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    金剛石刀具的介紹

    來源:深圳市鑫明輝鉆石刀具有限公司    日期:2018-10-27    瀏覽量:載入中...

    1、導言:

    跟著現代加工制作業對高速切削加工的要求不斷進步,關于各種難切削復合資料、工程陶瓷資料等,傳統的切削加工刀具已不能滿意高速切削的需求,而超硬切削刀具是處理以上問題的有用手法,其間,金剛石刀具的運用較為廣。

    金剛石具有極高的硬度、杰出的耐磨性和導熱性、低沖突系數和熱膨脹系數,在現代切削加工中體現出難以代替的優越性,被譽為今世進步生產率期望的刀具資料之一。

    現在,金剛石刀具在機械加工中的運用日漸遍及,已成為現代資料加工中不可或缺的重要東西。


    2、金剛石刀具的根本介紹

    2.1?天然金剛石(ND)刀具

    為天然金剛石拉蔓峰譜,具有以下特征:

    (1)1332尖鋒處顯現存在金剛石。

    (2)波型起伏(FWHM)為4.1cm-1顯現為純金剛石。

    ND是現在已知礦藏中高硬度的物質,首要用于制備刀具車刀。天然金剛石刀具精細研磨后刃口半徑可達0.01~0.002μm。其間天然單晶金剛石(Single Crystalline Diamond,SCD)刀具切削刃部位經高倍擴大1500倍仍然觀察到刀刃潤滑。SCD車削鋁制活塞時Ra可到達4μm,而在相同切削條件下用PCD刀具加工時的外表粗糙時的Ra為15~50μm。故選用SCD刀具配合精細車床進行精細和超精細加工,可獲得鏡面外表。


    2.2?聚晶金剛石(PCD)刀具

    PCD是高溫超高壓條件下經過鈷等金屬結合劑將金剛石微粉集合燒結組成的多晶體資料,又稱燒結金剛石。聚晶金剛石刀具全體燒結成銑刀,用于銑削加工,PCD晶粒呈無序排列狀況,屬各向同性,硬度均勻,石墨化溫度為550℃。刀具具有高硬度、高導熱性、低熱脹系數、高彈性模量和低沖突系數。刀刃十分尖利等特色。


    2.3?人工聚晶金剛石復合片(PDC)刀具

    為進步PCD刀片的耐性和可焊性,常將PCD與硬質合金刀體做成人工聚晶金剛石復合刀片(PDC)。即在硬質合金基底其外表限制一層0.5~1mm厚的PCD燒結而成。復合刀片的抗彎強度與硬質合金根本一同,硬度挨近PCD,故能夠代替PCD運用。

    PCD及人工聚晶金剛石復合片(PDC)刀具的刃口尖利性和加工的工件外表質量低于ND。一同其可加工性很差,磨削比小,難以依據刀頭的幾許形狀恣意成形。現在使用人工聚晶金剛石復合片只能制備車刀,至今還不能制作帶斷屑槽的可轉位刀片和雜亂三維曲面幾許形狀的銑刀。


    2.4 CVD金剛石厚膜(TDF)焊接刀具

    金剛石厚膜焊接刀具是把激光切開好CVD金剛石厚膜一次焊接至基體(一般為K類硬質合金)上,構成復合片,然后拋光復合片,二次焊接至刀體上,刃磨成需求的形狀和刃口。 ?????

    如圖3(a)所示,為CVD金剛石厚膜(金剛石膜厚度達30μm),具有硬度高、耐磨損、沖突系數小等特色,是制作切削有色金屬和非金屬資料刀具的抱負資料。因為金剛石焊接進程工藝雜亂,CVD金剛石厚膜(TDF)焊接刀具沒有大批量運用。


    2.5?金剛石涂層刀具

    金剛石涂層刀具是用CVD法直接在硬質合金(K類硬質合金)或陶瓷等基體上堆積一層1~25μm金剛石薄膜,無解理面各向同性。如圖3(b)。薄膜涂層刀具硬度達9800~10000HV。熱導率高,室溫下導熱系數高達2000W·m-1·K-1,而硬質合金刀具導熱系數僅為80~100m-1·K-1。CVD辦法金剛石能夠涂層到任何雜亂形狀的刀具上,這是聚晶金剛石無法擁有明顯的優勢。


    3、金剛石刀具的運用

    天然金剛石刀具現在首要用于紫銅及銅合金和金、銀、銠等寶貴有色金屬,以及特別零件的超精細鏡面加工,如錄相機磁盤、光學平面鏡、多面鏡和二次曲面鏡等。但其結晶各向異性,刀具價格昂貴。

    PCD的功能取決于金剛石晶粒及鈷的含量,刀具壽數為硬質合金(WC基體)刀具的10~500倍。首要用于車削加工各種有色金屬如鋁、銅、鎂及其合金、硬質合金和耐磨性極強的纖維增塑資料、金屬基復合資料、木材等非金屬資料。切削加工時切削速度、進給速度和切削深度加工條件取決于工件資料以及硬度。

    人工聚晶金剛石復合片(PDC)功能和運用挨近PCD刀具,首要用在有色金屬、硬質合金、陶瓷、非金屬資料(塑料、硬質橡膠、碳棒、木材、水泥制品等)、復合資料等切削加工,逐步代替硬質合金刀具。

    因為金剛石顆粒間有部分剩余粘結金屬和石墨,其間粘結金屬以聚結態或呈葉脈狀散布會減低刀具耐磨性和壽數。此外存在溶媒金屬殘留量,溶媒金屬與金剛石外表直觸摸摸。下降(PDC)的抗氧化才能和刀具耐熱溫度,故刀具切削功能不夠穩定。

    金剛石厚膜刀具制備進程雜亂,因金剛石與低熔點金屬及其合金之間具有很高的界面能。金剛石很難被一般的低熔點焊料合金所滋潤。可焊性極差,難以制作雜亂幾許形狀刀具,故TDF焊接刀具不能運用在高速銑削中。

    金剛石涂層刀具能夠運用于高速加工,原因是除了金剛石涂層刀具具有卓越的機械功能外,金剛石涂層工藝能夠制備恣意雜亂形狀銑刀,用于高速加工如鋁鈦合金航空資料和難加工非金屬資料如石墨電極等。


    4、金剛石刀具的刃磨技能

    刃磨是刀具制作的要害工序之一,先進的刃磨技能能夠進步刀具產品質量、下降生產本錢。

    金剛石刀具硬度極高,導致刀具的刃磨難度較大,對刃磨技能與設備要求較高。現在,大部分金剛石刀具用戶都不具有刀具刃磨才能,運用過的刀具需送回原刀具生產廠家,在以Ewag為代表的進口設備上進行重磨,構成金剛石刀具刃磨價格高、周期長,大大進步了其運用本錢。刃磨技能已成為阻止金剛石刀具推廣運用的首要因素之一。

    近年來,國內工程技能人員對金剛石刀具刃磨技能(包含機械刃磨、電火花放電刃磨等)與配備進行了很多研討與開發,取得了必定開展,推動了金剛石刀具刃磨技能的開展。


    4.1?金剛石砂輪機械刃磨

    金剛石砂輪機械刃磨是現在運用的PCD刀具刃磨辦法,加工的刀具刃口質量好,前、后刀面完好光亮。這種刃磨辦法的作用機理較為雜亂,較遍及的觀念一J以為,金剛石砂輪機械刃磨是機械和熱化學兩方面一同作用的成果。

    機械作用是金剛石砂輪的磨粒對PCD資料不斷進行沖擊,使PCD上的金剛石發作微破碎、磨損、掉落或解理;熱化學作用則是磨削進程中發作的高溫使金剛石發作氧化或石

    墨化。

    圖2為金剛石機械刃磨原理示意圖。

    其刃磨進程可分為三個階段:

    ①?觸摸期:磨削力俄然增大,劇烈的機械沖擊使PCD外表呈現裂紋,發作碎片;

    ②?穩定期:砂輪磨粒在PCD外表上進行揉捏和沖突,當壓力到達必定程度時,PCD外表構成裂紋;

    ③?沖突期:當沖突溫度到達必定程度時,PCD會發作石墨化和其它化學反應。在刃磨進程中,需求選用冷卻液進行冷卻,經過三個階段的刃磨,可獲得完好光亮的刃口。

    影響PCD刀具機械刃磨質量的首要因素包含:金剛石砂輪、刃磨工藝與刃磨配備。金剛石砂輪首要影響刃磨的平穩性;刃磨工藝影響刀具刃磨的質量,杰出的刃磨工藝能夠下降金剛石砂輪的磨耗比和加工本錢;刃磨配備(磨床的可控性、剛性與振蕩操控)則決議了刃磨工藝的施行質量。


    4.2?電火花放電刃磨(EDG)

    4.2.1刃磨機理將電火花放電加工技能用于刃磨PCD刀具,稱為放電刃磨(EDG)[17J。放電刃磨是一種熱蝕加工進程,其刃磨原理是電介質別離的砂輪電極與刀具電極問放電發作瞬時高溫,使刀具資料熔化和氣化,完結資料的去除。

    如圖所示,由電動機帶動圓盤電極高速滾動,圓盤電極銜接脈沖電源、電氣操控和數控系統,經過電氣檢測、操控和伺服操控系統,操控PCD刀具作往復運動和伺服進給。圓盤電極與加工刀具之問放電發作瞬時高溫,將刀具資料熔化與氣化,以獲得所需求的形狀。加工的PCD刀具刃口尺寸精度<0.02ram,外表粗糙度一般可達Ra0.3一O.4tan。與金剛石砂輪機械刃磨比較,EDG技能是一種本錢較低、加工功率較高的刃磨辦法。

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    1.電動機2.脈沖電源3.電氣檢測、操控和數控系統4.往復運動

    5.伺服運動6.圓盤電極7.PCD刀具8.作業液

    電火花放電刃磨原理示意圖

    4.2.2?刃磨設備

    放電刃磨時,一般選用碳氫化合物(如白臘)作為砂輪電極與東西電極間的電介質,作業電壓一般為直流80~200V,砂輪電極選用銅、鎢、石墨等導電資料。依據刀具刃磨時的方位,放電刃磨可分為圓周放電刃磨和端面放電刃磨。

    刃磨進程中,砂輪作旋轉運動,使其能均勻磨損。在端面放電刃磨中,砂輪還需左右搖擺。脈沖電源是影響刃磨功率和刃磨質量的要害設備,因而脈沖電源的規劃已成為放電刃磨的研討熱點。

    4.3?其它刃磨技能

    近年來,還有不少將各種特種加工技能(如超聲波磨削、激光加工、電化學磨削等)運用于刀具刃磨的研討119J。

    超聲波磨削是使用磨料在超聲波作用下發作的機械振蕩與沖擊,對刀具進行機械磨削。激光加工則是使用激光的瞬時高溫對刀具進行熱蝕加工。電化學磨削是使用金屬的溶解(占95%一98%)和機械磨削(占2%一5%)的歸納作用來完結刀具刃磨。

    現在,超聲波磨削、激光加工、電化學磨削等加工辦法首要運用于陶瓷刀具、硬質合金刀具的刃磨和金剛石刀具的切開,也可用于刀具的粗磨加工,在刀具精磨上的運用仍需進一步研討。

    選用特種加工與傳統機械磨削相結合的復合刃磨技能是一種較有潛力的技能。特種加工磨削率較高,而機械刃磨精度較高,二者相結合可有用縮短金剛石精細刃磨的時問。

    例如,Walter公司開發的He—litronic Power+Diamond多功能機床可在傳統磨"N JJH工與放電磨"N JJH工之問彼此轉化,經過一次裝置,即可完結PCD刀具的刃磨。

    Ewag公司的ewamatic多功能磨床將機械磨削加工與放電腐蝕加工結合到一同,選用星形磨,一次裝夾即可完結對刀具外圓面、切削角、切削刃的磨削加工。該機床可加工直徑0.1—35ram、具有直齒(或螺旋齒)的圓柱形(或圓錐形)PCD刀具。可是,現在這些刃磨設備價格昂貴,必須大幅下降本錢,才有或許廣運用。


    5、金剛石刀具的開展現狀

    跟著金剛石刀具在加工范疇的運用逐步增多,金剛石刀具技能也在不斷的改善和開展。當時,金剛石刀具首要朝著三個方向開展:

    產品系列化、晶粒細化、質量優化、功能均一化;刀坯尺寸不斷增大,形狀結構多樣。CVD金剛石膜由研制階段進入商業化供貨階段(如美國Kenametal公司、英國De Beers和國內的北京天地金剛石公司等)。

    國際聞名的人工金剛石刀具生產商首要有英國De Beers公司、美國GE公司、El本住友電工株式會社等。

    國內金剛石刀具生產廠家首要散布在上海、北京、深圳、西安、鄭州、長沙、廊坊等地,這些廠家大多經過購進GE公司、De Beers公司的原資料進行加工。

    現在,國內對金剛石刀具資料的自主開發才能還比較薄弱。在金剛石的運用支撐技能上,國內的金剛石刀具刃磨技能與配備在精度、功率和外表質量上與國外還存在不小差距,運用于實踐生產的金剛石刀具刃磨機床仍被以瑞士Ewag為代表的進口設備所獨占。

    近年來,PCD刀具在國內的推廣運用對金剛石刀具規劃、制作與刃磨技能的研討起到了活躍的推動作用。清華大學、大連理工大學、華中理工大學、吉林工業大學、哈爾濱工業大學等高校都在活躍開展這方面的研討,許多企業如成都東西研討所、上海舒伯哈特、鄭州新亞、南京藍幟等也在從事PCD刀具的運用研制。

    盡管現在國內CVD薄膜涂層刀具的運用尚處于萌芽狀況,但跟著CVD金剛石成長技能的進步,CVD金剛石基團顆粒的巨細現已由40~50μm縮小到十幾甚至幾個納米,從而呈現了納米金剛石。

    如美國阿貢實驗室(Argonne Nat. Lab)的Dr. Gruen D.M現已成長出質量杰出、外表為鏡面(外表高峰與低峰距離為15nm)、恣意厚度的納米金剛石膜,并且其涂層的附著力滿足。信任其對涂層刀具的運用有所促進。


    6、結語: ?

    現在在金剛石的產業化中還存在一些要害問題函待處理,如高速大面積的金剛石厚膜堆積工藝、操控金剛石膜的晶界密度和缺點密度、金剛石膜的低溫成長,金剛石薄膜與基體結合力弱等。

    金剛石刀具優異的功能和運用廣的開展前途招引國內外很多的專家進行研討,有些現已取得了突破性開展,信任不久的將來金剛石刀具將運用到現代加工中。

    而跟著金剛石刀具的運用,對刃磨技能的要求必定會越來越高。現在運用較多的機械刃磨技能盡管能夠獲得較好的刃磨作用,但加工功率不高。

    選用特種加工技能進行刃磨,盡管功率較高,但刃磨質量欠安。假如選用特種加工辦法進行刀具刃口粗磨,然后選用機械刃磨辦法進行精磨,既能進步加工功率,又能夠保證刃口質量,因而,多功能復合刃磨技能及配備是金剛石刀具刃磨的一個開展方向。

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