.聚晶金刚石(PCD)刀具的开发与应用

高速切削已成为现代制造技术的一个主要发展方向。由于高速切削刀具的开发与应用直接影响高速切削的加工效率和加工质量，因此具有非常重要的意义。刀具技术的革新，除了刀具本身的几何形状、切削角度等的革新和改进外，刀具切削刃材质的开发和革新也是提高切削效率、降低切削成本的一个关键因素。 20世纪70年代中期以来，美国、德国、日本等工业发达国家先后开发聚晶金刚石(PCD)刀具并将其用于非金属材料和有色金属材料的高速切削加工，使生产效率获得大幅度提高，切削费用成倍下降，因此被广泛应用于汽车、航空、航天以建材等工业领域。
  表1

公司名称 国别 牌号 金刚石平均粒径(µm)

GE 美国 Compax-1600
Compax-1300
Compax-1500
Compax-1700 5
10
25
40

Element six
(原De Beers) 英国 Syndite-CTC002
Syndite-CTB002
Synd ite-CTB010
Syndite-CTB025
Syndite-CTH025 2
2
10
25
25

住友电工 日本 DA-200
DA-150
DA-100
DA-90 0.5
5
20+0.5
50

日本 韩国 CF
CM
CC 2
10
25

东名 日本 TDC-FM
TDC-98F2M
TDC-GM
TDC-SM
TDC-HM
TDC-SA
TDC-EpM
TDC-EM 1
1
3
7
10
16
20
36+16

2 PCD复合片的开发聚晶金刚石(PCD)复合片是由粒度为微米级的金刚石颗粒与Co、Ni 等金属粉末均匀混合后，在高压高温下，在碳化钨(WC)基材上烧结而成的一种刀坯新材料。PCD 复合片不仅具有金刚石高硬度、高耐磨性、高导热性、低摩擦系数、低热膨胀系数等优越性能，同时还具有硬质合金良好的强度和韧性。PCD 复合片还具有导电性，因此可用线切割机切割成所需刀头，将刀头焊接在刀体上，经过刃磨制成PCD 刀具。 目前国内外已有不少PCD 复合片的生产企业，主要生产厂商及产品牌号见表1。 3 PCD 刀具的动平衡由于PCD 刀具适宜于高速切削，因此旋转式PCD 刀具的动平衡显得特别重要。动平衡时，应根据刀具允许使用的最高转速(nmax)和动平衡的精度等级(一般控制在G2.5级)查图1，得到许用不平衡率eper值，则其允许的不平衡量可由下式计算 Uper=meper式中eper——许用不平衡率或偏心距(单位：g·mm/kg或微米) m——刀具质量(kg) 为了达到刀具的动平衡精度要求，常采用去重法(在刀具刀体的适当部位去除适当重量)使刀具的实际不平衡量≤允许不平衡量。 4 PCD刀具的适用范围由于PCD刀具的性能优越，因此被广泛用于非铁金属和非金属材料的加工(见表2)。
 

图1 不同平衡精度等级 G的剩余不平衡率(或转子偏心距)与工作转速的关系表2 被加工材料 加工对象

非铁金属 铝
铝合金 汽车、摩托车：活塞、 汽缸、轮毂、传动箱、泵体、进气管、各种壳体零件等

飞机、机电：各种箱体、壳体、压缩机零件等

精密机械：各种照相机，复印机，计量仪器零件等

通用机械：各种泵体、油压机、机械零件等

铜
铜合金 内燃机船舶 ：各种轴、轴瓦、轴承、泵体等

电子仪器：各 种仪表、电机整流子、印制电路板等

通用机械 ：各种轴承、轴瓦、阀体、壳体等

硬质合金 各种阀座、汽缸等烧结品及半烧结品等

其它 镁、锌等各种有色金属

非金属 木材 各种硬木、人造板、人造耐磨纤维板及制品

增强塑料 玻璃纤维、碳纤维 增强塑料等

橡胶 纸用轧辊、橡胶环等

石墨 碳棒等

陶瓷 密封环、柱塞等烧结品 及半烧结品

在实际选用时，应根据PCD刀具的使用场合、被切削材料的特性以及加工的具体要求，选用适当牌号和粒径的PCD复合片做刀具刀头。一般情况下，复合片中金刚石体积浓度高或粒径较大的耐磨性较好，金刚石体积浓度低或粒径较小的则韧性较好。
 

(a)

(b)

图2 HSK刀柄

5 HSK刀柄系统在高速旋转条件下，PCD刀具的刀柄定位精度和夹持力是至关重要的。通常采用DIN69893-1 HSK刀柄系统(目前汽车制造业发动机生产线上所用绝大部分PCD刀具都采用HSK刀柄)。由于HSK刀柄系统采用双重定位配合原则，在足够的拉紧力作用下，HSK1:10空心工具锥柄和主轴锥孔、锥面及夹持平面之间同时接触，产生摩擦，可提供封闭结构的径向定位和平面夹紧定位，阻止任何轴向窜动。HSK刀柄具有静、动态刚性高、扭矩传递大、径向定位精确以及换刀重复精度高等特点。HSK刀柄系统的结构形式分别有A、B、C、D、E、F型，常用的有A、B、C、D型四种：A型为自动换刀型(见图2a)，B型为带内冷却孔的自动换刀型，C型为手工换刀型(见图2b)，D型为带内冷却孔的手工换刀型；刀柄凸缘直径一般分为9个规格(分别为25、32、40、50、63、80、100、125、160mm)。HSK刀柄的型式规格标识见图3。
 

图3 HSK刀柄的型式规 格标识

6 PCD刀具的刃磨 PCD复合片的硬度一般在HV4500~HV8000之间，仅次于金刚石的硬度(HV9000)，同时其硬度因生产厂或牌号的不同而不同。因此，如何解决PCD刀具的刃磨问题是加工、使用PCD刀具的关键。目前有两种PCD刀具常用刃磨方法：

• 金刚石砂轮刃磨法 采用金刚石砂轮来刃磨PCD刀具，对所用机床要求较高：机床系统刚性好，进给机构精度高，有微进给机构，重复精度高，磨头往复摆动平稳无冲击，同时还需选用合适的金刚石砂轮。瑞士EWAG公司生产的RS系列机床尤其是RS15机床具有精度高、附件多并带有刃磨PCD刀具(带HSK刀柄)的附件等特点，是PCD刀具刃磨机床的代表。采用RS15机床刃磨PCD刀具，刀具尺寸精度可达0.001mm，表面粗糙度可达Ra0.08左右。
  • 电蚀刃磨法 电蚀刃磨是将工件(PCD刀具)和电蚀轮(或钼丝)形成正负电极，通过正负电极间放电，达到去除PCD的效果。电蚀刃磨法的PCD去除效果取决于电蚀轮(或钼丝)与PCD刀具刃口间的间隙、走刀进给速度以及电压高低、电流大小等。电蚀刃磨机床的特点是生产效率高，尺寸精度一般在.0.01mm左右，表面粗糙度在Ra0.25左右。德国VOLLMER公司的QM和QW系列机床是采用电蚀法刃磨PCD刀具的代表，其中的新产品QM110和QWD760都是五轴联动数控机床。QM110是轮电蚀刃磨机床，用于直线形刃口的PCD刀具电蚀刃磨。QWD760是线电蚀刃磨机床，用于各种曲线形刃口的PCD刀具电蚀刃磨。
  根据不同机床刃磨PCD刀具的适应范 围，一般说来，对尺寸精度和表面粗糙度要求高的PCD铰刀、镗刀等，在RS15等机床上用金刚石砂轮刃磨；对PCD铣刀、锯片和PCD木工刀具等，用QM110或QWD760机床进行电蚀刃磨，而用于强化地板开榫的PCD刀具和各种曲线形状的PCD刀具，则采用QWD760机床电蚀刃磨。 7 结语上海工具厂有限公司通过技术改造，引进了PCD刀具(包含PCBN刀具)的先进生产设备，包括瑞士EWAG公司的RS15机床、德国VOLLMER公司的QM110和QWD760机床、德国SCHENCK公司的HSK刀柄动平衡机、ZOLLER公司的CNC刀具专用测量仪等。通过现有生产技术的配套，上工目前已能生产木工行业、印制电路板行业和汽车制造业所急需的各类PCD铣刀、镗刀、铰刀，成为国内目前唯一能配套生产带HSK刀柄的PCD刀具的企业。