如何正確選用金剛石刀具材料.doc

金剛石材料的刀具目前被廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)制造中。本文介紹了近十幾年來正在迅速發(fā)展的金剛石切削刀具材料的性能、品種，幷針對不同類的金剛石材料刀具的性能優(yōu)劣，作出了選用建議。金剛石是碳的同素異形體，是目前已知的最硬物質(zhì)，其顯微硬度可達(dá)10,000HV，同時也是目前硬度最高的刀具材料。在合適的加工條件下，金剛石刀具相比高速鋼、硬質(zhì)合金、陶瓷和聚晶立方氮化硼刀具的使用壽命更長。用它加工銅、鋁等有色金屬和非金屬耐磨材料時的切削速度比硬質(zhì)合金刀具高出一個數(shù)量級(例如銑削鋁合金的切削速度為30004000m/min，高的甚至可達(dá)7500m/min)，使用壽命是硬質(zhì)合金刀具的幾十甚至幾百倍。金剛石刀具過去主要用于精加工，近十幾年來通過改進(jìn)生產(chǎn)工藝，控制原料純度和晶粒尺寸，采用復(fù)合材料和熱壓工藝等，其脆性有了重大改進(jìn)，韌性提高，使用可靠性顯著改善，已經(jīng)可以作為常規(guī)刀具在生產(chǎn)中應(yīng)用，對提高工效、保證產(chǎn)品質(zhì)量起著重要作用。金剛石刀具材料的性能優(yōu)劣金剛石的硬度和耐磨性極高、切削刃非常鋒利、刃部粗糙度值小、摩擦因數(shù)低、抗粘結(jié)性好、熱導(dǎo)率高、切削時不易粘刀及產(chǎn)生積屑瘤、加工表面質(zhì)量好。在加工有色金屬時，表面粗糙度值可達(dá)R0.100.05 m，加工精度可達(dá)IT5(孔IT6)級以上，能有效地加工非鐵金屬材料和非金屬材料，如銅、鋁等有色金屬及其合金、陶瓷、未燒結(jié)的硬質(zhì)合金、各種纖維和顆粒加強(qiáng)的復(fù)合材料、塑料、橡膠、石墨、玻璃和各種耐磨木材(尤其是實(shí)心木和膠合板、MDF等復(fù)合材料) 。金剛石的缺點(diǎn)是韌性差，熱穩(wěn)定性低，與鐵族元素接觸時有化學(xué)反應(yīng)(4C+3Fe Fe3C4)，在700800時將碳化(即石墨化)，一般不適用於加工鋼鐵材料。用它切削鎳基合金時，同樣也會迅速磨損。所以通常不推薦金剛石刀具加工高熔點(diǎn)金屬及合金。此外，金剛石刀具刃磨困難，價格昂貴。表1中列出了金剛石刀具與硬質(zhì)合金刀具二者性能的比較。金剛石刀具材料的品種分類金剛石刀具材料分為單晶金剛石(有天然和人造兩種，天然單晶金剛石價格昂貴，部分被人造單晶金剛石替代)、人造聚晶金剛石(PCD)和人造聚晶金剛石與硬質(zhì)合金復(fù)合刀片(PCD/CC)以及CVD金剛石。單晶金剛石單晶金剛石用作切削刀具必須是大顆粒的(質(zhì)量大於0.1g，最小徑長不得小於3mm) ，主要用于表面粗糙度、幾何形狀精度和尺寸精度有較高要求的精密和超精密加工應(yīng)用領(lǐng)域。天然單晶金剛石是金剛石中最耐磨的材料。它本身質(zhì)地細(xì)密，經(jīng)過精細(xì)研磨，切削刃的刃口鈍圓半徑可小到0.0080.005m。但天然單晶金剛石較脆，其結(jié)晶各向異性，不同晶面或同一晶面不同方向的晶體硬度均有差異，在進(jìn)行刃磨和使用時必須選擇合適的方向。由於使用條件苛刻，加上天然單晶金剛石資源有限，價格十分昂貴，所以生產(chǎn)上大多采用PCD、PCD/CC和CVD金剛石刀具。天然單晶金剛石主要用於某些有色金屬的超精密切削加工或黃金首飾的生產(chǎn)中。人工合成單晶金剛石的尺寸、形狀和性能都具有良好的一致性, 目前由于高溫高壓技術(shù)日趨成熟，能夠制備一定尺寸的人工合成單晶金剛石，尤其在加工高耐磨的層狀木板時，其性能要優(yōu)于PCD金剛石，不會引起刃口過早鈍化。人造聚晶金剛石(PCD)和人造聚晶金剛石與硬質(zhì)合金復(fù)合刀片(PCD/CC)PCD是在高溫(約1800)、高壓(56MPa)下，利用鈷等金屬結(jié)合劑將許多金剛石單晶粉聚晶成多晶體材料，其硬度雖稍低于單晶金剛石，但它是隨機(jī)取向的金剛石晶粒的聚合，屬各向同性，用作切削刀具時可以任意取向刃磨，無需像天然金剛石那樣必須選用最佳的解理面作為前刀面。在切削時，切削刃對意外損壞很不敏感，抗磨損能力也較強(qiáng)，可長時間保持鋒利的切削刃，加工時可采用很高的切削速度和較大的背吃刀量(吃深)，使用壽命一般高于WC基硬質(zhì)合金刀具10500倍，而且由於PCD中金屬結(jié)合劑具有導(dǎo)電性，使得PCD便于切割成形，且原料來源豐富，其價格只有天然金剛石的幾十分之一至十幾分之一，已成為傳統(tǒng)WC基硬質(zhì)合金刀具的高性能替代品。為提高PCD刀片的韌性和可焊性，以硬質(zhì)合金為基底，在其表面燒結(jié)或壓制一層0.51mm厚的PCD而組成金剛石復(fù)合刀片(PCD/CC)。PCD/CC可用焊或機(jī)夾方式制作刀具。由于其可焊性好，重磨容易，成本低，故應(yīng)用廣泛。須指出的是，PCD和PCD/CC刀具的刃口鋒利性和加工表面質(zhì)量均不如單晶金剛石，同時其可加工性差，磨削比小，難以根據(jù)刀頭的幾何形狀任意成形，至今還不能方便地制造帶斷屑槽可轉(zhuǎn)位刀片和立銑刀等幾何形狀復(fù)雜的產(chǎn)品。CVD金剛石CVD金剛石是一種高抗磨性的純金剛石材料，不含結(jié)合劑，它是在低壓(0.1MPa)下制備的。CVD金剛石主要有CVD薄膜涂層(CD)和CVD厚膜(TFD)兩種形式。CD是用CVD(化學(xué)氣相沈積)工藝，在硬質(zhì)合金基體(常用K類合金)上沈積一層厚度約1030m，由多晶組成的膜狀金剛石而成。因基體易于制成復(fù)雜形狀，故適用于幾何形狀復(fù)雜的刀具，如絲錐、鉆頭、立銑刀和帶斷屑槽可轉(zhuǎn)位刀片等。國際工具巿場上已有CD刀具的產(chǎn)品，如瑞典Sandvik公司的CD1810和美國Kennametal公司的KCD25，主要用于有色金屬及非金屬材料的高速精密加工，刀具壽命比未涂層的硬質(zhì)合金刀具提高近十倍甚至數(shù)十倍。但CD刀具不適于加工金屬一類復(fù)合材料，因?yàn)閺?fù)合材料中的硬質(zhì)顆粒在很短時間內(nèi)就會將刀具表面一層涂層磨穿，所以盡管CD刀具的價格比同類PCD刀具要低，但由于金剛石薄膜與基體材料間的粘著力較小，于是限制了它的廣泛應(yīng)用。金剛石刀具材料的性能優(yōu)劣圖1 金剛石PCD數(shù)控刀具TFD是沈積厚度達(dá)1mm以上甚至幾mm(De Beers公司沈積厚度可達(dá)5mm)的無襯底金剛石厚膜，根據(jù)需要再將厚膜切割成一定形狀的小塊，然後焊在硬質(zhì)合金上形成復(fù)合刀片或刀具。TFD有很好的綜合性能，它沒有天然金剛石各向異性的缺點(diǎn)，由于沒有金屬結(jié)合劑，雜質(zhì)含量低，純度接近100%，故硬度和熱導(dǎo)率比PCD更高(參照表1)， 摩擦因數(shù)更小，化學(xué)穩(wěn)定性更好，可采用比PCD刀具更高的切削速度，但韌性則稍低於PCD，由於不導(dǎo)電的緣故，故不能用於放電加工(EDM)技術(shù)中。表1 各類金剛石刀具與硬質(zhì)合金刀具的性能比較TFD已在木材加工刀具和修整刀具上得到了廣泛應(yīng)用。國外已有TFD的產(chǎn)品(如De Beers公司的DIAFILM品牌)。盡管目前TFD刀具的價格較貴，但隨著制造工藝的完善，今後TFD有望替代昂貴的天然金剛石刀具及部分PCD刀具。表2中列出了PCD、TFD和人工合成單晶金剛石三者性能的對比。由表2可知，PCD 、TFD(CVD厚膜)和人工合成單晶金剛石三者性能上各有特點(diǎn)， 在一定程度上能相互補(bǔ)充，可以根據(jù)不同具體情況以及其性價比加以選用。如何選用金剛石刀具材料目前， 單晶金剛石、PCD(或PCD/CC)、以及CVD金剛石均成功用作車刀、鏜刀、鉆頭、鉸刀、銑刀、成形刀和切齒刀具等切削部分的制作材料。金剛石材料的品種必須根據(jù)所加工材料的性質(zhì)和加工要求來選擇，除滿足技術(shù)要求外，還應(yīng)滿足經(jīng)濟(jì)和環(huán)保性能的要求。PCD和PCD/CC材料PCD和PCD/CC是生產(chǎn)中最常用的金剛石材料，它不僅適用通常機(jī)械加工領(lǐng)域，還廣泛地應(yīng)用在汽車、摩托車、高速列車、石油、化工、建筑、木材加工以及航空航天等工業(yè)部門。在汽車和摩托車領(lǐng)域中，PCD和PCD/CC適用于加工發(fā)動機(jī)鋁合金活塞的裙部、銷孔、汽缸體、變速箱、化油器等耐磨零部件。而這些零部件大多是含矽量較高(Si 12%)的鋁基復(fù)合材料，其內(nèi)高硬度的硬質(zhì)顆粒(如SiC的硬度高達(dá)30003500HV)分布在鋁合金基體中，猶如砂輪中的磨粒一樣會對刀具的切削刃起刮磨和沖擊作用，而使切削刃很快磨損。硬質(zhì)顆粒的硬度越高、顆粒的尺寸越大、顆粒的數(shù)量越多，則刀具磨損越快。因此，用傳統(tǒng)的硬質(zhì)合金刀具很難進(jìn)行加工，刀具壽命很低或根本無法使用。金剛石是世界上已知的最硬物質(zhì)，實(shí)際使用證明，它是加工鋁基復(fù)合材料的最佳刀具材料。用PCD金剛石加工鋁基復(fù)合材料，其切削速度可達(dá)800 1000m/min，刀具壽命可比硬質(zhì)合金高幾倍甚至幾十倍，加工表面粗糙度值可達(dá)Ra 0.025 0.012m。圖2所示為用PCD刀具鉆加工20%SiC的鋁基復(fù)合材料螺旋泵殼的應(yīng)用實(shí)例。圖2 用PCD刀具鉆加工20%SiC的鋁基復(fù)合材料用PCD(或PCD/CC)刀具加工碳纖維和玻璃纖維增強(qiáng)塑料(FRP)時，切屑成粉狀，切削溫度低，且切削長度為K類硬質(zhì)合金刀具的10倍，而磨損卻不到硬質(zhì)合金刀具的1/3。PCD(或PCD/CC)刀具也適用于加工預(yù)燒後的硬質(zhì)合金和耐磨的非金屬材料，如陶瓷、橡膠、石墨、玻璃和各種耐磨木材等。PCD刀具的性能主要取決于它的應(yīng)用場合和所涉及的加工過程，但選擇適當(dāng)?shù)呐铺柡皖w粒尺寸也會對其產(chǎn)生影響。不同品種的PCD刀片，由于其組成成份不同，切削性能有很大的差異，選用時須加以注意。目前PCD刀片不像硬質(zhì)合金那樣在國際上有統(tǒng)一的分類，各生產(chǎn)廠都有各自的品種與牌號，使用時須參照廠家樣品來選擇。De Beers公司生產(chǎn)的PCD刀片有002、010和025幾種，晶粒的平均尺寸分別為2m(細(xì)晶粒)、10m(中晶粒)和25m(粗晶粒)。晶粒尺寸越大則磨性越好，刀具壽命越高，但切削刃較粗糙，刃口質(zhì)量差，難以制成高精度刀具;中晶粒一般作為機(jī)械加工的通用牌號;細(xì)晶粒刀具的切削刃的刃口鈍圓半徑小，易加工出良好的表面質(zhì)量。因而目前聚晶的晶粒不斷細(xì)化，并已有1m甚至有0.5m以下的細(xì)晶，需根據(jù)粗、精加工等不同工序要求，選用不同大小的晶粒。單晶金剛石刀具材料單晶金剛石與PCD(或PCD/CC)以及PCD(或PCD/CC)與CVD金剛石之間能很好地相互補(bǔ)充，也存在著一些相互交叉的應(yīng)用領(lǐng)域。單晶金剛石切出的工件表面呈連續(xù)狀，而用PCD切出的工件表面呈現(xiàn)出微米量級的不連續(xù)狀態(tài)，因此PCD只適用于普通的機(jī)械加工領(lǐng)域，對于一些有特殊要求的拋光工藝，如制備Al2O3 鏡面時，只有使用天然單晶金剛石才能達(dá)到所要求的表面粗糙度和尺寸公差。天然金剛石中較少見大尺寸金剛石，但人工合成大尺寸金剛石目前已經(jīng)成為可能。用其加工高耐磨的層狀木板時，其性能要優(yōu)于PCD金剛石，不會引起刃口過早鈍化。在加工鋁基復(fù)合材料時，既可采用PCD也可使用TFD(CVD厚膜)。圖3所示為用PCD與TFD兩種金剛石加工40% SiC A356MMC材料時的刀具磨損曲綫。圖3試驗(yàn)時采用的切削條件為：切削速度400m/min，進(jìn)給量為0.05mm/r，背吃刀量(切削深度)0.5 mm，加切削液。由實(shí)驗(yàn)可知，加工40% SiC鋁基復(fù)合材料，使用厚膜金剛石TFD的效果最好，PCD025次之，PCD002刀具的使用壽命最低。圖3 聚晶金剛石和化學(xué)氣相沈積金剛石刀片加工40% SiC/A365金屬基復(fù)合材料時側(cè)面磨蝕隨切削時間的變化曲綫。由于各類金剛石在適應(yīng)面上的互補(bǔ)性，金剛石刀具可加工范圍有所擴(kuò)展，人工合成金剛石替代天然金剛石，CVD金剛石替代PCD金剛石的趨勢也日漸明顯。切削加工也由此而進(jìn)入了一個可實(shí)現(xiàn)高效、經(jīng)濟(jì)加工的新時期，其替代程度決定于技術(shù)和經(jīng)濟(jì)兩方面因素，尤其是刀片的成型、刃磨和焊的難易程度將直接影響金剛石刀具的價格和性能。通常PCD刀具適合于粗加工和要求刀具有較高斷裂韌性的生產(chǎn)中，CVD厚膜和單晶金剛石刀具多用於高速精加工和半精加工。金剛石刀具的應(yīng)用建議金剛石刀具改變了傳統(tǒng)的機(jī)械加工工藝，解決了生產(chǎn)中以前很多難以解決的加工問題。目前廣泛應(yīng)用于機(jī)械、治金、礦山、高速列車、汽車、拖拉機(jī)、軸承、水泵、交通、能源、精密儀器、航空航天等行業(yè)幷取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。例如，長春一汽集團(tuán)公司用PCD刀具精鏜高矽鋁合金材料的活塞銷孔(VC=160m/min，f=0.080.10mm/r，ap=0.05mm)，刀具壽命達(dá)42,500件，是原來硬質(zhì)合金刀具的90倍，加工表面粗糙度Ra由原來0.80.4m下降為0.40.2m，每班還可減少裝調(diào)刀具等輔助時間30min，分?jǐn)偟矫恳还ぜ系牡毒叱杀疽脖扔操|(zhì)合金刀具下降了85%。目前世界上金剛石材料的年耗量呈8%10%速度增長。人造單晶金剛石材料正在向粗顆粒、高強(qiáng)度、多功能方向發(fā)展，最大顆粒達(dá)11.14克拉重。PCD則向大直徑、細(xì)粒度、高抗沖擊、高熱穩(wěn)定性方向發(fā)展。PCD最大直徑可達(dá)74mm。中國自1963年第一顆人造金剛石開發(fā)成功以來，已走過近50年的發(fā)展歷程。目前中國人造金剛石的年產(chǎn)量位居世界第一，幷能生產(chǎn)各種高品級和高強(qiáng)度的人造金剛石，為推廣和使用金剛石切削刀具創(chuàng)造了有利條件。使用金剛石刀具的機(jī)床必須具有高的剛度、大的功率和高的轉(zhuǎn)速。此外，機(jī)床精度要好，裝夾工件的夾具和夾緊裝置，要求可靠性強(qiáng)，以免加工時產(chǎn)生振動導(dǎo)致刀具破損。必須指出，目前生產(chǎn)中不少機(jī)床設(shè)備還不能滿足金剛石刀具的加工要求，所以它們的潛力未能得到充分發(fā)揮，今後隨著數(shù)控機(jī)床(NC)和加工中心(MC)等高效設(shè)備應(yīng)用的增多(中國投資221億元人民幣的國家重大科技專項(xiàng)“高擋數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造”，也於2009年初開始啟動)，必將進(jìn)一步推動金剛石刀具的使用。金剛石刀