PCD刀具重要的制造技术

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PCD和PCBN刀具制造及应用

PCD和PCBN刀具制造及应用

PCD和PCBN刀具制造及应用文/贺献宝、高文生河南省机械工程学会李鸿基河南省生产力促进中心PCD(金刚石复合片)和PCBN(立方氮化硼复合片)刀具是在上世纪七十年代发展起来的新型超硬复合材料加工刀具。

金刚石复合片和立方氮化硼复合片因都采用硬质合金作衬底材料,有效降低了人造金刚石或立方氮化硼的使用量,具有可焊接性,兼具高硬度和高抗弯强度(金刚石的抗弯强度为210~490MPa,而PCD的抗弯强度可达1,500MPa),能承受一定的冲击载荷,因而在日益追求高速切削、高精度切削的今天,必然地得到越来越多的刀具用户和刀具生产厂家的青睐。

在切削加工方面正发挥着越来越多的重要作用。

目前已有基本替代金刚石聚晶、立方氮化硼聚晶刀具的趋势。

金刚石复合片(PCD )、立方氮化硼复合片(PCBN)是在超高压高温下,利用少量粘结剂,把细粒度超硬材料聚结成无气孔、密实的多晶层;同时,使得超硬材料和硬质合金两层材料既致密又牢牢地“复合”、粘结为整体的超硬复合材料。

在“复合”、粘结的过程中,利用了多晶层粘结剂元素、超硬材料元素(C或N、B,其中B扩散性较小)、硬质合金衬底中成分(主要为Co,W元素扩散性较小)的互换性,产生了粘结、反应、“扎钉”、机械镶嵌等作用。

在这个过程中,受冷收缩系数要相互接近,硬质合金要二次液相烧结,元素要扩散,造成适宜的成份各材料相或其组分团的梯度。

PCD和PCBN刀具制造,要经过对片基的切割、刀头磨削、焊接、焊接后磨削等多道加工工序才能完成。

1.PCD、PCBN的切割、磨削用于刀具制造的金刚石复合片、立方氮化硼复合片一般是由圆片基材切割加工而成的,当然也可以直接烧结合成出来,尤其是长、宽尺寸差别不大的长方形、圆形等。

刀具用复合片形状有圆形、半圆形、扇形(450、600、900即1/4圆形)、以及长方形等。

经切割加工或直接合成出的复合片刀(头)坯,在固定到刀体之前需要适当磨削加工,主要是针对衬底底面(为使焊接时接触平整、粘结牢固)和非刀刃面(主要是为了美观),一般可手工研磨,也可用金刚石砂轮粗磨。

PCD刀具介绍

PCD刀具介绍

PCD铣刀:聚晶金刚石(PCD)刀具是通过把PCD复合片焊接到硬质合金或者钢的刀体上制成的刀具。

由于PCD复合片将单晶金刚石的高硬度、耐磨性、低摩擦系数和强度与碳化钨硬质合金的高抗弯强度进行了结合,复合片的碳化钨硬质合金层为金刚石层提供了机械支持,增加了它的抗弯强度,同时硬质合金层易于焊接,使制作成品刀具变得容易。

与其它刀具材料相比,聚晶金刚石具有如下特点:① 极高的硬度和耐磨性;② 高导热性和低热膨胀系数,切削时散热快,切削温度低,热变形小;③ 摩擦系数小,可降低加工表面粗糙度。

采用PCD刀具加工铝合金时,由于金刚石硬度高,表面与金属亲和力小,且刀具前刀面都抛光成镜面,不易产生积屑瘤,加工尺寸稳定性以及表面质量都很好。

采用PCD刀具加工各种规格铝合金零件,刀具寿命可达几千到几万件,尤其适合汽车、摩托车零件的大规模生产。

PCD刀具还广泛用于其它有色金属和非金属材料的高速加工,被广泛应用于汽车、航空航天、电子和木材加工等领域。

PCD刀片:PCD刀片是指具有整体PCD切削刃的硬质合金基体刀片。

PCD复合片切削刃被直接焊在硬质合金基体上,因此消除了金刚石和硬质合金之间的缝隙,可避免切屑堵塞。

为在精加工非铁金属尤其是铝材料时有效控制切屑,国外开发出一种带有断屑器的PCD刀片。

PCD刀片的特点在于金刚石具有硬度高、抗压强度高、导热性以及耐磨性好等特性,可在高速切削中获得很高的加工精度和加工效率。

PCD刀片主要应用于以下两个方面: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刀片则可表现出良好的加工性能,用PCD刀片可有效的加工过共晶硅铝合金。

②难加工非金属材料的加工,PCD刀片非常适合对石材、硬质碳、碳纤维增强塑料、人造板材等难加工非金属材料的加工。

PCD刀片材料的主要性能指标:①PCD的硬度大于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刀片热量传递迅速;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刀片可显著减小切削力;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刀片热变形小,加工精度高;⑤PCD刀片与有色金属和非金属材料的亲和力很小,在加工过程中切屑不易粘结在刀尖上形成积屑瘤。

PCD球头刀的制作工艺

PCD球头刀的制作工艺

PCD 球头刀的制作工艺 背景技术球头刀一般是用在工件的成形加工中,现用的球头刀主要是用整体硬质合金或高速钢在数控机床上制作,整体硬质合金或高速钢球头刀其主要不足是被加工件达不到稳定的尺寸精度和表面光洁度。

聚晶金刚石(PCD )球头刀能解决上述不足,但聚晶金刚石(PCD )球头刀的刃磨一般都是用数控金刚石磨床进行曲线差补成形加工,但数控金刚石磨床成本很高,本发明是一种用非数控PCD 刃磨机床加工聚晶金刚石(PCD )球头刀制作工艺,解决了用非数控PCD 刃磨机床加工聚晶金刚石(PCD )球头刀的难题,降底了成本,使聚晶金刚石(PCD )球头刀的制作更大众化。

发明内容本发明一种聚晶金刚石(PCD )球头刀制作工艺,聚晶金刚石(PCD )球头刀的结构如下图:oA图一图二图一球头刀的正视图,图二是以A-A为剖面的侧面剖视图,它由带有圆弧R的PCD刀片1和金属刀杆2组成,PCD刀片1焊接或粘接在刀杆2球头上的刀槽内,前角0°,后角20°左右。

加工工件时,刀具绕刀杆2的回转中心O—O回转,在被加工件上形成一个半径为R的球形凹槽,最终产品的尺寸检测是用一半径为R标准球在涂有红丹的工件的凹槽内滚动,以接触面的百分比来判定合格否。

生产加工工艺方案聚晶金刚石(PCD)球头刀的刃磨一般都是用数控金刚石磨床进行曲线差补成形加工,在没有能刃磨球头PCD数控机床时,通过下工艺我们可以在非数控PCD刃磨机床上进行加工。

其工艺路线如下:10、切割PCD刀片120、磨PCD刀片1圆弧R控制尺寸精度和形状精度30、检验PCD刀片1尺寸R 下接第130工序40、刀杆2下料50、车刀杆2外形60、刀杆2淬火、回火70、电火花打刀杆2中心孔80、研磨刀杆2中心孔90、磨刀杆2外圆100、磨刀杆2球头110、线切割切刀杆2球头上刀槽120、磨刀杆2球头排屑倒角130、将PCD刀片1焊在刀杆2球头上刀槽内140、检验PCD刀片1中心偏量和轴向倾角150、检验PCD刀片1刃口在所有工序中,工序20、110、130、150对刀具精度的影响最大;其中,工序20磨PCD刀片1圆弧R控制尺寸精度是核心工艺技术,是关键工序。

pcd工艺技术

pcd工艺技术

pcd工艺技术PCD工艺技术(Polycrystalline Diamond)是一种综合利用钻石结晶技术制造的新材料。

它具有钻石硬度高、耐磨性好和热稳定性好等特点,被广泛应用于机械加工、矿山工具、石油勘探等领域。

PCD工艺技术的制造过程主要包括镀膜、压制和烧结三个步骤。

首先,在刀具表面镀上一层金属膜,以增加PCD与基体的结合力。

然后,将金属粉末与聚结剂混合均匀,填充在模具中,经过高温高压的条件下,金属粉末固化成坚硬的基体。

最后,将钻石晶粒均匀分布在基体中,再次进行高温高压的处理,使钻石晶粒与基体结合紧密,形成具有钻石硬度的PCD。

PCD工艺技术的优点主要体现在以下几个方面。

首先,PCD材料的硬度可达到钻石的六倍,因此具有极高的耐磨性。

在机械加工领域,使用PCD材料制造的刀具能够在高速切削和重负荷的工况下保持长时间的使用寿命。

其次,PCD材料具有极高的热稳定性,能够在高温和高速的加工环境下保持稳定的性能。

在石油勘探领域,使用PCD材料制造的特殊钻头能够快速、高效地穿透各种复杂的地层。

此外,PCD材料的导电性好,因此可以应用于电子器件的制造。

最后,PCD材料的结构稳定,不会轻易损坏,因此能够在恶劣的工作环境中长期使用。

然而,PCD工艺技术也存在一些挑战和局限性。

首先,PCD材料的制造工艺复杂,需要采用高温高压的处理,因此生产成本较高。

其次,由于钻石是一种贵重的材料,PCD材料的价格也相对较高,限制了其在一些领域的广泛应用。

此外,由于PCD材料的硬度高,加工和修复过程相对困难,也增加了维护和使用成本。

总之,PCD工艺技术是一种重要的先进材料制备技术。

它适用于各种领域,如机械加工、矿山工具和石油勘探等。

尽管制造工艺复杂,成本较高,但其优异的性能使其在特定领域有着广阔的应用前景。

未来,随着科技的不断发展,PCD工艺技术有望进一步完善,降低生产成本,提高材料性能,推动其在更多领域的应用。

高精度焊接式双刃PCD刀具刃磨技术

高精度焊接式双刃PCD刀具刃磨技术

高精度焊接式双刃PCD刀具刃磨技术随着PCD、CBN等超硬材料刀具在汽车、摩托车、空调压缩机、木材加工等行业的广泛应用,对此类刀具的市场需求日益增加。

目前国内已有约20家企业从事超硬刀具的开发、加工与刃磨,但其中大部分厂家都局限于低端产品(如精度要求不高的刀片装夹式超硬刀具等)的加工,导致此类产品市场竞争激烈。

而一些高端产品(如高精度焊接式PCD刀具等)却因为技术要求高、加工难度大而少有厂家问津,产品仍主要依靠进口。

据统计,2001年上海大众汽车有限公司的2VQS发动机生产线消耗的进口高精度焊接式PCD刀具费用已超过100万元人民币(Passat、Polo车型的发动机加工刀具费用尚未统计在内)。

一汽大众的2VQS发动机生产线与上海大众基本相同,对此类刀具的消耗量也很大,再加上全国其它汽车、摩托车制造厂及相关行业的刀具消耗,可见对于高精度焊接式PCD刀具有着巨大的市场需求。

为降低生产成本,企业迫切希望实现此类刀具的国产化加工与刃磨。

1.高精度焊接式PCD刀具技术要求高精度焊接式PCD刀具的技术要求较高。

刀柄采用HSK接柄或安装在HSK液压夹头中的直柄;PCD刀具长度小于150mm,直径在50mm以内,刀刃直径公差为0.003mm,精度等级IT2~IT3,IT3精度的同轴度公差为0.003mm。

焊接式PCD刀具刃口与刀柄的同轴度误差由磨削加工误差和刀具安装误差综合而成,要将其控制在0.003mm范围内相当困难。

为了保证0.003mm的刀具外径公差,对加工机床和磨削工艺方法的加工精度也提出了很高要求。

此外,为了实现高精度焊接式PCD刀具的准确测量,要求测量仪器的综合测量精度达到微米级,且作用于刀具刃口的测量力应控制在150mN 以内。

2.高精度PCD刀具磨床现以远山机械股份有限公司生产的FC-500D型PCD&CBN刀具磨床为例,简要介绍高精度PCD刀具磨床的结构特点与加工性能。

(1)机床特点FC-500D型PCD&CBN刀具磨床的砂轮行程为500mm,可满足长度为150mm刀具的磨削行程要求。

PCD刀具磨削机理及刃磨工艺研究论文

PCD刀具磨削机理及刃磨工艺研究论文

PCD刀具磨削机理及刃磨工艺研究论文引言近年来,随着科技的不断发展,超硬材料在制造业中的应用越来越广泛。

其中,多晶立方氮化硼(Polycrystalline Cubic Boron Nitride,简称PCD)材料因其具有超高硬度和良好的磨削性能,成为刀具材料中的翘楚。

然而,由于其特殊的性质,PCD刀具的磨削机理和刃磨工艺也与传统刀具有所不同。

本文旨在研究PCD刀具的磨削机理,并提出相应的刃磨工艺。

PCD刀具的磨削机理1. PCD材料的特性PCD材料是由金刚石颗粒通过高温高压烧结而成,具有优异的硬度和耐磨性。

其主要特性包括:•超硬度:PCD的硬度远超一般刀具材料,具有优异的切削性能;•低摩擦系数:PCD材料的摩擦系数较低,有利于减少切削力和热损伤;•高导热性:PCD具有较高的导热性能,有利于迅速散热,减少切削温度。

2. PCD刀具磨削机制PCD刀具的磨削机制受到多种因素的影响,包括切削力、切削温度和切削速度等。

磨削过程主要涉及以下几个方面:•切削力的作用:切削力对PCD刀具的磨削过程具有重要影响。

较大的切削力会导致PCD材料的磨损加剧,同时也可能引起刀尖的断裂。

•切削温度的影响:切削过程中会产生较高的切削温度,特别是在高速切削时。

过高的切削温度会导致PCD材料的退化和破损,因此需要采取措施来降低切削温度。

•切削速度的选择:切削速度的选择要根据材料的硬度和切削工况来确定。

过高的切削速度会导致PCD刀具的加热和磨损加剧,而过低的切削速度则会影响加工效率。

•冷却润滑剂的使用:合适的冷却润滑剂可以有效降低切削温度,并提高切削质量和刀具寿命。

PCD刀具的刃磨工艺研究1. PCD刀具的刃磨方法刃磨是PCD刀具加工过程中的重要环节。

常见的PCD刃磨方法包括:•电火花刃磨:利用电火花放电原理将切削刃磨成所需形状。

•摩擦刃磨:通过材料之间的摩擦磨去刃口,得到所需的切削刃。

•光束刃磨:利用高能光束将刃口融化并形成所需形状。

pcd木工刀片简介

pcd木工刀片简介

1 引言随着现代科学技术的高速发展,由聚晶金刚石(PCD)、聚晶立方氮化硼(PCBN)等超硬材料制成的刀具品种越来越丰富,其性能也得到不断发展和提高。

刀片磨料粒径从数十微米、几微米到纳米级;金刚石、立方氮化硼的含量分为低含量、中等含量和高含量;结合剂既有金属、非金属也有混合材料;PCD层厚度从毫米级到微米级;PCD层与硬质合金衬底的结合方式有平面、波纹面;PCD层有高耐磨、高韧性、高耐热等不同特性。

目前PCD、PCBN刀具的应用范围扩大到汽车、航天航空、精密机械、家电、木材、电子电气等行业,用于制作车刀、镗刀、铣刀和钻头、铰刀、锪刀、锯刀、镂刀、剃刀等。

尽管PCD、PCBN刀具发展如此之快,但因其高硬度导致的刀具刃磨困难一直困扰着大多数用户,刀片的重磨也主要由原刀具生产厂家来完成。

不仅刀具价格高,交货期长,而且占用企业流动资金。

因此,很有必要认真研究PCD的磨削特点及PCD刀具的刃磨技术。

2 PCD刀具的制造工艺PCD切削刀具的生产工艺流程一般包括抛光、切割、固接、刃磨、质检等。

PCD超硬材料毛坯直径通常有1/2、1、2、3、4英寸,其表面一般较粗糙(Ra2~10μm),不能直接用于制作刀具,需经研磨抛光使其表面达到镜面(Ra≤0.01μm),然后通过激光切割或电火花线切割加工成一定几何形状和尺寸要求的刀片,再进一步对刀片和基体待固接面进行机械和化学处理,然后采用银基硬钎焊将刀片固接于基体上,最后经金刚石砂轮刃磨。

PCD切削刀具制造技术的关键之一是切削刃的刃磨质量。

优质刀头材料缺乏理想的刃磨工艺和技术将会造成资源浪费,采用好的刃磨工艺则会提升刀具的产品质量,降低刀具使用成本。

3 PCD材料的磨削加工特点PCD是由特殊处理的金刚石与少量粘结剂在高温超高压下烧结而成。

无序排列的金刚石晶粒使PCD具有均匀的、极高的硬度和耐磨性。

PCD可用于切削刀具、砂轮修整、地质钻探、量具测头、拉丝摸具、喷砂摸具等。

pcd是什么材料

pcd是什么材料

pcd是什么材料PCD是一种多晶金刚石材料,它具有优异的硬度、耐磨性和热导性,因此在工业领域得到了广泛的应用。

PCD的全称是Polycrystalline Diamond,它是由许多小颗粒的金刚石晶粒通过高温高压技术制成的一种新型材料。

PCD材料的优异性能使得它在工业加工领域具有重要的地位,下面我们将详细介绍PCD的材料特性以及在工业中的应用。

首先,PCD材料具有极高的硬度和耐磨性,这使得它在工业加工中能够承受高压、高速的加工环境,不易产生磨损和变形。

与普通的金属刀具相比,PCD刀具具有更长的使用寿命和更稳定的加工质量,能够大大提高加工效率和降低成本。

因此,PCD材料被广泛应用于金属加工、木工加工、石材加工等领域,成为各种刀具、刀片、砂轮等工具的理想材料。

其次,PCD材料具有优异的热导性和化学稳定性,这使得它在高温、高速的加工环境下依然能够保持稳定的性能。

在高速切削和高温加工中,普通的刀具容易受到热膨胀和变形的影响,而PCD刀具由于其热导性好,能够迅速散热,保持刀具的稳定性,从而保证加工质量和加工效率。

此外,PCD材料还具有良好的化学稳定性,不易受到化学腐蚀和氧化,因此能够在恶劣的加工环境下长时间稳定工作。

再者,PCD材料具有良好的表面光洁度和尺寸稳定性,这使得它在精密加工领域有着独特的优势。

在精密加工中,PCD刀具能够保持较高的表面光洁度和尺寸稳定性,能够满足对加工精度和表面质量要求较高的工件加工需求。

因此,PCD材料在汽车制造、航空航天、光学仪器等领域得到了广泛的应用,成为精密加工的重要工具材料。

综上所述,PCD材料具有优异的硬度、耐磨性、热导性和化学稳定性,适用于各种工业加工领域,能够大大提高加工质量和加工效率。

随着工业技术的不断发展,PCD材料将会在更多领域得到应用,为工业制造提供更多可能性。

PCD聚晶金刚石刀具特性及其适合加工的材料简介

PCD聚晶金刚石刀具特性及其适合加工的材料简介

PCD 聚晶金刚石刀具特性及其适合加工的材料简介图1努氏硬度图2断裂韧性图3导热性制备工艺PCD是由大量随机定向的金刚石颗粒在极困难的条件下进行人工合成得到的。

它通过在高压高温下烧结精选的金刚石颗粒进行制备。

烧结过程在金刚石稳定区内被严格地控制,于是生产出一种极硬且耐磨的结构。

特性PCD是由大量随机定向的金刚石颗粒在极困难的条件下进行人工合成得到的。

它通过在高压高温下烧结精选的金刚石颗粒进行制备。

烧结过程在金刚石稳定区内被严格地控制,于是生产出一种极硬且耐磨的结构。

特性以聚晶形态组成的金刚石提供了一种强大的切削刀具,它提供极好的硬度及由此得到的耐磨性,并与聚晶结构所带来的极佳韧性相结合。

此外,金刚石拥有所有刀具材料中最高的导热性,使得热量迅速从切削刃传递出来。

除PCD与铁的高亲合力以外,PCD不会与工件材料粘结,在正确的切削参数下,积屑瘤是最小化的。

所有的SecomaxPCD刀具都拥有镜面抛光的前刀面,提供最低的摩擦系数和光滑的切削刃。

适合加工的工件材料铝合金铝合金已成为交通工业需求的致力于减轻重量的理想材料。

尽管铝合金的生产在能量消耗上具有更大的初始需求,但在长期运作中证明有更多的益处,这些合金的性能将超过其它与其竞争的材料。

纯铝的硬度低、耐腐蚀。

举例讲,添加铜或镁等合金元素将使该材料具有更高的强度。

巿场上有很多种铝合金,最著名的莫过于分别用于汽车与航空航天行业的2000及6000系列。

锻造和铸造铝合金之间有明显的分界线,各有几种不同的材质等级,而且有各式各样的硬化处理性能。

对于硅(Si)含量低到中等的硅合金来说,PCD在铣削应用与粗加工中提供了最好的耐磨性,见下表。

所遭遇到的最常见的问题应该是积屑瘤。

即使是很高的切削速度,加工低硅铝合金时也会发生这种情况。

切削刃的几何角度和质量必须要被小心地应用。

采用这样的参数,当与工件的接触时间越久,产生的热量上升,其直接的影响就是刀具寿命的缩短。

对于加工高硅铝合金,PCD的耐磨性被完全地利用。

聚晶金刚石(PCD)刀具

聚晶金刚石(PCD)刀具

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。

PCD刀具

PCD刀具

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。

刀具刃磨工艺推动PCD刀具的发展和应用

刀具刃磨工艺推动PCD刀具的发展和应用

刀具刃磨工艺推动PCD刀具的发展和应用聚晶金刚石(PCD)是将粒度为微米级的金刚石微粉与少量金属粉末(如CO)混合后在高温(1400℃)、高压(6000MPa)下烧结而成的聚晶体。

与其它刀具材料相比,聚晶金刚石具有如下性能特点:①极高的硬度和耐磨性;②高导热性和低热膨胀系数,切削时散热快,切削温度低,热变形小;③摩擦系数小,可降低加工表面粗糙度。

但由于聚晶金刚石与铁族元素有很强亲和力,因此不适合加工黑色金属及其合金。

已实现商品化供货的PCD复合片是将0.5~0.7mm厚的PCD层烧结在硬质合金基体上制备而成,因此兼具了PCD的高硬度、高耐磨性和硬质合金的良好强度与韧性。

PCD刀具在有色金属及其合金、非金属材料的高速切削中体现出优良的切削性能,因此已广泛应用于汽车、航空、航天、建材等工业领域。

但是,PCD的高硬度、高耐磨性使刀具的刃磨相当困难,主要体现在材料磨除率小、砂轮损耗大、刃磨效率低、刃口呈锯齿状。

PCD刀具的刃磨工艺性已成为其推广应用的障碍之一。

为了突破这一工艺瓶颈,国内外学者进行了大量研究开发工作。

PCD刀具的主要刃磨工艺有放电刃磨、金刚石砂轮机械刃磨、电解刃磨等,其中放电刃磨和金刚石砂轮机械刃磨在技术上已较为成熟,放电刃磨(EDG)是电火花放电加工技术(EDM)(特别是电火花线切割和放电磨削)已广泛应用于刀具制造,电火花放电加工技术用于刃磨PCD刀具称为放电刃磨(EDG)。

放电刃磨是通过在电介质分离的砂轮电极与刀具电极间放电产生瞬时高温,将刀具材料熔化和气化。

刃磨PCD刀具时,由于金刚石不导电,所以刀具电极即为PCD中的金属相构成的导电网络,由此可见,放电刃磨是一种热蚀加工过程。

由于电火花放电的温度可高达8000~12000℃,因此PCD刀具刃磨时可能引起热损和石墨化,尤其在PCD与硬质合金基底的界面处侵蚀速度更快,可在表面形成深约0.05mm的微裂纹,这是放电刃磨加工方法的主要缺陷。

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PCD刀具重要的制造技术
1、聚晶金刚石刀具(PCD)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、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,其工艺特点的比较如下。

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。

增加金刚石刀具(PCD)刀片厚度也会降低切割速度。

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。

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,聚晶金刚石刀具(PCD)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。

某些复杂形状聚晶金刚石刀具(PCD)(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。

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