金剛石刀具材料的特性適合于切削加工鋁合金
9 y6 N. U- f3 M3 l1 v2 J! c+ d1 Z% |金剛石的熱穩(wěn)定性比較差,切削溫度達(dá)到8000C時(shí),其硬度就會(huì)大大降低。金剛石刀具不適合于加工鋼鐵類材料,因?yàn)?,金剛石與鐵有很強(qiáng)的化學(xué)親合力,在高溫下鐵原子容易與碳原子相互作用使其轉(zhuǎn)化為石墨結(jié)構(gòu),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(shí)現(xiàn)鏡面加工。 / x J! y/ V/ f( v0 U
單晶金剛石刀具是目前超精密切削加工領(lǐng)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(dá)20~30nm,加工工件表面粗糙度極小,可達(dá)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(gè)小時(shí)。目前,單晶金剛石刀具廣泛應(yīng)用于加工計(jì)算機(jī)磁盤基片、錄像機(jī)磁鼓、激光反射鏡、各種天文望遠(yuǎn)鏡、顯微鏡、光學(xué)儀器。
+ k# [! X' x3 a, b) i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(zhì)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(yuǎn)遠(yuǎn)高于硬質(zhì)合金刀具。PCD刀具應(yīng)用領(lǐng)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(jīng)廣泛應(yīng)用于汽車、摩托車、航空航天工業(yè)、國防工業(yè)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(jù)統(tǒng)計(jì),在PCD刀具的使用領(lǐng)域中,汽車、摩托車占53%,飛機(jī)占10%,木材及塑料加工占26%,其他占11%。
( `; s0 M+ @# nPCD面銑刀、鏜刀、車刀、鉸刀、復(fù)合孔加工等數(shù)控刀具等正大量應(yīng)用于高強(qiáng)度、高硬度硅鋁合金零部件自動(dòng)生產(chǎn)線上,如用于加工汽車和摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)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(shù)采用流水線方式大批量生產(chǎn),對刀具壽命要求較高,硬質(zhì)合金刀具難以勝任,而PCD刀具壽命遠(yuǎn)高于硬質(zhì)合金刀具,是硬質(zhì)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(yōu)良的耐磨性,可保證零件的尺寸穩(wěn)定性,并可大大提高切削速度、加工效率和工件的加工質(zhì)量。在加工硅含量較高的鋁合金時(shí),除PCD刀具外,其他所有的刀具都在很短的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生嚴(yán)重的磨損而不能繼續(xù)切削。 9 O+ O4 j+ ~$ S9 v
D0 k0 k8 C1 e, _" u5 B
CVD金剛石是指用化學(xué)氣相沉積法(CVD)在異質(zhì)基體(如硬質(zhì)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(jié)構(gòu)和特性。CVD金剛石不含任何金屬或非金屬添加劑,力學(xué)性能兼具單晶金剛石和PCD的優(yōu)點(diǎn),又在一定程度上克服了它們的不足。大量實(shí)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(yōu)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(shù)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
- [8 ^: Y* r7 T/ l% s' `" C' s! z
5 X) K. x: p- n3 v* i" t2 t其成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于價(jià)格昂貴的天然金剛石刀具。目前,CVD金剛石刀具除用于發(fā)動(dòng)機(jī)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(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子、起動(dòng)機(jī)、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(chǎn)品有美國Kenametal公司的KD100刀片、KDF3OO牌號CVD金剛石涂層硬質(zhì)合金立銑刀等。CVD金剛石刀具被認(rèn)為是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)制造業(yè)中有廣泛應(yīng)用前景的新一代刀具材料,滿足高速、高壽命、干式機(jī)加工技術(shù)要求。
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2 加工鋁合金PCD刀具粒度的選擇 8 X8 E5 l3 |! d2 C
2.1 PCD刀具粒度的選擇 ' H& f3 P( n1 C
PCD刀具的性能主要與金剛石粒度有關(guān)。目前,金剛石制品制造商所提供的PCD刀片粒度隨生產(chǎn)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(xì)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(xì)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。
' \ |% @. Q8 c9 k {PCD刀具粒度的選擇與刀具加工條件有關(guān)。如設(shè)計(jì)用于精密加工的刀具時(shí),應(yīng)選用強(qiáng)度高、韌性好、抗沖擊性能好的細(xì)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(qiáng)。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(zhì)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(xì)晶粒組織的PCD刀片不能用來加工w(Si)>10%的硅鋁合金,因?yàn)楣韬扛邔⑹辜?xì)晶粒金剛石刀片的切削刃產(chǎn)生破損。表1和表2為PCD刀片粒度的選用。 _0 t$ c# V- [: p" K
8 G( }5 [9 l8 @; v4 R8 {3 ^5 p0 B7 c表1 加工鋁合金PCD刀具粒度的選用 [& a: Z. a" ~( z
被加工材料 PCD刀具粒度的選用 . v+ P6 {5 x ]. Y- A
粗粒度 中粒度 細(xì)粒度
! S# b0 Q* J9 `. e7 Q鋁 ★ ☆ 1 Y4 j+ \# A' b* K7 o9 f" A& L
鋁合金(w(Si)<13%) ☆ ★ ) M% _) ^4 ~5 ~( v+ t
鋁合金(w(Si)>13%) ☆ ★
5 y% G( h+ v0 w注:☆第一優(yōu)選,★第二優(yōu)選。 ! W( G; _: B9 W# L! Y. ?% F
9 _5 w @7 o V$ l: j/ B表2 TaeguTec PCD刀具粒度的選用
$ s) s6 W& A; k0 `3 x9 l; i t牌號 粒度 應(yīng)用范圍 結(jié)合劑 耐磨性 韌性 $ }4 W& m$ c& ^# O5 T& h
KP500 10~25 硅鋁合金(w(Si)>12%)和硬質(zhì)合金的加工,鋁合金的銑削(斷續(xù)切削) 逐
: p0 f( G5 B6 O: f) p) m漸 6 [: z, g; I& ?$ A& B9 W
減
$ s0 J$ H5 x+ j1 p& F; i少 : ^' B% a9 ~" E7 l4 O3 n4 N
↓ ↑
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; N6 f7 ^/ S- [& ~7 b) ^4 BKP300 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 7 v9 B- ` M. W0 Y0 p
KP100 4~5 塑料、木材、鋁合金的加工
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" c! a1 I5 Q2 M# Y- f' @2.2 PCD復(fù)合片的厚度選擇 ; B& _# ]- I& S6 ]$ ]
通常情況下,PCD復(fù)合片的層厚約為0.3~1.0mm,加上硬質(zhì)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(fù)合片可降低磨削力,提高電火花的切割速度。PCD復(fù)合片與刀體材料焊接時(shí),硬質(zhì)合金層的厚度不能太小,以避免因兩種材料結(jié)合面間的應(yīng)力差而引起分層。 2 {" F7 F& ?, q* ]
) B% y3 [8 _ C. \. D2 y5 y$ \" b2 R
3 PCD刀具幾何角度的選擇
- N" G. T' t( J* Z/ w. ePCD刀具的幾何參數(shù)取決于工件狀況、刀具材料與結(jié)構(gòu)等具體加工條件。表3為PCD刀具的幾何角度的選擇。 " G" G% u6 }# k% Y/ y! L* o
表3 PCD刀具的幾何角度的選擇
& R' E6 ?: O% [+ w4 T% S# c刀具幾何角度 刀具幾何角度的選擇
* a" R. q- [) D# o8 X前角γ0 粗車高硬度材料時(shí),一般采用較大的負(fù)前角,γ0=50~100,若硬度較低可采用較小的負(fù)前角;精車時(shí)一般采用O前角,甚至采用正前角,但一般小于100
, r. X2 G& P0 ]2 P7 G8 D: B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(zhì)量有明顯影響,較小的后角對于提高PCD刀具的加工質(zhì)量可起到重要作用。當(dāng)工件材料硬度較高時(shí),可采用α0=80~120;當(dāng)工件材料硬度較低時(shí),可采用α0=100~200 $ n7 C7 l4 O/ H+ V
刃傾角λS 粗車時(shí)一般采用較小的刃傾角,以增加切削刃強(qiáng)度;精車時(shí)一般采用較大的刃傾角,以減小徑向切削力 - T9 x! w: {" V# W$ U% p
主偏角kγ 一般采用750~900。當(dāng)粗車高硬度材料時(shí),主偏角可設(shè)計(jì)成900,其目的是保持刀具強(qiáng)度和抗沖擊性能。如加工細(xì)長工件時(shí),可選用較大的主偏角,以減小徑向切削力;精車時(shí),可采用較小的主偏角,以提高加工表面質(zhì)量 D& Y; U J( w% q9 D& R+ P* ^& {
) Z) X6 {3 ]* t p: Q) p4 金剛石刀具切削用量的選擇
Z; y- C" d9 U# p! ZPCD刀具可在極高的主軸轉(zhuǎn)速下進(jìn)行切削加工,但切削速度的變化對加工質(zhì)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(tài)下,切削溫度和切削力的增加可使刀尖發(fā)生破損。PCD刀具加工時(shí)的進(jìn)給量過大,將使工件上殘余幾何面積增加,導(dǎo)致表面粗糙度增大;進(jìn)給量過小,則會(huì)使摩擦增加,切削壽命降低。增加PCD刀具的背吃刀量會(huì)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(shí),表現(xiàn)出的切削性能也不盡相同,因此應(yīng)根據(jù)具體加工條件確定PCD刀具的實(shí)際切削參數(shù)。
. K& d* [1 Z" H+ u9 |: |表4為PCD刀具加工鋁合金工件材料時(shí)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 a9 h9 i) f& w! k) W( D * \5 \: l/ h( z' m1 Z2 g1 {
表4 PCD刀具加工鋁合金工件材料時(shí)的推薦切削用量 ! v% M8 {$ k) B1 ^
被加工材料 加工方式 切削速度 Z# a5 U* B6 S+ q
(m/min) 進(jìn)給量
- b$ g4 l! Y7 e$ A(mm/r) 背吃刀量
5 h: R( `% @- t; e% S(mm)
1 I& [/ ^! s3 E" u. J0 q4 X鋁合金(w(Si)<13%) 粗車 300~1500 0.10~0.40
/ U- X/ P0 w. ]- i; W; H" C6 n7 ^ 精車 500~2000 0.05~0.20 0.10~1.0 0 C' K3 q* e6 O6 P j8 g
銑削 500~3000 0.10~0.30mm/齒 0.10~3.0
) s+ P5 d0 t2 s$ g鋁合金(w(Si)>13%) 粗車 150~800 0.05~0.40 0.10~3.0 7 _4 M) W+ ?: z4 Z" Z7 v
精車 200~1000 0.02~0.20 0.10~1.0 ( d4 j$ y! X! |2 B
銑削 200~1500 0.10~0.30mm/齒 0.10~3.0 3 }5 E0 e: M5 E0 a
- w$ N9 E, W; x9 G3 E
表5 TaeguTec公司PCD刀具推薦切削條件和牌號選擇 / s: P0 @ a1 _" U2 m
切削方式 被加工材料 切削速度 4 z+ ?/ q5 w6 j! F3 ?. N
(m/min) 進(jìn)給量 + N) M/ `" W2 g3 M
(mm/r) 背吃刀量 ! Q4 v5 y# T% ?4 \8 {8 M
(mm) 推薦牌號 ; R1 g2 M5 {& [* V0 T& D
車削 硅鋁合金(w(Si)=4%~8%) 800~2500 0.10~0.3 0.05~3.0 KP300
2 x& u5 r1 ?$ ] s% ` 硅鋁合金(w(Si)=9%~14%) 600~1280 0.10~0.3 0.05~3.0 KP300,KP500
+ f9 u$ y B8 K* |5 x" h0 J+ r' J' Y 硅鋁合金(w(Si)=16%~18%) 300~600 0.10~0.3 0.05~3.0 KP500 ( p4 `# s, |% Z( J1 n. ]
銑削 硅鋁合金(w(Si)<14%) 300~3000 0.10~0.2 0.1~3.0 KP500 5 q# E/ r% E" z: _. X6 L1 S3 o
濕式切削
, G+ S& h2 [2 P- r. R 硅鋁合金(w(Si)>15%) 300~1200 0.10~0.2 0.1~3.0
# x3 `, Z! t4 \) k3 W5 i
" m) ~7 R H+ k, |表6 Ky-ocera公司PCD刀具推薦切削條件和牌號選擇
7 ^, L7 f& \# T, J5 o; i被加工材料 PCD刀具牌號 冷卻 推薦切削用量 5 ], Z' D( _* ~
KPD025 KPD010 KPD002 切削速度
% M( p5 {5 f5 ](m/min) 進(jìn)給量 * K; {# D4 @8 l
(mm/r) 背吃刀量 4 A/ n) Q( j( p0 K# [8 O
(mm) $ T0 Z, r b& W6 I3 d5 y6 X
鋁合金 ☆ ☆ 干切/濕切 300~1000 0.05~0.5 3.0 + _+ F; w' `9 a [7 I
注:☆第一優(yōu)選,★第二優(yōu)選。
2 _/ w+ t4 u0 O+ q% l4 `. M
; q6 k/ S$ k6 S8 f; z' ^表7 Dijet公司PCD刀具推薦切削條件和牌號選擇 0 {# {- O9 G0 q5 Z
被加工材料 PCD刀具牌號 推薦切削用量
. U/ |8 r9 p8 l8 z* l4 Y JDA200 JDA400 JDA420 JDA10 切削速度 7 }8 r/ F! x- \. C% p8 \
(m/min) 進(jìn)給量
0 f) @6 L4 m- i( E, |) a o(mm/r) 背吃刀量
U) i5 M6 |! \3 g* O6 g(mm) % U- \/ W5 I' m# ]
鋁合金 ★ ☆ ☆ ☆ 500~1500 0.05~0.20 ~3.5 # H) \3 e( g5 Q: W9 D' [
高硅鋁合金 ☆ ★ ~1500 0.05~0.20 ~3.5 1 x4 {6 z( K+ m: M1 @3 `9 v
注:☆第一優(yōu)選,★第二優(yōu)選。 |