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五金知识:超硬刀具材料及其选用方法


金属陶瓷是一种以碳化物为基体材料,其中TiC为主要的硬质相(0.5~2μm),它们通过CoTi粘结剂结合起来,是一种与硬质合金相似的刀具,但它具有较低的亲和性、良好的摩擦性及较好的耐磨性。

它比常规硬质合金能承受更高的切削温度,但缺乏硬质合金的耐冲击性、强力切削时的韧性以及低速大进给时的强度。

近年通过大量的研究、改进和采用新的制作工艺,其抗弯强度和韧性均有了很大提高,如日本三菱金属公司开发的新型金属陶瓷NX2525及瑞典山德维克公司开发的金属陶瓷刀片新品CT系列和涂层金属陶瓷刀片系列,其晶粒组织的直径细小至1μm以下,抗弯强度和耐磨性均远高于普通的金属陶瓷,大大拓宽了其应用范围。


立方氮化硼(CBN)

CBN的硬度和耐磨性

仅次于金刚石,有极好的高温硬度,与陶瓷相比,其耐热性和化学稳定性稍差,但冲击强度和抗破碎性能较好。它广泛适用于淬硬钢(HRC50)、珠光体灰铸铁、冷硬铸铁和高温合金等的切削加工,与硬质合金刀具相比,其切削速度可提高一个数量级。

CBN含量高的复合聚晶立方氮化硼(PCBN)刀具硬度高、耐磨性好、抗压强度高及耐冲击韧性好,其缺点是热稳定性差和化学惰性低,适用于耐热合金、铸铁和铁系烧结金属的切削加工。PCBN刀具中CBN颗粒含量较低,采用陶瓷作粘结剂,其硬度较低,但弥补了前一种材料热稳定性差、化学惰性低的特点,适用淬硬钢的切削加工。

在切削灰铸铁和淬硬钢时,可选择陶瓷刀具或CBN刀具,PCBN刀具材料切削性能优于Al2O3Si3N4。但在淬硬钢干式切削时,Al2O3陶瓷的成本低于PCBN材料。陶瓷刀具有良好的热化学稳定性,但却不及PCBN刀具的韧性和硬度。在切削硬度低于HRC60以下和采用小进给量时,陶瓷刀具是较好的选择。PCBN刀具适于切削硬度高于HRC60的工件,尤其在自动化加工和高精度加工时更为适用。除此之外,在相同后刀面磨损情况下,PCBN刀具切削后的工件表面残余应力也比陶瓷刀具相对稳定。

使用PCBN刀具干式切削淬硬钢还应遵循以下原则:在机床刚性允许条件下尽可能选择大切深,这样切削区生成的热量使得刃前区金属局部软化,能有效降低PCBN刀具的磨损,此外,在小切深时还应考虑采用PCBN刀具导热性差而使得切削区热量来不及扩散,剪切区也能产生明显的金属软化效应,减小切削刃的磨损。

2、超硬刀具的刀片结构及几何参数

超硬刀具采用的材料及其刀具结构和几何参数是实现硬车削的基本要素,因此,如何选择超硬刀具材料,设计出合理的刀具结构和几何参数对稳定实现硬车削是十分重要的。

刀片形状及几何参数的合理确定对充分发挥刀具切削性能是至关重要的。按刀具强度而言,各种刀片形状的刀尖强度从高到低依次为:圆形、100°菱形、正方形、80°菱形、三角形、55°菱形、35°菱形。刀片材料选定后,应选用强度尽可能高的刀片形状。硬车削刀片也应选择尽可能大的刀尖圆弧半径,用圆形及大刀尖圆弧半径刀片粗加工,精加工时的刀尖圆弧半径约为0.8μm左右。

淬硬钢切屑为红而酥软的缎带状,脆性大,易折断,不粘结,淬硬钢切削表面质量高,一般不产生积屑瘤,但切削力较大,特别是径向切削力比主切削力还要大,所以,刀具宜采用负前角(go≥-5°)和较大的后角(ao=10°~15°)。主偏角取决于机床刚性,一般取45°~60°,以减少工件和刀具颤振。




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