金刚石刀具材料及切削参数

  工具/原料

  金刚石（PCD）刀具

  方法/步骤1:

  1、PCD刀具介绍

  金刚石作为一种超硬刀具材料已广泛应用于切削加工，天然金刚石价格昂贵限制了金刚石刀具的发展，20世纪70年代，人们利用高压合成技术合成了聚晶金刚石（PCD），解决了天然金刚石数量稀少、价格昂贵的问题，使金刚石刀具的应用范围扩展到航空、航天、汽车、电子、石材等多个领域。

  聚晶金刚石（PCD）刀具主要用于加工有色金属等非黑色金属，能够刃磨出很锋利的刃口，得到较好的加工表面，而且还是加工非金属新型材料的首选材料，可以切削硬质合金及工业陶瓷等高硬度产品。

  PCD刀具和其他刀具材料的硬度和韧性对比图。

  方法/步骤2:

  2、PCD刀具的性能优势

  1）PCD的硬度可达8000HV，为硬质合金的80~120倍，而且PCD的耐磨性更好。

  2）PCD的导热系数为700W/MK，为硬质合金的1.5～9倍，甚至高于PCBN和铜。因此PCD刀具热量传递迅速，良好的传热性在很大程度上能够延长刀具寿命。

  3）PCD的摩擦系数一般仅为0.1至0.3，而硬质合金的摩擦系数为0.4～1。因此PCD刀具可显著减小切削力，从而延长了刀具寿命。

  4）PCD的热膨胀系数小，因此PCD刀具热变形小，加工精度高。刀具热变形越大，加工出的工件表面质量就越差，要想加工出良好加工表面质量的工件就必须严格控制刀具的热变形。

  5）PCD刀具与有色金属和非金属材料的亲和力小，在加工过程中刀尖不易形成积屑瘤。刀具与被加工材料的亲和力小，那么在加工过程中被加工材料就不容易粘接在刀具表面，也就不容易形成积屑瘤。

  6）PCD刀具的弹性模量大，断裂强度高（比氧化铝高三倍），切削刃钝圆半径值可以磨得很小，不易断裂，能长期保持切削刃的锋利程度。

  方法/步骤3:

  3、PCD刀具的结构形式

  聚晶金刚石(PCD)刀具是通过把PCD复合片焊接到硬质合金或者钢的刀体上制成的刀具。由于PCD复合片将单晶金刚石的高硬度、耐磨性、低摩擦系数和强度与碳化钨硬质合金的高抗弯强度进行了结合，复合片的碳化钨硬质合金层为金刚石层提供了机械支持，增加了它的抗弯强度，同时硬质合金层易于焊接，使制作成品刀具变得容易。

  PCD刀具的结构形式有：PCD刀片、PCD铣刀、PCD铰刀、PCD钻头、PCD切槽刀、非标PCD刀具。

  方法/步骤4:

  4、PCD刀具的加工材质

  1）难加工有色金属及其合金材料

  加工铜、锌、铝等有色金属及其合金、烧结硬质合金、钛合金、巴氏合金时，材料易粘附刀具，加工困难，PCD刀具可有效防止金属与刀具发生粘结，刀具使用寿命长。对于钛合金、铜合金、碳化钨硬质合金（Co 16%）、铝合金（4-8%Si和9-13%Si）、高硅铝合金（＞13%Si），CDW010牌号PCD刀具均可适用，对于耐磨性要求更高的合金材料可选用粗粒度及混合粒度PCD材质刀具CDW025和CDW302。

  2）难加工非金属材料

  加工如玻璃纤维增强塑料、填硅材料、硬质碳纤维/环氧树脂复合材料、陶瓷、木材时，刀具磨损严重，难以加工，PCD刀具硬度高、耐磨性好，加工效率高，常用PCD材质有CDW010、CDW025和CDW302。

  方法/步骤5:

  5、PCD刀具的材质牌号性能

  PCD材质牌号应用工况以及加工特性

  方法/步骤6:

  6、PCD刀具的选择

  PCD刀具选用的主要考虑因素：表面精度、外形精度、尺寸精度、刀具变形、工作周期缩短、停工时间缩短、刀具寿命增加、硬材料、刀具成本、减少投资、其它。

  方法/步骤7:

  7、CBN刀具的切削参数：

  （1）切削速度Vc

  PCD刀具可在极高的主轴转速下进行切削加工，例如车削硅铝合金时速度可达1000m/min，高速铣削3000m/min；

  （2）进给量Fr

  PCD刀具根据不同加工情况应选择合适的进给量，进给量过大会影响表面粗糙度、过小会使切削温度上升；

  （3）切削深度ap

  PCD刀具根据加工工艺不同应选择合适的切削深度，切削深度过大会影响刀具寿命。

  方法/步骤8:

  8、PCD刀具的常用应用领域

  （1）3C行业：随着消费者对轻、薄、短、小以及时尚新潮的要求越来越多，基于高科技的数字化、智能化、网络化的新技术——“3C”产品（计算机Computer，通信Communication，消费类电子产品ConsumerElectronics）层出不穷，产品数量、种类极为丰富。在“3C”产品的外壳应用上，镁铝合金已逐渐取代ABS、PC等材料，目前随着5G通讯技术的发展，新型材料陶瓷（氧化锆）越来越多的应用到手机背壳等领域。

  （2）汽车行业：铝合金已成为交通工业需求的致力于减轻重量的理想材料，巿场上有很多种铝合金，汽车活塞、轮毂、发动机裙部、销孔和汽缸体等部件的Si含量超过10%，同时又采用流水作业的方式，因此对刀具的硬度和使用寿命有很高要求，而且金属基复合材料 (MMC) 和碳纤维复合材料也已应用到汽车领域，采用PCD刀具能够保证加工速率和加工质量。

  （3）航空航天行业：用于航空航天最普遍的复合材料是CFRP(碳纤维W强塑料)，碳纤维复合材料目前已经占到了机身材料的约50%，PCD刀具对它特别有效。典型的CFRP零件是飞行器的翼梁，还有由这种零件材料制成的轴承、泵零件和套筒。

  方法/步骤9:

  9、PCD刀具的发展前景

  汽车制造业推动PCD刀具的快速发展：近年来，为了减少汽车的总重量和燃油费用，铝合金材料在汽车零部件中的使用越来越多，聚晶金刚石（PCD）刀具寿命长，能实现高效、高速、高精度切削加工，为此加工铝合金汽车零部件用聚晶金刚石（PCD）刀具的使用量也在快速增长。

  国内PCD刀具市场随着刀具技术水平的发展也不断扩大，目前中国第一汽车集团已有一百多个聚晶金刚石（PCD）车刀使用点。PCD刀具的应用也进一步推动了对其设计与制造技术的研究，国内众多知名高校和刀具制造商（华菱超硬）都在积极开展这方面的研究、研发和生产。