金剛石刀具材料的特性適合于切削加工鋁合金
( [# O* I/ z9 t) Y7 ]. B3 q金剛石的熱穩定性比較差，切削溫度達到8000C時，其硬度就會大大降低。金剛石刀具不適合于加工鋼鐵類材料，因為，金剛石與鐵有很強的化學親合力，在高溫下鐵原子容易與碳原子相互作用使其轉化為石墨結構，刀具極容易損壞。金剛石刀具主要適合于加工非金屬材料、有色金屬及其合金。采用單晶金剛石刀具，在超精密車床上可實現鏡面加工。 ( I! ?: G% X. h
單晶金剛石刀具是目前超精密切削加工領域中最主要的刀具，其刃口可磨得非常鋒利，刃口鈍圓半徑可達20～30nm，加工工件表面粗糙度極小，可達Ra為0.01µm的鏡面水平，且刀具壽命很高，刃磨一次可以使用幾百個小時。目前，單晶金剛石刀具廣泛應用于加工計算機磁盤基片、錄像機磁鼓、激光反射鏡、各種天文望遠鏡、顯微鏡、光學儀器。
. L8 d% y$ t6 h聚晶金剛石（PCD）刀具主要用于加工耐磨有色金屬及其合金和非金屬材料，與硬質合金刀具相比，能在很長的切削過程中保持鋒利刃口和切削效率，使用壽命遠遠高于硬質合金刀具。PCD刀具應用領域分布為：車削占37.6％、鏜削占27.1％、面銑占20％、鉸削占14.1％、鉆削占1.2％。目前，PCD刀具已經廣泛應用于汽車、摩托車、航空航天工業、國防工業中一些難加工的有色金屬及其合金零部件的高速精密加工。據統計，在PCD刀具的使用領域中，汽車、摩托車占53%，飛機占10%，木材及塑料加工占26%，其他占11％。 $ |8 j$ h3 U: S% \) M# e
PCD面銑刀、鏜刀、車刀、鉸刀、復合孔加工等數控刀具等正大量應用于高強度、高硬度硅鋁合金零部件自動生產線上，如用于加工汽車和摩托車發動機鋁合金活塞的裙部、銷孔、汽缸體、變速箱、化油器等。由于這些零件材料含硅量較高（w（Si）=12％以上），并且大多數采用流水線方式大批量生產，對刀具壽命要求較高，硬質合金刀具難以勝任，而PCD刀具壽命遠高于硬質合金刀具，是硬質合金刀具壽命的幾十甚至幾百倍，且粒度大的PCD刀具有更優良的耐磨性，可保證零件的尺寸穩定性，并可大大提高切削速度、加工效率和工件的加工質量。在加工硅含量較高的鋁合金時，除PCD刀具外，其他所有的刀具都在很短的時間內產生嚴重的磨損而不能繼續切削。
$ P) Y% ^% I% A+ d6 f
' f) s! q4 \# w$ i! z0 A/ bCVD金剛石是指用化學氣相沉積法（CVD）在異質基體（如硬質合金、陶瓷等）上合成金剛石膜，CVD金剛石具有與天然金剛石完全相同的結構和特性。CVD金剛石不含任何金屬或非金屬添加劑，力學性能兼具單晶金剛石和PCD的優點，又在一定程度上克服了它們的不足。大量實踐表明，焊接型CVD金剛石刀具的使用壽命超過PCD刀具，其抗沖擊性優于單晶金剛石。CVD金剛石刀具的超硬耐磨性和良好的韌性使之可加工大多數非金屬材料和多種有色金屬材料，如鋁、硅鋁合金、銅、銅合金、石墨、陶瓷以及各種 ! |9 M" Y) C% O) D# y& |
0 o+ l' z& l9 m2 P: p, u" X其成本遠遠低于價格昂貴的天然金剛石刀具。目前，CVD金剛石刀具除用于發動機活塞硅鋁合金材料的加工外，還用于缸體、缸蓋、高壓油泵、汽油泵、水泵、發電機轉子、起動機、汽車車體中玻璃鋼部件的車、銑、鉆、鏜等的加工。較典型的CVD金剛石刀具產品有美國Kenametal公司的KD100刀片、KDF3OO牌號CVD金剛石涂層硬質合金立銑刀等。CVD金剛石刀具被認為是汽車發動機制造業中有廣泛應用前景的新一代刀具材料，滿足高速、高壽命、干式機加工技術要求。
1 `6 U" e1 r3 C 7 f: y7 Y% V9 H
2 加工鋁合金PCD刀具粒度的選擇 " K# l) `. O [. z6 O" ]
2.1 PCD刀具粒度的選擇
8 ]; q+ y% p- _% o$ v [PCD刀具的性能主要與金剛石粒度有關。目前，金剛石制品制造商所提供的PCD刀片粒度隨生產廠家不同而各異，但大致可分為3類，即粗粒度（20～50µm）、中粒度（10～20µm）和細粒度（0.5～10µm）。通常，粗粒度PCD中金剛石含量較高，耐磨性好，但用該類材料制成的刀具刃口總有微小崩刃，難以制作高精度刀具。細粒度PCD制成的刀具刃口鋒利性好、形狀精度高，但耐磨性不如粗粒度PCD，多用于精加工場合。中粒度PCD刀具介于兩者之間。
H* I# f+ @, yPCD刀具粒度的選擇與刀具加工條件有關。如設計用于精密加工的刀具時，應選用強度高、韌性好、抗沖擊性能好的細粒度PCD。粗粒度PCD刀具則主要用于一般的粗加工。PCD材料的粒度對于刀具的磨損和破損性能影響顯著。研究表明：PCD粒度號越大，刀具的抗磨損性能越強。PCD粒徑為10～25µm的PCD刀具適合于加工w（Si）>12％的高硅鋁合金（v＝300～1500m/min）及硬質合金；PCD粒徑為8～9µm的PCD刀具適合于加工w（Si）<12％的硅鋁合金（v＝500～3500m/min）及通用非金屬材料；PCD粒徑為4～5µm的PCD刀具適合于切削加工FRP、木材或純鋁等材料。在任何情況下，細晶粒組織的PCD刀片不能用來加工w(Si)>10％的硅鋁合金，因為硅含量高將使細晶粒金剛石刀片的切削刃產生破損。表1和表2為PCD刀片粒度的選用。 ( X5 B! V2 f; r* `- ?# V% B% Z
4 _1 o) R( N7 x. J) e+ f表1 加工鋁合金PCD刀具粒度的選用
8 ~. d* }2 l5 i: A2 r, x被加工材料 PCD刀具粒度的選用 8 n0 s: r6 a, G7 X; G& ~# m5 K* n
粗粒度 中粒度 細粒度
& [* x7 c- L' z6 t* U鋁 ★ ☆
( I6 T1 K5 `. j0 m鋁合金（w（Si）<13％） ☆ ★ * U* k0 g* q' f- m& A+ \
鋁合金（w（Si）>13％） ☆ ★ ' g$ w( r+ }2 b+ t( H
注：☆第一優選，★第二優選。
- N# q( M# g' j, z# u ! ?1 O) h+ k1 }7 ?3 f6 j0 Y& P
表2 TaeguTec PCD刀具粒度的選用 & t) Q5 p) |( c& e
牌號 粒度 應用范圍 結合劑 耐磨性 韌性
0 ~5 t* v: ?( |: ^$ o4 Q' ]KP500 10～25 硅鋁合金（w（Si）>12%）和硬質合金的加工，鋁合金的銑削（斷續切削） 逐 & q# ~8 `, P! u8 _/ W: Z
漸
0 x9 X+ ?& L" G E5 z減
0 F7 V E7 {% {+ a- y7 o4 C少 5 A( n6 ]& I" F& \! D; I( x
↓ ↑
5 z- e- Q, e2 r. @1 S逐 ~4 b* z f5 U3 M
漸
2 Y8 d0 [+ O' K3 `: I) E9 q, X提 . S( J7 h6 S( k6 l3 n9 A0 `
高 逐 7 M v& U$ m) |: E, a5 f ^$ a3 C
漸 , y. Y# x# ?& c! m' n
降
, J1 `( m, H2 n+ P7 b低 7 ?; ^. r0 w0 e8 R. V: l0 e$ W2 F# J# g: R
↓
5 T c$ |2 [" I5 RKP300 8～9 硅鋁合金（w（Si）<12%）和銅合金的加工，普通有色金屬的加工 + ]3 k* l, }% q+ N! i8 x% z1 i
KP100 4～5 塑料、木材、鋁合金的加工 - A% S4 V* k! {3 z/ K0 M
7 l* r* Y5 L( R) W+ U, S0 [
2.2 PCD復合片的厚度選擇
+ a& F3 P" z2 @1 O通常情況下，PCD復合片的層厚約為0.3～1.0mm，加上硬質合金層后的總厚度約為2～5mm。較薄的PCD層厚有利于刀片的電火花加工。De Beers公司推出的0.3mm厚PCD復合片可降低磨削力，提高電火花的切割速度。PCD復合片與刀體材料焊接時，硬質合金層的厚度不能太小，以避免因兩種材料結合面間的應力差而引起分層。
2 b( r3 ^& L4 |; }! a, R
+ S% K. \+ ^" N3 PCD刀具幾何角度的選擇
8 M* O% r' W6 `' z- zPCD刀具的幾何參數取決于工件狀況、刀具材料與結構等具體加工條件。表3為PCD刀具的幾何角度的選擇。
5 @4 r) i' c) w$ J: [4 H表3 PCD刀具的幾何角度的選擇
1 Q$ O" w- i- z2 f3 b: J' c) j6 a) [刀具幾何角度 刀具幾何角度的選擇
: I9 v9 k5 [5 k: R, d前角γ0 粗車高硬度材料時，一般采用較大的負前角，γ0=50～100，若硬度較低可采用較小的負前角；精車時一般采用O前角，甚至采用正前角，但一般小于100
' B8 R% F; _/ O. |2 A# ]后角α0 由于PCD刀具常用于工件的精加工，切削厚度較小，屬于微量切削，其后角對加工質量有明顯影響，較小的后角對于提高PCD刀具的加工質量可起到重要作用。當工件材料硬度較高時，可采用α0=80～120；當工件材料硬度較低時，可采用α0＝100～200
; o) A3 t, j* `* ^1 R, ~) Y% }% w刃傾角λS 粗車時一般采用較小的刃傾角，以增加切削刃強度；精車時一般采用較大的刃傾角，以減小徑向切削力 4 N7 G! H+ P" m- f6 i
主偏角kγ 一般采用750～900。當粗車高硬度材料時，主偏角可設計成900，其目的是保持刀具強度和抗沖擊性能。如加工細長工件時，可選用較大的主偏角，以減小徑向切削力；精車時，可采用較小的主偏角，以提高加工表面質量 , h6 s# \4 ~* c
: B0 o" ~ v5 g8 V4 金剛石刀具切削用量的選擇
% T" y5 _8 p" nPCD刀具可在極高的主軸轉速下進行切削加工，但切削速度的變化對加工質量的影響不容忽視。雖然高速切削可提高加工效率，但在高速切削狀態下，切削溫度和切削力的增加可使刀尖發生破損。PCD刀具加工時的進給量過大，將使工件上殘余幾何面積增加，導致表面粗糙度增大；進給量過小，則會使摩擦增加，切削壽命降低。增加PCD刀具的背吃刀量會使切削力增大、切削熱升高，從而加劇刀具磨損，影響刀具壽命。此外，背吃刀量的增加容易引起PCD刀具崩刃。不同粒度等級的PCD刀具在不同的加工條件下加工不同工件材料時，表現出的切削性能也不盡相同，因此應根據具體加工條件確定PCD刀具的實際切削參數。
6 d7 V$ w( e* i5 \6 \4 x5 y4 f表4為PCD刀具加工鋁合金工件材料時的推薦切削用量。表5為TaeguTec公司PCD刀具推薦切削條件和牌號選擇。表6為Ky-ocera公司PCD刀具推薦切削條件和牌號選擇。表7為Dijet公司PCD刀具推薦切削條件和牌號選擇。
* |3 S5 m( ]8 Z. X
/ d; p2 [9 n2 W" c表4 PCD刀具加工鋁合金工件材料時的推薦切削用量 ( o2 c6 _; Y: Y: b7 n* ^* Y
被加工材料 加工方式 切削速度 5 ~+ y4 P6 c/ b0 ?
（m/min） 進給量
& Z- z, C* Z8 W" M（mm/r） 背吃刀量 : M4 `8 e2 Y/ h( o- E8 Y: E7 e0 C
（mm） $ b8 ~! }8 X: F
鋁合金（w（Si）<13％） 粗車 300～1500 0.10～0.40 4 @0 V2 P: W5 k9 J
精車 500～2000 0.05～0.20 0.10～1.0 5 S/ q' j( Y8 ?) c
銑削 500～3000 0.10～0.30mm/齒 0.10～3.0
7 x' a. R3 \/ Q" f' J& k5 g7 S鋁合金（w（Si）>13％） 粗車 150～800 0.05～0.40 0.10～3.0
5 e# |1 x: |$ T0 U) D+ G 精車 200～1000 0.02～0.20 0.10～1.0 ; S3 U. V$ D: U1 v
銑削 200～1500 0.10～0.30mm/齒 0.10～3.0
# L# |$ ?" y( O 0 I6 l Z: `, `/ d7 Y
表5 TaeguTec公司PCD刀具推薦切削條件和牌號選擇
0 o/ B2 ~/ D3 L8 e1 |切削方式 被加工材料 切削速度 , m! L' _; }- P6 u( l$ p
（m/min） 進給量
$ q) O( }6 R& m: m（mm/r） 背吃刀量 % x! I# `( E- o" `, Y
（mm） 推薦牌號
* N1 B2 D4 `; y/ G車削 硅鋁合金（w（Si）=4％～8%） 800～2500 0.10～0.3 0.05～3.0 KP300 ! z1 E' C0 N+ m9 W$ X0 U
硅鋁合金（w（Si）=9％～14%） 600～1280 0.10～0.3 0.05～3.0 KP300,KP500
F( d' V# I7 S* d! l5 Z 硅鋁合金（w（Si）=16％～18%） 300～600 0.10～0.3 0.05～3.0 KP500
6 B2 _ D$ ?& F t/ R3 S/ M銑削 硅鋁合金（w（Si）<14％） 300～3000 0.10～0.2 0.1～3.0 KP500 + y, [& m3 G8 b' j2 R5 `- d, i
濕式切削 ' K( q% p/ ~! x$ o7 z: _# j
硅鋁合金（w（Si）>15％） 300～1200 0.10～0.2 0.1～3.0
; M7 U* g7 N7 R/ I5 T: I
4 D( Y5 z8 p" g' U表6 Ky-ocera公司PCD刀具推薦切削條件和牌號選擇 + H6 R5 B0 y& `2 { W. O3 I
被加工材料 PCD刀具牌號 冷卻 推薦切削用量
0 W% i- e, x( s1 g/ M KPD025 KPD010 KPD002 切削速度
6 `) o8 y4 G, ^7 H' ?" J7 N（m/min） 進給量 ' c% l, [! C# E+ }/ W% R; e
（mm/r） 背吃刀量
4 m& r; x# i6 Q% g7 U（mm） 9 h. B2 v2 {# E- d
鋁合金 ☆ ☆ 干切/濕切 300～1000 0.05～0.5 3.0
1 V! V8 @# U! G0 m' b# O; o4 T" z注：☆第一優選，★第二優選。
7 \/ _, _; f+ q
+ K% p% z i6 T4 ^1 M表7 Dijet公司PCD刀具推薦切削條件和牌號選擇
- X6 K5 P% P7 i: d Q: k被加工材料 PCD刀具牌號 推薦切削用量 ; R" n2 K. M7 c! r+ _
JDA200 JDA400 JDA420 JDA10 切削速度 ' L! P4 @& O( l3 m
（m/min） 進給量
8 I+ u! G0 ^; G+ b5 G（mm/r） 背吃刀量 & X- A" ~" J* v% N4 U8 A Q
（mm）
& l, O9 ~4 w3 T' U- `( S鋁合金 ★ ☆ ☆ ☆ 500～1500 0.05～0.20 ～3.5
7 L0 A' C, ~8 r+ x% g' O高硅鋁合金 ☆ ★ ～1500 0.05～0.20 ～3.5 ( e+ K9 G$ @# V$ v4 G Y$ M
注：☆第一優選，★第二優選。 |
發表于 2008-11-29 17:20:33
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