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金刚石工具的广泛应用
日期:2009-9-15  

金刚石工具在有色金属材料的加工应用中,有出色的适应性。

在工具材料中,金刚石是最硬的。在合适的加工条件下,金刚石比高速钢、硬质合金、陶瓷以及聚晶立方氮化硼的使用寿命都长。它也有不足之处,就是:一般不适用于黑色金属材料的加工。但在高速大批量生产中,加工诸如铝和石墨等材料,金刚石往往是最有效的工具。

在使用金刚石工具时,用户可以有两种选择:一种是聚晶金刚石(PCD),另一种是较新的化学气相沉积(CVD)金刚石。

使用性能早经证实

聚晶金刚石具有天然金刚石的硬度、强度和抗磨性,但没有天然金刚石对破损的敏感性。它是在高温、高压下,由人造金刚石颗粒聚合而成。在工艺过程中,形成聚晶的颗粒同时被整体粘接到一块硬质合金基体上,以提高机械强度和抗冲击性能。

按照GE公司超级磨料部的说法,PCD很适用于铝的高速切削,特别适于须达到良好表面粗糙主的场合,它在加工高耐磨性材料时,也表现出优异的性能。通常,PCD推荐用于切削高硅铝合金,也用于黄铜、紫铜、青铜以及碳化物的加工。使用的工序包括车、镗、仿形、切槽、铣和孔加工等。

由于金刚石和铁之间化学作用,一般来说PCD不适用于加工黑色金属材料。但是它能对付双金属材料的加工,包括铝和铸铁的组合在内。例如:某汽车零件供应商在加工铝和铸铁双金属汽缸体时,使用直径305mm的刀夹式面铣刀,刀尖圆弧2.36mm,带修光刀,切削速度304.8m/min,进给0.10mm/齿,切深5mm,加工达5000个汽缸体后,刀片才需转位一次。

GE公司的应用规划经理认为PCD的应用,受到了大批量生产工业界,主要是汽车工业日益提高铝件加工速度的推动。与此同时,汽车制造商为了减轻重量和降低费用,正在就采用金属基体的复合材料进行评估,而这类材料都要用PCD来加工。他说:“这类材料不能用硬质合金刀具加工。”

聚晶产品生产经理称,尽管PCD的发展成就已给人以十分深刻的印象,但GE公司超级磨料部仍持续不断地工作,以求进一步改善其抗磨性。

PCD工具在应用范围和生产效率方面,都为加工过程带来诸多好处。尽管金刚石在现有材料中是最硬的,其材料特性和韧性等问题仍须进一步研究。改善PCD韧性的一个因素是,加钴元素使其进入随机不定向排列的金刚石晶粒之间。此外,硬质合金基体对金刚石磨料层也能起机械支承作用,从而增加了抗冲击能力,并在工具制造中便于钎焊。

PCD的另一个好处是,现有的各种牌号系列已能满足任何有色金属加工使用的需要。一般说来,细颗粒金刚石用于被加工材料的耐磨性较低而表面粗糙度要求非常高的场合;中颗粒金刚石一般作为机械加工的通用牌号;粗颗粒金刚石用于粗加工特别抗磨的材料,但表面粗糙度要求不高之处。

金刚石族的新成员

化学气相沉积(VCD)金刚石,是一种高抗磨性的纯金刚石材料,不含粘接剂。金刚石沉积分为两种形式:一种是厚膜金刚石,沉积成整体的、单独的薄片,然后切割成所需尺寸;另一种是薄膜金刚石,沉积在硬质合金刀片或回转式刀具上。

 

公司应用技术经理还认为,CVD金刚石和PCD相比,主要优点在切削刃的品质。虽然CVD也是聚晶,但它不含钴粘结剂,是纯金刚石,所以切削刃是连续的。这样就能采用有较高的切削速度并获得较好的表面粗糙度,因为刀具不易变热。他还坚信,积屑瘤对CVD金刚石不构成问题。

按公司的资料,CVD金刚石的导热性比PCD高50%。其原因是CVD刀片为整体金刚石,可以立即把热量导出。而PCD刀片的热传导要穿过钴-金刚石复合体,导热性就差一些。

CVD金刚石还具有较低的摩擦系数。硬质合金和PCD都会粘结工件材料,CVD金刚石则不粘。与此同时,低摩擦系数还使CVD金刚石刀具能承受较大的切削负荷,从而使切削更快速、更有效。

 

迄今为止,CVD金刚石最有前景的用途是加工石墨。但是,NortonDiamondFilm公司却正在出售各种用途的CVD金刚石用于加工有色金属、塑料和复合材料。Norton公司的应用技术经理认为,CVD金刚石几乎适用于全部有色金属。在高硅铝合金的断续切削以及预烧结硬质合金、黄铜、紫铜和碳纤维材料的加工中,正在取得良好的结果。Norton公司还相信:CVD金刚石在加工很宽范围的铝合金材料(包括6061及其他)时,能够和PCD旗鼓相当。

CVD金刚石在使用中呈现热稳定性和化学稳定性。而PCD和硬质合金在这方面就受到含有金属成分粘结剂的影响。把CVD金刚石放进盐酸里,什么都不会发生。但若把PCD金刚石放进去,酸会吃掉钴结合剂。这就意味着CVD金刚石能经受住某些材料在加工中生成酸的侵袭,例如酚醛树脂、尿脘橡胶、降碳酸酯等。

还有一个困难问题是要说服生产工厂的人们,不要光盯着金刚石(PCD或CVD金刚石)的初置价格,而要看到它带来的成本节约和性能改善的好处。你可以让金刚石比常规刀具在更高的转速下运行(视机床性能而定),从而提高产出量。同时,换刀次数也较少。假定金刚石比硬质合金寿命高50倍~100倍,你就不经常停机了。


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