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如何正確選用金剛石刀具材料

關(guān)鍵詞 單晶金剛石 , PCD , CVD , 金剛石 , 耐磨零部件|2013-03-15 08:49:46|應(yīng)用技術(shù)|來源 中國磨料磨具網(wǎng)
摘要 目前,單晶金剛石、PCD(或PCD/CC)、以及CVD金剛石均成功用作車刀、鏜刀、鉆頭、鉸刀、銑刀、成形刀和切齒刀具等切削部分的制作材料。金剛石材料的品種必須根據(jù)所加工材料的性質(zhì)和...

  目前,單晶金剛石PCD(或PCD/CC)、以及CVD金剛石均成功用作車刀、鏜刀、鉆頭、鉸刀、銑刀、成形刀和切齒刀具等切削部分的制作材料。

  金剛石材料的品種必須根據(jù)所加工材料的性質(zhì)和加工要求來選擇,除滿足技術(shù)要求外,還應(yīng)滿足經(jīng)濟(jì)和環(huán)保性能的要求。

  PCD和PCD/CC材料

  PCD和PCD/CC是生產(chǎn)中最常用的金剛石材料,它不僅適用通常機(jī)械加工領(lǐng)域,還廣泛地應(yīng)用在汽車、摩托車、高速列車、石油、化工、建筑、木材加工以及航空航天等工業(yè)部門。在汽車和摩托車領(lǐng)域中,PCD和PCD/CC適用于加工發(fā)動機(jī)鋁合金活塞的裙部、銷孔、汽缸體、變速箱、化油器等耐磨零部件。而這些零部件大多是含矽量較高(Si>12%)的鋁基復(fù)合材料,其內(nèi)高硬度的硬質(zhì)顆粒(如SiC的硬度高達(dá)3000~3500HV)分布在鋁合金基體中,猶如砂輪中的磨粒一樣會對刀具的切削刃起刮磨和沖擊作用,而使切削刃很快磨損。硬質(zhì)顆粒的硬度越高、顆粒的尺寸越大、顆粒的數(shù)量越多,則刀具磨損越快。因此,用傳統(tǒng)的硬質(zhì)合金刀具很難進(jìn)行加工,刀具壽命很低或根本無法使用。金剛石是世界上已知的最硬物質(zhì),實(shí)際使用證明,它是加工鋁基復(fù)合材料的最佳刀具材料。

  用PCD金剛石加工鋁基復(fù)合材料,其切削速度可達(dá)800~1000m/min,刀具壽命可比硬質(zhì)合金高幾倍甚至幾十倍,加工表面粗糙度值可達(dá)Ra0.025~0.012μm。圖2所示為用PCD刀具鉆加工20%SiCυ的鋁基復(fù)合材料螺旋泵殼的應(yīng)用實(shí)例。

  用PCD(或PCD/CC)刀具加工碳纖維和玻璃纖維增強(qiáng)塑料(FRP)時(shí),切屑成粉狀,切削溫度低,且切削長度為K類硬質(zhì)合金刀具的10倍,而磨損卻不到硬質(zhì)合金刀具的1/3。

  PCD(或PCD/CC)刀具也適用于加工預(yù)燒後的硬質(zhì)合金和耐磨的非金屬材料,如陶瓷、橡膠、石墨、玻璃和各種耐磨木材等。

  PCD刀具的性能主要取決于它的應(yīng)用場合和所涉及的加工過程,但選擇適當(dāng)?shù)呐铺柡皖w粒尺寸也會對其產(chǎn)生影響。不同品種的PCD刀片,由于其組成成份不同,切削性能有很大的差異,選用時(shí)須加以注意。

  目前PCD刀片不像硬質(zhì)合金那樣在國際上有統(tǒng)一的分類,各生產(chǎn)廠都有各自的品種與牌號,使用時(shí)須參照廠家樣品來選擇。

  DeBeers公司生產(chǎn)的PCD刀片有002、010和025幾種,晶粒的平均尺寸分別為2μm(細(xì)晶粒)、10μm(中晶粒)和25μm(粗晶粒)。晶粒尺寸越大則磨性越好,刀具壽命越高,但切削刃較粗糙,刃口質(zhì)量差,難以制成高精度刀具;中晶粒一般作為機(jī)械加工的通用牌號;細(xì)晶粒刀具的切削刃的刃口鈍圓半徑小,易加工出良好的表面質(zhì)量。因而目前聚晶的晶粒不斷細(xì)化,并已有1μm甚至有0.5μm以下的細(xì)晶,需根據(jù)粗、精加工等不同工序要求,選用不同大小的晶粒。

  單晶金剛石刀具材料

  單晶金剛石與PCD(或PCD/CC)以及PCD(或PCD/CC)與CVD金剛石之間能很好地相互補(bǔ)充,也存在著一些相互交叉的應(yīng)用領(lǐng)域。

  單晶金剛石切出的工件表面呈連續(xù)狀,而用PCD切出的工件表面呈現(xiàn)出微米量級的不連續(xù)狀態(tài),因此PCD只適用于普通的機(jī)械加工領(lǐng)域,對于一些有特殊要求的拋光工藝,如制備Al2O3鏡面時(shí),只有使用天然單晶金剛石才能達(dá)到所要求的表面粗糙度和尺寸公差。

  天然金剛石中較少見大尺寸金剛石,但人工合成大尺寸金剛石目前已經(jīng)成為可能。用其加工高耐磨的層狀木板時(shí),其性能要優(yōu)于PCD金剛石,不會引起刃口過早鈍化。在加工鋁基復(fù)合材料時(shí),既可采用PCD也可使用TFD(CVD厚膜)。圖3所示為用PCD與TFD兩種金剛石加工40%SiCυA356MMC材料時(shí)的刀具磨損曲綫。圖3試驗(yàn)時(shí)采用的切削條件為:切削速度400m/min,進(jìn)給量為0.05mm/r,背吃刀量(切削深度)0.5mm,加切削液。由實(shí)驗(yàn)可知,加工40%SiCυ鋁基復(fù)合材料,使用厚膜金剛石TFD的效果最好,PCD025次之,PCD002刀具的使用壽命最低。

  由于各類金剛石在適應(yīng)面上的互補(bǔ)性,金剛石刀具可加工范圍有所擴(kuò)展,人工合成金剛石替代天然金剛石,CVD金剛石替代PCD金剛石的趨勢也日漸明顯。切削加工也由此而進(jìn)入了一個(gè)可實(shí)現(xiàn)高效、經(jīng)濟(jì)加工的新時(shí)期,其替代程度決定于技術(shù)和經(jīng)濟(jì)兩方面因素,尤其是刀片的成型、刃磨和焊的難易程度將直接影響金剛石刀具的價(jià)格和性能。

  通常PCD刀具適合于粗加工和要求刀具有較高斷裂韌性的生產(chǎn)中,CVD厚膜和單晶金剛石刀具多用於高速精加工和半精加工。


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