加工硬脆難材料中應用的超硬刀具

時間:2011-02-28 10:31:33 來源:

　　一前言

　　某些機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。在這個加工領域中，超硬刀具能夠發揮很大的作用。

　　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用。人造金剛石是以石墨為原料，加入催化劑，經過高溫、高壓制成單晶金剛石細粉.可用作磨料。再用金剛石細粉加入粘結劑，經過又一次高溫、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.亦可制成以硬質合金作為基底的金剛石復合刀片(PCD)。另一種最新的方法，是用化學氣相沉積(CVD)工藝，在硬質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，再焊在硬質合金基體上，形成金剛石厚膜刀片(簡稱TFD)。CD和TFD是發展中的技術，但很有應用前景。

　　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的晶體結構均為面心立方，耐磨性極強。人造金剛石的硬度可達HV8000～9000，CBN硬度可達HV6000～7000。兩者的密度均約為0.5g/cm3，與Al203及Si3N4的密度相近。

　　它們的導熱性能很好。金剛石的導熱素數為2000W/(m·K)，CBN為1300W/(m·K)，分別是紫銅的5倍和3.2倍.分別是硬質合金的40倍和25倍。

　　它們的線膨脹系數較小，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小，約為0.1和0.3，其為硬質合金刀具的1/5和1/2。

　　對金剛石和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過仔細刃磨和研磨可以得到小于微米級的鈍圓半徑。

　　CBN與鐵族元素之間有著很大的惰性，到1300℃也不會發生顯著的化學作用;對酸堿都是穩定的。金剛石對鐵族元素則易產生化學反應，在700℃以上，金剛石在Fe元素催化作用下轉變為石墨而喪失硬度;金剛石中的C元素，也易向鐵族工件材料方面擴散。金剛石也不受酸的浸蝕。

圖1 超硬刀具車削淬硬鋼

圖2 硬質合盒、陶瓷刀具車削淬硬鋼

圖3 超硬刀具車削硬質合金

　　三、淬火鋼的切削

　　用立方氮化硼復合刀片CBN-L、cBN-W及金剛石復合刀片PCD-D車削誶硬工具鋼T10A(HRC60～63)，-L、-W、-D分別代表生產廠家。刀具幾何參數：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。

　　再用硬質合金YM053刀片和Si3N4基復合陶瓷刀片切削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復合刀片加工淬硬鋼效果很好，用金剛石復合刀片PCD切削淬硬鋼效果甚差。硬質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、硬質合金的切削

　　用金剛石復合刀片PCD及CBN復合刀片車削礦用硬質合金YG2O(HRA85)，刀具幾何參數同圖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生了化學反應，前導致PCD刀具產生了稍大的磨損率。

　　五、工業玻璃的切削

　　用PCD及CBN刀片車削工業玻璃(SiO2+Na2O+CaO，HV40O～500)。刀具幾何參數同圖1。ap=0.1mm，f=0.05mm/r，V=38m/min。試驗結果見圖4，切削效果均佳.而PCD領先。

　　六、工程陶瓷的切削

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