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超硬刀具材料―金刚石与立方氮化硼
% Z" W5 v2 a' {1 `0 h 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。 , ^: V0 p$ P$ Y1 J l c
# k% ?0 v( O6 u! o 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。 ; B2 }5 m/ h' E q9 \/ R6 v' L- m
/ D, R" D0 ]4 M 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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6 P3 `- _7 B2 c; K o* ~& w 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。 5 ^' b. K) x& X2 E8 N, ~
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2 聚晶立方氮化硼(PCBN)刀具切削淬硬钢 . C2 i D4 J" [$ c
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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。
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# A& ?. k( P% O, n* M- D+ t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' x( r! m' x- l1 ]
刀具几何参数：γ0=0°，α0=8°$ g) v" M. U. a: M; ?5 k
PCBN：κr =45°，λs=0°，rε=0.5mm，bγ1=0.2mm，γ01=-20°
( D6 j' v2 T# G" u- N" V7 M( t PCD：rε=4mm，λs =0°，bγ1=0.2mm，γ01=-20°
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. t; O; a' O' `7 V2 L F. e! S8 H2 _2 v1 H$ i, d
不加切削液。
% P: Q0 y" ]/ Z' k; D. X9 n9 k0 e7 n! r; }: d6 j1 W4 \5 E4 i+ H
图2所示为YS8与Si3N4基复合陶瓷刀具的磨损曲线。 / P* S) K4 U6 r) h; f3 u' ^0 w' S
8 V6 P$ S# u% M w$ E# H
切削用量：αp=0.1mm，f=0.05mm/r，0=44m/min8 h1 c% `7 x1 n- Q) C& s
刀具几何参数：γ0=-8°，α0=8°，κr =45°，λs =-4°，rε=0.5mm。不加切削液。' z' D i- v) ~ o, V
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：
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" o+ K1 q9 G: `3 ?6 ?1 `, t C+O→CO & G+ B* L: L" ^
' O4 a& N9 o: ]* x& e# P0 Z2 ? 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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3 [: m2 U/ T. p% ^3 W. g 其泰勒(Taylor)方程：ν=11000/T1.84 # ]6 p/ _: r) Y* U% F
, e. d2 A5 X0 g) M! |( C* M 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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& B" E) a* m' l3 聚晶立方氮化硼(PCBN)刀具车削冷硬铸铁
& H; O/ b( b/ E" M 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。; E2 f! u, V$ j; P; u
切削用量：αp=O.3mm，f=0.22mm/r，v=-60m/min2 @6 h* s9 l3 h1 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。
3 K0 ?4 C/ v- I9 u2 R& @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。
) J% W. K: K/ o1 s0 O) w 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。
& Q8 L' V: |2 T' r8 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。
; J$ `7 X% _; N" x* p- P
( f1 J5 C9 k% Z. R4 超硬刀具切削纯钼、纯钨/ j4 n9 i6 H0 Q6 F- g
用CVD金刚石厚膜刀具车削纯钼棒，硬度为125HBS。: t3 E$ y& P! _ c2 O9 [
切削用量：αp=0.1mm，f=0.05mm/r，v=32.3～64m/min2 u$ g7 E9 o, y/ g6 m4 Y
切削试验中：兼用硬质合金813作对比。
N$ r) X7 U, m 刀具几何角度：
# T' i8 \8 s5 m* [7 Q; R4 x) d CVD γ0=-5°，α0=7°，κr =45°，λs =3°，rε=0.5mm, o5 |" z- i# \2 }/ f
813 γ0=30°，α0=9°，κr =90°，λs =O°，rε=0.3mm
; e& w0 s6 q! ~) m2 i 不用切削液。 |
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发表于 2009-5-18 21:10:45
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