1 PCD刀具发展
金刚石作为一种超硬刀具材料应用于切削加工已有数百年历史。刀具发展历程,从十九世纪末到二十世纪期,刀具材料以高速钢为主要代表;1927年德国首先研制出硬质合金刀具材料并获得广泛应用;二十世纪五十年代,瑞典美国分别合成出人造金刚石,切削刀具从此步入以超硬材料为代表时期。二十世纪七十年代,人们利用高压合成技术合成了聚晶金刚石(PCD),解决了天然金刚石数量稀少、价格昂贵问题,使金刚石刀具应用范围扩展到航空、航天、汽车、电子、石材等多个领域。
2 PCD刀具性能特点
金刚石刀具具有硬度高、抗压强度高、导热性及耐磨性好等特性,可高速切削获得很高加工精度加工效率。金刚石刀具上述特性由金刚石晶体状态决定。金刚石晶体,碳原子四个价电子按四面体结构成键,每个碳原子与四个相邻原子形成共价键,进而组成金刚石结构,该结构结合力方向性很强,从而使金刚石具有极高硬度。由于聚晶金刚石(PCD)结构取向不一细晶粒金刚石烧结体,虽然加入了结合剂,其硬度及耐磨性仍低于单晶金刚石。但由于PCD烧结体表现为各向同性,因此不易沿单一解理面裂开。
PCD刀具材料主要性能指标:
①PCD硬度可达8000HV,为硬质合金80~120倍;
②PCD导热系数为700W/mK,为硬质合金1.5~9倍MyCIMT,甚至高于PCBN铜,因此PCD刀具热量传递迅速;
③PCD摩擦系数一般仅为0.1~0.3(硬质合金摩擦系数为0.4~1),因此PCD刀具可显著减小切削力;
④PCD热膨胀系数仅为0.9×10-6~1.18×10-6,仅相当于硬质合金1/5,因此PCD刀具热变形小,加工精度高;
⑤PCD刀具与有色金属非金属材料间亲力很小,加工过程切屑不易粘结刀尖上形成积屑瘤。
3 PCD刀具应用
工业发达国家对PCD刀具研究开展较早,其应用已比较成熟。自1953年瑞典首次合成人造金刚石以来,对PCD刀具切削性能研究获得了大量成果,PCD刀具应用范围及使用量迅速扩大。目前,国际上著名人造金刚石复合片生产商主要有英国DeBeers公司、美国GE公司、日本住友电工株式会社等。据报道,1995年一季度仅日本PCD刀具产量即达10.7万把。PCD刀具应用范围已由初期车削加工向钻削、铣削加工扩展。由日本一家组织进行关于超硬刀具调查表明:人们选用PCD刀具主要考虑因素基于PCD刀具加工后表面精度、尺寸精度及刀具寿命等优势。金刚石复合片合成技术也得到了较大发展,DeBeers公司已推出了直径74mm、层厚0.3mm聚晶金刚石复合片。国内PCD刀具市场随着刀具技术水平发展也不断扩大。目前国第一汽车集团已有一百多个PCD车刀使用点,许多人造板企业也采用PCD刀具进行木制品加工。PCD刀具应用也进一步推动了对其设计与制造技术研究。国内清华大学、大连理工大学、华理工大学、吉林工业大学、哈尔滨工业大学等均积极开展这方面研究。国内从事PCD刀具研发、生产有上海舒伯哈特、郑州新亚、南京蓝帜、深圳润祥、成都工具研究所等几十家单位。目前,PCD刀具加工范围已从传统金属切削加工扩展到石材加工MyCIMT、木材加工、金属基复合材料、玻璃、工程陶瓷等材料加工。通过对近年来PCD刀具应用分析可见,PCD刀具主要应用于以下两方面:
①难加工有色金属材料加工:用普通刀具加工难加工有色金属材料时,往往产生刀具易磨损、加工效率低等缺陷,而PCD刀具则可表现出良好加工性能。如用PCD刀具可有效加工新型发动机活塞材料——过共晶硅铝合金(对该材料加工机理研究已取得突破)。
②难加工非金属材料加工:PCD刀具非常适合对石材、硬质碳、碳纤维增强塑料(CFRP)、人造板材等难加工非金属材料加工。如华理工大学1990年实现了用PCD刀具加工玻璃;目前强化复合地板及其它木基板材(如MDF)应用日趋广泛,用PCD刀具加工这些材料可有效避免刀具易磨损等缺陷。
4 PCD刀具制造技术
4.1 PCD刀具制造过程
PCD刀具制造过程主要包括两个阶段:
①PCD复合片制造:PCD复合片由天然或人工合成金刚石粉末与结合剂(其含钴、镍等金属)按一定比例高温(1000~2000℃)、高压(5~10万个大气压)下烧结而成。烧结过程,由于结合剂加入,使金刚石晶体间形成以TiC、SiC、Fe、Co、Ni等为主要成分结合桥MyCIMT,金刚石晶体以共价键形式镶嵌于结合桥骨架。通常将复合片制成固定直径厚度圆盘,还需对烧结成复合片进行研磨抛光及其它相应物理、化学处理。
②PCD刀片加工:PCD刀片加工主要包括复合片切割、刀片焊接、刀片刃磨等步骤。
2.2 PCD复合片切割工艺
由于PCD复合片具有很高硬度及耐磨性,因此必须采用特殊加工工艺。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,其工艺特点比较见表1。
PCD复合片切割工艺比较
工艺方法-工艺特点
电火花加工-高度集脉冲放电能量、强大放电爆炸力使PCD材料金属融化,部分金刚石石墨化氧化,部分金刚石脱落,工艺性好、效率高
超声波加工-加工效率低,金刚石微粉消耗大,粉尘污染大
激光加工-非接触加工,效率高、加工变形小、工艺性差
上述加工方法,电火花加工效果较佳。PCD结合桥存使电火花加工复合片成为可能。有工作液条件下,利用脉冲电压使靠近电极金属处工作液形成放电通道,并局部产生放电火花,瞬间高温可使聚晶金刚石熔化、脱落,从而形成所要求三角形、长方形或正方形刀头毛坯。电火花加工PCD复合片效率及表面质量受到切削速度、PCD粒度、层厚电极质量等因素影响,其切削速度合理选择十分关键,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。
2.3 PCD刀片焊接工艺
PCD复合片与刀体结合方式除采用机械夹固粘接方法外,大多通过钎焊方式将PCD复合片压制硬质合金基体上。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、成本低高频感应加热钎焊PCD刀片焊接得到广泛应用。刀片焊接过程,焊接温度、焊剂焊接合金选择将直接影响焊后刀具性能。焊接过程,焊接温度控制十分重要,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结合。实际加工过程,可根据保温时间PCD变红深浅程度来控制焊接温度(一般应低于700℃)。国外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。
2.4 PCD刀片刃磨工艺
PCD高硬度使其材料去除率极低(甚至只有硬质合金去除率万分之一)。目前,PCD刀具刃磨工艺主要采用树脂结合剂金刚石砂轮进行磨削。由于砂轮磨料与PCD之间磨削两种硬度相近材料间相互作用,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磨削效率磨削精度。砂轮结合剂选择应视磨床类型加工条件而定。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)磨削也对这种灵活磨削工艺具有巨大需求。随着电火花磨削技术不断发展,EDG技术将成为PCD磨削一个主要发展方向。
5 PCD刀具设计原则
5.1 刀具材料选择
(1)合理选择PCD粒度
PCD粒度选择与刀具加工条件有关,如设计用于精加工或超精加工刀具时,应选用强度高、韧性好、抗冲击性能好、细晶粒PCD。粗晶粒PCD刀具则可用于一般粗加工。PCD材料粒度对于刀具磨损破损性能影响显著。研究表明:PCD粒度号越大,刀具抗磨损性能越强。采用DeBeers公司SYNDITE002SYNDITE025两种PCD材料刀具加工SiC基复合材料时刀具磨损试验结果表明,粒度为2μmSYNDITE002PCD材料较易磨损。
(2)合理选择PCD刀片厚度
通常情况下,PCD复合片层厚约为0.3~1.0mm,加上硬质合金层后总厚度约为2~8mm。较薄PCD层厚有利于刀片电火花加工。DeBeers公司推出0.3mm厚PCD复合片可降低磨削力,提高电火花切割速度。PCD复合片与刀体材料焊接时,硬质合金层厚度不能太小,以避免因两种材料结合面间应力差而引起分层。
3.2 刀具几何参数与结构设计
PCD刀具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刀具常用于工件精加工,切削厚度较小(有时甚至等于刀具刃口半径),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,较小后角、较高后刀面质量对于提高PCD刀具加工质量可起到重要作用。
PCD复合片与刀杆连接方式包括机械夹固、焊接、可转位等多种方式,其特点与应用范围见表2。
PCD复合片与刀杆连接方式特点与应用
连接方式-特点-应用范围
机械夹固-由标准刀体及可做成各种集合角度可换刀片组成,具有快换便于重磨优点-小型机床
整体焊接-结构紧凑、制作方便,可制成小尺寸刀具-专用刀具或难于机夹刀具,用于小型机床
机夹焊接-刀片焊接于刀头上,可使用标准刀杆,便于刃磨及调整刀头位置-自动机床、数控机床
可转位-结构紧凑,夹紧可靠,不需重磨焊接,可节省辅助时间,提高刀具寿命-普通通用机床
6 PCD刀具切削参数与失效机理
6.1 PCD刀具切削参数对切削性能影响
(1)切削速度
PCD刀具可极高主轴转速下进行切削加工,但切削速度变化对加工质量影响不容忽视。虽然高速切削可提高加工效率,但高速切削状态下,切削温度切削力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刀具合理切削速度也有所不同,如铣削Al2O3强化地板合理切削速度为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合理切削速度为30~40m/min。
(2)进给量
如PCD刀具进给量过大,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。
(3)切削深度
增加PCD刀具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,切削深度增加容易引起PCD刀具崩刃。
不同粒度等级PCD刀具不同加工条件下加工不同工件材料时,表现出切削性能也不尽相同,因此应根据具体加工条件确定PCD刀具实际切削参数。
6.2 PCD刀具失效机理
刀具磨损形式主要有磨料磨损、粘结磨损(冷焊磨损)、扩散磨损、氧化磨损、热电磨损等。PCD刀具失效形式与传统刀具有所不同MyCIMT,主要表现为聚晶层破损、粘结磨损扩散磨损。研究表明,采用PCD刀具加工金属基复合材料时,其失效形式主要为粘结磨损由金刚石晶粒缺陷引起微观晶间裂纹。加工高硬度、高脆性材料时,PCD刀具粘结磨损并不明显;相反,加工低脆性材料(如碳纤维增强材料)时,刀具磨损增大,此时粘接磨损起主导作用。
7 结语
PCD刀具因其良好加工质量加工经济性非金属材料、有色金属及其合金材料、金属基复合材料等切削加工领域显示出其它刀具难以比拟优势。随着PCD刀具理论研究日益深入及其应用技术进一步推广,PCD刀具超硬刀具领域地位将日益重要,其应用范围也将进一步拓展。