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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/cm3 19.32
热导率W/(m·K) 166.2
线膨胀系数10-6/℃ 4.6
弹性模量MPa 35316
硬度HBS 290～350
抗拉强度MPa 981～1472
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：
  1. 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。
  2. 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。
  3. 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。

2 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) 14～15 3.8～5 3.4～4.3 3.5～4.2
    硬度(HV30) 1500～1700 1800～2500 3000～4500 4000～5000
    杨氏模量(GPa) 590～630 300～400 580～680 680～810
    断裂韧度(Mpa√m) 1100 200～300 370～630 680～880
    热稳定性(℃) 800～1200 1300～1800 1500 600
    热导率(W/MK) 100 30～40 40～100 560
    热膨胀系数(10-6/K) 5.4 7.5～8 3.6～4.9 4.2～4.9
  • 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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