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刀具干式切削不同硬度的GCr15轴承钢为研究对象
发布时间:2009年11月24日 浏览次数:

目前,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。随着PCBN刀具应用范围的不断扩大,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,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。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、铸铁等材料时的切削性能等方面。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。本文以PCBN刀具干式切削不同硬度的GCr15轴承钢为研究对象,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
机械磨损
切削加工时,刀具与工件之间的高速相对运动引起剧烈摩擦,工件材料中的硬质点对刀具表面具有划伤作用,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。由于PCBN刀具的硬度相对被加工材料要高得多,因此其机械磨损并不明显。
粘结剂磨损
PCBN刀具由CBN晶粒与结合剂混合烧结而成。切削加工时,作为粘结剂的陶瓷或金属首先被磨耗,从而使CBN晶粒凸出刀具表面而受力松动,直至剥落。
氧化磨损
在一定条件下,CBN可与氧发生化学反应,氧置换出CBN中的氮并生成B2O3,氧化结果造成CBN晶体晶面凹陷、晶棱缩小,使刀具产生“钝化”现象。CBN在650℃时开始氧化(此时有N2释出),在1035℃时氧化加剧,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,因此采用PCBN刀具切削时一般应避免使用水剂切削液。
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,已转化为HBN的部分因硬度极低而失去切削能力,极易被高速运动的“热切屑流”带走,从而导致PCBN刀具磨损,这种磨损称为逆转化磨损(也称相变磨损)。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”,这是因为切削温度超过了CBN→HBN转化的临界温度所致。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、已转化的HBN。在CBN→HBN的逆转化中,氧和氧化物起到了催化剂的作用。与此相反,金属钴可通过降低氧化气氛而抑制CBN→HBN转化倾向。

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