超硬刀具材料――金刚石与立方氮化硼

HEATS

1 前言

    

    超硬刀具材料应用广泛。本文将介绍作者在其他方面的试验数据，切削数种硬脆材料(硬质合金、工程陶瓷、玻璃等)，切削纤维加强和颗粒加强的复合材料。作者还作了断续切削、施加切削液的切削和超精密切削的尝试，在本文中亦将作初步介绍。 . B5 `& n3 f# h( Q) b

2  超硬刀具切削硬脆材料

2.1  切削硬质合金 6 _$ [. |! h* e0 j Z o

    用PCBN与PCD金刚石刀具车削硬质合金YG20(HRA85) , o$ V( u; {4 J1 N" ?

    切削用量：αp =0.1mm，f=0.05mm/r，ν=16m/min # c6 r4 H1 f3 W/ `0 ~5 o2 w

    刀具几何参数：

    PCBN  γ₀=0°，γ₀₁=-20°，b_γ1=0.2mm，α₀=8°，κ_r =45°，r_ε=0.5mm，λ_s =0°；

; R0 M. a5 ~; O; m- G3 B8 K

    PCD  γ₀=0°，γ₀₁=-20°，b_γ1=0.2mm，α₀=8°，r_ε=4mm，λ_s =0°；

" |: ?$ n I4 d7 ^* _

采用干切削；

3 F) g# ~! P8 V

    图1为这一组试验的刀具磨损曲线。两种刀具的磨损情况相近。考虑到YG20中含Co达20％，Co是铁族元素，对金刚石的石墨化有一定作用，但不如铁元素强烈，故得出了如图1这样的结果。作者又用CVD厚膜金刚石刀具车削硬质合金YG6(HRA89.5)。 0 \ Y3 H* X) v) p

切削用量：αp =0.1mm，f=0.05mm/r，ν=15-80m/min 3 R( h8 ~7 J1 Z$ a6 e

刀具几何参数：γ₀=-5°，α₀=7°，κ_r =75°，λ_s=-3°，r_ε=0.6mm

采用干切削；VB=0.1mm。

B; k. j% {: j5 H

得到T-ν曲线如图2。

其泰勒(Taylor)方程为

, A' c# x; t% v/ _, \

ν=590/T^1.81

作者还用PCBN刀具车削YG20(HRA85)。 5 w/ T( b5 m0 z4 E

切削用量：αp =0.1mm，f=0.05mm/r, ν=10-80m/min

刀具几何参数：γ₀=0°，γ₀₁=-20°，b_γ1=0.2mm，α₀=8°，κ_r =45°，λ_s =0°，r_ε=0.5mm

采用干切削；VB=0.2mm . n1 `) x; L O

得到T-ν曲线如图3。

其泰勒(Taylor)方程为 & G' G, [) f" C+ b+ p& a) c/ L( E

ν=82／T^0.48

2.2切削工程陶瓷

    用PCBN刀具和PCD、CVD厚膜两种金刚石刀具车削Al2O3基复合工程陶瓷(HRA88-89)。 4 l9 G$ z# ^! G

    切削用量：αp =0.1mm，f=0.05mm/r, ν=42m/min； 6 B$ q9 {' R. ^' j' A, e2 W3 |

    刀具几何参数：

( h7 _9 O- n% m& U d* ? r/ o

    PCBN  γ₀=0°，γ₀₁=-20°，b_γ=0.2mm，α₀=8°，κ_r =45°，λ_s =0°，r_ε=0.5mm；

    PCD，CVD  γ₀=0°，γ₀₁=-20°，b_γ=0.2mm，α₀=8°，λ_s =0°，r_ε=4mm；

7 k- ^# I! k4 ~" U

    采用干切削；

0 b" ~$ a3 o, f2 m7 ~" Y2 M& q

2 B0 V$ E3 R9 l% r' P

得到对比刀具磨损曲线如图4。由于PCBN的硬度逊于金刚石，故刀具磨损稍快。而PCD刀具的韧性优于CVD刀具，故其耐磨性领先。 . e8 _) [' _8 R& h, N; q2 \0 z

2.3切削工业玻璃

    用PCBN刀具和PCD、CVD厚膜两种金刚石刀具车削工业玻璃(成分为SiO₂、Na₂O、CaO等，硬度约400-500HV)。

    切削用量：αp =0.1mm，f=0.05mm/r，ν=38m/min

, Q ?! @; C) y' O

    刀具几何参数：同2.2 4 K% E. P* w1 a9 [2 Y: a3 y8 ~

    采用干切削；

" t6 ~! p) I# b" g. R- z

    得到对比刀具磨损曲线如图5。PCD仍领先。工业玻璃的硬度不算太高，非超硬刀具也能切削。但从试验数据来看，玻璃仍有一定加工难度。

. q3 T% R9 D. c0 H# ?6 ?3 |

 3  超硬刀具切削复合材料

7 D' `$ v, M% ], X

    在现代航空、航天工业中，普遍使用复合材料，复合材料常以金属或树脂为基体，用纤维或颗粒加强，具有比重小、比强度和比弹性模量大、耐高温、耐磨损和抗振性强等优点。增强纤维有碳纤维、玻璃纤维，芳纶(Kevlar)纤维、硼纤维等；组合成的复合材料称为CFRP、GFRP、KFRP、BFRP。也有用SiC晶须增强的复合材料。

% Q) S$ W' ^- v; u# P: y3 o

    颗粒加强复合材料所用的硬质颗粒材料有SiC、AlN、Al₂O₃等。颗粒材料的硬度、颗粒大小及颗粒多少(即颗粒在整个材料中所占的重量或体积份额)对复合材料的性能与可加工性的影响很大。

3.1  切削纤维加强的复合材料

    用立方氮化硼PCBN和CVD厚膜与薄膜金刚石刀具车削一种玻璃钢GFRP(酚醛树脂基玻璃纤维加强的复合材料)。其宏观硬度为131HBS，但玻璃纤维的硬度远高于此。为了进行对比，在切削试验中还采用了K类硬质合金(YS8)和Si₃N₄基复合陶瓷(HDM3)刀具。

    切削用量：αp =0.3mm，f=0.1mm/r，ν=80m/min；

! K8 K9 b9 I: R, h

    刀具几何参数：

    YS8  γ₀=0°，α₀=8°，κ_r =45°，λ_s =-4°，r_ε=1mm；

    hdm3  γ₀=8°，α₀=8°，κ_r =75°，λ_s =-4°，r_ε=1mm

CVD厚膜金刚石  γ₀=0°，γ₀₁=-15°，b_γ=0.2mm，α₀=8°，κ_r =45°，λ_s =0°，r_ε=0.5mm；

    CVD薄膜金刚石  γ₀=-10°，α₀=8°，r_ε=4mm；

    PCBN   γ₀=0°，γ₀₁=-15°，b_γ=0.2mm，α₀=8°，κ_r =45°，λ_s =0°，r_ε=0.5mm；

r& G% ]. Y$ o

    不加切削液

0 [" ^; z& T2 O! } U% q0 B

得到的刀具磨损曲线列于图6。

    由图6可见，GFRP的加工有一定的难度，但难度不大。用硬度合金或陶瓷刀具车削GFRP，切削时间达30mm以上时，后刀面磨损量VB约为0.2mm。PCBN刀具切削时间达50min时，VB约为0.16mm。CVD厚膜与薄膜金刚石刀具切削60min，VB方达0.04-0.08mm，GFRP的基体材料酚醛树脂对刀具磨损的影响微不足道；但玻璃纤维对刀具切削刃有擦伤作用。

    还有CVD厚膜金刚石刀具车削GFRP。

    切削用量：αp =0.3mm，f=0.1mm/r, ν=149～310m/min

, t; X" Z6 J$ @% x# c

    刀具几何参数：γ₀=0°, α₀=7°，κ_r =45°，λ_s =0°，r_ε=0.5mm

# b" d6 A5 |8 [8 x% E

    干切，VB=0.05mm

    得到T-ν曲线如图7。

5 D A7 {' C: V$ j* K/ L. p

相应的泰勒(Taylor)方程为  ν=8.55/T^0.454

; y/ i: D3 u4 ?' g! S5 H

3.2  切削颗粒加强的复合材料

    用超硬刀具车削铝合金基、SiC颗粒加强的复合材料。

    复合材料有三种：

     №.1：SiCp/ZL109，粒度40-50μm，重量比Wt20％

    №.2：SiCp/ZL109，粒度28-40μm，Wt20％，(σ_b≥300MPa

5 t7 S. [6 A6 h. e3 O7 l& q0 N- O2 d

    №.3：SiCp/ZL109，粒度28μm，Wt20％

/ J- E& p0 h$ n; b

    刀具材料为CVD厚膜金刚石。几何参数为

    γ₀=3°，α₀=13°，κ_r =75°，λ_s =6°，r_ε=0.6mm

    切削用量：αp =0.3mm，f=0.1mm/r，ν=73m/min干切

得到刀具磨损曲线如图8。

    由图8可见，№.1复合材料比较难加工，其原因是它的SiC颗粒大。№.2与№.3复合材料的可加工性比较接近。

    所用的复合材料，加强颗粒均为Wt20％。不言而喻，颗粒含量多，则更难加工。

/ x9 `8 k4 n% R0 y( u% b

    SiC的硬度很高，达3000～3500HV。SiC颗粒对刀具切削刃有划伤和冲击作用，从而使刀具发生磨损。除金刚石和PCBN两种超硬刀具外，没有别的刀具材料能胜任对颗粒加强复合材料进行切削。金刚石和PCBN的硬度虽然足够，但韧性不足，故在SiC颗粒冲击下，它们也将发生磨损，甚至磨损较快。其磨损形式是“磨料磨损”和“切削刃微崩”。显然，对于硬度较低的颗粒，则较易加工。

    根据物理学的概念，物体的动能等于它的质量和速度平方的乘积的一半，即E=½mv2；又运动物体的动量等于物体质量和速度和乘积，即Ft=mv，而动量的改变为冲量，故m越大，v越大，则物体的动能、动量和冲量均越大。复合材料颗粒的作用正是如此。由此可见，在切削复合材料时，硬颗粒的质量越大，切削速度越高，则颗粒对刀具的损伤越大。

. M1 A( O5 _8 \" l6 j3 v' ~0 v8 l

PCBN刀具也能加工SiC颗粒加强复合材料，虽其耐磨性稍逊于金刚石刀具，但可用。其他刀具材料均不堪使用。例如用硬质合金YG6刀具，可以说是“一触即溃”。

r k. `% K. X0 o6 b

" ? H8 ~+ q! c D) {

    图9说明了上述情况，图9中αp =0.3mm，f=0.1mm/r，ν=70m/min，干切。刀具几何参数略去。

    作者又专门用PCBN刀具车削№.3复合材料。

$ S0 q- q# T1 q1 j7 Z3 i$ C/ t

    切削用量：αp =0.3mm，f=0.1mm/r，ν=40-150m/min

+ V" E* s+ H2 ]; P

    刀具几何参数：γ₀=1°，α₀=8°，κ_r =75°，r_ε=0.3mm

3 P& f. D7 ~% F' T5 ^

    干切，VB=0.3mm

/ `; \9 Q' Q2 O+ r) X8 u

    得到的T-ν曲线如图10所示。

    相应的泰勒(Taylor)方程为

ν=372/T^0.554

 4  超硬刀具的断续切削

    作者用CVD厚膜金刚石刀具车削直流电机整流子，并用M10硬质合金与之对比。整流子是在紫铜柱体开若干条均匀分布的槽，镶嵌入云母片。云母的成分为KMg₃(AlSi₃O₁₀)(OH)₂(天然的)或KMg₂(AlSiO₃O₁₀)F₂(人造的，又称氟金云母)，其硬度为莫氏4级。因紫铜硬度很低，故整流子在切削中，云母冲击作用。

- O. Q. P3 |# H% f' U

    切削用量：αp =0.3mm，f=0.1mm/r，ν=80m/min

6 U: }/ f; t( `% `! r

    刀具几何参数：

, A1 I1 O! q! z

    CVD厚膜金刚石：γ₀=-10°，α₀=8°，κ_r =65°，λ_s =-5°，r_ε=0.5mm

" r# W/ T& T- j; o) Y& r* j

    M10：γ₀=3°，α₀=11°，κ_r =90°，λ_s =2°，r_ε=0.5mm

3 h' @4 q/ B' [7 r6 B3 ?! j

得到的刀具磨损曲线如图11所示。

" n+ H) E6 Q* g( ?4 a. d

    可以看出，在γ₀=-10°的情况下，用CVD厚膜金刚石刀具对整流子进行带有一定冲击性的切削，取得了良好效果。

' o/ N0 j: |1 b

5  超硬刀具的施用切削液时的切削

! B- G5 ]; v7 k' R9 [: i6 W/ q

    作者用PCBN和CVD厚膜金刚石刀具车削硬合金YG6(HRA89.5)，在施用水基切削液和干切两种情况下进行对比。

$ X! T! p& u: [8 ~# r/ J& f" I

    切削用量：αp =0.1mm,f=0.05mm/r，ν=14.8m/mm

    刀具几何参数：略

# I" g4 k0 a) V2 `

得到刀具磨损曲线如图12

( Q" @7 E5 U5 `

    可见，施用水基切削液，对金刚石刀具有利，可减少刀具磨损；对PCBN刀具不利，反而加快其磨损。

    因为PCBN刀具在较高温下，将与水水发生化学反应，而丧失其硬度。

* B3 c& V" c3 _

    BN+3H₂O→H₃BO₃+NH₃

    作者经试验证实，施用油基切削液，对金刚石刀具的切削，亦有减小刀具磨损的作用。

    作者还用与图2相同的切削条件，施用水基切削液，作切削试验，得到T-ν曲线见图13。

! c) Z. S1 y8 N7 ~0 Y$ y

    相应的泰勒(Taylor)方程为

ν=718/T^1.664  (VB=0.1mm)

; i- e8 Q E* {- P( c8 C

6  超硬刀具的超精密切削与一般切削的加工表面粗糙度

1 B6 i3 w' o) T7 ]

    超精密切削主要是用金刚石刀具加工有色金属及其合金。金刚石刀具，尤其是天然金刚石刀具，经过精磨和仔细的研磨，可以得到极其锋利的切削刃。其钝圆半径可达纳米级。在超精密机床上，再配合以合理的刀具几何参数和切削用量，能够加工出超精密的零件。

    作者与有关部门，用天然金刚石、人造PCD金刚石和人造CVD厚膜金刚石制成车刀，经仔细刃磨与研磨，车削铝合金LY12―CZ，用精密车床(不是超精密车床)，切削用量约为αp =1-5μm，f=0.01mm/r-2.5μm/r，ν=60m/min。切削结果：天然金刚石刀具可车出Ra=0.01μm的已加工表面粗糙度，人造的两种金刚石刀具可车出Ra=0.04～0.05μm的已加工表面粗糙度。

9 F) q8 C9 O* j8 I' E

作者曾用超硬材料刀具在普通机床上车削多种金属与非金属材料，测出已加工表面粗糙度。与硬质合金刀具对比，毫无例外，金刚石刀具切削所得的粗糙度显著减小，立方氮化硼刀具在这一方面也不能与金刚石刀具相比，前者所得到工件表面粗糙度大于后者。因金刚石刀具的切削刃可以磨得更锋利，且与工件材料间的摩擦系数更小，有利于得到更光滑的工件已加工表面。图14是CVD金刚石厚膜刀具与硬质合金YG8刀具车削№.3复合材料时加工表面粗糙度的对比。图15是CVD金刚石厚膜刀具与硬质合金M10刀具车削各种有色金属时加工表面粗糙度的对比。在图14、图15中，刀具几何参数均从略，且均为干切。

2 w$ @4 i6 D2 w2 f

" z+ a/ C! {7 b1 O- ]( E

7  结束语

    超硬刀具材料的应用范围很广，且在不断发展中。本文和前文所发表的内容仅为超硬刀具材料的部分情况和部分试验数据。然而，可以得知，超硬刀具可以对各种硬脆材料、各种难加工材料、各种复合材料进行加工，具有领先的加工效率和加工质量。

- l5 O+ S& K9 e+ a# D

    金刚石刀具最适合用于非铁金属、有色金属的加工，且能对有色金属进行超精密加工。

4 b% [$ ?- h; P. N

    立方氮化硼最适合用于各种淬硬钢、冷硬铸铁及其他高硬黑色金属的切削。一般情况下，金刚石刀具所能加工的难加工材料，立方氮化硼刀具也能胜任。

    人造金刚石刀具的应用越来越广泛，且已代替了大部分的天然金刚石。

" ^# p# n+ z, {1 f4 D G