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多晶金刚石刀具的现状及发展研究

2019-07-22 03:23:52

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吴昌 宋鹏涛 刘海华 赖喜庆 邓苹

摘  要:文章介绍了多晶金刚石刀具的发展及性能特点,并简要叙述了多晶金刚石刀具的制造工艺、加工工艺参数,以及时效机理等。如今,加工制造技术的发展使刀具技术朝着高速切削,高精度,干切削和磨削的方向发展,使得超硬刀具的使用效率高,稳定性高。

关键词:多晶金刚石;刀具;性能;制造技术;加工参数;失效机理

中图分类号:TG711        文献标志码:A         文章编号:2095-2945(2019)09-0080-03

Abstract: In this paper, the development and performance characteristics of polycrystalline diamond tools are introduced, and the manufacturing process, machining process parameters and aging mechanism of polycrystalline diamond tools are briefly described. Nowadays, the development of machining manufacturing technology makes the tool technology develop towards the direction of high speed cutting, high precision, dry cutting and grinding, which makes the use efficiency and stability of superhard cutting tools high.

Keywords: polycrystalline diamond; tool; performance; manufacturing technology; machining parameters; failure mechanism

1 概述

超硬工具在汽车,航空航天,能源,军事和机械领域发挥着重要作用[1]。超硬刀具是指采用金刚石、立方氮化硼(CBN)等超硬材料及其复合材料制成的刀具,目前主要是PCD(Polycrystalline Diamond,简称PCD)和PCBN(多晶立方氮化硼)刀具。多晶金刚石是在高温高压下,通过钴等金属结合剂将金刚石微粉烧结而成的多晶体材料,虽硬度稍低于单晶金刚石,但其晶粒呈无序排列,各向同性,无解理面,多晶金刚石刀具具有低的摩擦系数、优异的导热性和低膨胀系数,其硬度是硬质合金的2~4倍,刀具寿命为硬质合金的10倍以上。而且多晶金刚石所使用的原材料价格比天然金刚石低几十倍。聚晶金刚石复合片刀具以硬质合金作为基体材料,具有可焊性以及与多晶金刚石良好的兼容性,具有良好的韧性和硬度,所以多晶金刚石既具有金刚石的硬度,又具有硬质合金的韧性和可焊性[2]。

2 多晶金刚石刀具发展历程

作为一种超硬工具材料,金刚石已经在加工中使用了数百年。在工具开发过程中,刀用工具材料约自1890年至1950年,其所用的典型材料是高速钢;德国在1927年率先研发出硬质合金材料,随之,硬质合金材料便被广泛应用于刀具制造领域。1950年至1959年随着瑞典与美国成功合成出人工合成钻石,超硬材料——钻石开始逐步替代硬质合金材料成为主要的到用工具材料。1970年至1979年,随着采用高压合成技术制备的多晶金刚石成功诞生,人工合成多晶金刚石成了天然钻石的有效替代者,金刚石工具的材料问题得到了有效解决,使得金刚石工具的使用范围从石材、电子和汽车,进一步扩大至航空和航天领域[3]。

3 多晶金刚石刀具特性

金刚石工具有硬度高,抗压强度高,导热性好,耐磨性好的优点。这些特性(优点)与金刚石的晶体状态关系密切:金刚石硬度超高的原因是其具有“金刚石结构”,所谓“金刚石结构”是指在金刚石晶体中,碳原子的四个价电子以四面体结构键合,并且每个碳原子与四个相邻原子形成共价键,这种结构具有很强的方向性和粘接力。多晶金刚石的是由具有取向不同的细粒金刚石和粘合剂烧结而成[4],正因为如此,多晶金刚石才具有多向同性的特点,虽然其耐磨性和硬度均不如单晶金刚石,但是其较单晶金刚石更难沿着单一解理面裂开,其同时也具有仅次于单晶金刚石的硬度以及耐磨性[5]。

多晶金刚石的表面维氏硬度大于或等于1800 HV,硬质合金的表面维氏硬度远不如多晶金刚石的表面维氏硬度;多晶金刚石刀具在生产工作过程中不会出现因热量导出慢致使的集热和工件烧伤问题,因其导热系数比铜(Cu)还要高,达700 W/mK;多晶金刚石刀具的切削力可以显著降低是因为多晶金刚石(多晶金刚石)刀具的摩擦系数一般只有0.1到0.3,仅为硬质合金摩擦系数三分之一左右;多晶金刚石的热膨胀系数只有0.0000009至0.00000118,大约是硬质合金的五分之一。另外,多晶金刚石刀具在生产使用过程中不容易生产粘刀,并且芯片不容易粘合到尖端以形成芯片,是因为多晶金刚石与非金属和有色金属材料之间的亲和力极低。

多晶金刚石工具主要用途在以下两个方面:(1)有色金属材料的加工,有色金属的加工,如果使用普通工具,很容易产生工具磨损容易,加工效率低等缺陷。多晶金刚石工具可以显示出色的处理性能。(2)对于非金属材料的加工,多晶金刚石刀具适用于加工难加工的非金属材料,如石材,硬碳,碳纤维增强塑料(CFRP)和人造板。

4 多晶金刚石刀具制造工艺

多晶金刚石(多晶金刚石)刀具的制作工藝流程如图1所示。多晶金刚石工具的制造过程主要包括多晶金刚石微粉的制造和分选,多晶金刚石复合片的合成、研磨与切割,以及多晶金刚石刀片的焊接和刃磨。

4.1 制造复合片

多晶金刚石复合板是通过将人工合成的金刚石颗粒/粉末与金属粘合剂(如Co,Ni等)以一定比例混合并在高温和高压(一千到两千摄氏度,五万到十万个大气压)下烧结而制备的。在烧结过程中,粘接剂熔化,形成以铁(Fe),钴(Co),镍(Ni)等为主要成分的金刚石晶体之间的键合桥,金刚石晶体以嵌入桥的形式嵌入到键合桥的骨架中。对于烧结复合板,仍然需要根据需要进行研磨和抛光以及其他相应的物理和化学处理[6]。

4.2 多晶金刚石复合刀片的切割工艺

多晶金刚石复合板材硬度高,因此后续切削加工必须采用特殊加工方法,如线切割加工法(Wire cut Electrical Discharge Machining,简称WEDM),电火花加工法(Electrical Discharge Machining,简称EDM),超声波加工法(Supersonic Machining,简称SM),激光加工法(Laser Processing,简称LP),高压水射流加工法(High-pressure Waterjet Machining,简称HWM)等工艺[7]。

在上诉五种加工方法中,电火花加工法(Electrical Discharge Machining,简称EDM)效果更好。由于多晶金刚石中存在键合桥,因此在导电工作流体的条件下通过使用脉冲电压将电极金属附近的工作流体形成为放电通道。局部产生放电火花,瞬时高温使多晶金刚石的特定部分熔化并脱落,从而形成各种形状的所需坯料,例如三角形或矩形。EDM-多晶金刚石复合板的效率和表面质量受诸如金刚石的粒度,多晶金刚石复合板的层厚度和电极质量等因素的影响。

4.3 多晶金刚石复合刀片的焊接工艺

大多数多晶金刚石复合板和刀体被钎焊,并且多晶金刚石复合板被焊接到硬质合金基板上。焊接方法主要包括激光焊接,真空扩散焊接,真空钎焊,高频感应钎焊等。目前,由于高频感应加热钎焊成本低,它被广泛用于多晶金刚石刀片的焊接。

在多晶金刚石复合与硬质合金基体的焊接过程中,对焊接后刀具性能影响较大的因素有:焊接温度、焊剂的选择等。在焊接过程中,控制焊接温度非常重要。另一方面,如果焊接温度太高,则多晶金刚石复合片材容易被氧化并进一步石墨化,导致“过度烧蚀”,这会影响多晶金刚石复合片材和硬质合金基材的可焊性。传统的手工焊接方法生产效率低,产品质量不稳定。现如今,多晶金刚石复合片与硬质合金基体的焊接多采用自动高频焊接工艺,焊接效率高、产品质量一致性好。

4.4 多晶金刚石刀具的刃磨工艺

多晶金刚石复合材料叶片的硬度非常高,因此其去除率极低,约为硬质合金去除率的千分之一甚至万分之一。因此,多晶金刚石工具的锐化过程主要通过使用树脂结合金刚石砂轮或陶瓷结合金刚石砂轮来进行。由于树脂结合剂金刚石砂轮和陶瓷结合剂金刚石砂轮的磨料也是金刚石颗粒/粉末,与多晶金刚石刀具相同,因此其磨削规律比较复杂。

用于树脂或陶瓷粘结选择的砂轮应根据磨床的类型和加工条件。由于电火花加工技术不受接地工件硬度的影响,因此用电火花磨削技术研磨多晶金刚石具有更好的研磨效果。某些复杂形状的多晶金刚石刀具(如木工刀具)的磨削,不能采用传统的金刚石砂轮磨削的方式,仅能采用这种适合复杂形状的电火花磨削的工艺具。随着多晶金刚石刀具应用的不断推广,以及电火花磨削技术的发展,电火花磨削(Electrical Discharge Grilling,简称EDG)技术将成为多晶金刚石刀具磨削的一个趋势。

5 多晶金刚石刀具的切削参数与失效机理

5.1 切削速度

多晶金刚石刀具可以以更高的速度加工,切削速度是影响加工质量的重要因素。虽然在高速切削的前提下,可提高刀具的加工效率。但是由于多晶金刚石刀具硬度较高,脆性大,在高速转动的状态下,切削温度和切削力的增加,刀具与切削样品的瞬间碰撞,会使刀尖发生脆断,则多晶金刚石刀具需要重新进行刃磨。因此,在加工不同的工件材料时,多晶金刚石刀具的切削速度也应该不同。

5.2 进给量

多晶金刚石刀具的进给量直接影响着工件的加工质量,以及多晶金刚石刀具的使用寿命。如果多晶金刚石刀具的进给量太大,多晶金刚石刀具与样品接触的几何面积将成倍增加,从而导致加工表面粗糙度增加;如果进给速率太小,则处理效率降低。因此,对于不同的设备及加工材料,通过不断尝试,寻找合适的进给量,是提高加工质量和加工效率的一个重要的因素。

5.3 切削深度

此外,切削深度也对刀具的使用寿命有很大的影响。如果多晶金刚石刀具的切削力增加,切削热量增加,这加速了刀具的磨损并影响刀具寿命。另外,切削深度的增加趋于导致多晶金刚石刀具的切削刃断裂。因此,当使用不同粒度的不同多晶金刚石工具时,在不同加工条件下加工不同的工件时,切削性能不尽相同,因此多晶金刚石刀具的实际切削参数应通过大量的试验和加工条件来确定。

5.4 失效机理

传统刀具的失效模式是磨粒磨损,粘结磨损(冷焊磨损),扩散磨损,氧化磨损和热电磨损。多晶金刚石刀具的磨损形式主要包括多晶层损伤,粘结磨损和扩散磨损。研究表明,当多晶金刚石刀具用于加工金属基复合材料时,失效模式主要是金刚石晶粒中晶间裂纹引起的粘结磨损和失效;加工高硬度,高脆性材料时,多晶金刚石刀具的粘接磨损不明显;在加工低脆性材料时,刀具的磨损增加,并且粘结磨损起主导作用。

6 结束语

目前,在不锈钢切削领域,仍然沿用传统的硬质合金及高速工具钢刀具等,多晶金刚石刀具的应用未见报道。据报道,多晶金刚石刀具在切削不锈钢材料时,由于不锈钢材质较软,容易发生“粘刀”的现象。同时,如进给量过大,不锈钢的表面粗糙度低,多晶金刚石刀具易磨损,易崩刀;如进给量过小,会产生不锈钢的表面加工硬化,具体的加工参数难以调整。但在实际使用的过程中,如何在不锈钢切削领域使用超硬多晶金刚石刀具,仍需在具体的生产实践中,深入研究。

参考文献:

[1]邓福铭,陈启武.PDC超硬复合刀具材料及其应用[M].北京:化学工业出版社,2003.

[2]吕智,唐存印.金刚石聚晶技术与发展[J].超硬材料与宝石(特辑),2004,16(2).

[3]冯克明.切削Al2O3强化木地板用的金刚石刀具研究[J].金刚石磨料磨具工程,1999(06).

[4]王松顺.人造金刚石工艺学[M].机械工业部磨料磨具磨削研究所,1996.

[5]江晓乐,等.金刚石刀具(PCD)在强化复合地板中的应用[J].林业机械与木工设备,1998(9).

[6]王立江.用PCD铣削汽车鋁合金零件的试验研究[J].材料工艺设备,1999(3).

[7]赵秀香,等.电火花线切割在PCD加工方面的研究[J].金刚石与磨料磨具工程,1998(4).

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