金剛石刀具過去主要用于精加工,近十幾年來由于改進了人造金剛石的生產(chǎn)工藝,控制了原料純度和晶粒尺寸,采用了復合材料和熱壓工藝等,應用范圍不斷擴大,除適合于一般的精加工和半精加工外,還可用于粗加工。金剛石刀具的硬度極高、耐磨性好、刃口鋒利、刃部表面粗糙度值小、摩擦因數(shù)低、抗粘結(jié)性好和熱導率高,切削時不易粘刀及產(chǎn)生積屑瘤,加工表面質(zhì)量好。加工有色金屬時,表面粗糙度值可達rz=0.1～0.05μm,加工精度可達it6～it5,能有效地加工非鐵金屬材料和非金屬材料,如銅、鋁等有色金屬及其合金、陶瓷、未燒結(jié)的硬質(zhì)合金、各種纖維和顆粒加強的復合材料、塑料、橡膠、石墨、玻璃和各種耐磨木材(尤其是實心木和膠合板、mdf等復合材料)。但金剛石刀具的韌性差,熱穩(wěn)定性低,與鐵族元素接觸時有化學反應,在700～800℃時將碳化(即石墨化),一般不適于加工鋼鐵材料。 

   1.金剛石刀具的類型

   目前生產(chǎn)上常用的金剛石刀具有四類:人造聚晶金剛石(pcd)刀具、人造聚晶金剛石復合片(pcd/cc)刀具、金剛石材料涂層刀具以及電鍍金剛石刀具。其中,以前兩類刀具使用最多。它們通常是先制成刀片,然后采用粘接、鑲焊或機夾方式固定在刀柄或刀體上使用。金剛石刀具可用于制造車刀、鏜刀、銑刀、鉆頭、鉸刀、成形刀和切齒刀等刀具。

   (1)pcd刀具

    pcd又稱金剛石燒結(jié)體,它是在高溫、高壓下,通過鈷等金屬結(jié)合劑將許多人造金剛石的單晶粉聚晶成的多晶體材料。雖其硬度稍低于nd,但它是隨機取向的金剛石晶粒的聚合,屬各向同性,用作切削刀具時可以任意取向刃磨。在切削時,切削刃對意外損壞不很敏感,抗磨損能力也較強。加工時可采用很高的切削速度和較大的背吃刀量,使用壽命一般高于wc基硬質(zhì)合金刀具10～500倍,而且pcd原料來源豐富,其價格遠低于nd刀具,已成為傳統(tǒng)wc基硬質(zhì)合金刀具的高性能替代品。pcd的性能與燒結(jié)聚晶合成的金剛石晶粒尺寸大小有關,晶粒尺寸越大,耐磨性越好,刀具壽命越高,但切削刃較粗糙,刃口質(zhì)量差。

   (2)聚晶金剛石復合片(pcd/cc)刀具

   它是以硬質(zhì)合金為基底,在其表面燒結(jié)或壓制一層0.5～1mm厚的pcd而組成金剛石復合片(pcd/cc)。這種復合片的抗彎強度與硬質(zhì)合金基本一致,而工作表面的硬度接近整體pcd,且其可焊性好,重磨容易,成本低,故應用廣泛。例如美國通用電器(ge)公司生產(chǎn)的compax刀片、英國debeers公司生產(chǎn)的syndite刀片、日本住友電工公司的da刀片以及我國生產(chǎn)的fj和jrs型等系列刀片都是pcd和硬質(zhì)合金的復合片。表1中列出了深圳市喬本金剛石刀具有限公司的選用的進口復合片的牌號、性能與適用范圍。

   (3)金剛石材料涂層刀具

   由于金剛石材料的價格較貴,且其可加工性差,難以制成幾何形狀復雜的刀具。為了擴大其應用范圍,現(xiàn)已開發(fā)出價格相對較低的金剛石材料涂層刀具。它是利用cvd(化學氣相沉積)法,在硬質(zhì)合金基體(常用k類合金)上沉積一層厚度小于50μm(通常為10～30μm),由多晶組成的膜狀金剛石而成。因基體易于制成復雜形狀,故適用于幾何形狀復雜的刀具,如絲錐、鉆頭、立銑刀和帶斷屑槽可轉(zhuǎn)位刀片等。國際工具市場上已有金剛石薄膜涂層(簡稱cd)刀具的產(chǎn)品(如瑞典sandvik公司的cd1810和美國kennametal公司的kcd25),用于有色金屬及非金屬材料的高速精密加工,刀具壽命比未涂層的硬質(zhì)合金刀具提高近十倍,有些甚至數(shù)十倍。但cd刀具不適于加工金屬基一類復合材料,因為復合材料中的硬質(zhì)顆粒在很短時間內(nèi)就會將刀具表面一層涂層磨穿。所以,盡管cd刀具的價格比同類pcd刀具要低,由于金剛石薄膜與基體材料間的黏著力較小,限制了它的廣泛應用。

   除上述薄膜涂層(cd)刀具外,還有cvd金剛石厚膜(tfd)刀具。tfd是沉積厚度達1mm以上、甚至幾毫米(debeers公司沉積厚度可達5mm)的無襯底金剛石厚膜,根據(jù)需要再將厚膜切割成一定形狀的小塊,然后釬焊到所要求的基體材料上制成刀具使用。tfd有很好的綜合性能,它兼有天然金剛石和人造聚晶金剛石的優(yōu)點,與基底結(jié)合牢固,便于多次重磨,故有良好的應用價值和發(fā)展前景。

   tfd與pcd相比較,因pcd內(nèi)含有鈷等金屬結(jié)合劑,但鈷會降低pcd硬度,對腐蝕敏感(特別是在加工塑料時),鈷在高溫下會加速金剛石向石墨轉(zhuǎn)變,故pcd適于粗加工和要求刀具有較高斷裂韌度的場合。而tfd為純金剛石材料,不添加任何復合材料,因此具有比pcd更高的硬度、熱導率、致密性、刃口鋒利性、耐磨性(為pcd的1～4倍)、耐高溫性、化學穩(wěn)定性以及更小的摩擦因數(shù),故可采用比pcd刀具更高的切削速度,韌性則稍低于pcd,故多用于高速精加工和半精加工等場合。國外已有tfd的商品(如debeers公司的diafilm品牌)。

   (4)電鍍金剛石刀具

   電鍍金剛石刀具是用電鍍埋砂的方法,以金屬鎳、銅和鈷等作結(jié)合劑,把大量金剛石的細小顆粒包鑲在一定尺寸和幾何形狀的刀具基體表面上,再經(jīng)過適當修磨而制成。此法制造工藝簡單,只需要電鍍設備即可。例如,深圳市喬本金剛石刀具有限公司等生產(chǎn)的專業(yè)高精密加工玻璃鏡片用的電鍍金剛石磨頭就屬于這一類產(chǎn)品。使用表明,用其可成功地加工尺寸精度和幾何形狀精度都小于2μm、表面粗糙度值ra達0.4～0.2μm的孔。且加工出的孔尺寸分散度小,刀具使用壽命長(平均每把刀具可加工1～2萬個工件)和工效高等。例如,廣泛用于液壓隨動系統(tǒng)和燃油系統(tǒng)精密偶件的閥孔、機械和精密儀表中各種精密孔,目前生產(chǎn)上的最終工序大多用這種鉸刀加工。 附圖為深圳市喬本金剛石刀具有限公司部分電鍍金剛石刀具——磨頭產(chǎn)品圖片。

   由于金剛石材料的脆性較大,為增強切削刃強度,又能達到很小表面粗糙度值,通常車刀前角γo=0°～10°;若用金剛石車刀切鋁合金和銅合金時γo=0°～20°,后角αo=5°～15°。

    為了提高刀刃強度,刃口上常磨出負倒棱,倒棱寬度可取br1=0.1～0.3mm,倒棱上前角γo1=-6°～-20°;刀尖需適當修圓,修圓半徑rε=0.2～0.8mm。但刀尖修圓半徑和負倒棱越大,會使切削力增大,發(fā)生顫振的機會也增多。因此,當機床—夾具—刀具—工件的系統(tǒng)剛性不足時,尤其是在加工細長工件時,不宜采用過大的刀尖半徑和負倒棱。用pcd可轉(zhuǎn)位面銑刀高速加工(vc>700m/min)高硅鋁合金,常采用正、負前角型,即背前角γp為正值、側(cè)前角γf為負值,從而既可增強切削刃強度,且不易崩刃,能獲得良好的表面質(zhì)量和很高的生產(chǎn)率。

   3.金剛石刀具的合理使用

   (1)正確選用刀片的品種與牌號不同品種的pcd刀片,由于其組成成分不同,切削性能有很大的差異,選用時需加以注意。目前pcd刀片不像硬質(zhì)合金那樣在國際上有統(tǒng)一的分類,各生產(chǎn)廠都有各自的品種與牌號,使用時需參照廠家產(chǎn)品樣本來選擇。

   pcd的商品顆粒尺寸大致分為三類:即粗晶粒(晶粒的平均尺寸為20～50μm)、中晶粒(10～20μm)和細晶粒(2～10μm)。晶粒尺寸越大,耐磨性越好,刀具壽命越高,但刃口質(zhì)量差,難以制成高精度刀具。相反,細晶粒刀具,切削刃的刃口質(zhì)量好,加工表面質(zhì)量好。因而,目前聚晶的晶粒不斷細化,并已有1μm、甚至有0.5μm以下的細晶,需根據(jù)粗、精加工等不同工序要求,選用不同大小的晶粒。

   但我國學者研究證實,聚晶體刀具在微量切削時,它具有“多點切削、單點成形”的特點,因此,只要采取一定的工藝措施,用粗晶粒(70～30μm)聚晶刀具也能切出超精密的加工表面。

   (2)選取合適的切削用量

     4.金剛石刀具的應用效果

   金剛石刀具解決了許多生產(chǎn)中難以解決的加工問題,改變了傳統(tǒng)的機械加工工藝,目前已在我國機械、治金、礦山、汽車、拖拉機、軸承、水泵、交通、能源、精密儀器、航空航天等行業(yè)中使用,取得了顯著經(jīng)濟效益。例如,長春一汽集團公司用pcd刀具精鏜高硅鋁合金材料的活塞銷孔(vc=160m/min,f=0.08～0.10mm/r,ap=0.05mm),刀具壽命達42500件,是原來硬質(zhì)合金刀具的90倍,加工表面粗糙度值由原來ra=0.8～0.4μm下降為ra=0.4～0.2μm,每班還可減少裝調(diào)刀具等輔助時間30min,分攤到每一工件上的刀具成本也比硬質(zhì)合金刀具下降了85%。附圖為深圳市喬本金剛石刀具有限公司 部分被加工產(chǎn)品與刀具的實拍圖集。

   使用pcd刀具的機床必須有高的剛度、大的功率和高的轉(zhuǎn)速,這樣才能充分發(fā)揮金剛石刀具材料的性能,取得好的經(jīng)濟效益。此外,機床精度要好,裝夾工件的夾具和夾緊裝置,必須可靠性強,以免加工時產(chǎn)生振動,使刀具破損。必須指出,目前生產(chǎn)中不少機床設備還不能滿足pcd刀具的加工要求,所以它們的潛力未能得到充分發(fā)揮,今后隨著數(shù)控機床(nc)和加工中心(mc)等高效設備應用的增多,必將進一步推動pcd刀具的使用。

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