超硬刀具在加工硬脆難加工材料中的應(yīng)用

發(fā)布日期：2012-08-29    蘭生客服中心    瀏覽：2613

 一 前言

某些機(jī)器零件采用了難加工材料制造．其中包括一些高硬度的脆性材料。在這個(gè)加工領(lǐng)域中，超硬刀具能夠發(fā)揮很大的作用。
除天然金剛石外，人造金剛百在近年來巳得到了更為廣泛的應(yīng)用。人造金剛石是以石墨為原料，加入催化劑，經(jīng)過高溫、高壓制成單晶金剛石細(xì)粉．可用作磨料。再用金剛石細(xì)粉加入粘結(jié)劑，經(jīng)過又一次高溫、高壓工藝，從而可以制成聚晶金剛石刀片或其它制品。用類似的工藝．亦可制成以硬質(zhì)合金作為基底的金剛石復(fù)合刀片(PCD)。另一種最新的方法，是用化學(xué)氣相沉積(CVD)工藝，在硬質(zhì)合金或陶瓷刀片上涂覆一層金剛石薄膜(厚度約為1Oµm～25µm)，形成金剛石涂層刃片(簡稱CD)。或先沉積出厚度在0.4mm以上的金剛石厚膜，再焊在硬質(zhì)合金基體上，形成金剛石厚膜刀片(簡稱TFD)。CD和TFD是發(fā)展中的技術(shù)，但很有應(yīng)用前景。
以六方氯化硼(HBN)為原料，用上述相同的高溫、高壓工藝．可制成聚晶立方氮化硼(CBN)刀片或CBN復(fù)合刀片。

二、金剛石刀具與立方氮化硼刀具的性能


金剛石與CBN的晶體結(jié)構(gòu)均為面心立方，耐磨性極強(qiáng)。人造金剛石的硬度可達(dá)HV8000～9000，CBN硬度可達(dá)HV6000～7000。兩者的密度均約為0.5g/cm3，與Al203及Si3N4的密度相近。
它們的導(dǎo)熱性能很好。金剛石的導(dǎo)熱素?cái)?shù)為2000W/(m·K)，CBN為1300W/(m·K)，分別是紫銅的5倍和3.2倍．分別是硬質(zhì)合金的40倍和25倍。
它們的線膨脹系數(shù)較小，金剛石為(O.9～1.18)×1O-6/K，CBN為(2.1～2.3)×1O-6/K，分別是硬質(zhì)合盒的1/6和1/3。
它們的彈性模量很高，金剛石為(850～900)GPa，CBN為720GPa，顯著高于硬廚合盒和陶瓷。
在切削過程中，金剛石和CBN刀具與工件材料之間的摩擦系數(shù)小，約為0.1和0.3，其為硬質(zhì)合金刀具的1/5和1/2。
對(duì)金剛石和CBN刀具可以磨出非常鋒利的切削刃，尤其是天然金剛石刀具經(jīng)過仔細(xì)刃磨和研磨可以得到小于微米級(jí)的鈍圓半徑。
CBN與鐵族元素之間有著很大的惰性，到1300℃也不會(huì)發(fā)生顯著的化學(xué)作用；對(duì)酸堿都是穩(wěn)定的。金剛石對(duì)鐵族元素則易產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，在700℃以上，金剛石在Fe元素催化作用下轉(zhuǎn)變?yōu)槭鴨适в捕�；金剛石中的C元素，也易向鐵族工件材料方面擴(kuò)散。金剛石也不受酸的浸蝕。













圖1 超硬刀具車削淬硬鋼

圖2 硬質(zhì)合盒、陶瓷刀具車削淬硬鋼

圖3 超硬刀具車削硬質(zhì)合金

三、淬火鋼的切削


用立方氮化硼復(fù)合刀片CBN-L、cBN-W及金剛石復(fù)合刀片PCD-D車削誶硬工具鋼T10A(HRC60～63)，-L、-W、-D分別代表生產(chǎn)廠家。刀具幾何參數(shù)：g0=0°，g0l=-20°， bg=0.2mm，kr=45°。．re=0.5mm(CBN)，4mm(PCD)。切削用量：ap=O.1mm，f=0.05mm/r，V=84m/min。刀具磨損曲線見圖1。
再用硬質(zhì)合金YM053刀片和Si3N4基復(fù)合陶瓷刀片切削T10A。g0=-8°，g0l=-20°， bg=0.2mm，kr=45°。．re=0.5mm，ap=O.1mm，f=0.05mm/r，V=44m/min。刀具磨損曲線見圖2。
由圖1、圖2可見，用CBN復(fù)合刀片加工淬硬鋼效果很好，用金剛石復(fù)合刀片PCD切削淬硬鋼效果甚差。硬質(zhì)合金和陶瓷刀片在較低的切削速度(V=44m/min)下切削T10A，刀具耐用度顯著低于CBN刀具。

四、硬質(zhì)合金的切削


用金剛石復(fù)合刀片PCD及CBN復(fù)合刀片車削礦用硬質(zhì)合金YG2O(HRA85)，刀具幾何參數(shù)同圖1。ap=0.1mm，f=0.05mm/r，V=16.4m/min。刀具磨損曲線見圖3�？梢�，用PCD和CBN刀片切削YG20，均取得了較好的效果，以CBN尤佳。由于YG20中含有20%的Co元素，屬于鐵族，可能與金剛石刀具產(chǎn)生了化學(xué)反應(yīng)，前導(dǎo)致PCD刀具產(chǎn)生了稍大的磨損率。

五、工業(yè)玻璃的切削


用PCD及CBN刀片車削工業(yè)玻璃(SiO2+Na2O+CaO，HV40O～500)。刀具幾何參數(shù)同圖1。ap=0.1mm，f=0.05mm/r，V=38m/min。試驗(yàn)結(jié)果見圖4，切削效果均佳．而PCD領(lǐng)先。

六、工程陶瓷的切削


用PCD、TFD及CBN三種刀片車削Al2O3基復(fù)合陶瓷(HRA88～89)，刀具幾何參數(shù)同圖1。ap=0.1mm，f=0.05mm/r，V=38m/min。試驗(yàn)結(jié)果見圖5。由圖5可見，金尉石刀具的切削效果優(yōu)于CBN刀具。








圖4 超硬刀具車削工業(yè)玻璃

圖5 超硬刀具車削工程陶瓷

七、結(jié)論



  1. 切削高硬度的臆性材料，刀具材料必須具有很高的硬度和彈性模量，超硬材料對(duì)此非常勝任，這是機(jī)械性能的匹配。

  2. 刀具材料對(duì)于工件材料，在化學(xué)廈應(yīng)上應(yīng)呈現(xiàn)惰性，否則，刀具的磨損率高。故金剛石刀具不適合切削鐵基材料，如淬硬鋼。這是化學(xué)性能的匹配。CBN是精切淬硬鋼的最佳刀縣材料。

  3. 用金剛石刀具切削工業(yè)玻璃和工程陶瓷，效果也很好。


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