用于新材料的新型切削刀具

为了满足当今世界环保的挑战,汽车制造生产的趋势聚焦于降低燃油消耗和减轻汽车重量。这些要求通过研发机械性能更高的新材料来实现。当这些材料的开发达到了预期的目标时,不利的一面是这些新型材料对加工来说总是硬度更高且更耐磨。

在聚晶金刚石(PCD)的刀具系列中,进展也越来越快。第一次合成是在二十世纪五十年代,PCD现在在全球范围内使用,并被看成是强有力的节约成本的刀具解决方案。

有色工件材料范围内,对于一系列的非铁系工件材料,如铝合金、塑料、增强塑料、陶瓷、石墨和范围广泛的其它工件材料,它是一种性能无与伦比的刀具材料。

PCD刀具特性

金刚石
金刚石本质上是一种纯碳。已知的碳有两种形态:石墨和金刚石。在石墨形态中,碳原子为六边形排列,在一个平面内的原子间距大,这使得材料很软。但是就金刚石而言,碳原子是以一种等轴或立方的晶体结构进行排列。正是这种独特的碳原子紧密连接的排列使得金刚石成为人类已知硬度最高的材料。其努氏硬度、断裂韧性、导热性性能见图1、2、3。

图1 努氏硬度

图2 断裂韧性

图3 导热性

制备工艺
PCD是由大量随机定向的金刚石颗粒在极困难的条件下进行人工合成得到的。它通过在高压高温下烧结精选的金刚石颗粒进行制备。烧结过程在金刚石稳定区内被严格地控制,于是生产出一种极硬且耐磨的结构。

特性
PCD是由大量随机定向的金刚石颗粒在极困难的条件下进行人工合成得到的。它通过在高压高温下烧结精选的金刚石颗粒进行制备。烧结过程在金刚石稳定区内被严格地控制,于是生产出一种极硬且耐磨的结构。

特性
以聚晶形态组成的金刚石提供了一种强大的切削刀具,它提供极好的硬度及由此得到的耐磨性,并与聚晶结构所带来的极佳韧性相结合。此外,金刚石拥有所有刀具材料中最高的导热性,使得热量迅速从切削刃传递出来。
除PCD与铁的高亲合力以外,PCD不会与工件材料粘结,在正确的切削参数下,积屑瘤是最小化的。
所有的SecomaxPCD刀具都拥有镜面抛光的前刀面,提供最低的摩擦系数和光滑的切削刃。

工件材料

铝合金
铝合金已成为交通工业需求的致力于减轻重量的理想材料。尽管铝合金的生产在能量消耗上具有更大的初始需求,但在长期运作中证明有更多的益处,这些合金的性能将超过其它与其竞争的材料。纯铝的硬度低、耐腐蚀。举例讲,添加铜或镁等合金元素将使该材料具有更高的强度。巿场上有很多种铝合金,最著名的莫过于分别用于汽车与航空航天行业的2000及6000系列。锻造和铸造铝合金之间有明显的分界线,各有几种不同的材质等级,而且有各式各样的硬化处理性能。
对于硅(Si)含量低到中等的硅合金来说,PCD在铣削应用与粗加工中提供了最好的耐磨性,见下表。

所遭遇到的最常见的问题应该是积屑瘤。即使是很高的切削速度,加工低硅铝合金时也会发生这种情况。切削刃的几何角度和质量必须要被小心地应用。

采用这样的参数,当与工件的接触时间越久,产生的热量上升,其直接的影响就是刀具寿命的缩短。
对于加工高硅铝合金,PCD的耐磨性被完全地利用。关于这些材料的一些研究突出了刀具磨损与硅颗粒大小之间的关系,硅颗粒越大导致工件的耐磨性提高。见图4。
刀具的质量对于铝合金加工应用的成功将有相当重要的作用:跳动量低将防止切削刃的负载不一致。
对于PCD刀具,磨损的发展随着切削速度逐渐提升,直到切削速度高于引起磨损迅速上升的转折点。当刀具寿命缩短时,应降低切削速度。
刀具寿命很大程度上并不依赖于进给量。只要不发生切削刃微崩,高进给量通常可以提供更快的金属移除率而不缩短刀具寿命。然而,它不应超过刀尖半径值的一半。对于切削深度,山高刀具推荐切削刃长度的65%为最大值,见图5。SECOMAXPCD刀片经过抛光的表面意味着冷却液并非必需。然而,当切削刃周围形成绩屑瘤或产生切屑堆积时,冷却液可以为您提供帮助。

金属基复合材料
金属基复合材料(MMC)是铝或钛铝为基体所制成的,这是迄今最常见的基体材料。添加到基体材料的是一种陶瓷增强剂,最常见的是颗粒形式,但偶尔也会发现更难加工的纤维形式。一系列陶瓷材料被用于MMC,但目前最常见的是Si。根据需求的材料耐磨性,添加的含量为15-40%。
在以下零件,这些材料正在逐步替换像铸铁这样的重材料:
刹车盘
发动机缸体
活塞
缸套
当加工MMC时,切削速度应与材料中的陶瓷含量相适应。陶瓷增强剂的含量越高,工件就越耐磨,因此为了保护切削刃,切削速度应该更低。正角切削刃通常在铝合金加工时是被接受的,但是负角刀片为严重增强的材料提供强化的切削刃。

双金属材料
加工出现在一个零件上的两种不同材料通常是个很大的挑战。最普遍的应用之一是对装有灰铸铁缸套发动机缸体的硅铝材料进行面铣。加工这些双金属零件对刀具供应商产生一个挑战,在对其中一种金属进行加工时得心应手的刀具材料通常对另一种金属就不会很有效。就面铣硅铝发动机缸体而言,解决方案可以是采用PCD,假定已经执行以下建议。
当使用PCD时,你必须考虑下列条件:PCD是加工铝合金的完美切削刀具。它可以在保持极佳的刀具寿命的同时以很高的切削速度进行加工。用PCD加工铁系金属的灰铸铁时将导致快速的化学磨损。化学磨损需要热量来使其发展,因此,为了使PCD刀具上的化学磨损最小化,切削速度应该降低并且使用充足的冷却液。
对于这样的加工,最好的材质等级应该是粗颗粒度并具有尽可能高热稳定性的PCD30M。通过结合充足的冷却液与在低切削速度下应用正确的材质等级,高效地加工诸如硅铝发动机缸体之类的双金属材料是可行的。
其它现有的双金属发动机,缸体由铝合金组成(Si含量低),而缸套采用粉末烧结材料,或缸套采用MMC材料。

碳纤维合成材料
有了改进功率重量比的目标,通过在塑料、铝合金、钛合金等基体中混合纤维(碳、玻璃、SiC、芳族聚醯胺等),已经开发出很多种合成材料。纤维可长可短,可以是导向型或平行型。这些参数中的每一个都将使材料性能与切削特性受到影响。
用于航空航天最普遍的复合材料是CFRP(碳纤维W强塑料),PCD刀具对它特别有效。切削加工应该在应用过高进给速度而导致纤维剥落的风险和由于切削速度过高而导致切削刃微崩的风险之间给予平衡。
即使是锋利的切削刃要去穿过软的芯部,碳纤维的增强作用将使切削刃快速钝化。它在玻璃纤维强化材料上更加明显。典型的CFRP零件是飞行器的翼梁。你也可以找到由这种零件材料制成的轴承、泵零件和套筒。

钛合金
属于超级合金的范畴,钛合金通常表现为在高温下有优越的机械和化学性能,但是对可加工性不利。采用PCD刀具,你可以用硬质合金刀具三倍的切削速度,并以小时来计算刀具寿命。

塑料与增强塑料
总的感觉是塑料材料的加工很容易。然而,软塑料并不总是非常稳定,假如没有应用正确的切削参数,加工过程总是要产生热量,可能影响诸如表面结构与颜色等尺寸与材料的属性。PCD刀具对耐磨塑料(塑料用碳纤维(CF)和玻璃纤维(GF)进行强化)特别有效。

石墨
对合成石墨进行的大多数加工是为了生产电极。石墨虽软,但非常耐磨。即使当切削速度达到1000m/min时,PCD的刀具寿命仍将所向披靡。

紫铜与黄铜
当没有合金化时,这是相当容易加工的材料。当铜用铍来强化时,需要降低切削速度。

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