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超硬刀具材料―金刚石与立方氮化硼
4 M( E J: V% ]# \/ S0 R4 @. D 1 前言
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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。 % V* U( m6 U" q
; ]3 x) D$ f* g8 O4 i" a
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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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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; I ?) P h/ F7 w! a: K4 A 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。 . y1 o% k& y2 Q# y0 x& }
! ^6 l5 K& Y0 M0 Q3 v7 U8 ] 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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* I. e; u; Q% _3 k2 T" [2 聚晶立方氮化硼(PCBN)刀具切削淬硬钢 3 V3 @ |7 b( K: |/ [6 w' N
) ]+ }% r- j+ {: l4 w; I
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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3 k' b; c) W+ b: l8 p& s图1所示为PCBN与PCD刀具的磨损曲线。6 `2 X+ v- E) ]0 ]# ?7 ^% Y F
1 J$ M |) v" T
切削用量：αp=0.1mm，f=0.05mm/r，ν=84m/min
( s7 B; l0 K$ U, I' t( I( B9 d V/ i 刀具几何参数：γ0=0°，α0=8°
4 z6 l2 E# z) Y% G7 ~ W$ D) ^ PCBN：κr =45°，λs=0°，rε=0.5mm，bγ1=0.2mm，γ01=-20°7 F1 }: P% Y9 m' O. S
PCD：rε=4mm，λs =0°，bγ1=0.2mm，γ01=-20°
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1 z& g3 }+ Z. H' F6 K4 k9 ~. |) W8 X) V1 C, |7 y
不加切削液。 " S- c o! ?4 A# M; [
V; x& C! _) |0 i图2所示为YS8与Si3N4基复合陶瓷刀具的磨损曲线。 3 J4 u9 j. J& k* E# {# o$ w
5 M2 Q0 x! y: r 切削用量：αp=0.1mm，f=0.05mm/r，0=44m/min
9 G1 O3 N1 x' K, G6 M3 e7 L5 ^ 刀具几何参数：γ0=-8°，α0=8°，κr =45°，λs =-4°，rε=0.5mm。不加切削液。9 A- _- o8 O8 ?3 X! |) 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。5 u6 V' W. l- B& z
) s+ F7 `( S" Q& @8 e0 y 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：
$ i' @4 K+ q1 l5 R' B1 y6 ?2 ^0 h; X: s) Q2 u
C+O→CO 9 I- D+ `" V/ Y$ v) ~: J
% i& @* C, ^- z1 E/ H+ {0 m
CO+O→CO2 3 X4 v8 i w3 x8 s5 G
$ Q6 Q8 [& G7 |( q& z
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。 ( u5 S$ t+ L5 K
( N) h; Q+ V" s O0 u 其泰勒(Taylor)方程：ν=11000/T1.84 / w/ y$ @6 X4 t/ a
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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。1 }7 L4 X) @8 Y: x0 z
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3 聚晶立方氮化硼(PCBN)刀具车削冷硬铸铁
$ n2 c. U6 O& g, N 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。
/ A2 Q& g# |7 D% Q) a 切削用量：αp=O.3mm，f=0.22mm/r，v=-60m/min
( T6 m+ Q, ]1 K) \& z 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 }' a' v/ z/ U! W1 N
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。
; L% [' [ G/ b2 P8 m4 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。" G. R5 m7 {( n
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。
2 V) O" h( T( ~$ @# V
$ O8 \- y) ~- c8 h' \' e4 超硬刀具切削纯钼、纯钨( T6 w: M$ t E, l- y; x1 X
用CVD金刚石厚膜刀具车削纯钼棒，硬度为125HBS。" O$ P8 L7 e. D* l$ C8 v" U/ @1 ^) N
切削用量：αp=0.1mm，f=0.05mm/r，v=32.3～64m/min- [6 E# u4 d- a* L! j- Y
切削试验中：兼用硬质合金813作对比。
# i o4 i* y7 v9 j2 m6 O4 q 刀具几何角度：' n! G* L1 n, o0 ?
CVD γ0=-5°，α0=7°，κr =45°，λs =3°，rε=0.5mm/ x& e1 I0 I$ M& r" ^( c
813 γ0=30°，α0=9°，κr =90°，λs =O°，rε=0.3mm* A4 v$ W5 @( M* y1 J/ H
不用切削液。 |
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发表于 2009-5-18 21:10:45
楼主