近幾年逆變焊機產量的年增長率

近幾年逆變焊機產量的年增長率

　　研究了PCBN刀具的磨損機理和磨損形式.通過對干切削GCr15軸承鋼時刀具的磨損形式及壽命進行試驗研究，得出了工件硬度、切削速度對PCBN刀具磨損的影響規(guī)律以及工件硬度在臨界硬度附近時刀具磨損速度最快的結論.加工兩種硬度工件時的刀具壽命方程表明，切削速度對PCBN刀具壽命的影響小于對硬質合金及陶瓷刀具壽命的影響.<

　　1 引言

　　目前，對聚晶立方氮化硼（PCBN）刀具的磨損與壽命問題的研究相對硬質合金刀具而言還不夠充分.隨著PCBN刀具應用范圍的不斷擴大，如何正確使用PCBN刀具，使其發(fā)揮最大加工效益已變得日益重要，因此有必要對PCBN刀具的磨損機理與使用壽命進行系統(tǒng)研究.目前國內外的相關研究內容大多集中在PCBN刀具的一般磨損機理以及在具體加工條件下切削高溫合金、鑄鐵等材料時的切削性能等方面.對于PCBN刀具的重要應用之一——干式切削淬硬鋼時的磨損問題迄今還很少有人進行研究.PCBN刀具是經高溫高壓燒結而成的兩相物質，立方氮化硼（CBN）晶粒的高硬度和高穩(wěn)定性使PCBN刀具具有優(yōu)異的耐磨性；此外，PCBN刀具存在著粘結劑磨損.因此，PCBN刀具的磨損規(guī)律與工作壽命具有一定特殊性.本文以PCBN刀具干式切削不同硬度的GCr15軸承鋼為研究對象，系統(tǒng)分析了日本住友公司BN500 牌號PCBN刀具的磨損與壽命問題.

　　2 PCBN刀具干切削GCr15時的磨損機理

　　PCBN刀具的磨損機理

　　A. 機械磨損

　　切削加工時，刀具與工件之間的高速相對運動引起劇烈摩擦，工件材料中的硬質點對刀具表面具有劃傷作用，這種由機械摩擦引起的刀具磨損是最常見的磨損因素之一.由于PCBN刀具的硬度相對被加工材料要高得多，因此其機械磨損并不明顯.

　　B. 粘結劑磨損

　　PCBN刀具由CBN晶粒與結合劑混合燒結而成.切削加工時，作為粘結劑的陶瓷或金屬首先被磨耗，從而使CBN晶粒凸出刀具表面而受力松動，直至剝落.

　　氧化磨損

　　在一定條件下，CBN可與氧發(fā)生化學反應，氧置換出CBN中的氮并生成B2O3，氧化結果造成CBN晶體晶面凹陷、晶棱縮小，使刀具產生“鈍化”現(xiàn)象.CBN在650℃時開始氧化（此時有N2釋出），在1035℃時氧化加劇，其化學反應式為

　　4BN（CBN）+3O2→2N2↑+ 2B2O3

　　水在高溫下也可與CBN發(fā)生反應，其化學反應式為

　　BN（CBN）+3H2O→H3BO3+ NH3

　　由于這種“水解”作用可導致CBN磨損，因此采用PCBN刀具切削時一般應避免使用水劑切削液.

　　C. 逆轉化（相變）磨損

　　CBN在1234℃時會發(fā)生CBN→HBN（六方氮化硼）的逆轉化，這種轉化起始于晶界微晶區(qū)，已轉化為HBN的部分因硬度極低而失去切削能力，極易被高速運動的“熱切屑流”帶走，從而導致PCBN刀具磨損，這種磨損稱為逆轉化磨損（也稱相變磨損）.PCBN刀具在高溫（>1200℃）下切削一段時間后，刀刃部分的高溫區(qū)有時會出現(xiàn)由許多小凹坑構成的不均勻“麻斑”，這是因為切削溫度超過了CBN→HBN轉化的臨界溫度所致.產生逆轉化磨損后的刀具表面白色“麻斑”實際就是CBN單晶脫落后殘留的、已轉化的HBN.在CBN→HBN的逆轉化中，氧和氧化物起到了催化劑的作用.與此相反，金屬鈷可通過降低氧化氣氛而抑制CBN→HBN轉化傾向.

　　D. 化學磨損

　　PCBN刀具在高溫、高壓、高速條件下進行切削加工時，刀具工作層與被加工材料及周圍介質發(fā)生化學反應，當反應生成物被溶化后，在刀具前刀面上將形成一層液態(tài)薄膜，其成分主要為化學反應生成的氧化物、碳化物、氮化物、硼化物等（如B2O3、Fe-FeB2共晶體），另外還有一些金屬間化合物.這種液態(tài)薄膜對PCBN刀具的磨損具有較大影響.當切削速度較低時，液態(tài)薄膜的粘度較大，易被切屑粘結帶走，因此刀具磨損較為嚴重；隨著切削速度的升高，切削溫度上升，液態(tài)薄膜動力粘度下降，對刀—屑間的摩擦可起到明顯的潤滑作用，且BN在薄膜中已飽和，此時液態(tài)薄膜可起到保護層的作用，防止成分擴散和化學磨損的進一步發(fā)展，故刀具磨損較小.切削試驗表明，刀具結合劑中的Al含量越高，刀具后刀面的磨損速度越快，刀具壽命越短.

　　E. 擴散磨損

　　CBN對鐵族元素（Fe、Ni、Co等）具有很強的化學惰性.有研究表明：在CBN晶粒與電解鐵的擴散實驗中（1200℃，加熱30min）未發(fā)現(xiàn)兩者之間相互擴散；在PCBN與55鋼的擴散實驗中（1200℃，加熱30min）發(fā)現(xiàn)，CBN聚晶后，刀具中的B、Co向Fe中有少量擴散.另外的加熱實驗表明：TiN基、TiC基PCBN刀具中的Al與被加工材料中的Ni發(fā)生了擴散；Co基PCBN刀具中的Co與被加工材料中的Ni也發(fā)生相互擴散；若刀具材料中含有Ni，則擴散磨損更為嚴重.另外，當PCBN刀具結合劑中含有Al、被加工材料中含有Si時，Si會向刀具中擴散并與Al結合形成SiAlON，從而導致刀具磨損.有研究表明：幾種刀具材料與鐵之間的相互擴散強度由大到小依次為：金剛石→碳化硅→立方氮化硼→氧化鋁；而它們與鈦合金之間的相互擴散強度的大小順序則剛好相反，分別為：氧化硅→立方氮化硼→碳化硅→金剛石.

　　F. 粘結磨損

　　雖然CBN對鐵族元素具有較高化學惰性，但對其它元素并非如此.PCBN刀具在一定壓力和溫度條件下進行切削時，隨著切屑不斷流出，刀尖與被加工材料均不斷裸露出新鮮表面，不可避免地要產生元素間的相互擴散，擴散結果使CBN的惰性不斷降低，與合金元素的親合傾向不斷增加，并為粘結磨損創(chuàng)造了條件.由于切削時切屑、工件與刀具前、后刀面之間存在劇烈摩擦和較大壓力，促使它們之間發(fā)生粘結.當雙方的相對運動使粘結區(qū)材料發(fā)生破裂而被一方帶走時，就造成了PCBN刀具的粘結磨損.研究表明：粘結磨損一般是以微粒脫落的形式出現(xiàn).金屬Ni會增大刀具與工件材料間的粘結強度，從而加劇粘結磨損.

　　G. 微裂解磨損

　　PCBN是由無數(shù)微小而無方向相性的CBN單晶組成.在CBN聚晶過程中，通過觸媒或添加劑向材料中擴散進去一些“雜質”（如Si、Ca、Cu等元素），這些“雜質”存在于晶界間.由于晶界為雜質富集區(qū)，強度相對薄弱，從某種意義上可視為“裂紋”（稱為“精細裂紋”）.此外，在先天或加工條件（即使燒結良好）作用下，在原始晶粒內部以及晶界處均存在著內應力.“精細裂紋”和內應力的存在導致聚晶體的實際強度遠低于其理論值.PCBN刀具切削時，刀刃部微小單晶顆粒脫落現(xiàn)象稱為微裂解，數(shù)個CBN顆粒的剝落稱為微崩刃.微裂解與微崩刃混雜磨損是超硬刀具材料特有的磨損類型.

　　PCBN刀具切削時，由于熱切屑流的摩擦與刮研、被加工材料材質不均導致的微沖擊、機床—工件—刀具系統(tǒng)的振動等因素，使聚晶體首先在晶界處產生裂紋，單晶顆粒的非連續(xù)脫落造成刀具的微裂解和微崩刃，在刃口處形成凸凹不平的裂解區(qū)并不斷擴大，直至引起裂斷.

　　H. 非正常磨損

　　非正常磨損主要指PCBN刀具的崩刃型破損（CBN團塊崩落）.產生崩刃型破損的原因與切削條件選用不當、刀具使用不合理、加工設備條件差、操作者缺乏經驗等因素有關（有時也與復合片質量問題有關）.刀具刃磨質量不高也是造成刀具碎裂的一個重要因素.刃磨時在刀具表面留下的劃痕會大大降低刀具強度，進而會使CBN晶粒從劃痕處脫落，造成刀具的微裂解磨損和微崩刃，直至刀具破損.

　　PCBN刀具的各種磨損形式是相互影響、共同作用的，如氧化磨損和相變磨損必然伴隨著粘結磨損，并可使機械磨損加劇，同時也會促進剝落磨損和微崩刃磨損的產生.由于各種磨損因素的綜合作用，使不同磨損形式相互滲透與交錯.當月牙洼磨損出現(xiàn)時，說明切削溫度已接近1200℃；當?shù)毒弑砻娉霈F(xiàn)微小乳突狀麻點時，表明發(fā)生了相變磨損，切削高溫區(qū)已超過1200℃，此時必須對切削用量、刀具幾何角度等作相應調整，必要時可采取使用冷卻液或N2保護等防護性措施.

　　2. PCBN刀具的磨損形式

　　A. 前刀面磨損

　　使用PCBN刀具切削GCr15淬硬軸承鋼時，其前刀面磨損形式為月牙洼磨損，磨損形貌如圖1所示.由于PCBN刀具的高溫硬度高，只有達到一定溫度和壓力后才會產生磨損，因此月牙洼磨損只發(fā)生在距刀刃很近的部分，且寬度很窄，這一點有別于硬質合金刀具.

　　B. 后刀面磨損

　　PCBN刀具切削GCr15淬硬軸承鋼時的后刀面磨損形貌如圖2所示.從外觀上可觀察到以機械磨損為主的磨損帶，同時粘有一些工件材料，并有CBN晶粒脫落現(xiàn)象.僅從磨損形式上看與硬質合金刀具的磨損并無明顯區(qū)別，只是磨損量很小.

　　3. PCBN刀具磨損原因分析

　　通過對PCBN復合片原始表面及已磨損刀具的前、后刀面進行微觀形貌拍照及化學元素分析，可查明PCBN刀具的磨損原因.為比較不同位置的磨損差異，在前刀面上選取3個測試點，即距離刀刃較近的A點、月牙洼底部的B點和月牙洼背部的C點（參見圖1）；在后刀面磨損帶上選取2個測試點，即距離刀刃較近的D點和磨損帶結束部位的E點（參見圖2）.用HITACHI X-650掃描電鏡（配備電子探針）進行檢測.

　　圖3所示的電子探針分析結果表明，BN500牌號的PCBN復合片所含主要元素有Ti、Al、Hf、N等（由于電子探針的性能關系，未檢測出B元素）.

　　GCr15軸承鋼材料所含化學成分及其含量見下表.通過與PCBN刀具材料成分進行對比，可分析刀具的磨損原因.