聚晶金剛石(PCD)刀具的開發(fā)與應(yīng)用
PCD, 刀具, 金剛石, 應(yīng)用, 開發(fā)
1 引言
高速切削已成為現(xiàn)代制造技術(shù)的一個主要發(fā)展方向。由于高速切削刀具的開發(fā)與應(yīng)用直接影響高速切削的加工效率和加工質(zhì)量，因此具有非常重要的意義。刀具技術(shù)的革新，除了刀具本身的幾何形狀、切削角度等的革新和改進(jìn)外，刀具切削刃材質(zhì)的開發(fā)和革新也是提高切削效率、降低切削成本的一個關(guān)鍵因素。
20世紀(jì)70年代中期以來，美國、德國、日本等工業(yè)發(fā)達(dá)國家先后開發(fā)聚晶金剛石(PCD)刀具并將其用于非金屬材料和有色金屬材料的高速切削加工，使生產(chǎn)效率獲得大幅度提高，切削費(fèi)用成倍下降，因此被廣泛應(yīng)用于汽車、航空、航天以建材等工業(yè)領(lǐng)域。
2 PCD復(fù)合片的開發(fā)
聚晶金剛石(PCD)復(fù)合片是由粒度為微米級的金剛石顆粒與Co、Ni 等金屬粉末均勻混合后，在高壓高溫下，在碳化鎢(WC)基材上燒結(jié)而成的一種刀坯新材料。PCD 復(fù)合片不僅具有金剛石高硬度、高耐磨性、高導(dǎo)熱性、低摩擦系數(shù)、低熱膨脹系數(shù)等優(yōu)越性能，同時還具有硬質(zhì)合金良好的強(qiáng)度和韌性。PCD 復(fù)合片還具有導(dǎo)電性，因此可用線切割機(jī)切割成所需刀頭，將刀頭焊接在刀體上，經(jīng)過刃磨制成PCD 刀具。
目前國內(nèi)外已有不少PCD 復(fù)合片的生產(chǎn)企業(yè)，主要生產(chǎn)廠商及產(chǎn)品牌號見表1。
表1公司名稱國別牌號金剛石平均粒徑(µm)GE美國Compax-1600
Compax-1300
Compax-1500
Compax-17005
10
25
40Element six
(原De Beers)英國Syndite-CTC002
Syndite-CTB002
Synd ite-CTB010
Syndite-CTB025
Syndite-CTH0252
2
10
25
25住友電工日本DA-200
DA-150
DA-100
DA-900.5
5
20 0.5
50日本韓國CF
CM
CC2
10
25東名日本TDC-FM
TDC-98F2M
TDC-GM
TDC-SM
TDC-HM
TDC-SA
TDC-EpM
TDC-EM1
1
3
7
10
16
20
36 16
3 PCD 刀具的動平衡
由于PCD 刀具適宜于高速切削，因此旋轉(zhuǎn)式PCD 刀具的動平衡顯得特別重要。動平衡時，應(yīng)根據(jù)刀具允許使用的最高轉(zhuǎn)速(nmax)和動平衡的精度等級(一般控制在G2.5級)查圖1，得到許用不平衡率eper值，則其允許的不平衡量可由下式計算
Uper=meper
式中eper——許用不平衡率或偏心距(單位：g·mm/kg或微米)m——刀具質(zhì)量(kg)
圖1 不同平衡精度等級 G的剩余不平衡率(或轉(zhuǎn)子偏心距)與工作轉(zhuǎn)速的關(guān)系 為了達(dá)到刀具的動平衡精度要求，常采用去重法(在刀具刀體的適當(dāng)部位去除適當(dāng)重量)使刀具的實(shí)際不平衡量≤允許不平衡量。
4 PCD刀具的適用范圍
由于PCD刀具的性能優(yōu)越，因此被廣泛用于非鐵金屬和非金屬材料的加工(見表2)。
被加工材料加工對象非鐵金屬鋁
鋁合金汽車、摩托車：活塞、 汽缸、輪轂、傳動箱、泵體、進(jìn)氣管、各種殼體零件等飛機(jī)、機(jī)電：各種箱體、殼體、壓縮機(jī)零件等精密機(jī)械：各種照相機(jī)，復(fù)印機(jī)，計量儀器零件等通用機(jī)械：各種泵體、油壓機(jī)、機(jī)械零件等銅
銅合金內(nèi)燃機(jī)船舶 ：各種軸、軸瓦、軸承、泵體等電子儀器：各 種儀表、電機(jī)整流子、印制電路板等通用機(jī)械 ：各種軸承、軸瓦、閥體、殼體等硬質(zhì)合金各種閥座、汽缸等燒結(jié)品及半燒結(jié)品等其它鎂、鋅等各種有色金屬非金屬木材各種硬木、人造板、人造耐磨纖維板及制品增強(qiáng)塑料玻璃纖維、碳纖維 增強(qiáng)塑料等橡膠紙用軋輥、橡膠環(huán)等石墨碳棒等陶瓷密封環(huán)、柱塞等燒結(jié)品 及半燒結(jié)品
在實(shí)際選用時，應(yīng)根據(jù)PCD刀具的使用場合、被切削材料的特性以及加工的具體要求，選用適當(dāng)牌號和粒徑的PCD復(fù)合片做刀具刀頭。一般情況下，復(fù)合片中金剛石體積濃度高或粒徑較大的耐磨性較好，金剛石體積濃度低或粒徑較小的則韌性較好。
5 HSK刀柄系統(tǒng)
在高速旋轉(zhuǎn)條件下，PCD刀具的刀柄定位精度和夾持力是至關(guān)重要的。通常采用DIN69893-1 HSK刀柄系統(tǒng)(目前汽車制造業(yè)發(fā)動機(jī)生產(chǎn)線上所用絕大部分PCD刀具都采用HSK刀柄)。由于HSK刀柄系統(tǒng)采用雙重定位配合原則，在足夠的拉緊力作用下，HSK1:10空心工具錐柄和主軸錐孔、錐面及夾持平面之間同時接觸，產(chǎn)生摩擦，可提供封閉結(jié)構(gòu)的徑向定位和平面夾緊定位，阻止任何軸向竄動。HSK刀柄具有靜、動態(tài)剛性高、扭矩傳遞大、徑向定位精確以及換刀重復(fù)精度高等特點(diǎn)。HSK刀柄系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式分別有A、B、C、D、E、F型，常用的有A、B、C、D型四種：A型為自動換刀型(見圖2a)，B型為帶內(nèi)冷卻孔的自動換刀型，C型為手工換刀型(見圖2b)，D型為帶內(nèi)冷卻孔的手工換刀型；刀柄凸緣直徑一般分為9個規(guī)格(分別為25、32、40、50、63、80、100、125、160mm)。HSK刀柄的型式規(guī)格標(biāo)識見圖3。
(a) (b)
圖2 HSK刀柄
圖3 HSK刀柄的型式規(guī) 格標(biāo)識 6 PCD刀具的刃磨
PCD復(fù)合片的硬度一般在HV4500"HV8000之間，僅次于金剛石的硬度(HV9000)，同時其硬度因生產(chǎn)廠或牌號的不同而不同。因此，如何解決PCD刀具的刃磨問題是加工、使用PCD刀具的關(guān)鍵。目前有兩種PCD刀具常用刃磨方法：
金剛石砂輪刃磨法 采用金剛石砂輪來刃磨PCD刀具，對所用機(jī)床要求較高：機(jī)床系統(tǒng)剛性好，進(jìn)給機(jī)構(gòu)精度高，有微進(jìn)給機(jī)構(gòu)，重復(fù)精度高，磨頭往復(fù)擺動平穩(wěn)無沖擊，同時還需選用合適的金剛石砂輪。瑞士EWAG公司生產(chǎn)的RS系列機(jī)床尤其是RS15機(jī)床具有精度高、附件多并帶有刃磨PCD刀具(帶HSK刀柄)的附件等特點(diǎn)，是PCD刀具刃磨機(jī)床的代表。采用RS15機(jī)床刃磨PCD刀具，刀具尺寸精度可達(dá)0.001mm，表面粗糙度可達(dá)Ra0.08左右。
電蝕刃磨法 電蝕刃磨是將工件(PCD刀具)和電蝕輪(或鉬絲)形成正負(fù)電極，通過正負(fù)電極間放電，達(dá)到去除PCD的效果。電蝕刃磨法的PCD去除效果取決于電蝕輪(或鉬絲)與PCD刀具刃口間的間隙、走刀進(jìn)給速度以及電壓高低、電流大小等。電蝕刃磨機(jī)床的特點(diǎn)是生產(chǎn)效率高，尺寸精度一般在.0.01mm左右，表面粗糙度在Ra0.25左右。德國VOLLMER公司的QM和QW系列機(jī)床是采用電蝕法刃磨PCD刀具的代表，其中的新產(chǎn)品QM110和QWD760都是五軸聯(lián)動數(shù)控機(jī)床。QM110是輪電蝕刃磨機(jī)床，用于直線形刃口的PCD刀具電蝕刃磨。QWD760是線電蝕刃磨機(jī)床，用于各種曲線形刃口的PCD刀具電蝕刃磨。
根據(jù)不同機(jī)床刃磨PCD刀具的適應(yīng)范 圍，一般說來，對尺寸精度和表面粗糙度要求高的PCD鉸刀、鏜刀等，在RS15等機(jī)床上用金剛石砂輪刃磨；對PCD銑刀、鋸片和PCD木工刀具等，用QM110或QWD760機(jī)床進(jìn)行電蝕刃磨，而用于強(qiáng)化地板開榫的PCD刀具和各種曲線形狀的PCD刀具，則采用QWD760機(jī)床電蝕刃磨。
7 結(jié)語
上海工具廠有限公司通過技術(shù)改造，引進(jìn)了PCD刀具(包含PCBN刀具)的先進(jìn)生產(chǎn)設(shè)備，包括瑞士EWAG公司的RS15機(jī)床、德國VOLLMER公司的QM110和QWD760機(jī)床、德國SCHENCK公司的HSK刀柄動平衡機(jī)、ZOLLER公司的CNC刀具專用測量儀等。通過現(xiàn)有生產(chǎn)技術(shù)的配套，上工目前已能生產(chǎn)木工行業(yè)、印制電路板行業(yè)和汽車制造業(yè)所急需的各類PCD銑刀、鏜刀、鉸刀，成為國內(nèi)目前唯一能配套生產(chǎn)帶HSK刀柄的PCD刀具的企業(yè)。
