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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:4152
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

A. 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。

B. 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。

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,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。

D. 化学磨损

  PCBN刀具在高温、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,当反应生成物被溶化后,在刀具前刀面上将形成一层液态薄膜,其成分主要为化学反应生成的氧化物、碳化物、氮化物、硼化物等(如B2O3、Fe-FeB2共晶体),另外还有一些金属间化合物。这种液态薄膜对PCBN刀具的磨损具有较大影响。当切削速度较低时,液态薄膜的粘度较大,易被切屑粘结带走,因此刀具磨损较为严重;随着切削速度的升高,切削温度上升,液态薄膜动力粘度下降,对刀—屑间的摩擦可起到明显的润滑作用,且BN在薄膜中已饱和,此时液态薄膜可起到保护层的作用,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,刀具后刀面的磨损速度越快,刀具寿命越短。

E. 扩散磨损

  CBN对铁族元素(Fe、Ni、Co等)具有很强的化学惰性。有研究表明:在CBN晶粒与电解铁的扩散实验中(1200℃,加热30min)未发现两者之间相互扩散;在PCBN与55钢的扩散实验中(1200℃,加热30min)发现,CBN聚晶后,刀具中的B、Co向Fe中有少量扩散。另外的加热实验表明:TiN基、TiC基PCBN刀具中的Al与被加工材料中的Ni发生了扩散;Co基PCBN刀具中的Co与被加工材料中的Ni也发生相互扩散;若刀具材料中含有Ni,则扩散磨损更为严重。另外,当PCBN刀具结合剂中含有Al、被加工材料中含有Si时,Si会向刀具中扩散并与Al结合形成SiAlON,从而导致刀具磨损。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,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,但对其它元素并非如此。PCBN刀具在一定压力和温度条件下进行切削时,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,并为粘结磨损创造了条件。由于切削时切屑、工件与刀具前、后刀面之间存在剧烈摩擦和较大压力,促使它们之间发生粘结。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。研究表明:粘结磨损一般是以微粒脱落的形式出现。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。在CBN聚晶过程中,通过触媒或添加剂向材料中扩散进去一些“杂质”(如Si、Ca、Cu等元素),这些“杂质”存在于晶界间。由于晶界为杂质富集区,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,在先天或加工条件(即使烧结良好)作用下,在原始晶粒内部以及晶界处均存在着内应力。“精细裂纹”和内应力的存在导致聚晶体的实际强度远低于其理论值。PCBN刀具切削时,刀刃部微小单晶颗粒脱落现象称为微裂解,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。

  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、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,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,直至引起裂断。

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)。产生崩刃型破损的原因与切削条件选用不当、刀具使用不合理、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)。刀具刃磨质量不高也是造成刀具碎裂的一个重要因素。刃磨时在刀具表面留下的划痕会大大降低刀具强度,进而会使CBN晶粒从划痕处脱落,造成刀具的微裂解磨损和微崩刃,直至刀具破损。

  PCBN刀具的各种磨损形式是相互影响、共同作用的,如氧化磨损和相变磨损必然伴随着粘结磨损,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。由于各种磨损因素的综合作用,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℃;当刀具表面出现微小乳突状麻点时,表明发生了相变磨损,切削高温区已超过1200℃,此时必须对切削用量、刀具几何角度等作相应调整,必要时可采取使用冷却液或N2保护等防护性措施。

 
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