系统了解金刚石刀具,现已成熟使用合成金刚石单晶片

机工刀具世界 2019-01-11 05:07:28

 金刚石刀具因其特殊的物理性质,在现代切削加工中体现出难以替代的优越性,被誉为当代提高生产率最有希望的刀具材料之一。目前,金刚石刀具在机械加工中的应用日渐普及,已成为现代材料加工中不可或缺的重要工具。


金刚石刀具简介

  金刚石刀具具有极高的硬度和耐磨性、低摩擦系数、高弹性模量、高热导、低热膨胀系 数,以及与非铁金属亲和力小等优点。可以用于非金属硬脆材料如石墨、高耐磨材料、复合材料、高硅铝合金及其它韧性有色金属材料的精密加工。


  金刚石刀具类型繁多,性能差异显著,不同类型金刚石刀具的结构、制备方法和应用领域有较大区别。


金刚石刀具类型



金刚石刀具类型的运用


1、天然金刚石刀具

  天然金刚石刀具主要用于紫铜及铜合金和金、银、铑等贵重有色金属,以及特殊零件的超精密镜面加工,如录相机磁盘、光学平面镜、多面镜和二次曲面镜等。但其结晶各向异性,刀具价格昂贵。


  天然金刚石是目前已知矿物中最硬的物质,主要用于制备刀具车刀。天然金刚石刀具精细研磨后刃口半径可达0.01~0.002μm。其中天然单晶金刚石(SingleCrystalline Diamond,SCD)刀具切削刃部位经高倍放大1500倍仍然观察到刀刃光滑。SCD车削铝制活塞时Ra可达到4μm,而在同样切削条件下用PCD刀具加工时的表面粗糙时的Ra为15~50μm。故采用SCD刀具配合精密车床进行精密和超精密加工,可获得镜面表面。


  随着科技的不断发展,现在市场上已成熟使用合成金刚石单晶片。高温高压(HPHT)法金刚石单晶片和化学气相沉积(CVD)法金刚石单晶片。因其性质与天然金刚石几无差别,所以,得到市场的认可。其中高温高压合成金刚石单晶片以其较高的性价比得到市场不断认可。


2、人造聚晶金刚石(PCD)刀具


  PCD是高温超高压条件下通过钴等金属结合剂将金刚石微粉聚集烧结合成的多晶体材料,又称烧结金刚石。聚晶金刚石刀具整体烧结成铣刀,用于铣削加工,PCD晶粒呈无序排列状态,属各向同性,硬度均匀,石墨化温度为550℃。刀具具有高硬度、高导热性、低热胀系数、高弹性模量和低摩擦系数。刀刃非常锋利等特点。


  PCD的性能取决于金刚石晶粒及钴的含量,刀具寿命为硬质合金(WC基体)刀具的10~500倍。主要用于车削加工各种有色金属如铝、铜、镁及其合金、硬质合金和耐磨性极强的纤维增塑材料、金属基复合材料、木材等非金属材料。切削加工时切削速度、进给速度和切削深度加工条件取决于工件材料以及硬度。 

  

3、人造聚晶金刚石复合片PDC刀具


  人造聚晶金刚石复合片(PDC)性能和应用接近PCD刀具,主要用在有色金属、硬质合金、陶瓷、非金属材料(塑料、硬质橡胶、碳棒、木材、水泥制品等)、复合材料等切削加工,逐渐替代硬质合金刀具。由于金刚石颗粒间有部分残余粘结金属和石墨,其中粘结金属以聚结态或呈叶脉状分布会减低刀具耐磨性和寿命。此外存在溶媒金属残留量,溶媒金属与金刚石表面直接接触。降低(PDC)的抗氧化能力和刀具耐热温度,故刀具切削性能不够稳定。


  为提高PCD刀片的韧性和可焊性,常将PCD与硬质合金刀体做成人造聚晶金刚石复合刀片(PDC)。即在硬质合金基底其表面压制一层0.5~1mm厚的PCD烧结而成。复合刀片的抗弯强度与硬质合金基本一致,硬度接近PCD,故可以替代PCD使用。PCD及人造聚晶金刚石复合片(PDC)刀具的刃口锋利性和加工的工件表面质量低于天然金刚石刀具。同时其可加工性很差,磨削比小,难以根据刀头的几何形状任意成形。利用人造聚晶金刚石复合片只能制备车刀,还不能制造带断屑槽的可转位刀片和复杂三维曲面几何形状的铣刀。


4、金刚石厚膜(TDF)焊接刀具


  金刚石厚膜焊接刀具是把激光切割好CVD金刚石厚膜一次焊接至基体(通常为K类硬质合金)上,形成复合片,然后抛光复合片,二次焊接至刀体上,刃磨成需要的形状和刃口。CVD金刚石厚膜(金刚石膜厚度达30μm),具有硬度高、耐磨损、摩擦系数小等特点,是制造切削有色金属和非金属材料刀具的理想材料。由于金刚石焊接过程工艺复杂,CVD金刚石厚膜(TDF)焊接刀具尚未大批量应用。


  金刚石厚膜刀具制备过程复杂,因金刚石与低熔点金属及其合金之间具有很高的界面能。金刚石很难被一般的低熔点焊料合金所浸润。可焊性极差,难以制作复杂几何形状刀具,故TDF焊接刀具不能应用在高速铣削中。


5、涂层刀具


  金刚石涂层刀具是用CVD法直接在硬质合金(K类硬质合金)或陶瓷等基体上沉积一层1~25μm金刚石薄膜,无解理面各向同性。薄膜涂层刀具硬度达9800~10000HV。热导率高,室温下导热系数高达2000W·m-1·K-1,而硬质合金刀具导热系数仅为80~100m-1·K-1。CVD方法金刚石可以涂层到任何复杂形状的刀具上,这是聚晶金刚石无法拥有的最显著的优势。


  金刚石涂层刀具可以应用于高速加工,原因是除了金刚石涂层刀具具有优良的机械性能外,金刚石涂层工艺能够制备任意复杂形状铣刀,用于高速加工如铝钛合金航空材料和难加工非金属材料如石墨电极等。


6、立方氮化硼刀具

  立方氮化硼(PCBN)虽不属于金刚石行列,但它是继人工合成金刚石之后出现的第二种无机超硬材料,其硬度略次于金刚石,热稳定性好,耐热性可达到1400~1500度,比金刚石的耐热性(700~800度)几乎高一倍.立方氮化硼(PCBN)刀具主要适合加工各种黑色金属及其合金材料;最适合于各种淬硬钢(碳素工具钢、轴承钢、模具钢、高速钢)珠光体灰口铸铁(钒钛铸铁)冷硬铸铁高温合金(镍基合金钴基合金)及表面喷涂堆焊的加工.具有使用寿命长,减少换刀次数,补偿停机所花的时间,使数控机床和自动化生产线的高效能得到更充分的发挥,可以改变传统的机械加工方式(即淬火前用刀具粗加工和淬火后用砂轮精加工的方法),从而能在一台数控机床进行淬火前淬火后的车削加工(以车代磨),具有很好的经济效益。


结束语


  随着现代加工制造业对高速切削加工的要求不断提高,对于各种难切削复合材料、工程陶瓷材料等,传统的切削加工刀具已不能满足高速切削的需要,而金刚石刀具是解决以上问题的有效手段。所以金刚石刀具未来的发展将会是前景无限!



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