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超硬刀具材料―金刚石与立方氮化硼/ \: k3 I1 @* h- q
1 前言 $ \) \: U& n* J. E" l, d
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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。
0 Z- ?7 \7 ]. ^/ z! c
0 [& w# ]3 O: [7 k9 V6 e 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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t/ K7 M+ }0 W1 ] 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。 & K" k2 t. Y: y* m% G: E
( C3 r4 T/ B4 h3 p9 j 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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* R' K+ A+ K1 R8 j+ L& ?$ I! z6 G, T1 Z) `
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。 4 i8 S* I! t' a2 X q' ^% O" I2 N
( k; Z1 v: m* Y7 |图1所示为PCBN与PCD刀具的磨损曲线。
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: B0 |6 _( L2 m3 { 切削用量：αp=0.1mm，f=0.05mm/r，ν=84m/min
4 e: Z0 ^5 E3 Y% L9 c 刀具几何参数：γ0=0°，α0=8°
) Z! g/ E4 `0 i" Q: e6 R PCBN：κr =45°，λs=0°，rε=0.5mm，bγ1=0.2mm，γ01=-20°
5 m' H' S5 }" M2 P1 Q( Z( {: x PCD：rε=4mm，λs =0°，bγ1=0.2mm，γ01=-20°
5 b7 U3 K9 |+ P ^9 e5 Y( x
- U* t, U9 P+ i9 z& {* I( q) u5 |
' X2 [& Q# V# P1 x 不加切削液。
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图2所示为YS8与Si3N4基复合陶瓷刀具的磨损曲线。 . i/ g" Q7 [& u" O
" [5 p0 _, ~; t* ]: u# D7 u2 z, U 切削用量：αp=0.1mm，f=0.05mm/r，0=44m/min
/ B" N% _. A# g# [- T+ F4 t 刀具几何参数：γ0=-8°，α0=8°，κr =45°，λs =-4°，rε=0.5mm。不加切削液。
0 V- _9 e/ z& X3 @. T 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。6 s R+ L7 W+ F4 ^9 Y' T
5 a. x# o7 f# i3 w* R" a 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： 8 H0 y8 H3 C3 q* p7 c3 e `
. X2 Z5 J1 Q2 J) Q+ d+ B C+O→CO 9 A o- o1 G* K" u6 y
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CO+O→CO2
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( |! v# H% J$ T+ d4 B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。 / K$ M" k. d% T+ b2 ^$ j2 \
9 I/ j# T. ]0 [* r 其泰勒(Taylor)方程：ν=11000/T1.84
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) E; T; N0 A+ V- |. h 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。0 [* r5 K- G0 g
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3 聚晶立方氮化硼(PCBN)刀具车削冷硬铸铁; q, T* _' ^0 Q& e7 }% i. F
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。' t; q% A0 x3 _9 Q d
切削用量：αp=O.3mm，f=0.22mm/r，v=-60m/min
5 M/ a t1 N/ q) F 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 m% o8 n; |7 _# a/ Q
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。
! ?+ r( i1 D. R& ~* B) 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。" e! J: O* u% [8 q; B( I! ?
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
( u, V# q& u- w, `8 ~ 用CVD金刚石厚膜刀具车削纯钼棒，硬度为125HBS。2 l8 I1 S( G6 c0 r9 B( d6 i+ p" S2 r; P
切削用量：αp=0.1mm，f=0.05mm/r，v=32.3～64m/min( t5 t' J" v/ G
切削试验中：兼用硬质合金813作对比。
2 ?1 W. U& n$ \* w 刀具几何角度：
' ]9 A& f4 @6 }* U% h CVD γ0=-5°，α0=7°，κr =45°，λs =3°，rε=0.5mm' i) k0 z9 {! O( x
813 γ0=30°，α0=9°，κr =90°，λs =O°，rε=0.3mm/ x$ g% Y$ E8 F
不用切削液。 |
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发表于 2009-5-18 21:10:45
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