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关于PCD刀具相关技术及应用资料

发布者: 顺畅 | 发布时间: 2021-4-30 08:19| 查看数: 66| 评论数: 0|帖子模式

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  关于PCD刀具
PCD超硬刀具是采用超硬材料PCD(聚晶金刚石)与刀具基体通过特殊工艺制成的刀具。


  PCD刀具的特点:
硬度高、抗压强度高、导热性好、耐磨性好。


  主要指标:
1、PCD的硬度可达8000HV,为硬质合金的8~12倍;

2、PCD的导热系数为700W/mK,为硬质合金的1.5~9倍,甚至高于PCBN和铜,因此PCD刀具热量传递迅速;

3、PCD的摩擦系数一般仅为0.1~0.3(硬质合金的摩擦系数为0.4~1),因此PCD刀具可显著减小切削力;

4、PCD的热膨胀系数仅为0.9×10^-6~1.18×10^-6,仅相当于硬质合金的1/5,因此PCD刀具热变形小,加工精度高;

5、PCD刀具与有色金属和非金属材料间的亲和力很小,在加工过程中切屑不易粘结在刀尖上形成积屑瘤。


  制造技术:
制造过程
PCD刀具的制造过程主要包括两个阶段:

1、PCD复合片的制造:PCD复合片是由天然或人工合成的金刚石粉末与结合剂(其中含钴、镍等金属)按一定比例在高温(1000~2000℃)、高压(5~10万个大气压)下烧结而成。在烧结过程中,由于结合剂的加入,使金刚石晶体间形成以TiC、SiC、Fe、Co、Ni等为主要成分的结合桥,金刚石晶体以共价键形式镶嵌于结合桥的骨架中。通常将复合片制成固定直径和厚度的圆盘,还需对烧结成的复合片进行研磨抛光及其它相应的物理、化学处理。

2、PCD刀片的加工:PCD刀片的加工主要包括复合片的切割、刀片的焊接、刀片刃磨等步骤。
切割工艺
由于PCD复合片具有很高的硬度及耐磨性,因此必须采用特殊的加工工艺。目前,加工PCD复合片主要采用电火花线切割、激光加工、超声波加工、高压水射流等几种工艺方法,其工艺特点的比较见表1。




在上述加工方法中,电火花加工效果较佳。PCD中结合桥的存在使电火花加工复合片成为可能。在有工作液的条件下,利用脉冲电压使靠近电极金属处的工作液形成放电通道,并在局部产生放电火花,瞬间高温可使聚晶金刚石熔化、脱落,从而形成所要求的三角形、长方形或正方形的刀头毛坯。电火花加工PCD复合片的效率及表面质量受到切削速度、PCD粒度、层厚和电极质量等因素的影响,其中切削速度的合理选择十分关键,实验表明,增大切削速度会降低加工表面质量,而切削速度过低则会产生“拱丝”现象,并降低切割效率。增加PCD刀片厚度也会降低切割速度。
焊接工艺
PCD复合片与刀体的结合方式除采用亿博直播夹固和粘接方法外,大多是通过钎焊方式将PCD复合片压制在硬质合金基体上。焊接方法主要有激光焊接、真空扩散焊接、真空钎焊、高频感应钎焊等。目前,投资少、成本低的高频感应加热钎焊在PCD刀片焊接中得到广泛应用。在刀片焊接过程中,焊接温度、焊剂和焊接合金的选择将直接影响焊后刀具的性能。在焊接过程中,焊接温度的控制十分重要,如焊接温度过低,则焊接强度不够;如焊接温度过高,PCD容易石墨化,并可能导致“过烧”,影响PCD复合片与硬质合金基体的结合。在实际加工过程中,可根据保温时间和PCD变红的深浅程度来控制焊接温度(一般应低于700℃)。国外的高频焊接多采用自动焊接工艺,焊接效率高、质量好,可实现连续生产;国内则多采用手工焊接,生产效率较低,质量也不够理想。
刃磨工艺
PCD的高硬度使其材料去除率极低(甚至只有硬质合金去除率的万分之一)。目前,PCD刀具刃磨工艺主要采用陶瓷结合剂金刚石砂轮进行磨削。由于砂轮磨料与PCD之间的磨削是两种硬度相近的材料间的相互作用,因此其磨削规律比较复杂。对于高粒度、低转速砂轮,采用水溶性冷却液可提高PCD的磨削效率和磨削精度。砂轮结合剂的选择应视磨床类型和加工条件而定。由于电火花磨削(EDG)技术几乎不受被磨削工件硬度的影响,因此采用EDG技术磨削PCD具有较大优势。某些复杂形状PCD刀具(如木工刀具)的磨削也对这种灵活的磨削工艺具有巨大需求。随着电火花磨削技术的不断发展,EDG技术将成为PCD磨削的一个主要发展方向。


  PCD刀具的分类:
金属切削用PCD刀具
金属切削用 PCD刀具从结构上主要分为焊接式PCD刀具和可 转 位 PCD刀 片 。近 年 来 焊 接 式 带柄 PCD刀具在汽车及其零部件行业发展迅速。主要有 PCD 铣 刀 、PCD 镗 刀 、PCD 铰刀或者以上两种甚至三种以上刀具的组合 PCD刀具,刀柄形式主要为圆柱柄、BT柄 (BT40和 BT50)、SK柄 (SK40和 SKS0)、HSK柄 (HSK63和 HSK100)等。
木材加工用 PCD刀具
PCD刀具还大量用于木材加工业。PCD木工 刀具主要可分为 PCD锯片和 PCD成形木工铣刀两大类。


  设计原则:
PCD粒度
PCD粒度的选择与刀具加工条件有关,如设计用于精加工或超精加工的刀具时,应选用强度高、韧性好、抗冲击性能好、细晶粒的PCD。粗晶粒PCD刀具则可用于一般的粗加工。PCD材料的粒度对于刀具的磨损和破损性能影响显著。研究表明:PCD粒度号越大,刀具的抗磨损性能越强。采用DeBeers 公司SYNDITE 002和SYNDITE025两种PCD材料的刀具加工SiC基复合材料时的刀具磨损试验结果表明,粒度为2μm的SYNDITE002PCD材料较易磨损。
刀片厚度
通常情况下,PCD复合片的层厚约为0.3~1.0mm,加上硬质合金层后的总厚度约为2~8mm。较薄的PCD层厚有利于刀片的电火花加工。DeBeers公司推出的0.3mm厚PCD复合片可降低磨削力,提高电火花的切割速度。PCD复合片与刀体材料焊接时,硬质合金层的厚度不能太小,以避免因两种材料结合面间的应力差而引起分层。
结构设计
PCD刀具的几何参数取决于工件状况、刀具材料与结构等具体加工条件。由于PCD刀具常用于工件的精加工,切削厚度较小(有时甚至等于刀具的刃口半径),属于微量切削,因此其后角及后刀面对加工质量有明显影响,较小的后角、较高的后刀面质量对于提高PCD刀具的加工质量可起到重要作用。

PCD复合片与刀杆的连接方式包括亿博直播夹固、焊接、可转位等多种方式,其特点与应用范围见表2。





  切削参数:
切削速度
PCD刀具可在极高的主轴转速下进行切削加工,但切削速度的变化对加工质量的影响不容忽视。虽然高速切削可提高加工效率,但在高速切削状态下,切削温度和切削力的增加可使刀尖发生破损,并使机床产生振动。加工不同工件材料时,PCD刀具的合理切削速度也有所不同,如铣削Al2O3强化地板的合理切削速度为110~120m/min;车削SiC颗粒增强铝基复合材料及氧化硅基工程陶瓷的合理切削速度为30~40m/min。
进给量
如PCD刀具的进给量过大,将使工件上残余几何面积增加,导致表面粗糙度增大;如进给量过小,则会使切削温度上升,切削寿命降低。
切削深度
增加PCD刀具的切削深度会使切削力增大、切削热升高,从而加剧刀具磨损,影响刀具寿命。此外,切削深度的增加容易引起PCD刀具崩刃。

不同粒度等级的PCD刀具在不同的加工条件下加工不同工件材料时,表现出的切削性能也不尽相同,因此应根据具体加工条件确定PCD刀具的实际切削参数。


  PCD刀具 的发展趋 势和应用前景:
目前我国刀具技术与国外差距主要表现在高性能刀具材料的研发、刀具制备工艺技术及刀具使用技术等领域。对于PCD刀具,由于可以购买国外如Element Six或Diamond Enovation等公司的材料,所以关键在于刀具制备工艺技术和刀具使用技术等方面。今后随着中国汽车以及航空航天行业的高速发展,关于PC D刀具的制备工艺技术和使用技术必将得到重视和发展。

今后铝、锰和其他轻合金以及钛合金、烧结合金及其他高强度合金将越来越多地用作汽车动力系统零部件的材料,能够加工这些材料的金刚石工具预期将有非常大的增长。另外,由于PCD刀具具有高硬度、高耐热性、长寿命、切屑刃锋利性和良好的热传导性等,可以满足汽车零部件加工对高速、高效、高精度、新材料和新形状的要求,所以PCD刀具必将得到越来越广泛的使用。

免责声明:本文整理自王永国、陈明的《PCD刀具的研究现状》,王永国、涂国才、刘刚的《制备 PCD 刀具的关键工序》,琮烦扰:爱锐网



               

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