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金剛石刀具材料應如何正確選用
編輯:一絲不佳的走秀比賽   時間:2018-07-12

  目前,單晶金剛石、PCD(或PCD/CC)、以及CVD金剛石均成功用作車刀、鏜刀、鉆頭、鉸刀、銑刀、成形和切齒等切削部分的制作材料。 
      金剛石材料的品種必須根據所加工材料的性質和加工要求來選擇,除滿足技術要求外,還應滿足經濟和環保性能的要求。

      PCD和PCD/CC材料

      PCD和PCD/CC是生產中最常用的金剛石材料,它不僅適用通常機械加工領域,還廣泛地應用在汽車、摩托車、高速列車、石油、化工、建筑、木材加工以及航空航天等工業部門。在汽車和摩托車領域中,PCD和PCD/CC適用于加工發動機鋁合金活塞的裙部、銷孔、汽缸體、變速箱、化油器等耐磨零部件。而這些零部件大多是含矽量較高(Si>12%)的鋁基復合材料,其內高硬度的硬質顆粒(如SiC的硬度高達3000~3500HV)分布在鋁合金基體中,猶如砂輪中的磨粒一樣會對刀具的切削刃起刮磨和沖擊作用,而使切削刃很快磨損。硬質顆粒的硬度越高、顆粒的尺寸越大、顆粒的數量越多,則刀具磨損越快。因此,用傳統的硬質合金刀具很難進行加工,刀具壽命很低或根本無法使用。金剛石是世界上已知的最硬物質,實際使用證明,它是加工鋁基復合材料的最佳刀具材料。

      用PCD金剛石加工鋁基復合材料,其切削速度可達800~1000m/min,刀具壽命可比硬質合金高幾倍甚至幾十倍,加工表面粗糙度值可達Ra0.025~0.012μm。圖2所示為用PCD刀具鉆加工20%SiCυ的鋁基復合材料螺旋泵殼的應用實例。

      用PCD(或PCD/CC)刀具加工碳纖維和玻璃纖維增強塑料(FRP)時,切屑成粉狀,切削溫度低,且切削長度為K類硬質合金刀具的10倍,而磨損卻不到硬質合金刀具的1/3。

      PCD(或PCD/CC)刀具也適用于加工預燒後的硬質合金和耐磨的非金屬材料,如陶瓷、橡膠、石墨、玻璃和各種耐磨木材等。

      PCD刀具的性能主要取決于它的應用場合和所涉及的加工過程,但選擇適當的牌號和顆粒尺寸也會對其產生影響。不同品種的PCD刀片,由于其組成成份不同,切削性能有很大的差異,選用時須加以注意。

      目前PCD刀片不像硬質合金那樣在國際上有統一的分類,各生產廠都有各自的品種與牌號,使用時須參照廠家樣品來選擇。

      DeBeers公司生產的PCD刀片有002、010和025幾種,晶粒的平均尺寸分別為2μm(細晶粒)、10μm(中晶粒)和25μm(粗晶粒)。晶粒尺寸越大則磨性越好,刀具壽命越高,但切削刃較粗糙,刃口質量差,難以制成高精度刀具;中晶粒一般作為機械加工的通用牌號;細晶粒刀具的切削刃的刃口鈍圓半徑小,易加工出良好的表面質量。因而目前聚晶的晶粒不斷細化,并已有1μm甚至有0.5μm以下的細晶,需根據粗、精加工等不同工序要求,選用不同大小的晶粒。

      單晶金剛石材料

      單晶金剛石與PCD(或PCD/CC)以及PCD(或PCD/CC)與CVD金剛石之間能很好地相互補充,也存在著一些相互交叉的應用領域。

      單晶金剛石切出的工件表面呈連續狀,而用PCD切出的工件表面呈現出微米量級的不連續狀態,因此PCD只適用于普通的機械加工領域,對于一些有特殊要求的拋光工藝,如制備Al2O3鏡面時,只有使用天然單晶金剛石才能達到所要求的表面粗糙度和尺寸公差。

      天然金剛石中較少見大尺寸金剛石,但人工合成大尺寸金剛石目前已經成為可能。用其加工高耐磨的層狀木板時,其性能要優于PCD金剛石,不會引起刃口過早鈍化。在加工鋁基復合材料時,既可采用PCD也可使用TFD(CVD厚膜)。圖3所示為用PCD與TFD兩種金剛石加工40%SiCυA356MMC材料時的刀具磨損曲綫。圖3試驗時采用的切削條件為:切削速度400m/min,進給量為0.05mm/r,背吃刀量(切削深度)0.5mm,加切削液。由實驗可知,加工40%SiCυ鋁基復合材料,使用厚膜金剛石TFD的效果最好,PCD025次之,PCD002刀具的使用壽命最低。

      由于各類金剛石在適應面上的互補性,金剛石刀具可加工范圍有所擴展,人工合成金剛石替代天然金剛石,CVD金剛石替代PCD金剛石的趨勢也日漸明顯。切削加工也由此而進入了一個可實現高效、經濟加工的新時期,其替代程度決定于技術和經濟兩方面因素,尤其是刀片的成型、刃磨和焊的難易程度將直接影響金剛石刀具的價格和性能。

      通常PCD刀具適合于粗加工和要求刀具有較高斷裂韌性的生產中,CVD厚膜和單晶金剛石刀具多用於高速精加工和半精加工。


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