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超硬刀具材料―金刚石与立方氮化硼5 g9 k1 s3 Q7 i6 Q) o
1 前言
7 W. s/ V/ Q1 ]) C. Z0 P# r# e+ m( ~- P! ]9 U8 F* K6 w: f* G$ S' @
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 c3 c' J" E3 l% M) C0 F
* p, L1 Z/ z# g 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。 # l9 y1 `6 m$ Q
0 u7 U! P5 g2 p 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。 8 u. @. [3 R0 U( ^" u
% I* B8 `; U8 r 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。 - A4 ?7 k4 }' [) g0 ^
9 |% X4 o' E; a' h( Q! 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。
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2 聚晶立方氮化硼(PCBN)刀具切削淬硬钢
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1 f* g+ q5 {/ H8 f* t" W; D- [ 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。
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图1所示为PCBN与PCD刀具的磨损曲线。2 ?2 A, ], J; K
c- ?! J( \9 T ~* h8 B( k
切削用量：αp=0.1mm，f=0.05mm/r，ν=84m/min
$ c! S$ Q3 [* T( u1 I6 a! c' S" e 刀具几何参数：γ0=0°，α0=8°
. ?6 f+ x$ B$ O% v/ B( S$ v* |) j PCBN：κr =45°，λs=0°，rε=0.5mm，bγ1=0.2mm，γ01=-20°
' H8 X& f" t. P, c- ^ PCD：rε=4mm，λs =0°，bγ1=0.2mm，γ01=-20°
: K' W0 K- y i# w& K9 j& D3 S: q2 ]' u5 w2 h
. |3 ^1 G# t+ ]: _& @5 U 不加切削液。 / ^( Q j& l2 k& s w O6 \/ `
Q9 i; Q! F- g3 m9 c) e图2所示为YS8与Si3N4基复合陶瓷刀具的磨损曲线。 4 p$ c& ~- N1 c5 b1 B8 R8 M b
8 ~- J- n) M, l5 k; C 切削用量：αp=0.1mm，f=0.05mm/r，0=44m/min; j/ c1 r5 c0 O" s% x: Y5 B/ @* I
刀具几何参数：γ0=-8°，α0=8°，κr =45°，λs =-4°，rε=0.5mm。不加切削液。
' j1 Z' w. d7 \+ C2 q/ 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。
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0 ^$ C9 C9 y0 Z# U9 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： , @* V3 M- \) i3 g
3 u7 R7 f& F2 H" D: [- X: t) A$ j C+O→CO
1 W5 W G5 T5 X* z/ b
' {) x7 o: |; B4 @5 b$ f/ M/ B CO+O→CO2 5 h8 g. U5 S. S- X- L+ t1 b
; Z# e ?; ^1 X' y# V9 K
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。 * z3 Y, g( _6 _7 l8 N3 v, F
) d8 z4 Q7 H- x8 u 其泰勒(Taylor)方程：ν=11000/T1.84
8 [0 l7 g+ |* @2 B9 a7 ~8 s
: ]# @9 B' n2 F6 g' O: \6 o% f1 a: a 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。
! D7 R* D$ j9 c! z8 C3 \7 w2 R$ X! l: H5 l2 f4 K" F5 x z; X
3 聚晶立方氮化硼(PCBN)刀具车削冷硬铸铁
0 b/ i5 w. D+ r 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) Y3 X$ @0 `5 O: g 切削用量：αp=O.3mm，f=0.22mm/r，v=-60m/min( p( U W" c9 e
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。
0 F3 |& F W Q2 c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。
" B7 q P+ g$ [6 t 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。9 S7 b! l- ~6 z" e- R4 F1 R7 g
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。3 [/ D* X H3 x& C
7 b$ ?, Y# I1 l! ` C8 m+ z/ V
4 超硬刀具切削纯钼、纯钨 o$ i& n3 g$ d# n
用CVD金刚石厚膜刀具车削纯钼棒，硬度为125HBS。
" A+ a F2 X% e( n% @" t" X 切削用量：αp=0.1mm，f=0.05mm/r，v=32.3～64m/min* d4 G& G! w9 \* _( @/ V p
切削试验中：兼用硬质合金813作对比。0 _! x+ k. y, e" j3 t$ B) S
刀具几何角度：
) i) k" S! c! f1 P5 }5 o5 K CVD γ0=-5°，α0=7°，κr =45°，λs =3°，rε=0.5mm/ F9 o: g. i& _/ |; D ?8 {
813 γ0=30°，α0=9°，κr =90°，λs =O°，rε=0.3mm
! \2 g2 e/ |" r8 \5 T+ z6 C3 o 不用切削液。 |
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发表于 2009-5-18 21:10:45
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