金剛石工具的用途

/金剛石工具的用途金剛石工具在有色金屬和耐磨材料的加工應(yīng)用中，有杰出的適應(yīng)性。在工具材料中，金剛石是最硬的。在合適的加工條件下，金剛石比高速鋼、硬質(zhì)合金、陶瓷以及聚晶立方氮化硼的使用壽命都長(zhǎng)。它也有不足之處，就是：一般不適用于黑色金屬材料的加工。但在高速大批量生產(chǎn)中，加工諸如鋁和石墨等材料，金剛石往往是最有效的工具。在使用金剛石工具時(shí)，用戶可以有兩種選擇：一種是聚晶金剛石（PCD），另一種是較新的化學(xué)氣相沉積（CVD）金剛石。使用性能早經(jīng)證明聚晶金剛石具有天然金剛石的硬度、強(qiáng)度和抗磨性，但沒有天然金剛石對(duì)破損的敏感性。它是在高溫、高壓下，由人造金剛石顆粒聚合而成。在工藝過程中，形成聚晶的顆粒同時(shí)被整體粘接到一塊硬質(zhì)合金基體上，以提高機(jī)械強(qiáng)度和抗沖擊性能。依照GE公司超級(jí)磨料部的說法，PCD很適用于鋁的高速切削，特別適于須達(dá)到良好表面粗糙主的場(chǎng)合，它在加工高耐磨性材料時(shí)，也表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。通常，PCD推舉用于切削高硅鋁合金，也用于黃銅、紫銅、青銅以及碳化物的加工。使用的工序包括車、鏜、仿形、切槽、銑和孔加工等。由于金剛石和鐵之間化學(xué)作用，一般來說PCD不適用于加工黑色金屬材料。但是它能應(yīng)付雙金屬材料的加工，包括鋁和鑄鐵的組合在內(nèi)。例如：某汽車零件供應(yīng)商在加工鋁和鑄鐵雙金屬汽缸體時(shí)，使用直徑305mm的刀夾式面銑刀，刀尖圓弧2.36mm，帶修光刀，切削速度304.8m/min，進(jìn)給0.10mm/齒，切深5mm，加工達(dá)5000個(gè)汽缸體后，刀片才需轉(zhuǎn)位一次。GE公司的應(yīng)用規(guī)劃經(jīng)理認(rèn)為PCD的應(yīng)用，受到了大批量生產(chǎn)工業(yè)界，重要是汽車工業(yè)日益提高鋁件加工速度的推動(dòng)。與此同時(shí)，汽車制造商為了減輕重量和降低費(fèi)用，正在就采納金屬基體的復(fù)合材料進(jìn)行評(píng)估，而這類材料都要用PCD來加工。他說：“這類材料不能用硬質(zhì)合金刀具加工。”聚晶產(chǎn)品生產(chǎn)經(jīng)理稱，盡管PCD的進(jìn)展成就已給人以非常深刻的印象，但GE公司超級(jí)磨料部仍持續(xù)不斷地工作，以求進(jìn)一步改善其抗磨性。PCD工具在應(yīng)用范圍和生產(chǎn)效率方面，都為加工過程帶來諸多好處。盡管金剛石在現(xiàn)有材料中是最硬的，其材料特性和韌性等問題仍須進(jìn)一步討論。改善PCD韌性的一個(gè)因素是，加鈷元素使其進(jìn)入隨機(jī)不定向排列的金剛石晶粒之間。此外，硬質(zhì)合金基體對(duì)金剛石磨料層也能起機(jī)械支承作用，從而加添了抗沖擊本領(lǐng)，并在工具制造中便于釬焊。PCD的另一個(gè)好處是，現(xiàn)有的各種牌號(hào)系列已能充足任何有色金屬加工使用的需要。一般說來，細(xì)顆粒金剛石用于被加工材料的耐磨性較低而表面粗糙度要求特別高的場(chǎng)合；中顆粒金剛石一般作為機(jī)械加工的通用牌號(hào)；粗顆粒金剛石用于粗加工特別抗磨的材料，但表面粗糙度要求不高之處。PCD工具使用中降低成本和提高性能的實(shí)例—————————————————————————————————————————————————————————使用場(chǎng)合汽車進(jìn)氣管銑削—————————————————————————————————————————————————————————材料4227鋁（含硅5.5%～7%）—————————————————————————————————————————————————————————工序精銑法蘭面—————————————————————————————————————————————————————————刀具參數(shù)銑刀直徑175mm；PCD刀片：12.7mm方形，10片；+5前角，刀片后角11。原用WC硬質(zhì)合金，+20前角，刀片后角25—————————————————————————————————————————————————————————加工參數(shù)速度670m/min，進(jìn)給0.18mm/齒，切深0.76mm，有冷卻—————————————————————————————————————————————————————————刀具費(fèi)用PCD80美元，WC6美元—————————————————————————————————————————————————————————刀具壽命PCD250000件，WC800件—————————————————————————————————————————————————————————其他好處無加工毛刺，生產(chǎn)率提高15%，輔佑襄助時(shí)間削減刀具費(fèi)用分難到每個(gè)工件，降低85%—————————————————————————————————————————————————————————金剛石族的新成員化學(xué)氣相沉積（VCD）金剛石，是一種高抗磨性的純金剛石材料，不含粘接劑。金剛石沉積分為兩種形式：一種是厚膜金剛石，沉積成整體的、單獨(dú)的薄片，然后切割成所需尺寸；另一種是薄膜金剛石，沉積在硬質(zhì)合金刀片或回轉(zhuǎn)式刀具上。迄今為止，CVD金剛石最有前景的用途是加工石墨。但是，NortonDiamondFilm公司卻正在出售各種用途的CVD金剛石用于加工有色金屬、塑料和復(fù)合材料。Norton公司的應(yīng)用技術(shù)經(jīng)理認(rèn)為，CVD金剛石幾乎適用于全部有色金屬。在高硅鋁合金的斷續(xù)切削以及預(yù)燒結(jié)硬質(zhì)合金、黃銅、紫銅和碳纖維材料的加工中，正在取得良好的結(jié)果。Norton公司還信任：CVD金剛石在加工很寬范圍的鋁合金材料（包括6061及其他）時(shí)，能夠和PCD旗鼓相當(dāng)。Norton公司應(yīng)用技術(shù)經(jīng)理還認(rèn)為，CVD金剛石和PCD相比，重要優(yōu)點(diǎn)在切削刃的品質(zhì)。雖然CVD也是聚晶，但它不含鈷粘結(jié)劑，是純金剛石，所以切削刃是連續(xù)的。這樣就能采納有較高的切削速度并獲得較好的表面粗糙度，由于刀具不易變熱。他還堅(jiān)信，積屑瘤對(duì)CVD金剛石不構(gòu)成問題。按Norton公司的資料，CVD金剛石的導(dǎo)熱性比PCD高50%。其原因是CVD刀片為整體金剛石，可以立刻把熱量導(dǎo)出。而PCD刀片的熱傳導(dǎo)要穿過鈷—金剛石復(fù)合體，導(dǎo)熱性就差一些。CVD金剛石還具有較低的摩擦系數(shù)。硬質(zhì)合金和PCD都會(huì)粘結(jié)工件材料，CVD金剛石則不粘。與此同時(shí)，低摩擦系數(shù)還使CVD金剛石刀具能承受較大的切削負(fù)荷，從而使切削更快速、更有效。CVD金剛石在使用中呈現(xiàn)熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性。而PCD和硬質(zhì)合金在這方面就受到含有金屬成分粘結(jié)劑的影響。把CVD金剛石放進(jìn)鹽酸里，什么都不會(huì)發(fā)生。但若把PCD金剛石放進(jìn)去，酸會(huì)吃掉鈷結(jié)合劑。這就意味著CVD金剛石能經(jīng)受住某些材料在加工中生成酸的侵襲，例如酚醛樹脂、尿脘橡膠、降碳酸酯等。雖然全部形態(tài)的金剛石（包括PCD）在高溫時(shí)都要和黑色金屬或超級(jí)合金中的一些成分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，但是眾所周知，對(duì)多數(shù)材料而言金剛石仍具有化學(xué)惰性。PCD和硬質(zhì)合金由于含有鈷結(jié)合劑，切削溫度高時(shí)會(huì)發(fā)生化學(xué)穩(wěn)定性降低現(xiàn)象。CVD金剛石不含結(jié)合劑，就避開了這種現(xiàn)象。此外，CVD金剛石還有良好的潤(rùn)滑性和導(dǎo)熱性，使它具備了在高速和干式切削中使用的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)。CVD金剛石最后一項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)是：即使在切削溫度很高時(shí)，仍保持高硬度和耐磨性。Norton公司的應(yīng)用技術(shù)經(jīng)理Nagy指出：“由于沒有松軟的鈷包著金剛石，所以刀片硬度均勻一致?！惫饷鞯那熬癎E公司超級(jí)磨料部和NortonDiamondFilm公司都認(rèn)為：目前很多生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)沒有充分發(fā)揮金剛石的優(yōu)勢(shì)。原因是現(xiàn)在很多機(jī)床的速度和扭矩，都不足以保證刀具高效率運(yùn)轉(zhuǎn)。除了機(jī)