聚晶金刚石刀具应用领域与发展趋势

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聚晶金刚石(PCD)刀具加工铝制工件具有刀具寿命长、金属切除率高等优点，其缺点是刀具价格昂贵，加工成本高。这一点在机械制造业已形成共识。但近年来PCD刀具的发展与应用情况已发生了许多变化。如今的铝材料在性能上已今非昔比，在加工各种新开发的铝合金材料(尤其是高硅含量复合材料)时，为了实现生产率及加工质量的最优化，必须认真选择PCD刀具的牌号及几何参数，以适应不同的加工要求。PCD刀具的另一个变化是加工成本不断降低，在市场竞争压力和刀具制造工艺改进的共同作用下，PCD刀具的价格已大幅下降50%以上。上述变化趋势导致PCD刀具在铝材料加工中的应用日益增多，而刀具的适用性则受到不同被加工材料的制约。
PCD刀具的基本特点
    具有极高硬度和独特机械性能的PCD复合片是由金刚石颗粒和催化剂的混合物在高温高压下烧结而成，在合成过程中产生了金刚石颗粒共生物，并在金刚石颗粒之间建立起连接“桥”，从而获得具有催化剂岛状结构、类似于整体金刚石的PCD材料。PCD材料的结构与PCBN(聚晶立方氮化硼)材料不同。在PCBN材料中，CBN粒子之间并无实际粘结物；而PCD材料中则存在共生物，金刚石颗粒之间通过晶格“桥”相互连接。
    PCD刀具牌号是以金刚石颗粒的粒度进行分类。根据制造商的标准，细颗粒、中等颗粒和粗颗粒PCD牌号所对应的金刚石粒度大致分别为2?m、10?m和25?m。粗颗粒PCD牌号比细颗粒PCD牌号强度更高，耐磨性更好，在粗加工中具有更长的工作寿命，但粗颗粒PCD刀具的切削刃难以达到细颗粒PCD刀具表面的光滑程度。因此，细颗粒PCD刀具可获得更好的加工表面光洁度，但磨损速度较快。
PCD刀具的价格变化
    过去，价格昂贵一直是影响用户广泛接受PCD刀具的一个主要障碍，但现在情况发生了很大变化。业界估计，在过去的两三年中，PCD刀具的价格已下降了40%～60%。出现PCD刀具价格“跳水”的原因之一是市场供大于求。在20世纪90年代初，PCD刀具的发展势头开始超过传统的硬质合金刀具，在随后的十年中，对PCD刀具的市场需求不断增加。但是，随着PCD刀具制造技术的成熟，其销售增长势头开始减缓，目前整个制造业的不景气对PCD刀具市场也有一定影响。此外，新进入PCD刀具制造业的竞争者也动摇了原有的市场价格体系。PCD刀具价格下降的另一个原因是刀具制造成本不断降低，刀具制造工艺(如用于金刚石毛坯粗加工的EDM工艺、切削刃精密加工工艺等)不断改进。此外，与十年前相比，加工PCD刀具用的金刚石砂轮质量显著提高，成本则大大下降。
汽车制造业推动了PCD刀具发展
    美国汽车制造商为了迎合美国消费者偏爱宽大轿车的习惯，同时又要考虑经济不景气的影响以及适应CAFE节能标准的要求，因此一直在致力于提高汽车燃料的利用效率。美国航空业制造商也面临类似的压力。这就导致轻型材料(如塑料、复合材料、铝合金材料等)在汽车、飞机制造上的应用大量增加。为了在减轻材料重量的同时增加其强度，人们在新型铝合金材料中加入了硅元素。硅铝合金的重量与铝合金相同(或更轻)，但其硬度、强度和耐磨性显著提高，同时还具有更好的热膨胀性能。在合金中添加硅元素的百分比含量取决于材料的使用性能与加工性能。铝合金中的硅元素浓度达到完全饱和点时称为共晶态；当铝合金处于过共晶态(硅元素含量超过12.6%)时，硅元素将以固体粒子的形式从铝基体中析出；当铝合金中的硅元素含量低于约12%时称为亚共晶态，此时硅元素与铝元素处于混合状态而没有析出物。过共晶态铝合金具有最好的耐磨性、刚性和抗疲劳强度，但其机械性能的改善意味着其切削加工性能的恶化。过共晶态铝合金，尤其是T-6合金、经过热处理的390合金(用于制造发动机活塞)等，难于切削加工的主要原因在于这种合金中所含的硬质硅颗粒(俗称“石头”)，只有采用具有锋利切削刃的金刚石刀具才能进行有效加工并获得良好的加工表面质量。如果PCD刀具的切削刃钝化，切削时会将硅颗粒从基体中撕离，从而破坏加工表面光洁度。硬度较软的低硅铝合金也并不一定易于切削加工(尤其当工件表面质量要求较高时)，加工此类合金时遇到的主要问题是卷屑不良和容易产生积屑瘤，影响加工表面光洁度，特别是硅含量低于9%的粘性铝合金，加工难度相当大。
    铝金属基复合材料是通过在铝合金基体中添加陶瓷纤维(或微粉)制成，它可看作是过共晶态铝合金材料的进一步发展。通过添加增强纤维，可在保持铝合金原有良好性能的同时显著改善复合材料的机械物理性能。铝金属基复合材料具有强度高、重量轻、热稳定性和热传导性好的优点，但反过来看，材料获得的优良耐磨性是以其可加工性恶化为代价的。
PCD刀具的正确使用
    切削加工铝合金材料时，硬质合金刀具的磨损寿命仅为PCD刀具的5%左右，且硬质合金刀具的粗加工切削速度约为120m/min，而PCD刀具即使在粗加工高硅铝合金时其切削速度也可达到约360m/min。刀具制造商推荐采用细颗粒(或中等颗粒)PCD牌号加工无硅和低硅铝合金材料，采用粗颗粒PCD牌号加工高硅铝合金材料。如铣削加工的工件表面光洁度达不到要求，可采用晶粒尺寸较小的修光刀片对工件表面进行修光加工，以获得满意的表面光洁度。
    PCD刀具的正确应用是获得满意加工效果的前提。虽然刀具失效的具体原因各不相同，但通常是由于使用对象或使用方法不正确所致。用户在订购PCD刀具时，应正确把握刀具的适用范围。例如，用PCD刀具加工黑色金属工件(如不锈钢)时，由于金刚石极易与钢中的碳元素发生化学反应，将导致PCD刀具迅速磨损，因此加工淬硬钢的正确选择应该是PCBN刀具。
    一般来说，为了减小切削力，防止产生积屑瘤，PCD刀具应采用正切削角。但在加工高硅铝合金时(尤其在用PCD刀具替代硬质合金刀具进行加工时)，PCD刀具的后角最好比原硬质合金刀具采用的后角(如25°)略微减小，以改善PCD刀具切削刃对高硅铝合金的切削性能。PCD刀具的正前角也不宜过大，因为刀具前角越大，其切削刃强度越低，换句话说，PCD刀具的后角越小，切削刃的强度越高。为了在保证刀具为正切削角的前提下尽可能提高切削刃强度，将具有负前角的CNMX刀片焊接在PCD刀具刀尖部位并形成正切削角，这样，刀片的负前角既提供了较高的切削刃强度，又不会影响刀具的正常切削。制备PCD刀具切削刃时，不需对金刚石刀尖作过多工艺处理，对于PCD铣刀，可对切削刃进行轻微刃磨，此外，使切削刃产生一定的轴向倾角也有助于提高PCD刀具的切削性能。
    PCD刀片的成功应用不仅仅取决于合理选用刀具几何参数和切削参数(如PCD车刀常用的进给率范围为0.13mm/r(精车)～0.38mm/r(粗车))，有时还需要刀具供应商对刀具使用中遇到的问题提供解决方案。例如，某大型汽车零件加工车间采用J&M金刚石工具公司提供的PCD刀片进行铣槽加工，原来每片PCD金刚石刀片可加工1500个零件，但加工产生的切屑会损伤零件表面，为此，提出用EDM(放电加工)工艺在金刚石刀片顶部加工一条径向断屑槽的解决方案，并专门定制了50片刀片，从而有效解决了这一问题。现在每片PCD刀片加工的零件数已由1500件提高到4300件。
机床刚性与切削速度
    虽然金刚石具有极高的硬度，但其韧性不如硬质合金，更大大低于高速钢，因此PCD刀具的主要失效形式为崩刃。崩刃通常由加工中的振动引起，减小刀具悬伸量或主轴长度、提高机床本身的刚性均有助于减小振动。高刚性的加工机床是使用PCD刀具的必备条件，大多数加工车间都是在先进的CNC数控机床上切削加工高硅铝合金和铝金属基复合材料。
    较高的切削速度也可起到保护PCD刀具切削刃的目的。用PCD刀具进行车削加工时，采用的切削速度应比用硬质合金刀具加工提高2～3倍，否则难以获得满意的加工效果。
    大多数切削加工所用的PCD刀具都是在硬质合金刀体上焊接一片PCD刀尖制成，因此焊接部位的整体性对于PCD刀具的加工寿命起着至关重要的作用。过高的切削温度可能引起焊料软化，造成PCD刀尖脱落；过大的切削深度(超过PCD刀尖长度的60%)也可能对焊接部位造成冲击和破坏。如果焊接部位的整体性出现问题，可通过降低切削速度和(或)减小切削深度来降低PCD刀尖处的温度。
    PCD刀具可分为表面加工刀具和孔加工刀具两大类。PCD刀具对铝合金材料进行表面加工时，通常不需要使用冷却液；而进行钻孔或镗孔等半封闭式加工时，则需要确保排屑顺畅以及对切削刃的冷却与润滑。
    刀具夹头的刚性对于PCD刀具的使用也十分重要。如果刀具夹头刚性不足，使用再好的刀具也难以获得满意的加工表面光洁度。刀具制造商推荐PCD刀具用户使用HSK刀柄(夹头)，这种刀柄刚性高、夹紧可靠、扭矩传递性能好，非常适合PCD刀具的高速切削。
PCD刀具技术的新发展
    为了满足用户对PCD刀具切削性能不断提高的要求，在竞争激烈的PCD刀具市场占有更大份额，刀具制造商正不断对PCD刀具技术进行改进与提高。
    通过优化PCD烧结工艺，促使金刚石颗粒之间生成的共生物增大，从而提高了粗颗粒PCD刀具的耐磨性。开发的CTH025牌号的耐磨性比同类型粗颗粒PCD牌号提高了25%~30%，该牌号被设计用于切削具有高耐磨性的铝金属基复合材料(MMC)。还推出了一种称为“multimodal”的新型PCD牌号，这种牌号原来是为对刀具韧性要求极高的采矿业开发的，其特点是每片刀片材料中都分布着各种不同粒度尺寸的金刚石颗粒，例如，multimodal牌号CTM302的材料中包含了粒度尺寸从2?m到30?m的金刚石颗粒。这种由大、小粒度混合构成的刀具切削刃性能相当于金刚石粒度为10?m的刀片性能，而刀具的寿命则超过了仅由单一粗颗粒金刚石制成的PCD刀具。
    几年前，美国曾推出一种称为DA2200的亚微细粒度(0.5?m)的PCD牌号，该牌号的PCD刀具可加工出极高的工件表面光洁度，且具有几乎可与硬质合金媲美的高强度。为了应对近来PCD刀具大幅降价的压力，又开发了价格较低的DA2200牌号刀具以替代价格较贵的原型刀具。由于采用了先进的PCD烧结工艺，从而可制备出PCD金刚石层厚度仅为标准厚度1/3的DA2200复合片，用这种复合片制造的刀具与金刚石层较厚的PCD刀具强度相同，但所消耗的金刚石材料以及刀坯磨削工序中的材料去除量显著减少，从而降低了刀具的制造成本。
    近来，采用PCD刀尖的多功能旋转刀具的开发与应用日渐增多。这种刀具可在一次走刀中完成钻孔、扩孔、倒角、精修等多道孔加工工序，用于汽车制造业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达几千件汽车传动箱零件。
    开发了一种不需重磨的超速(Super Speed)PCD铣刀。该铣刀上装夹了多个不需重磨的小刀尖PCD刀片，刀片上的断屑槽可实现对切屑的有效控制；铣刀刀体采用轻型不锈钢制造，可避免耐磨铝合金切屑和冷却/冲洗液对刀体的损害。该铣刀上还集成了一个由凸轮驱动的轴向调节装置，可对PCD刀片的轴向尺寸进行精确微调，并实现了刀具硬件结构的最小化。
    随着PCD刀具切削性能的不断提高和PCD刀具价格的不断下降，PCD刀具对于广大用户具有了前所未有的吸引力，这将有力推动PCD刀具的普及应用以及PCD刀具技术更快地向前发展。