聚晶金剛石(PCD)刀具加工
鋁制工件具有刀具壽命長(zhǎng)、
金屬切除率高等優(yōu)點(diǎn)，其缺點(diǎn)是刀具價(jià)格昂貴，加工成本高。這一點(diǎn)在
機(jī)械制造業(yè)已形成共識(shí)。但近年來(lái)PCD刀具的發(fā)展與應(yīng)用情況已發(fā)生了許多變化。如今的
鋁材料在性能上已今非昔比，在加工各種新開(kāi)發(fā)的
鋁合金材料(尤其是高硅含量
復(fù)合材料)時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)率及加工質(zhì)量的最優(yōu)化，必須認(rèn)真選擇PCD刀具的牌號(hào)及幾何參數(shù)，以適應(yīng)不同的加工要求。PCD刀具的另一個(gè)變化是加工成本不斷降低，在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)壓力和刀具制造工藝改進(jìn)的共同作用下，PCD刀具的價(jià)格已大幅下降50%以上。上述變化趨勢(shì)導(dǎo)致PCD刀具在鋁材料加工中的應(yīng)用日益增多，而刀具的適用性則受到不同被加工材料的制約。
PCD刀具的基本特點(diǎn)
具有極高
硬度和獨(dú)特
機(jī)械性能的PCD復(fù)合片是由金剛石顆粒和
催化劑的混合物在高溫高壓下
燒結(jié)而成，在合成過(guò)程中產(chǎn)生了金剛石顆粒共生物，并在金剛石顆粒之間建立起連接“橋”，從而獲得具有催化劑島狀結(jié)構(gòu)、類似于整體金剛石的PCD材料。PCD材料的結(jié)構(gòu)與PCBN(聚晶立方氮化硼)材料不同。在PCBN材料中，CBN粒子之間并無(wú)實(shí)際粘結(jié)物；而PCD材料中則存在共生物，金剛石顆粒之間通過(guò)晶格“橋”相互連接。
PCD刀具牌號(hào)是以金剛石顆粒的粒度進(jìn)行分類。根據(jù)制造商的標(biāo)準(zhǔn)，細(xì)顆粒、中等顆粒和粗顆粒PCD牌號(hào)所對(duì)應(yīng)的金剛石粒度大致分別為2μm、10μm和25μm。粗顆粒PCD牌號(hào)比細(xì)顆粒PCD牌號(hào)
強(qiáng)度更高，
耐磨性更好，在粗加工中具有更長(zhǎng)的工作壽命，但粗顆粒PCD刀具的
切削刃難以達(dá)到細(xì)顆粒PCD刀具表面的光滑程度。因此，細(xì)顆粒PCD刀具可獲得更好的加工表面光潔度，但
磨損速度較快。
PCD刀具的價(jià)格變化
過(guò)去，價(jià)格昂貴一直是影響用戶廣泛接受PCD刀具的一個(gè)主要障礙，但現(xiàn)在情況發(fā)生了很大變化。業(yè)界估計(jì)，在過(guò)去的兩三年中，PCD刀具的價(jià)格已下降了40%～60%。出現(xiàn)PCD刀具價(jià)格“跳水”的原因之一是市場(chǎng)供大于求。在20世紀(jì)90年代初，PCD刀具的發(fā)展勢(shì)頭開(kāi)始超過(guò)傳統(tǒng)的硬質(zhì)
合金刀具，在隨后的十年中，對(duì)PCD刀具的市場(chǎng)需求不斷增加。但是，隨著PCD刀具制造技術(shù)的成熟，其銷(xiāo)售增長(zhǎng)勢(shì)頭開(kāi)始減緩，目前整個(gè)制造業(yè)的不景氣對(duì)PCD刀具市場(chǎng)也有一定影響。此外，新進(jìn)入PCD刀具制造業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)者也動(dòng)搖了原有的市場(chǎng)價(jià)格體系。PCD刀具價(jià)格下降的另一個(gè)原因是刀具制造成本不斷降低，刀具制造工藝(如用于金剛石毛坯粗加工的EDM工藝、切削刃精密加工工藝等)不斷改進(jìn)。此外，與十年前相比，加工PCD刀具用的金剛石砂輪質(zhì)量顯著提高，成本則大大下降。
汽車(chē)制造業(yè)推動(dòng)了PCD刀具發(fā)展 美國(guó)汽車(chē)制造商為了迎合美國(guó)消費(fèi)者偏愛(ài)寬大轎車(chē)的習(xí)慣，同時(shí)又要考慮經(jīng)濟(jì)不景氣的影響以及適應(yīng)CAFE節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的要求，因此一直在致力于提高汽車(chē)燃料的利用效率。美國(guó)航空業(yè)制造商也面臨類似的壓力。這就導(dǎo)致輕
型材料(如
塑料、復(fù)合材料、鋁合金材料等)在汽車(chē)、飛機(jī)制造上的應(yīng)用大量增加。為了在減輕材料重量的同時(shí)增加其強(qiáng)度，人們?cè)谛滦弯X合金材料中加入了硅元素。硅鋁合金的重量與鋁合金相同(或更輕)，但其硬度、強(qiáng)度和
耐磨性顯著提高，同時(shí)還具有更好的
熱膨脹性能。在合金中添加硅元素的百分比含量取決于材料的使用性能與加工性能。鋁合金中的硅元素濃度達(dá)到完全飽和點(diǎn)時(shí)稱為共晶態(tài)；當(dāng)鋁合金處于過(guò)共晶態(tài)(硅元素含量超過(guò)12.6%)時(shí)，硅元素將以固體粒子的形式從鋁
基體中析出；當(dāng)鋁合金中的硅元素含量低于約12%時(shí)稱為亞共晶態(tài)，此時(shí)硅元素與鋁元素處于混合狀態(tài)而沒(méi)有析出物。過(guò)共晶態(tài)鋁合金具有最好的耐磨性、
剛性和抗疲勞強(qiáng)度，但其機(jī)械性能的改善意味著其
切削加工性能的惡化。過(guò)共晶態(tài)鋁合金，尤其是T-6合金、經(jīng)過(guò)
熱處理的390合金(用于制造發(fā)動(dòng)機(jī)活塞)等，難于切削加工的主要原因在于這種合金中所含的硬質(zhì)硅顆粒(俗稱“石頭”)，只有采用具有鋒利切削刃的金剛石刀具才能進(jìn)行有效加工并獲得良好的加工表面質(zhì)量。如果PCD刀具的切削刃
鈍化，切削時(shí)會(huì)將硅顆粒從基體中撕離，從而破壞加工表面光潔度。硬度較軟的低硅鋁合金也并不一定易于切削加工(尤其當(dāng)工件表面質(zhì)量要求較高時(shí))，加工此類合金時(shí)遇到的主要問(wèn)題是卷屑不良和容易產(chǎn)生積屑瘤，影響加工表面光潔度，特別是硅含量低于9%的粘性鋁合金，加工難度相當(dāng)大。
鋁金屬基復(fù)合材料是通過(guò)在鋁合金基體中添加
陶瓷纖維(或微粉)制成，它可看作是過(guò)共晶態(tài)鋁合金材料的進(jìn)一步發(fā)展。通過(guò)添加
增強(qiáng)纖維，可在保持鋁合金原有良好性能的同時(shí)顯著改善復(fù)合材料的機(jī)械物理性能。鋁金屬基復(fù)合材料具有強(qiáng)度高、重量輕、
熱穩(wěn)定性和
熱傳導(dǎo)性好的優(yōu)點(diǎn)，但反過(guò)來(lái)看，材料獲得的優(yōu)良耐磨性是以其可加工性惡化為代價(jià)的。
PCD刀具的正確使用
切削加工鋁合金材料時(shí)，硬質(zhì)合金刀具的磨損壽命僅為PCD刀具的5%左右，且硬質(zhì)合金刀具的粗加工切削速度約為120m/min，而PCD刀具即使在粗加工高硅鋁合金時(shí)其切削速度也可達(dá)到約360m/min。刀具制造商推薦采用細(xì)顆粒(或中等顆粒)PCD牌號(hào)加工無(wú)硅和低硅鋁合金材料，采用粗顆粒PCD牌號(hào)加工高硅鋁合金材料。如
銑削加工的工件表面光潔度達(dá)不到要求，可采用晶粒尺寸較小的修光刀片對(duì)工件表面進(jìn)行修光加工，以獲得滿意的表面光潔度。
PCD刀具的正確應(yīng)用是獲得滿意加工效果的前提。雖然刀具失效的具體原因各不相同，但通常是由于使用對(duì)象或使用方法不正確所致。用戶在訂購(gòu)PCD刀具時(shí)，應(yīng)正確把握刀具的適用范圍。例如，用PCD刀具加工黑色金屬工件(如
不銹鋼)時(shí)，由于金剛石極易與鋼中的碳元素發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，將導(dǎo)致PCD刀具迅速磨損，因此加工淬硬鋼的正確選擇應(yīng)該是PCBN刀具。
但一般來(lái)說(shuō)，為了減小切削力，防止產(chǎn)生積屑瘤，PCD刀具應(yīng)采用正切削角。在加工高硅鋁合金時(shí)(尤其在用PCD刀具替代硬質(zhì)合金刀具進(jìn)行加工時(shí))，PCD刀具的后角最好比原硬質(zhì)合金刀具采用的后角(如25°)略微減小，以改善PCD刀具切削刃對(duì)高硅鋁合金的切削性能。PCD刀具的正前角也不宜過(guò)大，因?yàn)榈毒咔敖窃酱螅淝邢魅袕?qiáng)度越低，換句話說(shuō)，PCD刀具的后角越小，切削刃的強(qiáng)度越高。為了在保證刀具為正切削角的前提下盡可能提高切削刃強(qiáng)度，美國(guó)MastertechDiamondProducts公司將具有負(fù)前角的CNMX刀片
焊接在PCD刀具刀尖部位并形成正切削角，這樣，刀片的負(fù)前角既提供了較高的切削刃強(qiáng)度，又不會(huì)影響刀具的正常切削。制備PCD刀具切削刃時(shí)，不需對(duì)金剛石刀尖作過(guò)多工藝處理，對(duì)于PCD
銑刀，可對(duì)切削刃進(jìn)行輕微刃磨，此外，使切削刃產(chǎn)生一定的軸向傾角也有助于提高PCD刀具的切削性能。
PCD刀片的成功應(yīng)用不僅僅取決于合理選用刀具幾何參數(shù)和切削參數(shù)(如PCD車(chē)刀常用的進(jìn)給率范圍為0.13mm/r(精車(chē))～0.38mm/r(粗車(chē)))，有時(shí)還需要刀具供應(yīng)商對(duì)刀具使用中遇到的問(wèn)題提供解決方案。例如，某大型汽車(chē)零件加工車(chē)間采用J&M金剛石工具公司提供的PCD刀片進(jìn)行
銑槽加工，原來(lái)每片PCD金剛石刀片可加工1500個(gè)零件，但加工產(chǎn)生的切屑會(huì)損傷零件表面，為此，J&M公司提出用EDM(放電加工)工藝在金剛石刀片頂部加工一條徑向斷屑槽的解決方案，并專
門(mén)定制了50片刀片，從而有效解決了這一問(wèn)題。現(xiàn)在每片PCD刀片加工的零件數(shù)已由1500件提高到4300件。
機(jī)床剛性與切削速度
雖然金剛石具有極高的硬度，但其
韌性不如硬質(zhì)合金，更大大低于高速鋼，因此PCD刀具的主要失效形式為崩刃。崩刃通常由加工中的振動(dòng)引起，減小刀具懸伸量或主軸長(zhǎng)度、提高機(jī)床本身的剛性均有助于減小振動(dòng)。高剛性的加工機(jī)床是使用PCD刀具的必備條件，大多數(shù)加工車(chē)間都是在先進(jìn)的
CNC數(shù)控機(jī)床上切削加工高硅鋁合金和鋁金屬基復(fù)合材料。
較高的切削速度也可起到保護(hù)PCD刀具切削刃的目的。用PCD刀具進(jìn)行
車(chē)削加工時(shí)，采用的切削速度應(yīng)比用硬質(zhì)合金刀具加工提高2～3倍，否則難以獲得滿意的加工效果。
大多數(shù)切削加工所用的PCD刀具都是在硬質(zhì)合金刀體上焊接一片PCD刀尖制成，因此焊接部位的整體性對(duì)于PCD刀具的加工壽命起著至關(guān)重要的作用。過(guò)高的切削溫度可能引起焊料軟化，造成PCD刀尖
脫落；過(guò)大的切削深度(超過(guò)PCD刀尖長(zhǎng)度的60%)也可能對(duì)焊接部位造成沖擊和破壞。如果焊接部位的整體性出現(xiàn)問(wèn)題，可通過(guò)降低切削速度和(或)減小切削深度來(lái)降低PCD刀尖處的溫度。
PCD刀具可分為表面加工刀具和孔加工刀具兩大類。PCD刀具對(duì)鋁合金材料進(jìn)行表面加工時(shí)，通常不需要使用
冷卻液；而進(jìn)行
鉆孔或鏜孔等半封閉式加工時(shí)，則需要確保排屑順暢以及對(duì)切削刃的冷卻與潤(rùn)滑。
刀具夾頭的剛性對(duì)于PCD刀具的使用也十分重要。如果刀具夾頭剛性不足，使用再好的刀具也難以獲得滿意的加工表面光潔度。刀具制造商推薦PCD刀具用戶使用HSK刀柄(夾頭)，這種刀柄剛性高、夾緊可靠、扭矩傳遞性能好，非常適合PCD刀具的高速切削。
為了滿足用戶對(duì)PCD刀具切削性能不斷提高的要求，在競(jìng)爭(zhēng)激烈的PCD刀具市場(chǎng)占有更大份額，刀具制造商正不斷對(duì)PCD刀具技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)與提高。
美國(guó)DiamondAbrasive公司通過(guò)優(yōu)化PCD燒結(jié)工藝，促使金剛石顆粒之間生成的共生物增大，從而提高了粗顆粒PCD刀具的耐磨性。該公司開(kāi)發(fā)的CTH025牌號(hào)的耐磨性比同類型粗顆粒PCD牌號(hào)提高了25%~30%，該牌號(hào)被設(shè)計(jì)用于切削具有高耐磨性的鋁金屬基復(fù)合材料(MMC)。
DiamondAbrasive公司還推出了一種稱為“multimodal”的新型PCD牌號(hào)，這種牌號(hào)原來(lái)是為對(duì)刀具韌性要求極高的采礦業(yè)開(kāi)發(fā)的，其特點(diǎn)是每片刀
片材料中都分布著各種不同粒度尺寸的金剛石顆粒，例如，multimodal牌號(hào)CTM302的材料中包含了粒度尺寸從2μm到30μm的金剛石顆粒。這種由大、小粒度混合構(gòu)成的刀具切削刃性能相當(dāng)于金剛石粒度為10μm的刀片性能，而刀具的壽命則超過(guò)了僅由單一粗顆粒金剛石制成的PCD刀具。
幾年前，美國(guó)Sumitomo ElectricCarbide公司曾推出一種稱為DA2200的亞微細(xì)粒度(0.5μm)的PCD牌號(hào)，該牌號(hào)的PCD刀具可加工出極高的工件表面光潔度，且具有幾乎可與硬質(zhì)合金媲美的高強(qiáng)度。為了應(yīng)對(duì)近來(lái)PCD刀具大幅降價(jià)的壓力，該公司又開(kāi)發(fā)了價(jià)格較低的DA2200牌號(hào)刀具以替代價(jià)格較貴的原型刀具。由于采用了先進(jìn)的PCD燒結(jié)工藝，從而可制備出PCD金剛石層厚度僅為標(biāo)準(zhǔn)厚度1/3的DA2200復(fù)合片，用這種復(fù)合片制造的刀具與金剛石層較厚的PCD刀具強(qiáng)度相同，但所消耗的金剛
石材料以及刀坯磨削工序中的材料去除量顯著減少，從而降低了刀具的制造成本。
近來(lái)，采用PCD刀尖的多功能旋轉(zhuǎn)刀具的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用日漸增多。這種刀具可在一次走刀中完成鉆孔、擴(kuò)孔、倒角、精修等多道孔加工工序，用于汽車(chē)制造業(yè)可有效降低加工成本，如一把多功能PCD刀具在需要重磨前可加工多達(dá)幾千件汽車(chē)傳動(dòng)箱零件。
ClappDiCO公司新開(kāi)發(fā)了一種不需重磨的超速(SuperSpeed)PCD銑刀。該銑刀上裝夾了多個(gè)不需重磨的小刀尖PCD刀片，刀片上的斷屑槽可實(shí)現(xiàn)對(duì)切屑的有效控制；銑刀刀體采用輕型不銹鋼制造，可避免耐磨鋁合金切屑和冷卻/沖洗液對(duì)刀體的損害。該銑刀上還集成了一個(gè)由凸輪驅(qū)動(dòng)的軸向調(diào)節(jié)裝置，可對(duì)PCD刀片的軸向尺寸進(jìn)行精確微調(diào)，并實(shí)現(xiàn)了刀具硬件結(jié)構(gòu)的最小化。
隨著PCD刀具切削性能的不斷提高和PCD刀具價(jià)格的不斷下降，PCD刀具對(duì)于廣大用戶具有了前所未有的吸引力，這將有力推動(dòng)PCD刀具的普及應(yīng)用以及PCD刀具技術(shù)更快地向前發(fā)展。
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