聚晶金剛石(PCD)刀具

PCD的定義,PCDPolycrystallinediamond的簡(jiǎn)稱,中文直譯過(guò)來(lái)是聚晶金剛石的意思.它與單晶金剛石相對(duì)應(yīng).摘自:中國(guó)機(jī)械資訊網(wǎng)聚晶金剛石〔PCD〕刀具進(jìn)展概述PCD刀具的進(jìn)展世紀(jì)末到二十世紀(jì)中期，刀具材料以高速鋼為主要代表；1927年德國(guó)首先研制出硬質(zhì)合金晶金剛石〔PCD〕，解決了自然金剛石數(shù)量稀有、價(jià)格昂貴的問(wèn)題，使金剛石刀具的應(yīng)用范圍擴(kuò)展到航空、航天、汽車、電子、石材等多個(gè)領(lǐng)域。PCD刀具的性能特點(diǎn)剛石〔PCD〕的構(gòu)造是取向不一的細(xì)晶粒金剛石燒結(jié)體，雖然參與了結(jié)合劑，其硬度及耐PCDPCD刀具材料的主要性能指標(biāo)：①PCD8000HV80～120倍；②PCD700W/mK1.5～9PCBN和銅，因此PCD刀具熱量傳遞快速；③PCD的摩擦系數(shù)一般僅為0.1～0.3〔硬質(zhì)合金的摩擦系數(shù)為0.～PCD刀具可顯著減小切削力PCD的熱膨脹系數(shù)僅為0.910-～1.1810-61/5PCD刀具熱變形小，加工精度高；⑤PCD刀具與有色金屬和非金屬材料間的親和力很小，在加工過(guò)程中切屑不易粘結(jié)在刀尖上形成積屑瘤。PCD刀具的應(yīng)用PCD1953年在瑞典首次合PCD刀具切削性能的爭(zhēng)論獲得了大量成果，PCD刀具的應(yīng)用范圍及DeBeers公司、GE1995年一季度僅日本的PCD刀具產(chǎn)量10.7萬(wàn)把。PCD刀具的應(yīng)用范圍已由初期的車削加工向鉆削、銑削加工擴(kuò)展。由日本PCD刀具的主要考慮因素是基于PCD進(jìn)展，DeBeers74mm0.3mm的聚晶金剛石復(fù)合片。國(guó)內(nèi)PCD刀具市場(chǎng)隨著刀具技術(shù)水平的進(jìn)展也不斷擴(kuò)大。目前中國(guó)第一汽車集團(tuán)已有一百多個(gè)PCD車刀使用點(diǎn)，很多人造板企業(yè)也承受PCD刀具進(jìn)展木制品加工。PCD刀具的應(yīng)大學(xué)、吉林工業(yè)大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等均在樂(lè)觀開(kāi)展這方面的爭(zhēng)論。國(guó)內(nèi)從事PCD刀具研發(fā)、生產(chǎn)的有上海舒伯哈特、鄭州亞、南京藍(lán)幟、深圳潤(rùn)祥、成都工具爭(zhēng)論所等幾十家單位。目前，PCD刀具的加工范圍已從傳統(tǒng)的金屬切削加工擴(kuò)展到石材加工、木材加工、金PCD刀具應(yīng)用的分析可見(jiàn)，PCD刀具主要應(yīng)用于以下兩方面：①難加工有色金屬材料的加工：用一般刀具加工難加工有色金屬材料時(shí)，往往產(chǎn)生刀具易磨損、加工效率低等缺陷，而PCD刀具則可表現(xiàn)出良好的加工性能。如用PCD刀具可有效加工型發(fā)動(dòng)機(jī)活塞材料——過(guò)共晶硅鋁合金〔對(duì)該材料加工機(jī)理的爭(zhēng)論已取得突破〕PCD硬質(zhì)碳、碳纖維增加塑料〔CFRP〕、人造板材等難加工非金屬材料的加工。如華中理工大學(xué)1990年實(shí)現(xiàn)了用PCD刀具加工玻璃；目前強(qiáng)化復(fù)合地板及其它木基板材〔如MDF〕的應(yīng)用日趨廣泛，用PCD刀具加工這些材料可有效避開(kāi)刀具易磨損等缺陷。PCD刀具的制造技術(shù)PCD刀具的制造過(guò)程PCD刀具的制造過(guò)程主要包括兩個(gè)階段：①PCD復(fù)合片的制造：PCD復(fù)合片是由自然或人工合成的金剛石粉末與結(jié)合〔100～2023℃高壓〔5～10萬(wàn)個(gè)大氣壓〕下燒結(jié)而成。在燒結(jié)過(guò)程中，由于結(jié)合劑的參與，使金剛石晶體TiC、SiC、Fe、Co、Ni等為主要成分的結(jié)合橋，金剛石晶體以共價(jià)鍵形式鑲嵌研磨拋光及其它相應(yīng)的物理、化學(xué)處理。②PCD刀片的加工：PCD刀片的加工主要包括復(fù)合片的切割、刀片的焊接、刀片刃磨等步驟。PCD復(fù)合片的切割工藝由于PCD復(fù)合片具有很高的硬度及耐磨性PCD1。1PCD復(fù)合片切割工藝的比較電火花加工－高度集中的脈沖放電能量、強(qiáng)大的放電爆炸力使PCD材料中的金屬溶化，局部金剛石石墨化和氧化，局部金剛石脫落，工藝性好、效率高超聲波加工－加工效率低，金剛石微粉消耗大，粉塵污染大激光加工－非接觸加工，效率高、加工變形小、工藝性差在上述加工方法中，電火花加工效果較佳。PCD中結(jié)合橋的存在使電火花加工復(fù)合片成為PCDPCD粒削速度會(huì)降低加工外表質(zhì)量，而切削速度過(guò)低則會(huì)產(chǎn)生“拱絲”現(xiàn)象，并降低切割效率。增加PCD刀片厚度也會(huì)降低切割速度。PCD刀片的焊接工藝PCD復(fù)合片與刀體的結(jié)合方式除承受機(jī)械夾固和粘接方法外，大多是通過(guò)釬焊方式將PCDPCD刀片焊接中得到廣泛應(yīng)用。過(guò)程中，焊接溫度的把握格外重要，如焊接溫度過(guò)低，則焊接強(qiáng)度不夠；如焊接溫度過(guò)高，PCD簡(jiǎn)潔石墨化，并可能導(dǎo)致“過(guò)燒”，影響PCD復(fù)合片與硬質(zhì)合金基體的結(jié)合。在實(shí)際加工PCD〔一般應(yīng)低于700℃〕。國(guó)用手工焊接，生產(chǎn)效率較低，質(zhì)量也不夠抱負(fù)。PCD刀片的刃磨工藝〔甚至只有硬質(zhì)合金去除率的萬(wàn)分之一〕。目前，PCD刀具刃磨工藝主要承受樹(shù)脂結(jié)合劑金剛石砂輪進(jìn)展磨削。由于砂輪磨料與PCD之間的磨削是水溶性冷卻液可提高PCD的磨削效率和磨削精度。砂輪結(jié)合劑的選擇應(yīng)視磨床類型和加工條件而定。由于電火花磨削〔EDG〕技術(shù)幾乎不受被磨削工件硬度的影響，因此承受EDG技術(shù)磨削PCD具有較大優(yōu)勢(shì)。某些簡(jiǎn)潔外形PCD刀具〔如木工刀具〕的磨削也對(duì)這種靈敏的磨削工藝具有巨大需求。隨著電火花磨削技術(shù)的不斷進(jìn)展，EDG技術(shù)將成為PCD磨削的一個(gè)主要進(jìn)展方向。PCD刀具的設(shè)計(jì)原則刀具材料的選擇〔1〕合理選擇PCD粒度PCD粒度的選擇與刀具加工條件有關(guān)，如設(shè)計(jì)用于精加工或超精加工的刀具時(shí)，應(yīng)選用強(qiáng)度高、韌性好、抗沖擊性能好、細(xì)晶粒的PCD。粗晶粒PCD刀具則可用于一般的粗加工。PCD材料的粒度對(duì)于刀具的磨損和破損性能影響顯著。爭(zhēng)論說(shuō)明：PCD粒度號(hào)越大，刀具的抗磨損性能越強(qiáng)。承受DeBeers公司SYNDITE002和SYNDITE025兩種PCD材料的刀具加工SiC基復(fù)合材料時(shí)的刀具磨損試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明2μm的SYNDITE002PCD材料較易磨損。2〕合理選擇PCD刀片厚度通常狀況下，PCD0.3～1.0mm，加上硬質(zhì)合金層后的總厚度約為2～8mmPCD層厚有利于刀片的電火花加工。DeBeers0.3mmPCD復(fù)合片可降低磨削力，提高電火花的切割速度。PCD復(fù)合片與刀體材料焊接時(shí)，硬質(zhì)合金層的厚度不能太小，以避開(kāi)因兩種材料結(jié)合面間的應(yīng)力差而引起分層。刀具幾何參數(shù)與構(gòu)造設(shè)計(jì)PCDPCD刀具常用于工件的精加工，切削厚度較小〔有時(shí)甚至等于刀具的刃口半徑〕，屬于微量切削，因此其后角及后刀面對(duì)加工質(zhì)量有明顯影響，較小的后角、較高的后刀面質(zhì)量對(duì)于提高PCD刀具的加工質(zhì)量可起到重要作用。PCD復(fù)合片與刀桿的連接方式包括機(jī)械夾固、焊接、可轉(zhuǎn)位等多種方式，其特點(diǎn)與應(yīng)用范2。表2PCD復(fù)合片與刀桿連接方式的特點(diǎn)與應(yīng)用連接方式－特點(diǎn)－應(yīng)用范圍機(jī)械夾固－由標(biāo)準(zhǔn)刀體及可做成各種集合角度的可換刀片組成－中小型機(jī)床型機(jī)床控機(jī)床用機(jī)床PCD刀具的切削參數(shù)與失效機(jī)理PCD刀具切削參數(shù)對(duì)切削性能的影響切削速度PCD刀具可在極高的主軸轉(zhuǎn)速下進(jìn)展切削加工，但切削速度的變化對(duì)加工質(zhì)量的影響不容刀尖發(fā)生破損，并使機(jī)床產(chǎn)生振動(dòng)。加工不同工件材料時(shí)，PCD刀具的合理切削速度也有所不同，如銑削Al2O3強(qiáng)化地板的合理切削速度為110～120m/min；車削SiC顆粒增加鋁基復(fù)合材料及氧化硅基工程陶瓷的合理切削速度為30～40m/min。進(jìn)給量如PCD刀具的進(jìn)給量過(guò)大，將使工件上剩余幾何面積增加，導(dǎo)致外表粗糙度增大；如進(jìn)給量過(guò)小，則會(huì)使切削溫度上升，切削壽命降低。切削深度增加PCD刀具的切削深度會(huì)使切削力增大、切削熱上升，從而加劇刀具磨損，影響刀具壽命。此外，切削深度的增加簡(jiǎn)潔引起PCD刀具崩刃。不同粒度等級(jí)的PCD刀具在不同的加工條件下加工不同工件材料時(shí)，表現(xiàn)出的切削性能也不盡一樣，因此應(yīng)依據(jù)具體加工條件確定PCD刀具的實(shí)際切削參數(shù)。PCD刀具的失效機(jī)理刀具的磨損形式主要有磨料磨損、粘結(jié)磨損〔冷焊磨損〕、集中磨損、氧化磨損、熱電磨損等。PCD刀具的失效形式與傳統(tǒng)刀具有所不同，主要表現(xiàn)為聚晶層破損、粘結(jié)磨損和集中磨損。爭(zhēng)論說(shuō)明，承受PCD刀具加工金屬基復(fù)合材料時(shí)，其失效形式主要為粘結(jié)磨損和由金剛石晶粒缺陷引起的微觀晶間裂紋。在加工高硬度、高脆性材料時(shí)，PCD刀具的粘結(jié)磨損并不明顯；相反，在加工低脆性材料〔如碳纖維增加材料〕時(shí)，刀具的磨損增大，此時(shí)粘接磨損起主導(dǎo)作用。結(jié)語(yǔ)PCD刀具因其良好的加工質(zhì)量和加工經(jīng)濟(jì)性在非金屬材料、有色金屬及其合金材料、金屬基復(fù)合材料等切削加工領(lǐng)域顯示出其它刀具難以比較的優(yōu)勢(shì)。隨著PCD刀具的理論爭(zhēng)論日益深入及其應(yīng)用技術(shù)的進(jìn)一步推廣，PCD刀具在超硬刀具領(lǐng)域的地位將日益重要，其應(yīng)用范圍也將進(jìn)一步拓展。為在精加工非鐵金屬尤其是鋁材料時(shí)有效把握切屑，