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[其它] 聚晶金刚石刀具的制造及应用 何云, 杨泊莘, 高阳华, 雷学林

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    聚晶金刚石刀具的制造及应用
    何云,杨泊莘,高阳华,雷学林
    华东理工大学
    摘要:以PCD刀具为研究对象,对刀具的概况、设计、制造、应用及现状进行了探讨,PCD刀具应用领域不断扩展,相关研究不断深入,产业链日趋成熟,给刀具的发展带来了机遇,但刀具寿命、生产效率、产品质量还有待提高,电动汽车的发展也给行业带来了前所未有的挑战。最后对行业的发展进行了展望。
    关键词:PCD;粒度;PDC制造;刃磨;切削参数
    1 引言1.1 PCD刀具的发展

    [size=1em]聚晶金刚石具有极高的耐磨性和硬度,抗冲击性与硬质合金相当,且无解理面,各向同性,在机械加工、地质勘探以及化石能源开采等领域得到了广泛应用[1,2]。超硬刀具经历了从硬质合金刀具向聚晶金刚石(Polycrystalline Diamond,简称PCD)刀具发展的过程(见图1)。

    [size=0.8em]图1 超硬刀具的发展历程

    [size=1em]20世纪70年代,工业发达国家(如美国、日本、德国等)先后研制出PCD刀具用于高速切削加工有色金属和非金属材料,在大幅提高生产效率的同时,降低了切削成本[3]。在有色金属的高速切削领域,铝合金的切削速度可达7000m/min,铜合金的切削速度可达5000m/min,相应的进给速度一般为2-25m/min,甚至达到60-100m/min[4]。

    [size=1em]PCD刀具在发达国家的应用比例约为10%,但国内只占约2%,相关产业仍以高速钢和硬质合金刀具为主。但是近年来,我国航空航天、汽车制造、模具工业发展日新月异,制造业设备数控化率越来越高,给PCD刀具的发展带来了机遇与挑战。以PCD为代表的具有高硬度、良好耐磨性和热稳定性的超硬刀具可以实现高速、高效和高精加工。随着对超硬刀具优势的认识逐渐深入,干式切削、高速切削等新概念相继提出,超硬刀具在工业上前景广阔。

    1.2 PCD刀具的应用

    [size=1em]PCD刀具广泛应用于难加工有色金属及非铁类难加工材料,特别是铝和铜及其合金,比例达到80%以上。金刚石与铁亲和作用很强,高温下极易发生化学反应,形成Fe3C,同时PCD中的碳原子还会扩散到铁中,影响其切削性能。因此PCD刀具不宜加工黑色金属及其它铁系材料。

    [size=1em]PCD刀具应用于各行业的比例见图2。由图可知,PCD刀具在金属切削领域的应用主要是汽车(包括发动机关键部位)和航空航天,此外还有高精度医疗器械、精密电子元件等;非金属加工方面,有工程陶瓷、石材、木材、碳纤维塑料、合成线材等。

    [size=1em]PCD刀具应用于各种切削加工方式的比例见图3。由图可知,PCD刀具在车削的应用最多,其次是镗削、面铣及铰削,钻削所占比例最小。刀具种类包括钻刀、铰刀、锯刀、冲头、镂刀等。

    [size=0.8em]图2 PCD在各行业的应用

    [size=0.8em]图3 PCD在切削加工方式的应用

    [size=1em]根据加工对象,PCD刀具分为PCD金属切削刀具和PCD木工刀具。PCD金属切削刀具加工有色金属及耐磨非金属材料可达到高精度、高效率、高稳定性和高表面光洁度。从结构上主要有可转位式和焊接式。带标准刀柄的PCD刀具是近年来焊接式刀具中发展较快的一种,包括带柄PCD铣刀、铰刀和锉刀,柄型式包括锥柄、圆柱柄和HSK柄。随着加工中心、数控机床以及自动生产线广泛普及,可转位式的应用领域正在逐步扩大,与硬质合金刀具相比,寿命提高了几十倍。图4展示了几种常见的PCD刀具。

    [size=0.8em]图4 各种类型PCD刀具

    1.3 PCD刀具的机械特点

    [size=1em]PCD刀具由聚晶金刚石刀尖和硬质合金基体经高温高压烧结而成。既能发挥金刚石高硬度、高导热系数、低摩擦系数、低热膨胀系数、与金属和非金属亲和力小、弹性模量高、无解理面、各向同性等众多优势,又兼顾了硬质合金的高强度。

    [size=1em]热稳定性、冲击韧性和耐磨性是PCD的主要性能指标。由于多应用于高温高应力环境,热稳定性是重中之重。研究[5,6]表明,PCD的热稳定性对其耐磨性和冲击韧性影响都很大,数据[7]显示:当温度高于750℃时,PCD的耐磨性和冲击韧性普遍下降5%-10%。

    [size=1em]PCD的晶体状态决定了其特性。微观结构上,碳原子与四个相邻原子形成共价键,得到四面体结构,进而组成原子晶体,具有很强的方向性和结合力,硬度极高。PCD的主要性能指标如下:①硬度可以达到8000HV,是硬质合金的8-12倍;②导热系数为700W/mK,是硬质合金的1.5-9倍,甚至高于PCBN和铜;③摩擦系数一般仅为0.1-0.3,远小于硬质合金的0.4-1,显著减小了切削力;④热膨胀系数仅为0.9×10-6-1.18×10-6,是硬质合金的1/5,可减小热变形,提高加工精度;⑤与有色金属和非金属材料亲和力很小,不易形成积屑瘤。

    [size=1em]立方氮化硼的抗氧化性较强,可加工含铁材料,但硬度低于单晶金刚石,加工速度较慢,效率较低。单晶金刚石硬度高,但韧性不足,各向异性使其在外力冲击下容易沿(111)面解离,加工效率受限。PCD是由微米级金刚石小颗粒通过一定手段合成的聚合体,颗粒无序堆积的混乱性导致其宏观上各向同性,抗张强度不存在方向性和解理面[8]。与单晶金刚石相比,PCD的晶界有效减小了各向异性,优化了力学性质。几种常用金刚石材料与硬质合金的特性对比见表1。

    2 PCD刀具的设计原则2.1 合理选择PCD粒度

    [size=1em]理论上,PCD应该尽量做到晶粒细化,且添加剂在晶间的分布要尽量均匀,以克服各向异性。PCD粒度的选择也与加工条件有关,一般来说,强度高、韧性好、抗冲击性能好、细晶粒的PCD可用于精加工或超精加工,粗晶粒的PCD可用于一般的粗加工。PCD粒度可以显著影响刀具的磨损性能。文献[9]指出,原料晶粒较大时,耐磨性随粒度减小而逐渐提高,但粒度极小时,此规律就不适用了。

    [size=1em]相关实验[10]选取了四种平均粒径分别为10μm、5μm、2μm和1μm的金刚石粉料进行对比,得出结论:①随着原料粒度减小,Co扩散得更均匀;②随着颗粒度降低,PCD的耐磨性和耐热性也逐渐降低。

    [size=0.8em]表1 几种金刚石材料与硬质合金的特性对比

    2.2 合理选择刃口形式及刀片厚度

    [size=1em]刃口形式主要包括倒棱、钝圆、倒棱钝圆复合以及尖锐角四种结构。尖锐角结构使刃口锋利,切削速度较快,可显著减小切削力和毛刺,提高产品表面质量,较适合对低硅铝合金及其它硬度偏低、材质均匀有色金属的精加工。钝圆结构可以钝化刃口,形成R角,有效预防刀刃折断,适合加工中/高硅铝合金。在某些特殊情况下,如切削深度较浅、进刀较小时,首选钝圆结构。倒棱结构可以增大棱角,稳固刀刃,但同时会增加压力和切削抗力,较适合重载切削高硅铝合金[11]。

    [size=1em]为了有利于电火花加工,通常选择较薄的PDC片层(0.3-1.0mm),加上硬质合金层,刀具总厚度在2-8mm左右。硬质合金层不宜太厚,以免因结合面间的应力差而引起分层。

    3 PCD刀具的制造工艺

    [size=1em]PCD刀具的制造工艺直接决定了工具的切削性能和使用寿命,是其应用和发展的关键所在。PCD刀具的制造流程见图5。

    3.1 PCD复合片(PDC)的制造

    [size=1em](1)PDC的制造过程

    [size=1em]PDC一般由天然或人工合成的金刚石粉末与结合剂在高温(1000-2000℃)、高压(5-10atm)下按一定比例烧结而成。结合剂使晶间形成了以TiC、SiC、Fe、Co、Ni等为主要成分的结合桥,金刚石晶体以共价键形式镶嵌于结合桥的骨架中。PDC一般制成直径和厚度固定的圆盘,并进行研磨抛光等相应的物理、化学处理。

    [size=1em]从本质上讲,PDC的理想形式应当尽可能保留单晶金刚石的优良物理特性,因此,要求烧结体中添加剂尽量少,同时颗粒间D-D键结合尽可能多。

    [size=0.8em]图5 PCD刀具的制造流程

    [size=1em](2)粘结剂的分类与选择

    [size=1em]粘结剂是影响PCD刀具热稳定性的最主要因素,直接影响其硬度、耐磨性和热稳定性。常见的PCD粘结方式有:①铁、钴、镍等过渡金属。以Co和W混合粉作为粘结剂,采用溶渗催化法,当合成压力为5.5GPa、烧结温度为1450℃、保温4min时合成的烧结型PCD综合性能最好[12]。②SiC、TiC、WC、TiB2等陶瓷材料。SiC的热稳定性优于Co,但硬度和断裂韧性相对较低,适当降低原料尺寸可提高PCD的硬度和韧性[13]。③无粘接剂,以石墨或其它碳源在超高温高压下烧结成纳米级聚晶金刚石(NPD)。以石墨为前驱物直接转化成金刚石来制备NPD条件最为苛刻,但合成的NPD硬度最高,力学性能最好[14]。

    [size=1em](3)晶粒的选择与控制

    [size=1em]原料金刚石粉末是影响PCD性能的关键因素。前处理金刚石微粉、添加少量阻碍异常粒生长的物质以及合理选择烧结助剂可以抑制金刚石异常粒长大[15]。

    [size=1em]具有均匀结构的高纯NPD可以有效消除各向异性,进一步提高力学性能。高能球磨法制备的纳米石墨前驱体粉末,在高温预烧结进行氧含量调控,在18GPa、2100-2300℃条件下将石墨转变为金刚石,生成了片层和颗粒状NPD,且硬度随片层厚度降低而增加[14]。

    [size=1em](4)后期化学处理

    [size=1em]相同温度(200℃)及时间(20h)下,路易斯酸—FeCl3的脱钴效果明显优于王水,且HCl的最佳配比为10-15g/100ml。随着脱钴深度增加,PCD的热稳定性提高[12]。对于粗粒度生长型PCD,强酸处理可以较彻底地去除Co,但对聚晶性能影响大;添加TiC、WC改变合成聚晶结构,与强酸处理结合使用,可提高PCD的稳定性[16]。目前,PCD材料制备工艺日臻完善,产品韧性良好,各向异性也有了很大提高,已经实现商业化生产,相关产业正在飞速发展。

    3.2 PCD刀片的加工

    [size=1em](1)切割工艺

    [size=1em]PCD硬度高,耐磨性良好,切割工艺难度高。具体切割工艺特点比较见表2。

    [size=0.8em]表2 几种切割工艺的特点比较

    [size=1em]综上,电火花加工最佳。电火花加工效率及PDC表面质量与电极质量、PCD粒度、层厚,特别是切削速度有关。实验表明,切削速度过高会影响PDC表面质量,过低会引起“拱丝”,影响切割效率。随着刀片厚度增加,切割速度会降低。

    [size=1em](2)焊接工艺

    [size=1em]PDC与刀体的连接方式有机械夹固、粘接和钎焊。钎焊是将PDC压制在硬质合金基体上,方法包括真空钎焊、真空扩散焊接、高频感应加热钎焊、激光焊接等。高频感应加热钎焊低成本,高回报,获得了广泛应用。焊接质量与焊剂、焊接合金和焊接温度有关。焊接温度(一般低于700℃)影响最大,温度过高,容易引起PCD石墨化,甚至“过烧”,直接影响焊接效果,而温度过低会导致焊接强度不足。通过保温时间和PCD变红的深浅程度可以控制焊接温度。连接方式比较见表3。

    [size=0.8em]表3 PDC刀片与刀杆连接方式的特点和应用

    [size=1em](3)刃磨工艺

    [size=1em]PCD刀具刃磨工艺难度高,是制造工艺的关键。刃磨一般要求主切削刃有一定的直线度,无锯齿和崩刃,刃口锯齿峰值在5μm以内,圆弧半径在4μm以内;前、后刀面保证一定的表面光洁度,甚至将前刀面Ra降至0.01μm,达到镜面要求,使切屑沿前刀面流动、预防粘刀[17]。

    [size=1em]刃磨工艺包括金刚石砂轮机械刃磨、电火花刃磨(EDG)、金属结合剂超硬磨料砂轮在线电解修整刃磨(ELID)、复合刃磨加工。其中,金刚石砂轮机械刃磨最成熟,应用最广。

    [size=1em]相关实验[18]得出:①粗颗粒砂轮会导致严重的刃口崩缺,且砂轮粒度下降,刃口质量呈变好的趋势;②砂轮粒度与细颗粒或超细颗粒PCD刀具的刃口质量关系密切,但对粗颗粒PCD刀具作用有限。

    [size=1em]国内外相关研究主要集中在刃磨机理[19-23]及工艺上。刃磨机理中,占主导的是热化学去除和机械去除,脆性去除和疲劳去除比例相对较小。刃磨时,要根据不同结合剂金刚石砂轮的强度、耐热性等特点,尽可能提高砂轮转速和摆频,避免脆性和疲劳去除,提高热化学去除比例,降低表面粗糙度。干磨削的表面粗糙度较低,但容易因加工温度过高,烧伤刀具表面[24]。

    [size=1em]刃磨工艺方面需要注意:①选择合理的刃磨工艺参数,可以使刃口质量更加优异,前、后刀面表面光洁度更高。但也要综合考虑磨削力高、砂轮损耗大、刃磨效率低、成本高等问题;②选择合理的砂轮质量,包括结合剂种类,砂轮粒度、浓度、结合剂、砂轮修整,配以合理的干湿刃磨条件,可以优化刀具前后角、刀尖钝化值等参数,同时提高刀具的表面质量。

    [size=1em]不同结合剂金刚石砂轮特性不同,刃磨机理及效果也不同。树脂结合剂金刚石砂轮较软,磨粒易过早脱落,不耐热,表面受热易变形,刃磨表面易产生磨痕,粗糙度大;金属结合剂金刚石砂轮通过磨粒局部破碎保持锋利状态,成型性好,表面平整,刃磨表面粗糙度低,效率较高,但对磨粒的结合能力太强使磨具自锐性差,且刃口容易留下冲击缺口,造成边缘严重破坏;陶瓷结合剂金刚石砂轮强度适中,自励性好,内部气孔较多,有利于排屑和散热,可以适应各种冷却液,磨削温度较低,砂轮磨损较小,形状保持性好,工件精度高,效率最高,但金刚石磨粒和结合剂组成的脱落体容易导致刀具表面结合剂处形成凹坑[24]。使用时要根据加工材料,综合磨削效率、磨具耐用度及工件表面质量进行合理选择。

    [size=1em]磨削效率方面的研究主要集中在提高生产率和控制成本上,一般作为评价标准的是磨削率Q(单位时间内PCD去除量)和磨耗比G(PCD去除量与砂轮损耗量之比)。

    [size=1em]德国学者KENTER以恒定压力磨削PCD刀具,试验得出[19-21]:①增大砂轮转速、PDC粒度和冷却液浓度,磨削率与磨耗比均减小;②增大磨粒粒度,增大恒定压力,增大砂轮中金刚石的浓度,磨削率与磨耗比均增大;③结合剂种类不同,磨削率与磨耗比不同。KENTER系统研究了PCD刀具的刃磨工艺,但没有系统分析刃磨工艺对刃磨质量的影响。

    4 PCD刀具的使用与失效4.1 刀具切削参数选择

    [size=1em]PCD刀具使用初期的一段时间内,随着锋利刃口逐渐钝化,加工表面质量变好。钝化可以有效去除刃磨带来的微缺口和小毛刺,改善切削刃的表面质量[25],同时,在刃口处形成一个倒圆形刃口半径,对已加工表面起到挤压修光作用,从而提高了工件表面质量[26]。

    [size=1em]PCD刀具面铣削铝合金,切削速度一般在4000m/min内,孔加工一般在800m/min内,加工弹塑性较高的有色金属应取较高的车削速度(300-1000m/min)。进给量一般推荐在0.08-0.15mm/r之间。进给量过大,切削力升高,工件表面残余几何面积增大;进给量过小,切削热升高,磨损加剧。切削深度增大,切削力增大,切削热升高,寿命降低,切削深度过大易造成崩刃;切削深度过小会导致加工硬化,磨损加剧甚至崩刃。国际生产工程学会(CIRP)推荐的PCD刀具切削用量见表4。

    [size=0.8em]表4 国际生产工程学会(CIRP)推荐的PCD刀具切削用量[27]

    4.2 磨损形式

    [size=1em]刀具加工工件时,由于摩擦、高温等原因,磨损不可避免。金刚石刀具的磨损由三个阶段组成:初期的快速磨损阶段(也称过渡阶段)、磨损率为常数的稳定磨损阶段和之后的快速磨损阶段[28]。快速磨损阶段表明刀具已不能继续工作,需要重新刃磨修整。刀具的磨损形式包括粘接磨损(冷焊磨损)、扩散磨损、磨料磨损、氧化磨损等。

    [size=1em]与传统刀具有所不同,PCD刀具的磨损形式是粘接磨损、扩散磨损、聚晶层破损。其中聚晶层破损是主要原因,表现为外力冲击导致的刀刃细微崩口或PDC中粘接剂丢失引起的晶粒剥落,形成豁口,属于物理机械破损,可导致加工精度降低,工件报废。PCD粒度、刃口形式、刀片角度、工件材料、加工参数会影响刃口强度和切削力,进而引起聚晶层破损。工程实践中,要根据加工条件,选择合适的原料粒度、刀具参数和加工参数。

    5 PCD刀具的发展趋势

    [size=1em]目前,PCD刀具的应用范围已由传统的车削加工向钻削、铣削加工、高速切削扩展,在国内外得到了广泛应用。电动汽车的高速发展,在给传统汽车行业带来冲击的同时,也给刀具行业带来了前所未有的挑战,催促着刀具行业加快优化与创新。

    [size=1em]PCD刀具的广泛应用加深并推动了刀具研发,随着研究不断深入,PDC规格尺寸越来越小、晶粒细化、质量优化、性能均一化、磨削率与磨耗比越来越高、形状结构多样化[29]。PCD刀具研究方向包括:①研究开发较薄的PCD层;②研究开发新型PCD刀具材料;③研究更好地焊接PCD刀具,进一步降低成本;④研究改进PCD刀具刃磨工艺,提高效率;⑤研究优化PCD刀具参数,因地制宜地使用刀具;⑥研究根据被加工材料合理选择切削参数。

    6 结语

    [size=1em](1)PCD刀具切削性能优异,弥补了许多硬质合金刀具的不足;同时,价格远低于单晶金刚石刀具,在现代切削中大放异彩,是一种很有前途的刀具;

    [size=1em](2)要根据被加工材料的种类和性能,合理选择PCD刀具的粒度和参数,这是刀具制造和使用的前提;

    [size=1em](3)PCD材料硬度高,是切削刀具的理想材料,但同时也为刀具制造带来了难度。制造时要综合考量工艺难度与加工需求,以期达到最佳的性价比;

    [size=1em](4)PCD刀具加工材料时,要合理选择切削参数,在满足产品性能的基础上,尽可能延长刀具使用寿命,以期达到刀具寿命、生产效率、产品质量的平衡;

    [size=1em](5)研发新型PCD刀具材料,克服其固有弊端。

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    Manufacture and Application of PCD Tool
    [size=1em]He Yun,Yang Boxin,Gao Yanghua,Lei Xuelin

    [size=1em]Abstract:This article based on PCD tools as the research object,discussed about general situation,design,manufacture,application and current situation of cutters.The application field of PCD tools is expanding continuously,the relevant research is deepening increasingly and the industrial chain is becoming more and more mature,which brings opportunity to the development of tools.But PCD tools’ lives,production efficiency and product quality stillneed to be improved,as well as thedevelopment of electric vehicles also brought unprecedented challenges.Finally,we prospect of the development of PCD tool industry.

    [size=1em]KeywordsCD;particle size;PDC manufacture;grind;cutting parameter


    [size=1em]中图分类号:TG713;TG529;TH161

    [size=1em]文献标志码:A

    [size=1em]基金项目:上海市青年科技英才扬帆计划人才项目(17YF1403100);博士后自然科学基金面上项目(2016M591614);中央高校基本科研业务费(222201514314)

    [size=1em]收稿日期:2017年12月

    [size=1em]第一作者:何云,教授,华东理工大学机械与动力工程学院,200237上海市

    [size=1em]First Author:He Yun,Professor,School of Mechanical and Power Engineering,East China University of Scienceand Technology,Shanghai 200237,China



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