人造聚晶金刚石复合片刀具的性能和应用

摘要:人造聚晶金刚石复合片刀具(PCD),是20世纪60年代发展起来的一种超硬刀具。它具有仅次于天然金刚石的硬度和耐磨性、低的摩擦系数、高的导热性、低的线膨胀系数和高的复合抗弯强度,而应用于高速切削各种有色金属、非金属。其刀具耐用度是硬质合金的几十至几百倍。

关键词:聚晶金刚石 性能 应用

一、前言

随着科学技术的发展,超硬刀具材料——人造金刚石为基础的聚晶产品,最近几十年来,在许多工业发达国家得到广泛的重视,形成一定规模的生产与应用,成为换代的刀具材料。因为这些刀具材料制成刀具后,为机械加工高的切削速度、高的刀具耐用度、高的加工精度和低的表面粗糙度,特别是难切削材料的切削加工,提供了良好的条件,它的广泛应用,将成为刀具发展的必然趋势。

最近十几年来,我国和一些工业发达国家特别重视金刚石聚晶复合片刀具的生产和应用。用这些聚晶复合片制成刀具,使刀具的抗弯强度高,耐用度成几十倍至几百倍提高的使用特性。

根据有关资料统计,1990年,在世界刀具市场中,金刚石聚晶复合片的刀具费用为8500万元美元,占市场比例的19%。

我国在60年代就成功的研制出人造金刚石。又在此基础上,用高温、高压技术在硬质合金基体上烧结一层聚晶金刚石,两者形成一体的刀坯。这样就将金刚石的高硬度高耐磨性和硬质合金的韧性结合在一起。这种刀片称人造聚晶金刚石复合片,简称为PCD。

二、人造聚晶金刚石复合片的性能与切削特点:

1．硬度为HV7500～9000,仅次于天然金刚石,而且它的硬度和耐磨性在各方向一致,不需选向。它的强度由于有韧性较高的硬质合金支撑,其复合抗弯强度σbb可达1500Mpa。

2．具有很高的耐磨性,其耐磨性一般为硬质合金的60～80倍。在切削硬度较高的(HV>1500)非金属材料时,其刀具耐用度极高。

3．具有较低的摩擦系数,金刚石与有色金属的摩擦系数为0.1～0.3,而硬质合金与有色金属的摩擦系数是0.3～0.6,这样用PCD刀具时,可降低切削力和切削温度约1/2～1/3。

4．具有很高的导热性,金刚石的导热系数为146W/m.k,是硬质合金的1.5～7倍,可以大大的降低切削区的温度,提高刀具耐用度。

5．金刚石的线膨胀系数很小(0.9～1.18×10-6mm/mm.℃),约为一般钢(11×10-6mm/mm.℃)的1/10。而且由于刀刃锋利,已加工表面冷硬现象小(6μm左右),为硬质合金刀具的1/3左右,所以加工精度好。

6．由于聚晶层晶粒直径一般约为2～0.5μm,它的刃口锋利程度不如天然金刚石刀具,所以加工精度低于天然金刚石刀具,只能达到表面粗糙度Ra0.2～0.05μm．但它还可以制成尺寸较大的刀片,用于成形加工。

三、PCD的应用PCD刀具主要用于高效切削有色金属和非金属。如铝和铝合金、铜和铜合金、硬质合金、工程陶瓷、石墨、塑料、橡胶、层板、硅橡胶、巴氏合金、各种复合材料、玻璃钢等。特别在汽车制造业、航天、航空、造船、发动机制造行业,可得到广泛的应用。

1．在硅铝合金切削加工中的应用:美、英、德等国,采用PCD刀具加工硅铝合金(含硅量9～18%)的汽车活塞、传动箱、气缸、船用发动机等零件,切削速度Vc=173～1098m/min,其刀具寿命为硬质合金刀具寿命的50～450倍；是单晶金刚石刀具的2～5倍。刀具成本为硬质合金的1/5～1/6。

2．在铜合金切削加工中的应用:用PCD刀具加工整流子、连杆套、泵体、滑动轴承和阀体等零件,切削速度Vc=200～750m/min,刀具寿命是单晶金刚石刀的1.5～60倍,是硬质合金刀具的300倍。可省去大量的磨刀和换刀时间。

3．在复合材料加工中的应用:采用PCD刀具切削玻璃纤维增强复合材料,其刀具耐用度是硬质合金刀具的1/20,并且加工精度比硬质合金高。

4．在钛合金切削中的应用:用它切削钛合金的效果非常显著,其刀具耐用度为硬质合金刀具的1000多倍。而且它与钛合金的相互扩散最小。

5．在切削硬质合金中的应用:用PCD刀具采用Vc=28～56m/min,ap=0.5mm,f=0.1～0.3mm/r车削模具用硬质合金(YG15、YG20),效率比磨削高许多倍。

6．在切削砂轮中的应用:用PCD刀具车削硬度为HV1800～2450刚玉类各种结合剂的砂轮几百个,其刀具磨耗体积与砂轮切除体积比例为1/1350万。较传统的刀碗车削效率高几十倍,且噪音没有,粉尘也小。

7．在砂轮整修中的应用:用PCD刀片制作成如图所示的休整工具,来修整磨刀机上的砂轮,具有修整效率高,砂轮修除量小,被修整砂轮表面跳动小而平整,受到社会上的欢迎。8．PCD刀具切削其它非金属材料中的应用:见表1注:Y—为硬质合金,J—为单晶金刚石

四、用PCD刀具的工艺条件

1．一般的机床都可以使用PCD刀具。在精密切削时,应选用精度高、振动小的机床。

2．使用PCD刀具切削时,既可以干切,也可以湿切。湿切时,使用水溶液或乳化液。

3．PCD刀具几何参数:γ0=5°～-10°,后角α0≤15°,刀尖圆弧半径rt应比硬质合金刀具大一些,以保证刀尖有足够的强度的同时,又能达到较低的工件表面粗糙度。PCD刀具的耐磨性很高,刃口可以长时间保持锋利,不会因前角小而使切削力增大。在切削砂轮时,最好采用圆形刀片,使切入切出平稳,砂轮不易崩边。

4．使用PCD刀具的切削用量:由于PCD刀具具有很高的硬度和耐磨性及高的导热性,应采用高于硬质合金的几倍切削速度,但必须把切削温度控制在700℃以下。切削各种材料的切削用量见表2。

五、PCD刀具的刃磨

由于PCD刀片上金刚石聚晶的硬度很高,刃磨比较困难。可采用宽度20～25mm的杯形金刚石砂轮,金刚石浓度为100%(4.4克拉/cm3),树脂结合剂中等硬度,金刚石粒度采用280#。为了提高刃口刃磨质量,也可采用金属结合剂,金刚石浓度为125%(5.5克拉/cm3)的金刚微粉砂轮。金刚石砂轮还必须经过修整和用400#碳化硅油石与900#氧化铝油石去除多余的结合剂和金刚石磨粒上的镍层。在修整的过程中,必须使用切削液。切削液一般用水和防锈剂的混合液。

磨削用量:磨削速度Vc=24～26m/s,精磨时,Vc=13～18m/s,切削深度ap=0.01mm/双行程。

六、结论

PCD刀具是高速切削各种有色金属和非金属应首选的刀具。它的切削速度高,刀具耐用度是硬质合金的几十至几百倍。加工时的刀具成本远比硬质合金低。由于它的硬度高、耐磨性好,刃口能较长时间保持锋利,所加工工件的表面质量好。它虽然是金刚石,但价值低,是天然金刚石的几十分之一。

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