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金刚石刀具材料应如何正确选用
编辑:阳江市江城区锐美工贸有限公司   时间:2018-07-12

  目前,单晶金刚石、PCD(或PCD/CC)、以及CVD金刚石均成功用作车刀、镗刀、钻头、铰刀、铣刀、成形和切齿刀具等切削部分的制作材料。 
      金刚石材料的品种必须根据所加工材料的性质和加工要求来选择,除满足技术要求外,还应满足经济和环保性能的要求。

      PCD和PCD/CC材料

      PCD和PCD/CC是生产中最常用的金刚石材料,它不仅适用通常机械加工领域,还广泛地应用在汽车、摩托车、高速列车、石油、化工、建筑、木材加工以及航空航天等工业部门。在汽车和摩托车领域中,PCD和PCD/CC适用于加工发动机铝合金活塞的裙部、销孔、汽缸体、变速箱、化油器等耐磨零部件。而这些零部件大多是含矽量较高(Si>12%)的铝基复合材料,其内高硬度的硬质颗粒(如SiC的硬度高达3000~3500HV)分布在铝合金基体中,犹如砂轮中的磨粒一样会对刀具的切削刃起刮磨和冲击作用,而使切削刃很快磨损。硬质颗粒的硬度越高、颗粒的尺寸越大、颗粒的数量越多,则刀具磨损越快。因此,用传统的硬质合金刀具很难进行加工,刀具寿命很低或根本无法使用。金刚石是世界上已知的最硬物质,实际使用证明,它是加工铝基复合材料的最佳刀具材料。

      用PCD金刚石加工铝基复合材料,其切削速度可达800~1000m/min,刀具寿命可比硬质合金高几倍甚至几十倍,加工表面粗糙度值可达Ra0.025~0.012μm。图2所示为用PCD刀具钻加工20%SiCυ的铝基复合材料螺旋泵壳的应用实例。

      用PCD(或PCD/CC)刀具加工碳纤维和玻璃纤维增强塑料(FRP)时,切屑成粉状,切削温度低,且切削长度为K类硬质合金刀具的10倍,而磨损却不到硬质合金刀具的1/3。

      PCD(或PCD/CC)刀具也适用于加工预烧後的硬质合金和耐磨的非金属材料,如陶瓷、橡胶、石墨、玻璃和各种耐磨木材等。

      PCD刀具的性能主要取决于它的应用场合和所涉及的加工过程,但选择适当的牌号和颗粒尺寸也会对其产生影响。不同品种的PCD刀片,由于其组成成份不同,切削性能有很大的差异,选用时须加以注意。

      目前PCD刀片不像硬质合金那样在国际上有统一的分类,各生产厂都有各自的品种与牌号,使用时须参照厂家样品来选择。

      DeBeers公司生产的PCD刀片有002、010和025几种,晶粒的平均尺寸分别为2μm(细晶粒)、10μm(中晶粒)和25μm(粗晶粒)。晶粒尺寸越大则磨性越好,刀具寿命越高,但切削刃较粗糙,刃口质量差,难以制成高精度刀具;中晶粒一般作为机械加工的通用牌号;细晶粒刀具的切削刃的刃口钝圆半径小,易加工出良好的表面质量。因而目前聚晶的晶粒不断细化,并已有1μm甚至有0.5μm以下的细晶,需根据粗、精加工等不同工序要求,选用不同大小的晶粒。

      单晶金刚石刀具材料

      单晶金刚石与PCD(或PCD/CC)以及PCD(或PCD/CC)与CVD金刚石之间能很好地相互补充,也存在着一些相互交叉的应用领域。

      单晶金刚石切出的工件表面呈连续状,而用PCD切出的工件表面呈现出微米量级的不连续状态,因此PCD只适用于普通的机械加工领域,对于一些有特殊要求的抛光工艺,如制备Al2O3镜面时,只有使用天然单晶金刚石才能达到所要求的表面粗糙度和尺寸公差。

      天然金刚石中较少见大尺寸金刚石,但人工合成大尺寸金刚石目前已经成为可能。用其加工高耐磨的层状木板时,其性能要优于PCD金刚石,不会引起刃口过早钝化。在加工铝基复合材料时,既可采用PCD也可使用TFD(CVD厚膜)。图3所示为用PCD与TFD两种金刚石加工40%SiCυA356MMC材料时的刀具磨损曲綫。图3试验时采用的切削条件为:切削速度400m/min,进给量为0.05mm/r,背吃刀量(切削深度)0.5mm,加切削液。由实验可知,加工40%SiCυ铝基复合材料,使用厚膜金刚石TFD的效果最好,PCD025次之,PCD002刀具的使用寿命最低。

      由于各类金刚石在适应面上的互补性,金刚石刀具可加工范围有所扩展,人工合成金刚石替代天然金刚石,CVD金刚石替代PCD金刚石的趋势也日渐明显。切削加工也由此而进入了一个可实现高效、经济加工的新时期,其替代程度决定于技术和经济两方面因素,尤其是刀片的成型、刃磨和焊的难易程度将直接影响金刚石刀具的价格和性能。

      通常PCD刀具适合于粗加工和要求刀具有较高断裂韧性的生产中,CVD厚膜和单晶金刚石刀具多用於高速精加工和半精加工。


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