2008年1月9日 星期三

铣削、铣床与铣刀www.tool-tool.com

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铣削、铣床与铣刀

铣削用旋转的铣刀作为刀具的切削加工。铣削一般在铣床或镗床上进行,适于加工平面、沟槽、各种成形面(如花键、齿轮和螺纹)和模具的特殊形面等。铣削的特征是:①铣刀各刀齿周期性地参与间断切削;②每个刀齿在切削过程中的切削厚度是变化的。图1是几种常见的铣削加工方式。

图1 几种常见的铣削方式
切削速度v(米/分)是铣刀刃的圆周速度。铣削进给量有3种表示方式:①每分钟进给量vf(毫米/分),表示工件每分钟相对于铣刀的位移量;②每转进给量f(毫米/转),表示在铣刀每转一转时与工件的相对位移量;③每齿进给量af(毫米/齿),表示铣刀每转过一个刀齿的时间内工件的相对位移量。铣削深度ap(毫米)是在平行于铣刀轴心线方向测量的铣刀与工件的接触长度。铣削切削弧深度ae(毫米)是垂直于铣刀轴心线方向测量的铣刀与工件接触弧的深度。用高速钢铣刀铣削中碳钢的切削速度一般为20~30米/分;用硬质合金铣刀可达60~90米/分。

图2 两种周铣方式

图3 三种端铣方式
铣削一般分周铣和端铣两种方式。周铣(图2)是用刀体圆周上的刀齿铣削,其周边刃起切削作用,铣刀的轴线平行于工件的加工表面。端铣(图3)是用刀体端面上的刀齿铣削,周边刃与端面刃同时起切削作用,铣刀的轴线垂直于一个加工表面。周铣和某些不对称的端铣又有逆铣和顺铣之分。凡刀刃切削方向与工件的进给运动方向相反的称为逆铣;方向相同的称为顺铣。逆铣时,铣刀每齿的切削厚度是从零逐渐增大,所以刀齿在开始切入时,将与切削表面发生挤压和滑擦,这对铣刀寿命和铣削工件的表面质量都有不利影响。顺铣时的情况正相反,所以顺铣能提高铣刀寿命和铣削表面质量,并能减小机床的功率消耗。但顺铣时铣刀所受的切削冲击力较大,当机床的进给传动机构有间隙或铸锻毛坯有硬皮时不宜采用顺铣,以免引起振动和损坏刀具。铣刀是一种多齿刀具,同时参与切削的切削刃总长度较长,并可使用较高的切削速度,又无空行程,故在一般情况下铣削的生产率比用单刃刀具的切削加工(如刨削、插削)为高,但铣刀的制造和刃磨较为困难。普通铣削的加工精度不高,一般粗铣精度为IT11~10,表面粗糙度为Ra20~2.5微米;精铣精度可达IT9~7,表面粗糙度为Ra2.5~0.16微米。铣床用铣刀对工件进行铣削加工的机床。铣床除能铣削平面、沟槽、轮齿、螺纹和花键轴外,还能加工比较复杂的型面,效率较刨床高,在机械制造和修理部门得到广泛应用。· 简史最早的铣床是美国人E.惠特尼于1818年创制的卧式铣床。为了铣削麻花钻头的螺旋槽,美国人布朗,J.R.于1862年创制了第一台万能铣床,是为升降台铣床的雏形。1884年前后出现了龙门铣床。20世纪20年代出现了半自动铣床,工作台利用挡块可完成“进给-快速”或“快速-进给”的自动转换。 1950年以后,铣床在控制系统方面发展很快,数字控制的应用大大提高了铣床的自动化程度。尤其是70年代以后,微处理机的数字控制系统和自动换刀系统在铣床上得到应用,扩大了铣床的加工范围,提高了加工精度与效率。· 类型铣床种类很多,一般按布局形式和适用范围加以区分。①升降台铣床:有万能式、卧式和立式等,主要用于加工中小型零件,应用最广。②龙门铣床:包括龙门铣镗床龙门铣刨床和双柱铣床,均用于加工大型零件。③单柱铣床和单臂铣床:前者的水平铣头可沿立柱导轨移动,工作台作纵向进给;后者的立铣头可沿悬臂导轨水平移动,悬臂也可沿立柱导轨调整高度。两者均用于加工大型零件。④工作台不升降铣床:有榘形工作台式和圆工作台式两种,是介于升降台铣床和龙门铣床之间的一种中等规格的铣床。其垂直方向的运动由铣头在立柱上升降来完成。⑤仪表铣床:一种小型的升降台铣床,用于加工仪器仪表和其他小型零件。⑥工具铣床:用于模具和工具制造,配有立铣头、万能角度工作台和插头等多种附件,还可进行钻削、镗削和插削等加工。⑦其他铣床:如键槽铣床、凸轮铣床、曲轴铣床、轧辊轴颈铣床和方钢锭铣床等,是为加工相应的工件而制造的专用铣床。按控制方式,铣床又分为仿形铣床、程序控制铣床和数字控制铣床。

图4 各种铣刀
铣刀用于铣削加工的、具有一个或多个刀齿的旋转刀具。工作时各刀齿依次间歇地切去工件的余量。铣刀主要用于在铣床上加工平面、台阶、沟槽、成形表面和切断工件等。铣刀按用途区分有多种常用的型式(图4)。①圆柱形铣刀:用于卧式铣床上加工平面。刀齿分布在铣刀的圆周上,按齿形分为直齿和螺旋齿两种。按齿数分粗齿和细齿两种。螺旋齿粗齿铣刀齿数少,刀齿强度高,容屑空间大,适用于粗加工;细齿铣刀适用于精加工。②面铣刀:用于立式铣床、端面铣床或、龙门铣床、上加工平面,端面和圆周上均有刀齿,也有粗齿和细齿之分。其结构有整体式、镶齿式和可转位式3种。③立铣刀:用于加工沟槽和台阶面等,刀齿在圆周和端面上,工作时不能沿轴向进给。当立铣刀上有通过中心的端齿时,可轴向进给。④三面刃铣刀:用于加工各种沟槽和台阶面,其两侧面和圆周上均有刀齿。⑤角度铣刀:用于铣削成一定角度的沟槽,有单角和双角铣刀两种。⑥锯片铣刀:用于加工深槽和切断工件,其圆周上有较多的刀齿。为了减少铣切时的摩擦,刀齿两侧有15’~1°的副偏角。此外,还有键槽铣刀 燕尾槽铣刀 T形槽铣刀和各种成形铣刀等。铣刀的结构分为4种。①整体式:刀体和刀齿制成一体。②整体焊齿式:刀齿用硬质合金或其他耐磨刀具材料制成,并钎焊在刀体上。③镶齿式:刀齿用机械夹固的方法紧固在刀体上。这种可换的刀齿可以是整体刀具材料的刀头,也可以是焊接刀具材料的刀头。刀头装在刀体上刃磨的铣刀称为体内刃磨式;刀头在夹具上单独刃磨的称为体外刃磨式。④可转位式:这种结构已广泛用于面铣刀、立铣刀和三面刃铣刀等。

a.硬质合金可转位刀片端面铣刀
b.苞米棒型硬质合金可转位刀片立铣刀
图5 可转位铣刀

图6 尖齿铣刀的齿背形状
铣刀按齿背的加工方式分为两类。①尖齿铣刀:在后面上磨出一条窄的刃带以形成后角,由于切削角度合理,其寿命较高。尖齿铣刀的齿背有直线曲线和折线3种形式 (图6)。直线齿背常用于细齿的精加工铣刀。曲线和折线齿背的刀齿强度较好,能承受较重的切削负荷,常用于粗齿铣刀。②铲齿铣刀:其后面用铲削(或铲磨)方法加工成阿基米德螺旋线的齿背,铣刀用钝后只须重磨前面,能保持原有齿形不变,用于制造齿轮铣刀等各种成形铣刀。

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什么是PCD刀片 www.tool-tool.com

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PCD的定义,PCD是英文Polycrystalline diamond的简称,中文直译过来是聚晶金刚石的意思.它与单晶金刚石相对应.
摘自:中国机械资讯网
聚晶金刚石(PCD)刀具发展
1.概述
1.1 PCD刀具的发展
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。在刀具发展历程中,从十九世纪末到二十世纪中期,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,瑞典和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的时期。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、价格昂贵的问题,使金刚石刀具的应用范围扩展到航空、航天、汽车、电 子、石材等多个领域。
1.2 PCD刀具的性能特点
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,可在高速切削中获得很高的加工精度和加工效率。金刚石刀具的上述特性是由金刚石晶体状态决定 的。在金刚石晶体中,碳原子的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,该结构的结合力和方向性很强,从而 使金刚石具有极高硬度。由于聚晶金刚石(PCD)的结构是取向不一的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刀具材料的主要性能指标:①PCD的硬度可达8000HV,为硬质合金的80~120倍;②PCD的导热系数为700W/mK,为硬质合金的 1.5~9倍,甚至高于PCBN和铜,因此PCD刀具热量传递迅速;③PCD的摩擦系数一般仅为0.1~0.3(硬质合金的摩擦系数为0.4~1),因此 PCD刀具可显著减小切削力;④PCD的热膨胀系数仅为0.9×10 -6~1.18×10 -6,仅相当于硬质合金的1/5,因此PCD刀具热变形小,加工精度高;⑤PCD刀具与有色金属和非金属材料间的亲和力很小,在加工过程中切屑不易粘结在 刀尖上形成积屑瘤。
1.3 PCD刀具的应用
工业发达国家对PCD刀具的研究开展较早,其应用已比较成熟。自1953年在瑞典首次合成人造金刚石以来,对PCD刀具切削性能的研究获得了大量成果, PCD刀具的应用范围及使用量迅速扩大。目前,国际上著名的人造金刚石复合片生产商主要有英国De Beers公司、美国GE公司、日本住友电工株式会社等。据报道,1995年一季度仅日本的PCD刀具产量即达10.7万把。PCD刀具的应用范围已由初 期的车削加工向钻削、铣削加工扩展。由日本一家组织进行的关于超硬刀具的调查表明:人们选用PCD刀具的主要考虑因素是基于PCD刀具加工后的表面精度、 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的聚晶金刚石复合片。
国内PCD刀具市场随着刀具技术水平的发展也不断扩大。目前中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刀具的应用也进一步推动了对其设计与制造技术的研究。国内的清华大学、大连理工大学、华中理工大学、吉林工业大学、哈尔滨工业大学等均在积极开 展这方面的研究。国内从事PCD刀具研发、生产的有上海舒伯哈特、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刀具的加工范 围已从传统的金属切削加工扩展到石材加工、木材加工、金属基复合材料、玻璃、工程陶瓷等材料的加工。通过对近年来PCD刀具应用的分析可见,PCD刀具主 要应用于以下两方面:①难加工有色金属材料的加工: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 良好的加工性能。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(对该材料加工机理的研究已取得突破)。②难加工非金属材料的加工: 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的加工。如华中理工大学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)的应用日趋广泛,用PCD刀具加工这些材料可有效避免刀具易磨损等缺陷。
2.PCD刀具的制造技术
2.1 PCD刀具的制造过程
PCD刀具的制造过程主要包括两个阶段:①PCD复合片的制造:PCD复合片是由天然或人工合成的金刚石粉末与结合剂(其中含钴、镍等金属)按一定比例在 高温(1000~2000℃)、高压(5~10万个大气压)下烧结而成。在烧结过程中,由于结合剂的加入,使金刚石晶体间形成以TiC、SiC、Fe、 Co、Ni等为主要成分的结合桥,金刚石晶体以共价键形式镶嵌于结合桥的骨架中。通常将复合片制成固定直径和厚度的圆盘,还需对烧结成的复合片进行研磨抛 光及其它相应的物理、化学处理。②PCD刀片的加工:PCD刀片的加工主要包括复合片的切割、刀片的焊接、刀片刃磨等步骤。
2.2 PCD复合片的切割工艺
由于PCD复合片具有很高的硬度及耐磨性,因此必须采用特殊的加工工艺。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,其工艺特点的比较见表1。
表1 PCD复合片切割工艺的比较
工艺方法 -工艺特点
电火花加工-高度集中的脉冲放电能量、强大的放电爆炸力使PCD材料中的金属融化,部分金刚石石墨化和氧化,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
在上述加工方法中,电火花加工效果较佳。PCD中结合桥的存在使电火花加工复合片成为可能。在有工作液的条件下,利用脉冲电压使靠近电极金属处的工作液形 成放电通道,并在局部产生放电火花,瞬间高温可使聚晶金刚石熔化、脱落,从而形成所要求的三角形、长方形或正方形的刀头毛坯。电火花加工PCD复合片的效 率及表面质量受到切削速度、PCD粒度、层厚和电极质量等因素的影响,其中切削速度的合理选择十分关键,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刀片的焊接工艺
PCD复合片与刀体的结合方式除采用机械夹固和粘接方法外,大多是通过钎焊方式将PCD复合片压制在硬质合金基体上。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、成本低的高频感应加热钎焊在PCD刀片焊接中得到广泛应用。在刀片焊接过程中,焊接温度、焊剂和焊接合金的 选择将直接影响焊后刀具的性能。在焊接过程中,焊接温度的控制十分重要,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的结合。在实际加工过程中,可根据保温时间和PCD变红的深浅程度来控制焊接温度(一般应低于700℃)。国外 的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刀片的刃磨工艺
PCD的高硬度使其材料去除率极低(甚至只有硬质合金去除率的万分之一)。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之间的磨削是两种硬度相近的材料间的相互作用,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的磨削效率和磨削 精度。砂轮结合剂的选择应视磨床类型和加工条件而定。由于电火花磨削(EDG)技术几乎不受被磨削工件硬度的影响,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)的磨削也对这种灵活的磨削工艺具有巨大需求。随着电火花磨削技术的不断发展,EDG技术将成为PCD磨削的一 个主要发展方向。
3.PCD刀具的设计原则
3.1 刀具材料的选择
(1)合理选择PCD粒度
PCD粒度的选择与刀具加工条件有关,如设计用于精加工或超精加工的刀具时,应选用强度高、韧性好、抗冲击性能好、细晶粒的PCD。粗晶粒PCD刀具则可 用于一般的粗加工。PCD材料的粒度对于刀具的磨损和破损性能影响显著。研究表明:PCD粒度号越大,刀具的抗磨损性能越强。采用De Beers 公司SYNDITE 002和SYNDITE 025两种PCD材料的刀具加工SiC基复合材料时的刀具磨损试验结果表明,粒度为2μm的SYNDITE 002PCD材料较易磨损。
2)合理选择PCD刀片厚度
通常情况下,PCD复合片的层厚约为0.3~1.0mm,加上硬质合金层后的总厚度约为2~8mm。较薄的PCD层厚有利于刀片的电火花加工。De Beers公司推出的0.3mm厚PCD复合片可降低磨削力,提高电火花的切割速度。PCD复合片与刀体材料焊接时,硬质合金层的厚度不能太小,以避免因 两种材料结合面间的应力差而引起分层。
3.2 刀具几何参数与结构设计
PCD刀具的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刀具常用于工件的精加工,切削厚度较小(有时甚至等于刀具的刃口半径), 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,较小的后角、较高的后刀面质量对于提高PCD刀具的加工质量可起到重要作用。
PCD复合片与刀杆的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。
表2 PCD复合片与刀杆连接方式的特点与应用
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的可换刀片组成,具有快换和便于重磨的优点-中小型机床
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的刀具,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,不需重磨和焊接,可节省辅助时间,提高刀具寿命-普通通用机床
4.PCD刀具的切削参数与失效机理
4.1 PCD刀具切削参数对切削性能的影响
(1)切削速度

PCD刀具可在极高的主轴转速下进行切削加工,但切削速度的变化对加工质量的影响不容忽视。虽然高速切削可提高加工效率,但在高速切削状态下,切削温度和 切削力的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刀具的合理切削速度也有所不同,如铣削Al2O3强化地板的合理切削速度为 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的合理切削速度为30~40m/min。


(2)进给量
如PCD刀具的进给量过大,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刀具的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,切削深度的增加容易引起PCD刀具崩刃。
不同粒度等级的PCD刀具在不同的加工条件下加工不同工件材料时,表现出的切削性能也不尽相同,因此应根据具体加工条件确定PCD刀具的实际切削参数。
4.2 PCD刀具的失效机理
刀具的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刀具的失效形式与传统刀具有所不同,主要表现为聚晶层破 损、粘结磨损和扩散磨损。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和由金刚石晶粒缺陷引起的微观晶间裂纹。在加工高硬 度、高脆性材料时,PCD刀具的粘结磨损并不明显;相反,在加工低脆性材料(如碳纤维增强材料)时,刀具的磨损增大,此时粘接磨损起主导作用。
5.结语

PCD刀具因其良好的加工质量和加工经济性在非金属材料、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的优势。随着PCD 刀具的理论研究日益深入及其应用技术的进一步推广,PCD刀具在超硬刀具领域的地位将日益重要,其应用范围也将进一步拓展。


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什么是PCD刀片 www.tool-tool.com

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PCD的定义,PCD是英文Polycrystalline diamond的简称,中文直译过来是聚晶金刚石的意思.它与单晶金刚石相对应.
摘自:中国机械资讯网
聚晶金刚石(PCD)刀具发展
1.概述
1.1 PCD刀具的发展
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。在刀具发展历程中,从十九世纪末到二十世纪中期,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,瑞典和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的时期。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、价格昂贵的问题,使金刚石刀具的应用范围扩展到航空、航天、汽车、电 子、石材等多个领域。
1.2 PCD刀具的性能特点
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,可在高速切削中获得很高的加工精度和加工效率。金刚石刀具的上述特性是由金刚石晶体状态决定 的。在金刚石晶体中,碳原子的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,该结构的结合力和方向性很强,从而 使金刚石具有极高硬度。由于聚晶金刚石(PCD)的结构是取向不一的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刀具材料的主要性能指标:①PCD的硬度可达8000HV,为硬质合金的80~120倍;②PCD的导热系数为700W/mK,为硬质合金的 1.5~9倍,甚至高于PCBN和铜,因此PCD刀具热量传递迅速;③PCD的摩擦系数一般仅为0.1~0.3(硬质合金的摩擦系数为0.4~1),因此 PCD刀具可显著减小切削力;④PCD的热膨胀系数仅为0.9×10 -6~1.18×10 -6,仅相当于硬质合金的1/5,因此PCD刀具热变形小,加工精度高;⑤PCD刀具与有色金属和非金属材料间的亲和力很小,在加工过程中切屑不易粘结在 刀尖上形成积屑瘤。
1.3 PCD刀具的应用
工业发达国家对PCD刀具的研究开展较早,其应用已比较成熟。自1953年在瑞典首次合成人造金刚石以来,对PCD刀具切削性能的研究获得了大量成果, PCD刀具的应用范围及使用量迅速扩大。目前,国际上著名的人造金刚石复合片生产商主要有英国De Beers公司、美国GE公司、日本住友电工株式会社等。据报道,1995年一季度仅日本的PCD刀具产量即达10.7万把。PCD刀具的应用范围已由初 期的车削加工向钻削、铣削加工扩展。由日本一家组织进行的关于超硬刀具的调查表明:人们选用PCD刀具的主要考虑因素是基于PCD刀具加工后的表面精度、 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的聚晶金刚石复合片。
国内PCD刀具市场随着刀具技术水平的发展也不断扩大。目前中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刀具的应用也进一步推动了对其设计与制造技术的研究。国内的清华大学、大连理工大学、华中理工大学、吉林工业大学、哈尔滨工业大学等均在积极开 展这方面的研究。国内从事PCD刀具研发、生产的有上海舒伯哈特、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刀具的加工范 围已从传统的金属切削加工扩展到石材加工、木材加工、金属基复合材料、玻璃、工程陶瓷等材料的加工。通过对近年来PCD刀具应用的分析可见,PCD刀具主 要应用于以下两方面:①难加工有色金属材料的加工: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 良好的加工性能。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(对该材料加工机理的研究已取得突破)。②难加工非金属材料的加工: 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的加工。如华中理工大学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)的应用日趋广泛,用PCD刀具加工这些材料可有效避免刀具易磨损等缺陷。
2.PCD刀具的制造技术
2.1 PCD刀具的制造过程
PCD刀具的制造过程主要包括两个阶段:①PCD复合片的制造:PCD复合片是由天然或人工合成的金刚石粉末与结合剂(其中含钴、镍等金属)按一定比例在 高温(1000~2000℃)、高压(5~10万个大气压)下烧结而成。在烧结过程中,由于结合剂的加入,使金刚石晶体间形成以TiC、SiC、Fe、 Co、Ni等为主要成分的结合桥,金刚石晶体以共价键形式镶嵌于结合桥的骨架中。通常将复合片制成固定直径和厚度的圆盘,还需对烧结成的复合片进行研磨抛 光及其它相应的物理、化学处理。②PCD刀片的加工:PCD刀片的加工主要包括复合片的切割、刀片的焊接、刀片刃磨等步骤。
2.2 PCD复合片的切割工艺
由于PCD复合片具有很高的硬度及耐磨性,因此必须采用特殊的加工工艺。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,其工艺特点的比较见表1。
表1 PCD复合片切割工艺的比较
工艺方法 -工艺特点
电火花加工-高度集中的脉冲放电能量、强大的放电爆炸力使PCD材料中的金属融化,部分金刚石石墨化和氧化,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
在上述加工方法中,电火花加工效果较佳。PCD中结合桥的存在使电火花加工复合片成为可能。在有工作液的条件下,利用脉冲电压使靠近电极金属处的工作液形 成放电通道,并在局部产生放电火花,瞬间高温可使聚晶金刚石熔化、脱落,从而形成所要求的三角形、长方形或正方形的刀头毛坯。电火花加工PCD复合片的效 率及表面质量受到切削速度、PCD粒度、层厚和电极质量等因素的影响,其中切削速度的合理选择十分关键,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刀片的焊接工艺
PCD复合片与刀体的结合方式除采用机械夹固和粘接方法外,大多是通过钎焊方式将PCD复合片压制在硬质合金基体上。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、成本低的高频感应加热钎焊在PCD刀片焊接中得到广泛应用。在刀片焊接过程中,焊接温度、焊剂和焊接合金的 选择将直接影响焊后刀具的性能。在焊接过程中,焊接温度的控制十分重要,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的结合。在实际加工过程中,可根据保温时间和PCD变红的深浅程度来控制焊接温度(一般应低于700℃)。国外 的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刀片的刃磨工艺
PCD的高硬度使其材料去除率极低(甚至只有硬质合金去除率的万分之一)。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之间的磨削是两种硬度相近的材料间的相互作用,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的磨削效率和磨削 精度。砂轮结合剂的选择应视磨床类型和加工条件而定。由于电火花磨削(EDG)技术几乎不受被磨削工件硬度的影响,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)的磨削也对这种灵活的磨削工艺具有巨大需求。随着电火花磨削技术的不断发展,EDG技术将成为PCD磨削的一 个主要发展方向。
3.PCD刀具的设计原则
3.1 刀具材料的选择
(1)合理选择PCD粒度
PCD粒度的选择与刀具加工条件有关,如设计用于精加工或超精加工的刀具时,应选用强度高、韧性好、抗冲击性能好、细晶粒的PCD。粗晶粒PCD刀具则可 用于一般的粗加工。PCD材料的粒度对于刀具的磨损和破损性能影响显著。研究表明:PCD粒度号越大,刀具的抗磨损性能越强。采用De Beers 公司SYNDITE 002和SYNDITE 025两种PCD材料的刀具加工SiC基复合材料时的刀具磨损试验结果表明,粒度为2μm的SYNDITE 002PCD材料较易磨损。
2)合理选择PCD刀片厚度
通常情况下,PCD复合片的层厚约为0.3~1.0mm,加上硬质合金层后的总厚度约为2~8mm。较薄的PCD层厚有利于刀片的电火花加工。De Beers公司推出的0.3mm厚PCD复合片可降低磨削力,提高电火花的切割速度。PCD复合片与刀体材料焊接时,硬质合金层的厚度不能太小,以避免因 两种材料结合面间的应力差而引起分层。
3.2 刀具几何参数与结构设计
PCD刀具的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刀具常用于工件的精加工,切削厚度较小(有时甚至等于刀具的刃口半径), 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,较小的后角、较高的后刀面质量对于提高PCD刀具的加工质量可起到重要作用。
PCD复合片与刀杆的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。
表2 PCD复合片与刀杆连接方式的特点与应用
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的可换刀片组成,具有快换和便于重磨的优点-中小型机床
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的刀具,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,不需重磨和焊接,可节省辅助时间,提高刀具寿命-普通通用机床
4.PCD刀具的切削参数与失效机理
4.1 PCD刀具切削参数对切削性能的影响
(1)切削速度

PCD刀具可在极高的主轴转速下进行切削加工,但切削速度的变化对加工质量的影响不容忽视。虽然高速切削可提高加工效率,但在高速切削状态下,切削温度和 切削力的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刀具的合理切削速度也有所不同,如铣削Al2O3强化地板的合理切削速度为 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的合理切削速度为30~40m/min。


(2)进给量
如PCD刀具的进给量过大,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刀具的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,切削深度的增加容易引起PCD刀具崩刃。
不同粒度等级的PCD刀具在不同的加工条件下加工不同工件材料时,表现出的切削性能也不尽相同,因此应根据具体加工条件确定PCD刀具的实际切削参数。
4.2 PCD刀具的失效机理
刀具的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刀具的失效形式与传统刀具有所不同,主要表现为聚晶层破 损、粘结磨损和扩散磨损。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和由金刚石晶粒缺陷引起的微观晶间裂纹。在加工高硬 度、高脆性材料时,PCD刀具的粘结磨损并不明显;相反,在加工低脆性材料(如碳纤维增强材料)时,刀具的磨损增大,此时粘接磨损起主导作用。
5.结语

PCD刀具因其良好的加工质量和加工经济性在非金属材料、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的优势。随着PCD 刀具的理论研究日益深入及其应用技术的进一步推广,PCD刀具在超硬刀具领域的地位将日益重要,其应用范围也将进一步拓展。


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