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超硬刀具在加工硬脆難加工材料中的應(yīng)用

關(guān)鍵詞 超硬刀具 , 硬脆難加工材料|2011-06-29 14:58:47|應(yīng)用技術(shù)|來(lái)源 中國(guó)磨料磨具網(wǎng)
摘要 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(lái)巳得到了更為廣泛的應(yīng)用。人造金...

  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(lái)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(guò)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(guò)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(jiǎn)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(jiǎn)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(guò)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(guò)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捕龋唤饎偸械腃元素,也易向鐵族工件材料方面擴(kuò)散。金剛石也不受酸的浸蝕。
  
  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。
  

  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

  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。可見,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。
  

  圖3 超硬刀具車削硬質(zhì)合金

  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
  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。
  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。
  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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