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超硬刀具材料―金刚石与立方氮化硼# O9 ^* O4 p) P( z
1 前言 . A4 p0 A% [' @* o i
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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。
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5 B& D$ Y, x6 C& l8 [ 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。 . e) J9 r t2 z- N
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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。 " D+ Q/ T- v- V# ^% ^8 q
% |: V5 Z2 p( f8 g 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。
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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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2 聚晶立方氮化硼(PCBN)刀具切削淬硬钢
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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。 0 k1 i4 X. b% E/ V+ Q
. Z6 L! B C4 K) r: K. I$ S图1所示为PCBN与PCD刀具的磨损曲线。
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切削用量：αp=0.1mm，f=0.05mm/r，ν=84m/min
/ C( x4 C. \6 Q 刀具几何参数：γ0=0°，α0=8°: P) t8 }: F0 R& w
PCBN：κr =45°，λs=0°，rε=0.5mm，bγ1=0.2mm，γ01=-20°
5 L1 m# K I1 h. Z/ P# ]7 m. P" q PCD：rε=4mm，λs =0°，bγ1=0.2mm，γ01=-20°2 n/ v5 p. R, {' A
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不加切削液。 " u- C# z( U9 y6 n" D( x7 e
6 ]" s) a* _, @' s& z4 z图2所示为YS8与Si3N4基复合陶瓷刀具的磨损曲线。 $ ?6 M" m; W1 M9 \4 T7 A! s/ \8 ~
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切削用量：αp=0.1mm，f=0.05mm/r，0=44m/min1 A: T% k+ K: G9 p$ ^, `# N7 r6 @8 m
刀具几何参数：γ0=-8°，α0=8°，κr =45°，λs =-4°，rε=0.5mm。不加切削液。 _# ]) s6 }7 R4 G* a7 y5 B
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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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： 2 G6 s3 f( `' @! T4 b# v
/ L, Q! y- ^3 a8 g' u" `, B+ |9 R7 ]
C+O→CO
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8 y6 g: N6 n$ M/ @% q CO+O→CO2
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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。
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其泰勒(Taylor)方程：ν=11000/T1.84
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! |$ D: H8 O& i4 p4 g& A- U* K- K 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。* h3 F. _ P+ ~ S
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3 聚晶立方氮化硼(PCBN)刀具车削冷硬铸铁, }9 F4 M. ?, O* S7 x, o
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。' \0 c& V- ^ t/ x9 D
切削用量：αp=O.3mm，f=0.22mm/r，v=-60m/min, ]. y- m% @( S3 ], u, o6 |) T$ r
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。
* s/ M8 d0 Q/ M- g$ E4 H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。( t& f) H4 J: S) \
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。
; o. h. \' Z, E; ?+ ? 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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4 超硬刀具切削纯钼、纯钨6 J* [5 b! _' Q
用CVD金刚石厚膜刀具车削纯钼棒，硬度为125HBS。! Y% ~* q# T j- m0 K' `1 i; \
切削用量：αp=0.1mm，f=0.05mm/r，v=32.3～64m/min; V0 m, y h S. O! S! n
切削试验中：兼用硬质合金813作对比。
6 q0 n( }5 X+ m: T 刀具几何角度：
U" M- E) R' d# I: r4 L# U CVD γ0=-5°，α0=7°，κr =45°，λs =3°，rε=0.5mm
4 X6 \( H) [2 J' o* G K 813 γ0=30°，α0=9°，κr =90°，λs =O°，rε=0.3mm* N6 p& l4 c V: N; [" o* W
不用切削液。 |
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发表于 2009-5-18 21:10:45
楼主