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超硬刀具材料―金刚石与立方氮化硼5 D* F( p9 T2 ^8 s7 w
1 前言 8 `# `: T& E0 q" X* U1 P/ V
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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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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。 : ^& u3 ]+ N" N X1 [+ a
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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。
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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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6 ^+ a7 p6 V: ?0 O2 [ 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。 % i+ g9 i4 d, \2 K7 Y/ A% k, B- ^
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1 t1 ^' A! b: j0 {$ _) R. E2 聚晶立方氮化硼(PCBN)刀具切削淬硬钢 5 p8 u; K$ U! r# v0 e7 D
. w/ h7 H; T8 g0 E2 J 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。 : v* V2 U# S9 D3 ^& w) r, r* f
1 ~! U6 K: ?/ _$ ~$ ?7 J* L" b9 o图1所示为PCBN与PCD刀具的磨损曲线。& Y* C5 d. u# O) @. W" f
' X$ v3 V) t7 ^) X
切削用量：αp=0.1mm，f=0.05mm/r，ν=84m/min# M' S5 h1 y4 v
刀具几何参数：γ0=0°，α0=8°1 ]8 J% H, p5 Y$ M
PCBN：κr =45°，λs=0°，rε=0.5mm，bγ1=0.2mm，γ01=-20°
: |: `2 E3 K6 E! n1 [- |3 d( g PCD：rε=4mm，λs =0°，bγ1=0.2mm，γ01=-20°9 i1 d7 b+ I w. w+ _: Y, t8 c7 v; ]
% ^' O' j% H' U8 {$ R+ H6 `8 j g( X; c8 f9 j( h
不加切削液。 & \ w: H8 o! H4 V( G
2 i& p6 i4 L3 s, q! { y7 s图2所示为YS8与Si3N4基复合陶瓷刀具的磨损曲线。 : S0 Z( q: O+ e
1 g8 f- Y* L. U8 d
切削用量：αp=0.1mm，f=0.05mm/r，0=44m/min
- u! d, w1 R: E3 Y9 ^ 刀具几何参数：γ0=-8°，α0=8°，κr =45°，λs =-4°，rε=0.5mm。不加切削液。
y) r$ D- M! M! K. q 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。8 W! V% i3 [! J f; N
5 o( F/ c% o/ H" u' w. G) }/ N 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： R: l+ ~- H1 l7 `7 b" q
) y9 A& p9 n) i4 [
C+O→CO
. R/ Y+ C& M+ D- j" o
) K8 j0 D: c& e! t, c, b$ Q0 W CO+O→CO2 1 q$ o+ P) w6 j5 b" l0 V1 b" C: @
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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。 ' }6 H8 ^$ G4 e0 J
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其泰勒(Taylor)方程：ν=11000/T1.84 # \/ B" l3 B: O4 A4 e9 t
( |% @7 @' y; q, B 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。
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3 聚晶立方氮化硼(PCBN)刀具车削冷硬铸铁6 A6 B6 f& Q+ z- w8 \, a+ d" f1 V
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。
; Q5 |$ p2 S: e- x, {+ l 切削用量：αp=O.3mm，f=0.22mm/r，v=-60m/min
) C W9 u5 M% Q 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。
6 V; k4 K! x' Z$ q1 N. k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。/ \ y8 q$ {) b7 h" v3 W! o
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。
7 E0 K9 R+ E* 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。; ?$ q! F. [% J+ f+ z
0 H+ A+ o" B* Y- q$ Y' f
4 超硬刀具切削纯钼、纯钨 x1 j9 v! {) Z$ t/ F- J+ Y- p
用CVD金刚石厚膜刀具车削纯钼棒，硬度为125HBS。
8 G0 P* \# D" R$ e" r& X 切削用量：αp=0.1mm，f=0.05mm/r，v=32.3～64m/min* E) f: e# i0 I8 V$ J _
切削试验中：兼用硬质合金813作对比。5 ^* G% j3 i+ P$ E: Z, A2 i
刀具几何角度：! z/ e2 O' p6 W6 d
CVD γ0=-5°，α0=7°，κr =45°，λs =3°，rε=0.5mm+ G G: M9 h1 E7 N6 A' v& r( B
813 γ0=30°，α0=9°，κr =90°，λs =O°，rε=0.3mm0 a1 d! a& G5 r) x: F% |, l( p
不用切削液。 |
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发表于 2009-5-18 21:10:45
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