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正确选用金刚石刀具材料

发布人:黄俊杰

发布时间:2013-9-3

  金刚石的硬度和耐磨性极高、切削刃非常锋利、刃部粗糙度值小、摩擦因数低、抗粘结性好、热导率高、切削时不易粘刀及产生积屑瘤、加工表面质量好。在加工有色金属时,表面粗糙度值可达R0.10~0.05μ m,加工精度可达IT5(孔IT6)级以上,能有效地加工非铁金属材料和非金属材料,如铜、铝等有色金属及其合金、陶瓷、未烧结的硬质合金、各种纤维和颗粒加强的复合材料、塑料、橡胶、石墨、玻璃和各种耐磨木材(尤其是实心木和胶合板、MDF等复合材料) 。
    金刚石的缺点是韧性差,热稳定性低,与铁族元素接触时有化学反应(4C+3Fe →Fe3C4),在700~800℃时将碳化(即石墨化),一般不适用於加工钢铁材料。用它切削镍基合金时,同样也会迅速磨损。所以通常不推荐金刚石刀具加工高熔点金属及合金。此外,金刚石刀具刃磨困难,价格昂贵。
金刚石刀具材料的品种分类
    金刚石刀具材料分为单晶金刚石(有天然和人造两种,天然单晶金刚石价格昂贵,部分被人造单晶金刚石替代)、人造聚晶金刚石(PCD)和人造聚晶金刚石与硬质合金复合刀片(PCD/CC)以及CVD金刚石。
    单晶金刚石 单晶金刚石用作切削刀具必须是大颗粒的(质量大於0.1g,最小径长不得小於3mm) ,主要用于表面粗糙度、几何形状精度和尺寸精度有较高要求的精密和超精密加工应用领域。天然单晶金刚石是金刚石中耐磨的材料。它本身质地细密,经过精细研磨,切削刃的刃口钝圆半径可小到0.008~0.005μm。但天然单晶金刚石较脆,其结晶各向异性,不同晶面或同一晶面不同方向的晶体硬度均有差异,在进行刃磨和使用时必须选择合适的方向。由於使用条件苛刻,加上天然单晶金刚石资源有限,价格十分昂贵,所以生产上大多采用PCD、PCD/CC和CVD金刚石刀具。
    天然单晶金刚石主要用於某些有色金属的超精密切削加工或黄金首饰的生产中。 人工合成单晶金刚石的尺寸、形状和性能都具有良好的一致性, 目前由于高温高压技术日趋成熟,能够制备一定尺寸的人工合成单晶金刚石,尤其在加工高耐磨的层状木板时,其性能要优于PCD金刚石,不会引起刃口过早钝化。
    人造聚晶金刚石(PCD)和人造聚晶金刚石与硬质合金复合刀片(PCD/CC) PCD是在高温(约1800℃)、高压(5~6MPa)下,利用钴等金属结合剂将许多金刚石单晶粉聚晶成多晶体材料,其硬度虽稍低于单晶金刚石,但它是随机取向的金刚石晶粒的聚合,属各向同性,用作切削刀具时可以任意取向刃磨,无需像天然金刚石那样必须选用佳的解理面作为前刀面。在切削时,切削刃对意外损坏很不敏感,抗磨损能力也较强,可长时间保持锋利的切削刃,加工时可采用很高的切削速度和较大的背吃刀量(吃深),使用寿命一般高于WC基硬质合金刀具10~500倍,而且由於PCD中金属结合剂具有导电性,使得PCD便于切割成形,且原料来源丰富,其价格只有天然金刚石的几十分之一至十几分之一,已成为传统WC基硬质合金刀具的高性能替代品。 为提高PCD刀片的韧性和可焊性,以硬质合金为基底,在其表面烧结或压制一层0.5~1mm厚的PCD而组成金刚石复合刀片(PCD/CC)。PCD/CC可用焊或机夹方式制作刀具。由于其可焊性好,重磨容易,成本低,故应用广泛。须指出的是,PCD和PCD/CC刀具的刃口锋利性和加工表面质量均不如单晶金刚石,同时其可加工性差,磨削比小,难以根据刀头的几何形状任意成形,至今还不能方便地制造带断屑槽可转位刀片和立铣刀等几何形状复杂的产品。  

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