,
0 y( X$ c4 P6 D; `0 N' w, `    Taylor方程为ν=18/T0.7265 A! w5 M. {3 z; s
    当VBs=0.07mm时,' L3 h8 N* q; H0 `
    taylor方程为ν=50/T0.88" @; W* t9 ?6 I7 n7 z  B
    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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