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超硬刀具材料―金刚石与立方氮化硼4 r! B4 b3 y4 ]
1 前言 $ ^( H+ Z, B- n; `! [9 O5 g% X0 G
. [% d9 R0 M$ M4 c$ B+ o 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。 9 w( o; {2 ]5 `; p$ [* R
5 ~0 G( q0 N s- g! g 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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5 P# N; U+ R+ n* l 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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. R A6 q( s3 [" l9 j' I. h# v2 } 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。 . _7 c9 F- }) H* j6 l' l
) ]+ c" p* d s W/ V8 ?# i$ g
# u/ X: ~8 Y% O# o, S2 聚晶立方氮化硼(PCBN)刀具切削淬硬钢 , n2 P7 d. V' |4 J7 u! c z, ^9 s
- [9 V6 k/ ]+ v; E 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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/ u l- |0 f1 s8 L( i; Z图1所示为PCBN与PCD刀具的磨损曲线。; N, z" m; k; K7 i8 x: @, }
/ _0 W- j! @% p; E: \6 t# [8 i
切削用量：αp=0.1mm，f=0.05mm/r，ν=84m/min
+ h2 \- h+ i, P4 W; A# H; |$ ~+ K 刀具几何参数：γ0=0°，α0=8°
$ n" f5 S l1 ^9 H6 q$ k PCBN：κr =45°，λs=0°，rε=0.5mm，bγ1=0.2mm，γ01=-20°
b* d W& `" c: o8 @7 b5 m PCD：rε=4mm，λs =0°，bγ1=0.2mm，γ01=-20°
6 E( x, Z* J0 [2 j4 t7 r* a9 @2 g# P. o0 A
3 F' L2 U3 F1 G) ] 不加切削液。 0 Y* J: q4 ~$ g4 p/ O/ x
# Z5 |% I* e- [1 _4 i* }) E
图2所示为YS8与Si3N4基复合陶瓷刀具的磨损曲线。
! e: N+ E4 e& C2 f9 V6 V5 _. C3 X4 o( D+ u; _$ R
切削用量：αp=0.1mm，f=0.05mm/r，0=44m/min
+ j. d8 ?6 s, D1 y 刀具几何参数：γ0=-8°，α0=8°，κr =45°，λs =-4°，rε=0.5mm。不加切削液。0 C" }5 m5 ~$ t9 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。, U5 b5 k) i) {" i4 i+ v- s' L
* Q7 U5 c; q$ y! z
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：
% V& Y6 |. |; d+ s8 d. J
1 @5 f4 n1 }* g9 i f) y" E% j/ `/ D C+O→CO ! w. z5 L8 R r
$ X# I- \. i& O& j CO+O→CO2
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7 t! e" o6 H7 B2 U& F) N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。 / I/ K* i; @3 u, C
" P3 r2 |/ G1 D! W B9 C
其泰勒(Taylor)方程：ν=11000/T1.84
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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。
: A: n% N" ?+ D7 ?3 f+ S5 f6 w- n e0 n+ n! i& \$ |
3 聚晶立方氮化硼(PCBN)刀具车削冷硬铸铁
7 ]. Z8 }8 c* `" R8 g, z) z 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。
' Q7 z4 a) K. h! F# y 切削用量：αp=O.3mm，f=0.22mm/r，v=-60m/min( @( K" p- s! }: u# n4 W
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。
1 h/ @0 Q" m2 ]$ C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。
% C8 E2 ^5 ~4 @- G7 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。
+ Z* E" X% n4 _# k) ] 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。
! w2 ]+ z. |, s# ?
+ ^0 H m, u- g4 超硬刀具切削纯钼、纯钨. O5 ^7 E l4 t' j
用CVD金刚石厚膜刀具车削纯钼棒，硬度为125HBS。3 B$ F1 E3 {8 F, D) A" ~
切削用量：αp=0.1mm，f=0.05mm/r，v=32.3～64m/min
+ u) I+ m' m4 y" ]1 t 切削试验中：兼用硬质合金813作对比。: c; M; H2 u+ ^% O6 V
刀具几何角度：. k. b) B, B/ G3 J
CVD γ0=-5°，α0=7°，κr =45°，λs =3°，rε=0.5mm
3 q4 y" H- D4 Q( W7 a 813 γ0=30°，α0=9°，κr =90°，λs =O°，rε=0.3mm* c, i. d8 N' S# e7 }4 u
不用切削液。 |
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发表于 2009-5-18 21:10:45
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