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钨及其合金的切削加工
钨的机械物理性能及其切削加工特点表1
钨的物理机械性能熔点℃3410密度g/cm319.32热导率W/(m·K)166.2线膨胀系数10-6/℃4.6弹性模量MPa35316硬度
HBS290～350抗拉强度MPa981～1472伸长率%35钨是一种难熔金属，它具有熔点高(达3400℃)、密度大(19.32g/cm3)、耐化学腐蚀性好及高温强度高等特点，
烧结的富钨合金其抗拉强度可高达1700MPa。表1中列出了难熔金属钨的物理机械性能。由于钨具有良好的机械物理性能，所以在工程上它已成为一种广受欢迎的结构材料，多用来制作耐高温的零、部件。例如，可以用作灯泡和电子管中的灯丝、X射线管中阳极材料、高温炉中的导热材料、火箭喷嘴及隔热材料、军用平衡零件和制作飞轮、以及碳化钨基硬质合金刀具材料等。钨可以制成铸锭，也可以烧结成制品。但它们的切削加工性很差。其切削加工有以下特点：
- 钨的铸锭切削加工时，由于晶粒粗大，易产生掉块而使加工表面粗糙。
- 钨的化学活性较大，亲和力较强，切削过程中容易产生积屑瘤， 而积屑瘤的剥落会导致工艺过程的不稳定。
- 钨室温下呈脆性，在切削其烧结制品时，切屑成粉末状，且硬度很高，加剧了刀具的磨损。
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钨棒及钨锭的切削加工钨具有高的抗拉强度，而钨的铸锭氧化层坚强又粗糙，使切削过程的冲击和振动增大，刀具容易崩刃、破损。所以生产上须用强度和韧性较好的WC基(K类或M类)硬质合金刀具来加工。粗加工可选用YG8(相当于K20)、YG8R(K30)、YG640(K30～K40)等牌号，半精加工用
YG6(K10)。由于硬质合金晶粒细化后，可提高合金的硬度、耐磨性、抗弯强度和抗崩刃性，而且高温硬度也有提高。因此，用细晶粒(尺寸为
1～0.5μm)和超细晶粒(<0.5μm)的硬质合金，如以Z30(相当于K30)、ZK30UF(K30)代替YG8，以YG6(K10)、
YS8(K05～K10)、YG643(K05～K10，M10)、ZK10UF(K10)等牌号代替YG6，能够显著提高刀具的使用寿命。硬质合金刀具的几何参数可选用：前角g0=0～20°，后角a0=6～12°，偏角kr=45～75°。为了加强切削刃，
刃口上须磨出负倒棱，
倒棱宽度可取br1=0.1～0.3mm，倒棱前角g01=-5～－10°；刀尖需适当修圆，修圆半径re=0.5mm左右。切削用量可取：切削速度V=5～50m/min，进给量f=0.1～0.5mm/r，背吃刀量(吃深)ap=0.2～4mm。
图1 用PCD、PCBN与YS8硬质合金刀具车削纯钨
图2
PCD金刚石刀具车削纯钨的V—T曲线由于钨的切削加工性差，即使用细晶粒和超细晶粒及表面有耐磨涂层的硬质合金来加工，刀具的使用寿命仍很短。为此，有人用CVD(化学气相沉积)法制成的金刚石刀具和PCBN(聚晶立方氮化硼)刀具来车削纯钨棒(硬度为350HBS)，并与YS8(相当于K05～K10)硬质合金刀具作对比，得刀具磨损曲线如图1所示。试验工作条件如下：
- 切削用量：ap=0.1mm，f=0.04mm/r，V=2.99m/min。
- 刀具几何参数：
- CVD刀具g0=-5°，a0=8°，kr=75°，re=0.5mm。
- PCBN刀具g0=0°，a0=8°，kr=75°，re=0.5mm，br1=0.2mm，g01=-15°。
- YS8刀具g0=20°，后角a0=8°，kr=75°，re0.5mm。
- 不用切削液。
再用CVD金刚石刀具车削纯钨，改变三种切削速度，进给量和背吃刀量同上，做切削试验，得切削速度V与刀具寿命T的关系曲线如图2
所示。尽管每种刀具的加工参数未经过严格优选，不完全反映刀具的真实寿命，但由图1和图2中可以看出，钨是很难加工的，切削速度虽然只有2.99m/min，但YS8硬质合金刀具仍很快磨损失效。CVD金刚石与PCBN两种超硬刀具尚可胜任；但从图2中可知，当切削速度提高后，CVD金刚石刀具的使用寿命也不长。这是因为金刚石是纯碳的结晶体，当切削温度达到600℃以上时它将碳化(即石墨化)，并与钨化合形成硬度远低于金刚石硬度的WC(1500～1700HV)，加速了刀具的磨损。
3 钨基合金的切削加工
图3
不同材料刀具切削钨基合金时切削行程长度的对比钨基合金是指用粉末冶金烧结，由90%以上的钨和和10%以下的软金属(如Ni、Cu、Co、Mg等)作粘结相组成的合金。它的密度大，故又称高密度合金。通常其抗拉强度大于
981MPa，硬度大于40HRC。由于钨合金的热导率比纯钨小，且切屑成颗粒状，与刀具接触长度短，切削温度高，容易产生积屑瘤和黏结磨损，加工表面质量差。钨基合金的强度高，故切削力大。研究表明，在以ap=0.2mm，f=0.3mm/r，V=90m/min的条件下加工时，其产生的切削力
Fc=900N，背向力(径向力)Fp=450N，进给力(轴向力)Ff=600N。这样大的切削力在刀具刃口上将产生高的能量密度，致使切削刃和与之接触的工件材料上产生极高的热应力，故刀具磨损很快。传统的高速钢刀具已无法对其进行切削加工，须采用具有高切削性能的刀具。图3中示出了采用WC(碳化钨)基硬质合金、复合陶瓷、PCD(聚晶金刚石)和PCBN(聚晶立方氮化硼)四种不同材料刀具切削钨基合金材料(含93%，硬度为
52HRC)时切削行程长度L的对比。表2中列出了四种不同切削刀具材料的性能。试验工作条件如下：
-
表 2 不同切削刀具材料的性能机械性能刀具材料硬质合金(WC基)复合陶瓷立方氮化硼(PCBN)金刚石(PCD)密度
(g/cm3)14～153.8～53.4～4.33.5～4.2硬度 (HV30)1500～17001800～25003000～45004000～5000杨氏模量
(GPa)590～630300～400580～680680～810断裂韧度(Mpa√m)1100200～300370～630680～880热稳定性(℃)800～12001300～18001500600热导率(W/MK)10030～4040～100560热膨胀系数(10-6
/K)5.47.5～83.6～4.94.2～4.9
- 切削用量： 切削速度V=80m/min，进给量f=0.2mm/r，背吃刀量ap=1.2mm。
- 切削液：6%乳化液。
- 刀具磨钝标准：后刀面磨损量VB=0.3mm或刃口碎裂。
图4为用PCBN和WC基硬质合金两种不同材料刀具切削钨基合金(含93%W，硬度为HRC52)时的切削速度V与刀具寿命T的关系曲线。试验工作条件如下：
- 切削参数： 背吃刀量ap=1.2mm； 进给量f=0.3mm/r(PCBN)，f=0.2mm/r(WC钨基合金)。
- 切削液：6%乳化液。
- 刀具磨钝标准：后刀面磨损量VB=0.3mm或刃口碎裂。
图4
用PCBN和WC基硬质合金对钨合金切削时的V-T关系由图3中可知，用WC基硬质合金、复合陶瓷和PCD金刚石切削钨基合金，它们三者在刀具使用寿命上的差别很小。在相同的切削条件下，聚晶立方氮化硼PCBN
刀具的使用寿命要比其它材料刀具高4倍。因此，用PCBN加工钨基合金是合适的，可使刀具有较高的使用寿命。这是由于聚晶立方氮化硼具有更高的热稳定性和导热性的缘故，见表2。加工钨基合金宜用立方氮化硼刀具。试验时用的PCBN有两种牌号：DBC80和DBC50。它们的主要区别在于CBN含量。前者CBN含量高，其CBN的浓度为80%；后者CBN的浓度为50%。结果表明，使用DBC80，刀具寿命有显著提高。用PCBN刀具切削钨基合金时，刀具应锋利，在保证刃口强度的前提下，前、后角应尽可能大。可取：g0=0～10°，a0=8～10°，kr=45～75°，re=0.5mm。切削用量可取：切削速度V=30～80m/min，进给量f=0.05～0.4mm/r，背吃刀量ap=0.5～2mm。切削钨基合金时，也可选用细晶粒或超细晶粒及表面有耐磨涂层的WC基硬质合金刀具，
但其使用寿命较低。 4
结论钨及其合金材料的切削加工性很差。复合陶瓷不适于用来制作切削高钨合金材料的刀具，用PCD金刚石进行切削的刀具寿命同使用WC基硬质合金的寿命相比并无明显提高，使用WC基硬质合金对钨及其合金进行切削加工是不经济的，因为此时刀具寿命很短。钨及其合金材料最好采用PCBN刀具且用CBN含量较多的牌号
(如DBC80)来加工，这样可获得较好的经济效益。
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