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超硬刀具材料―金刚石与立方氮化硼
( i6 e7 s1 {$ b/ \+ a8 p" e! ]! j 1 前言 9 a: A9 O) M7 t, F5 A
8 }0 D; s2 E- A/ ~, j* |" a 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。
% z8 C N, O1 i2 w0 B6 U P, [: _2 n2 f
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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3 E# o, \. J! P- e/ e: H9 R 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 i0 z% V8 N# P6 `: Q. j) o/ Q8 u& G: U1 p' Q
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。 5 ~2 t; D6 v1 t9 e! m* t2 q
1 W# ] s: s4 R1 R 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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5 r! @1 M1 K5 g4 l: u. r) o4 c
. ~7 l4 L I2 j2 x4 E6 D2 聚晶立方氮化硼(PCBN)刀具切削淬硬钢 , B- s m: j3 I% F( g
3 v# x" H! a6 Y9 J& V
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。 % D4 p& C4 _" {& ^2 t0 L$ Z+ H7 f
, p4 A- q% O# [图1所示为PCBN与PCD刀具的磨损曲线。
6 s7 o* c" _; l6 S0 L1 _
1 `) V" W6 e8 N7 d 切削用量：αp=0.1mm，f=0.05mm/r，ν=84m/min6 M+ N* \6 g# o8 a: Z
刀具几何参数：γ0=0°，α0=8°
8 u3 l/ P* W2 p2 w0 f' i$ a PCBN：κr =45°，λs=0°，rε=0.5mm，bγ1=0.2mm，γ01=-20°
6 @) I! R5 c- n } PCD：rε=4mm，λs =0°，bγ1=0.2mm，γ01=-20°
% V: H. k B% R% f5 x V" i: Y( [; S T( ~3 ~: P
1 p" L* X6 G Q; D4 b 不加切削液。 : v- U6 T0 ~) G
) _( G( ~* D3 V5 F图2所示为YS8与Si3N4基复合陶瓷刀具的磨损曲线。
- r. Y- W0 S+ N0 w7 }- x2 ]. y0 n, k' ~. O" C4 [
切削用量：αp=0.1mm，f=0.05mm/r，0=44m/min
6 M4 |' K+ b' u S p' f5 C' m 刀具几何参数：γ0=-8°，α0=8°，κr =45°，λs =-4°，rε=0.5mm。不加切削液。; P) L+ u& t9 a
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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/ n# p6 l) i0 H* H: T6 j, b3 S 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：
1 y( y( f; z3 U9 c+ D7 P- f; f- O- K4 y% W" ] q+ E3 i+ h
C+O→CO
+ I5 I4 O- l+ m5 _, E5 K. C% l: \+ R8 `2 e/ M
CO+O→CO2
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# B8 ]1 q# a( ?1 I- D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。 7 U/ n. h' U- J" W) T7 b) S; H
8 p7 N% b$ _2 ?* b
其泰勒(Taylor)方程：ν=11000/T1.84 3 D8 S" j5 z! J- E8 P) {
$ T2 M. ^- {2 ]! R 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。
. ^( |$ m% N" Y6 z; o) s4 M: v7 m$ p9 g2 a1 X
3 聚晶立方氮化硼(PCBN)刀具车削冷硬铸铁
7 e7 L4 W! ^ k 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。2 m8 i2 X# v" s1 U. m( t) a
切削用量：αp=O.3mm，f=0.22mm/r，v=-60m/min
3 I i; Y; p* Y# ^/ B5 c 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。
% Z1 ?8 ?( U' Y5 I7 { c5 Y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。7 \, @) Q. r" g% h) S: o6 |8 p' L( }
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。- p0 C. G8 Y) d, 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。3 U9 [3 D$ ~& ]. n( u0 `/ k
. N R% q' x* z8 e. t9 P; F4 B
4 超硬刀具切削纯钼、纯钨! e3 c* f+ N7 `; f' o
用CVD金刚石厚膜刀具车削纯钼棒，硬度为125HBS。) C; _5 N3 ~! B/ |
切削用量：αp=0.1mm，f=0.05mm/r，v=32.3～64m/min
/ w6 D! u" \& x 切削试验中：兼用硬质合金813作对比。
! |. p* t5 r5 x1 c5 i* t- Q 刀具几何角度：
" @9 a# A* z# Z& _ CVD γ0=-5°，α0=7°，κr =45°，λs =3°，rε=0.5mm" M/ @6 n3 m6 ~
813 γ0=30°，α0=9°，κr =90°，λs =O°，rε=0.3mm
* n, X& _; Q2 D7 G1 R8 p 不用切削液。 |
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发表于 2009-5-18 21:10:45
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