金剛石刀具材料的特性適合于切削加工鋁合金
- \' D% g& f/ z) L9 x5 M金剛石的熱穩(wěn)定性比較差,,切削溫度達(dá)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?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,。 . G3 k m# ~9 U: ?4 b
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小時,。目前,,單晶金剛石刀具廣泛應(yīng)用于加工計算機(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,。 ' F' P( P0 M9 S. u7 g) l7 q
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,,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%,。
9 v+ ]' p `; R$ Y7 b H. I& 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生產(chǎn)線上,,如用于加工汽車和摩托車發(fā)動機(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,,除PCD刀具外,其他所有的刀具都在很短的時間內(nèi)產(chǎn)生嚴(yán)重的磨損而不能繼續(xù)切削,。
$ t$ ~5 y2 k5 a4 B) O4 ~
+ d ^0 @- Y. Y0 J3 a: z0 j3 RCVD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
z7 v6 P: D, t# d$ Z; K& ?
3 X4 t+ ?3 h- J0 {7 ] B6 Z0 \其成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(fā)動機(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。 % F# d3 _. L( l/ v
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2 加工鋁合金PCD刀具粒度的選擇 4 u' Q4 c% V; P; b P) j' I; y
2.1 PCD刀具粒度的選擇
" I# e4 q6 V0 }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。 , Y* O1 @( s8 K4 Q! `3 K, s. X
PCD刀具粒度的選擇與刀具加工條件有關(guān),。如設(shè)計用于精密加工的刀具時,,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,。
3 w2 L7 e. w: E2 b/ j9 Z1 N 5 f: e' _" Y0 c4 z
表1 加工鋁合金PCD刀具粒度的選用 * N9 R4 O( e) f }# s
被加工材料 PCD刀具粒度的選用
, f' ]0 s, j# F4 E' v9 f3 H 粗粒度 中粒度 細(xì)粒度
0 P8 O2 g u3 l4 J6 K鋁 ★ ☆ & [# Q8 R( m' r
鋁合金(w(Si)<13%) ☆ ★ / B. y0 } S' r' S7 H7 [' P+ ?) C
鋁合金(w(Si)>13%) ☆ ★ # f& @0 X$ e% u- S- H2 \; p# @
注:☆第一優(yōu)選,★第二優(yōu)選,。 4 a& a a: b; p9 t/ M
) {' E: L0 \2 k' A, ^* e5 V$ N8 b* q
表2 TaeguTec PCD刀具粒度的選用 ) Y' W/ j1 ~1 d& Y+ R2 e
牌號 粒度 應(yīng)用范圍 結(jié)合劑 耐磨性 韌性 # N" i. ]8 p" e ~
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 4 ~0 _0 O( w) D( F; {' r
漸
8 `3 Y% x0 @7 R: F4 ?: j減 " U; Y5 \* n0 l" l; n
少
2 F9 U. `2 N s↓ ↑
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1 s& ~6 L0 `6 R+ f/ V4 ^- \漸 8 U3 w. c( Q8 A
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4 K8 t! v- b& Q! y1 f- g* L降 : ]" s9 u% f( G/ L8 s; p; m
低 + g5 D g7 h) C) C X7 \. G7 x, T
↓
$ n; A2 T+ u5 y pKP300 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 0 S' `8 G0 O) s I& ^
KP100 4~5 塑料,、木材,、鋁合金的加工
2 _; I$ d! C$ l# w0 T( B9 ^
9 l( r' Y& g! e z' c2.2 PCD復(fù)合片的厚度選擇
/ a' h: \ L+ r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,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,。 ~9 x- V0 k' z
A6 {5 l1 j0 q5 C0 Z1 E
3 PCD刀具幾何角度的選擇
- \# @: L [8 j% ~PCD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,。 % h3 z3 S6 Q6 c. C
表3 PCD刀具的幾何角度的選擇 + A( q1 G3 T1 P/ w
刀具幾何角度 刀具幾何角度的選擇
g) j8 m7 X# K4 v; l- G前角γ0 粗車高硬度材料時,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,;精車時一般采用O前角,甚至采用正前角,,但一般小于100 ' m9 W, O5 T+ a! k2 H
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,,可采用α0=80~120,;當(dāng)工件材料硬度較低時,,可采用α0=100~200
! A1 ^4 g0 y4 X7 c x+ l4 t9 I刃傾角λS 粗車時一般采用較小的刃傾角,,以增加切削刃強(qiáng)度,;精車時一般采用較大的刃傾角,,以減小徑向切削力 $ r4 R$ I: ?# E; R
主偏角kγ 一般采用750~900,。當(dāng)粗車高硬度材料時,,主偏角可設(shè)計成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,,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(zhì)量
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( q# |* o$ U6 V1 _! p* I! b [/ t4 金剛石刀具切削用量的選擇 9 O% T9 N$ Y" }0 P
PCD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(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),。
& Q, }8 s) C/ i4 h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。
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表4 PCD刀具加工鋁合金工件材料時的推薦切削用量 - y$ V* A# x4 [- q6 C. Z
被加工材料 加工方式 切削速度
( \4 g1 J# C, U- n1 ~. Z c(m/min) 進(jìn)給量 % [2 r) G, X% b/ l6 L
(mm/r) 背吃刀量 6 b9 y& _2 |- r# N/ ]- D5 q
(mm) ( i o5 x* M3 K ]# k5 Y% N* v
鋁合金(w(Si)<13%) 粗車 300~1500 0.10~0.40
! c: h; F* A0 g$ Q+ w 精車 500~2000 0.05~0.20 0.10~1.0 t2 I' ~7 j- R; ~+ }9 c1 R
銑削 500~3000 0.10~0.30mm/齒 0.10~3.0
" j. F# C: E. r; Q$ a3 i: K6 A鋁合金(w(Si)>13%) 粗車 150~800 0.05~0.40 0.10~3.0
0 n: V9 u8 {! K$ E# C) ` 精車 200~1000 0.02~0.20 0.10~1.0 ' h$ H6 e+ I: G
銑削 200~1500 0.10~0.30mm/齒 0.10~3.0 . B( Y0 v# b# B# n' K
! j/ _* S5 g# U: q1 I" F J表5 TaeguTec公司PCD刀具推薦切削條件和牌號選擇
9 z$ O! f \& Z$ Z切削方式 被加工材料 切削速度 8 F5 t" y3 Y+ @1 Q+ e
(m/min) 進(jìn)給量 9 k2 f' C; j# s( ?" V
(mm/r) 背吃刀量
0 |! D0 w# Q5 D/ a) a" B(mm) 推薦牌號
( w& \- \" l1 W g5 i! c車削 硅鋁合金(w(Si)=4%~8%) 800~2500 0.10~0.3 0.05~3.0 KP300 0 r& s8 A. Z; E" p! g; \, D& J
硅鋁合金(w(Si)=9%~14%) 600~1280 0.10~0.3 0.05~3.0 KP300,KP500
( R ^" @( Y( b" z 硅鋁合金(w(Si)=16%~18%) 300~600 0.10~0.3 0.05~3.0 KP500 ! u* ?+ @- a, [6 `+ \
銑削 硅鋁合金(w(Si)<14%) 300~3000 0.10~0.2 0.1~3.0 KP500
% L( n* t( u" [* L- s `" `6 D濕式切削 6 U7 {$ M/ ?" B e8 G7 K I* K
硅鋁合金(w(Si)>15%) 300~1200 0.10~0.2 0.1~3.0 4 }" s$ r- B; [1 B* N8 G
' u0 {& {% Y. M# z5 |3 |
表6 Ky-ocera公司PCD刀具推薦切削條件和牌號選擇
! _' J9 w0 b8 ^& m# B被加工材料 PCD刀具牌號 冷卻 推薦切削用量 & I% g- u% s% h1 l; L
KPD025 KPD010 KPD002 切削速度 + {# I. l% Y5 `
(m/min) 進(jìn)給量 ! P! l- T& W! s) k: |" D
(mm/r) 背吃刀量 7 \, i* K! P5 t6 h) D% Y1 e
(mm)
# D- j( z" T3 {. ^ `. J# T鋁合金 ☆ ☆ 干切/濕切 300~1000 0.05~0.5 3.0
4 @3 y& e2 o) a; Z5 F. U q6 L注:☆第一優(yōu)選,,★第二優(yōu)選,。
" }+ [6 w7 x, K/ x# C
$ S6 T& t4 {8 x1 _6 t6 p" t表7 Dijet公司PCD刀具推薦切削條件和牌號選擇 8 B( Z- \ ]. Z
被加工材料 PCD刀具牌號 推薦切削用量
+ U% j4 B4 G# F! x JDA200 JDA400 JDA420 JDA10 切削速度
' a" i7 f7 h) Q6 T1 \, g) _(m/min) 進(jìn)給量 . l1 q( B4 T3 I
(mm/r) 背吃刀量 2 T2 y2 U; d, U
(mm) 1 l1 @" T" @0 Q
鋁合金 ★ ☆ ☆ ☆ 500~1500 0.05~0.20 ~3.5
- l4 o6 D0 C/ }高硅鋁合金 ☆ ★ ~1500 0.05~0.20 ~3.5
: b, s8 D, J( B$ s# W& ~4 V& G: m* C注:☆第一優(yōu)選,★第二優(yōu)選,。 |