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    PCBN刀具的常见磨损原因(详细)
    文:网络转载 来源:mmsonline.com.cn 时间:2008-11-25 点击:5934
    目前优德体育w88,对聚晶立方氮化硼(PCBN)刀具的磨损与寿命问题的研究相对硬质合金刀具而言还不够充分优德体育w88。随着PCBN刀具应用范围的不断扩大优德体育w88,如何正确使用PCBN刀具,使其发挥最大加工效益已变得日益重要优德体育w88优德体育w88,因此有必要对PCBN刀具的磨损机理与使用寿命进行系统研究优德体育w88优德体育w88。目前国内外的相关研究内容大多集中在PCBN刀具的一般磨损机理以及在具体加工条件下切削高温合金优德体育w88、铸铁等材料时的切削性能等方面优德体育w88。对于PCBN刀具的重要应用之一——干式切削淬硬钢时的磨损问题迄今还很少有人进行研究。PCBN刀具是经高温高压烧结而成的两相物质,立方氮化硼(CBN)晶粒的高硬度和高稳定性使PCBN刀具具有优异的耐磨性;此外,PCBN刀具存在着粘结剂磨损。因此,PCBN刀具的磨损规律与工作寿命具有一定特殊性优德体育w88。本文以PCBN刀具干式切削不同硬度的GCr15轴承钢为研究对象优德体育w88优德体育w88优德体育w88,系统分析了日本住友公司BN500 牌号PCBN刀具的磨损与寿命问题。

    2 PCBN刀具干切削GCr15时的磨损机理

    PCBN刀具的磨损机理

    A. 机械磨损

      切削加工时优德体育w88,刀具与工件之间的高速相对运动引起剧烈摩擦优德体育w88优德体育w88,工件材料中的硬质点对刀具表面具有划伤作用优德体育w88优德体育w88,这种由机械摩擦引起的刀具磨损是最常见的磨损因素之一优德体育w88优德体育w88。由于PCBN刀具的硬度相对被加工材料要高得多优德体育w88优德体育w88优德体育w88,因此其机械磨损并不明显优德体育w88。

    B. 粘结剂磨损

      PCBN刀具由CBN晶粒与结合剂混合烧结而成优德体育w88。切削加工时优德体育w88,作为粘结剂的陶瓷或金属首先被磨耗优德体育w88优德体育w88,从而使CBN晶粒凸出刀具表面而受力松动优德体育w88优德体育w88,直至剥落优德体育w88。

    氧化磨损

      在一定条件下优德体育w88,CBN可与氧发生化学反应,氧置换出CBN中的氮并生成B2O3优德体育w88,氧化结果造成CBN晶体晶面凹陷优德体育w88、晶棱缩小优德体育w88,使刀具产生“钝化”现象优德体育w88优德体育w88。CBN在650℃时开始氧化(此时有N2释出)优德体育w88优德体育w88,在1035℃时氧化加剧优德体育w88,其化学反应式为
    4BN(CBN)+3O2→2N2↑+ 2B2O3

      水在高温下也可与CBN发生反应,其化学反应式为
      BN(CBN)+3H2O→H3BO3+ NH3

      由于这种“水解”作用可导致CBN磨损优德体育w88优德体育w88,因此采用PCBN刀具切削时一般应避免使用水剂切削液。

    C. 逆转化(相变)磨损

      CBN在1234℃时会发生CBN→HBN(六方氮化硼)的逆转化,这种转化起始于晶界微晶区优德体育w88,已转化为HBN的部分因硬度极低而失去切削能力优德体育w88,极易被高速运动的“热切屑流”带走优德体育w88优德体育w88,从而导致PCBN刀具磨损优德体育w88优德体育w88,这种磨损称为逆转化磨损(也称相变磨损)优德体育w88。PCBN刀具在高温(>1200℃)下切削一段时间后,刀刃部分的高温区有时会出现由许多小凹坑构成的不均匀“麻斑”优德体育w88优德体育w88优德体育w88,这是因为切削温度超过了CBN→HBN转化的临界温度所致优德体育w88。产生逆转化磨损后的刀具表面白色“麻斑”实际就是CBN单晶脱落后残留的优德体育w88、已转化的HBN。在CBN→HBN的逆转化中优德体育w88,氧和氧化物起到了催化剂的作用优德体育w88。与此相反优德体育w88,金属钴可通过降低氧化气氛而抑制CBN→HBN转化倾向优德体育w88。

    D. 化学磨损

      PCBN刀具在高温优德体育w88、高压、高速条件下进行切削加工时,刀具工作层与被加工材料及周围介质发生化学反应优德体育w88,当反应生成物被溶化后优德体育w88,在刀具前刀面上将形成一层液态薄膜优德体育w88,其成分主要为化学反应生成的氧化物优德体育w88、碳化物优德体育w88、氮化物优德体育w88优德体育w88、硼化物等(如B2O3优德体育w88、Fe-FeB2共晶体)优德体育w88,另外还有一些金属间化合物优德体育w88。这种液态薄膜对PCBN刀具的磨损具有较大影响优德体育w88。当切削速度较低时优德体育w88,液态薄膜的粘度较大优德体育w88,易被切屑粘结带走优德体育w88优德体育w88优德体育w88,因此刀具磨损较为严重;随着切削速度的升高优德体育w88优德体育w88优德体育w88,切削温度上升,液态薄膜动力粘度下降优德体育w88,对刀—屑间的摩擦可起到明显的润滑作用优德体育w88,且BN在薄膜中已饱和,此时液态薄膜可起到?;げ愕淖饔糜诺绿逵齱88优德体育w88,防止成分扩散和化学磨损的进一步发展,故刀具磨损较小。切削试验表明,刀具结合剂中的Al含量越高优德体育w88优德体育w88,刀具后刀面的磨损速度越快优德体育w88优德体育w88,刀具寿命越短优德体育w88优德体育w88。

    E. 扩散磨损

      CBN对铁族元素(Fe优德体育w88、Ni优德体育w88、Co等)具有很强的化学惰性优德体育w88。有研究表明:在CBN晶粒与电解铁的扩散实验中(1200℃优德体育w88,加热30min)未发现两者之间相互扩散优德体育w88;在PCBN与55钢的扩散实验中(1200℃优德体育w88优德体育w88,加热30min)发现,CBN聚晶后优德体育w88,刀具中的B优德体育w88、Co向Fe中有少量扩散。另外的加热实验表明:TiN基优德体育w88、TiC基PCBN刀具中的Al与被加工材料中的Ni发生了扩散优德体育w88;Co基PCBN刀具中的Co与被加工材料中的Ni也发生相互扩散优德体育w88;若刀具材料中含有Ni优德体育w88优德体育w88,则扩散磨损更为严重。另外,当PCBN刀具结合剂中含有Al优德体育w88优德体育w88优德体育w88、被加工材料中含有Si时优德体育w88优德体育w88,Si会向刀具中扩散并与Al结合形成SiAlON,从而导致刀具磨损优德体育w88。有研究表明:几种刀具材料与铁之间的相互扩散强度由大到小依次为:金刚石→碳化硅→立方氮化硼→氧化铝;而它们与钛合金之间的相互扩散强度的大小顺序则刚好相反优德体育w88,分别为:氧化硅→立方氮化硼→碳化硅→金刚石。

    F. 粘结磨损

      虽然CBN对铁族元素具有较高化学惰性优德体育w88优德体育w88优德体育w88,但对其它元素并非如此优德体育w88。PCBN刀具在一定压力和温度条件下进行切削时优德体育w88,随着切屑不断流出,刀尖与被加工材料均不断裸露出新鲜表面,不可避免地要产生元素间的相互扩散,扩散结果使CBN的惰性不断降低,与合金元素的亲合倾向不断增加优德体育w88,并为粘结磨损创造了条件优德体育w88。由于切削时切屑优德体育w88、工件与刀具前优德体育w88优德体育w88、后刀面之间存在剧烈摩擦和较大压力优德体育w88,促使它们之间发生粘结优德体育w88。当双方的相对运动使粘结区材料发生破裂而被一方带走时,就造成了PCBN刀具的粘结磨损优德体育w88优德体育w88。研究表明:粘结磨损一般是以微粒脱落的形式出现优德体育w88优德体育w88优德体育w88。金属Ni会增大刀具与工件材料间的粘结强度,从而加剧粘结磨损。

    G. 微裂解磨损

      PCBN是由无数微小而无方向相性的CBN单晶组成优德体育w88优德体育w88优德体育w88。在CBN聚晶过程中优德体育w88优德体育w88优德体育w88,通过触媒或添加剂向材料中扩散进去一些“杂质”(如Si优德体育w88优德体育w88优德体育w88、Ca优德体育w88、Cu等元素),这些“杂质”存在于晶界间优德体育w88。由于晶界为杂质富集区优德体育w88优德体育w88优德体育w88优德体育w88,强度相对薄弱,从某种意义上可视为“裂纹”(称为“精细裂纹”)。此外优德体育w88优德体育w88,在先天或加工条件(即使烧结良好)作用下优德体育w88,在原始晶粒内部以及晶界处均存在着内应力优德体育w88?!熬噶盐啤焙湍谟αΦ拇嬖诘贾戮劬宓氖导是慷仍兜陀谄淅砺壑涤诺绿逵齱88。PCBN刀具切削时优德体育w88,刀刃部微小单晶颗粒脱落现象称为微裂解优德体育w88优德体育w88,数个CBN颗粒的剥落称为微崩刃。微裂解与微崩刃混杂磨损是超硬刀具材料特有的磨损类型优德体育w88优德体育w88优德体育w88。

      PCBN刀具切削时,由于热切屑流的摩擦与刮研、被加工材料材质不均导致的微冲击优德体育w88优德体育w88、机床—工件—刀具系统的振动等因素,使聚晶体首先在晶界处产生裂纹优德体育w88优德体育w88,单晶颗粒的非连续脱落造成刀具的微裂解和微崩刃,在刃口处形成凸凹不平的裂解区并不断扩大优德体育w88,直至引起裂断优德体育w88。

    H. 非正常磨损

      非正常磨损主要指PCBN刀具的崩刃型破损(CBN团块崩落)优德体育w88。产生崩刃型破损的原因与切削条件选用不当优德体育w88优德体育w88、刀具使用不合理优德体育w88优德体育w88、加工设备条件差、操作者缺乏经验等因素有关(有时也与复合片质量问题有关)优德体育w88。刀具刃磨质量不高也是造成刀具碎裂的一个重要因素优德体育w88优德体育w88优德体育w88。刃磨时在刀具表面留下的划痕会大大降低刀具强度优德体育w88,进而会使CBN晶粒从划痕处脱落优德体育w88,造成刀具的微裂解磨损和微崩刃优德体育w88,直至刀具破损优德体育w88优德体育w88。

      PCBN刀具的各种磨损形式是相互影响优德体育w88、共同作用的优德体育w88优德体育w88优德体育w88优德体育w88,如氧化磨损和相变磨损必然伴随着粘结磨损优德体育w88,并可使机械磨损加剧,同时也会促进剥落磨损和微崩刃磨损的产生优德体育w88优德体育w88优德体育w88。由于各种磨损因素的综合作用优德体育w88,使不同磨损形式相互渗透与交错。当月牙洼磨损出现时,说明切削温度已接近1200℃优德体育w88优德体育w88;当刀具表面出现微小乳突状麻点时,表明发生了相变磨损优德体育w88,切削高温区已超过1200℃优德体育w88,此时必须对切削用量优德体育w88、刀具几何角度等作相应调整优德体育w88,必要时可采取使用冷却液或N2?优德体育w88优德体育w88优德体育w88优德体育w88;さ确阑ば源胧?。

     
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