超硬刀具在加工硬脆难加工材料中的应用

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一 前言

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某些机器零件采用了难加工材料制造．其中包括一些高硬度的脆性材料。在这个加工领域中，超硬刀具能够发挥很大的作用。

除天然金刚石外，人造金刚百在近年来巳得到了更为广泛的应用。人造金刚石是以石墨为原料，加入催化剂，经过高温、高压制成单晶金刚石细粉．可用作磨料。再用金刚石细粉加入粘结剂，经过又一次高温、高压工艺，从而可以制成聚晶金刚石刀片或其它制品。用类似的工艺．亦可制成以硬质合金作为基底的金刚石复合刀片(PCD)。另一种最新的方法，是用化学气相沉积(CVD)工艺，在硬质合金或陶瓷刀片上涂覆一层金刚石薄膜(厚度约为1Oµm～25µm)，形成金刚石涂层刃片(简称CD)。或先沉积出厚度在0.4mm以上的金刚石厚膜，再焊在硬质合金基体上，形成金刚石厚膜刀片(简称TFD)。CD和TFD是发展中的技术，但很有应用前景。 # g; h% ^" W' ?& H& `: b- q4 L% E

以六方氯化硼(HBN)为原料，用上述相同的高温、高压工艺．可制成聚晶立方氮化硼(CBN)刀片或CBN复合刀片。

二、金刚石刀具与立方氮化硼刀具的性能

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金刚石与CBN的晶体结构均为面心立方，耐磨性极强。人造金刚石的硬度可达HV8000～9000，CBN硬度可达HV6000～7000。两者的密度均约为0.5g/cm³，与Al₂0₃及Si₃N₄的密度相近。 ; g; V$ O1 Z2 q0 l2 A* S, {

它们的导热性能很好。金刚石的导热素数为2000W/(m·K)，CBN为1300W/(m·K)，分别是紫铜的5倍和3.2倍．分别是硬质合金的40倍和25倍。 3 y W; Y0 i# W: G! G4 w' T5 Q

它们的线膨胀系数较小，金刚石为(O.9～1.18)×1O^-6/K，CBN为(2.1～2.3)×1O^-6/K，分别是硬质合盒的1/6和1/3。

它们的弹性模量很高，金刚石为(850～900)GPa，CBN为720GPa，显著高于硬厨合盒和陶瓷。 , ]0 W, F Y9 a! f& `) T' G: Q

在切削过程中，金刚石和CBN刀具与工件材料之间的摩擦系数小，约为0.1和0.3，其为硬质合金刀具的1/5和1/2。 & P1 x+ g0 e9 p

对金刚石和CBN刀具可以磨出非常锋利的切削刃，尤其是天然金刚石刀具经过仔细刃磨和研磨可以得到小于微米级的钝圆半径。 & z, S5 @; t2 V( ^ `0 D

CBN与铁族元素之间有着很大的惰性，到1300℃也不会发生显著的化学作用；对酸碱都是稳定的。金刚石对铁族元素则易产生化学反应，在700℃以上，金刚石在Fe元素催化作用下转变为石墨而丧失硬度；金刚石中的C元素，也易向铁族工件材料方面扩散。金刚石也不受酸的浸蚀。
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图1 超硬刀具车削淬硬钢

图2 硬质合盒、陶瓷刀具车削淬硬钢

图3 超硬刀具车削硬质合金

三、淬火钢的切削

用立方氮化硼复合刀片CBN-L、cBN-W及金刚石复合刀片PCD-D车削谇硬工具钢T10A(HRC60～63)，-L、-W、-D分别代表生产厂家。刀具几何参数：g₀=0°，g_0l=-20°， b_g=0.2mm，k_r=45°。．r_e=0.5mm(CBN)，4mm(PCD)。切削用量：a_p=O.1mm，f=0.05mm/r，V=84m/min。刀具磨损曲线见图1。 & Q1 f2 @! A2 J$ [2 H# @1 A6 N

再用硬质合金YM053刀片和Si₃N₄基复合陶瓷刀片切削T10A。g₀=-8°，g_0l=-20°， b_g=0.2mm，k_r=45°。．r_e=0.5mm，a_p=O.1mm，f=0.05mm/r，V=44m/min。刀具磨损曲线见图2。 v! P% w! z7 W6 V2 `8 k

由图1、图2可见，用CBN复合刀片加工淬硬钢效果很好，用金刚石复合刀片PCD切削淬硬钢效果甚差。硬质合金和陶瓷刀片在较低的切削速度(V=44m/min)下切削T10A，刀具耐用度显著低于CBN刀具。 ; N7 m( f: |# R5 S. [1 I4 m

四、硬质合金的切削

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用金刚石复合刀片PCD及CBN复合刀片车削矿用硬质合金YG2O(HRA85)，刀具几何参数同图1。a_p=0.1mm，f=0.05mm/r，V=16.4m/min。刀具磨损曲线见图3。可见，用PCD和CBN刀片切削YG20，均取得了较好的效果，以CBN尤佳。由于YG20中含有20%的Co元素，属于铁族，可能与金刚石刀具产生了化学反应，前导致PCD刀具产生了稍大的磨损率。 - m' D( K! ~& u- }

五、工业玻璃的切削

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用PCD及CBN刀片车削工业玻璃(SiO₂+Na₂O+CaO，HV40O～500)。刀具几何参数同图1。a_p=0.1mm，f=0.05mm/r，V=38m/min。试验结果见图4，切削效果均佳．而PCD领先。 % ~$ P, g5 ~* L' g: h

六、工程陶瓷的切削

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用PCD、TFD及CBN三种刀片车削Al₂O₃基复合陶瓷(HRA88～89)，刀具几何参数同图1。a_p=0.1mm，f=0.05mm/r，V=38m/min。试验结果见图5。由图5可见，金尉石刀具的切削效果优于CBN刀具。
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图4 超硬刀具车削工业玻璃

图5 超硬刀具车削工程陶瓷

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七、结论

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1. 切削高硬度的臆性材料，刀具材料必须具有很高的硬度和弹性模量，超硬材料对此非常胜任，这是机械性能的匹配。
2. 刀具材料对于工件材料，在化学厦应上应呈现惰性，否则，刀具的磨损率高。故金刚石刀具不适合切削铁基材料，如淬硬钢。这是化学性能的匹配。CBN是精切淬硬钢的最佳刀县材料。
3. 用金刚石刀具切削工业玻璃和工程陶瓷，效果也很好。