PCD刀具的应用与发展

PCD刀具的应用与发展聚晶金刚石(PCD)刀具加工铝制工件具有刀具寿命长、金属切除率高等优点，其缺点是刀具价格昂贵，加工成本高。这一点在机械制造业已形成共识。但近年来PCD刀具的发展与应用情况已发生了许多变化。如今的铝材料在性能上已今非昔比，在加工各种新开发的铝合金材料(尤其是高硅含量复合材料)时，为了实现生产率及加工质量的最优化，必须认真选择PCD刀具的牌号及几何参数，以适应不同的加工要求。PCD刀具的另一个变化是加工成本不断降低，在市场竞争压力和刀具制造工艺改进的共同作用下，PCD刀具的价格已大幅下降50%以上。上述变化趋势导致PCD刀具在铝材料加工中的应用日益增多，而刀具的适用性则受到不同被加工材料的制约。PCD刀具的基本特点具有极高硬度和独特机械性能的PCD复合片是由金刚石颗粒和催化剂的混合物在高温高压下烧结而成，在合成过程中产生了金刚石颗粒共生物，并在金刚石颗粒之间建立起连接“桥”，从而获得具有催化剂岛状结构、类似于整体金刚石的PCD材料。PCD材料的结构与PCBN(聚晶立方氮化硼)材料不同。在PCBN材料中，CBN粒子之间并无实际粘结物；而PCD材料中则存在共生物，金刚石颗粒之间通过晶格“桥”相互连接。PCD刀具牌号是以金刚石颗粒的粒度进行分类。根据制造商的标准，细颗粒、中等颗粒和粗颗粒PCD牌号所对应的金刚石粒度大致分别为2µm、10µm和25µm。粗颗粒PCD牌号比细颗粒PCD牌号强度更高，耐磨性更好，在粗加工中具有更长的工作寿命，但粗颗粒PCD刀具的切削刃难以达到细颗粒PCD刀具表面的光滑程度。因此，细颗粒PCD刀具可获得更好的加工表面光洁度，但磨损速度较快。PCD刀具的价格变化过去，价格昂贵一直是影响用户广泛接受PCD刀具的一个主要障碍，但现在情况发生了很大变化。业界估计，在过去的两三年中，PCD刀具的价格已下降了40%～60%。出现PCD刀具价格“跳水”的原因之一是市场供大于求。在20世纪90年代初，PCD刀具的发展势头开始超过传统的硬质合金刀具，在随后的十年中，对PCD刀具的市场需求不断增加。但是，随着PCD刀具制造技术的成熟，其销售增长势头开始减缓，目前整个制造业的不景气对PCD刀具市场也有一定影响。此外，新进入PCD刀具制造业的竞争者也动摇了原有的市场价格体系。PCD刀具价格下降的另一个原因是刀具制造成本不断降低，刀具制造工艺(如用于金刚石毛坯粗加工的EDM工艺、切削刃精密加工工艺等)不断改进。此外，与十年前相比，加工PCD刀具用的金刚石砂轮质量显著提高，成本则大大下降。汽车制造业推动了PCD刀具发展美国汽车制造商为了迎合美国消费者偏爱宽大轿车的习惯，同时又要考虑经济不景气的影响以及适应CAFE节能标准的要求，因此一直在致力于提高汽车燃料的利用效率。美国航空业制造商也面临类似的压力。这就导致轻型材料(如塑料、复合材料、铝合金材料等)在汽车、飞机制造上的应用大量增加。为了在减轻材料重量的同时增加其强度，人们在新型铝合金材料中加入了硅元素。硅铝合金的重量与铝合金相同(或更轻)，但其硬度、强度和耐磨性显著提高，同时还具有更好的热膨胀性能。在合金中添加硅元素的百分比含量取决于材料的使用性能与加工性能。铝合金中的硅元素浓度达到完全饱和点时称为共晶态；当铝合金处于过共晶态(硅元素含量超过12.6%)时，硅元素将以固体粒子的形式从铝基体中析出；当铝合金中的硅元素含量低于约12%时称为亚共晶态，此时硅元素与铝元素处于混合状态而没有析出物。过共晶态铝合金具有最好的耐磨性、刚性和抗疲劳强度，但其机械性能的改善意味着其切削加工性能的恶化。过共晶态铝合金，尤其是T-6合金、经过热处理的390合金(用于制造发动机活塞)等，难于切削加工的主要原因在于这种合金中所含的硬质硅颗粒(俗称“石头”)，只有采用具有锋利切削刃的金刚石刀具才能进行有效加工并获得良好的加工表面质量。如果PCD刀具的切削刃钝化，切削时会将硅颗粒从基体中撕离，从而破坏加工表面光洁度。硬度较软的低硅铝合金也并不一定易于切削加工(尤其当工件表面质量要求较高时)，加工此类合金时遇到的主要问题是卷屑不良和容易产生积屑瘤，影响加工表面光洁度，特别是硅含量低于9%的粘性铝合金，加工难度相当大。硬质合金hardmetal;cementedcarbide由难熔金属的硬质化合物和粘结金属通过粉末冶金工艺制成的一种合金材料。硬质合金具有硬度高、耐磨、强度和韧性较好、耐热、耐腐蚀等一系列优良性能，特别是它的高硬度和耐磨性，即使在500℃的温度下也基本保持不变，在1000℃时仍有很高的硬度。硬质合金广泛用作刀具材料，如车刀、铣刀、刨刀、钻头、镗刀等，用于切削铸铁、有色金属、塑料、化纤、石墨、玻璃、石材和普通钢材，也可以用来切削耐热钢、不锈钢、高锰钢、工具钢等难加工的材料。现在新型硬质合金刀具的切削速度等于碳素钢的数百倍。分类与牌号WC刀具①钨钴类硬质合金主要成分是碳化钨（WC）和粘结剂钴（Co）。其牌号是由“YG”（“硬、钴”两字汉语拼音字首）和平均含钴量的百分数组成。例如，YG8，表示平均WCo＝8％，其余为碳化钨的钨钴类硬质合金。TIC刀具②钨钛钴类硬质合金主要成分是碳化钨、碳化钛（TiC）及钴。其牌号由“YT”（“硬、钛”两字汉语拼音字首）和碳化钛平均含量组成。例如，YT15，表示平均WTi＝15％，其余为碳化钨和钴含量的钨钛钴类硬质合金。钨钛钽刀具③钨钛钽（铌）类硬质合金主要成分是碳化钨、碳化钛、碳化钽（或碳化铌）及钴。这类硬质合金又称通用硬质合金或万能硬质合金。其牌号由“YW”（“硬”、“万”两字汉语拼音字首）加顺序号组成，如YW1。性能特点硬质合金焊接刀片硬度高（86～93HRA，相当于69～81HRC）；热硬性好（可达900～1000℃，保持60HRC）；耐磨性好。硬质合金刀具比高速钢切削速度高4～7倍，刀具寿命高5～80倍。制造模具、量具，寿命比合金工具钢高20～150倍。可切削50HRC左右的硬质材料。但硬质合金脆性大，不能进行切削加工，难以制成形状复杂的整体刀具，因而常制成不同形状的刀片，采用焊接、粘接、机械夹持等方法安装在刀体或模具体上使用，相关人才较多集中在钢铁英才网。硬质合金性能及应用推荐：牌号密度g/cm抗弯强度N/mm硬度(HRA)推荐用途YF1014.80—15.10≥1880≥92.5适于铸铁、有色金属及低合金钢的半精加工以及石墨刹车片方面的新型材料加工。YF10.114.80—15.15≥1950≥92.0有较高的硬度和耐磨性，适用于高速拉丝模，刀具，棒材，耐磨件等。YF10.214.30—14.65≥2430≥91.8有很高的综合性能，广泛用于电子，金属，木工，竹子等行业的刀具。也可用于高性能耐磨件领域。YF10.314.80—15.05≥2200≥91.8有较高的硬度和强度，适用于加工纤维板等行业的竹木刀具YL8013.75—14.05≥3200≥89.5有很高的硬度和韧性，适用于生产电子行业及冲压模具板材。也可用于冷镦行业强束模等。YL80.114.70—14.90≥2320≥90.5有较高的耐磨性，用于粉末冶金模具、耐磨件、密封环等。YL80.214.00—14.20≥2800≥87.5适于制作中小规格手表零件、乐器弹簧片的冲压模具,冷镦行业强束模等，以及轧辊用料，剪切硅钢矽钢用剪扳机刀具。YL80.313.50—13.80≥2640≥85.0适于生产在较大应力下冲压模具用板材。YL9013.50—13.70≥2500≥83.0具有较高的强度和抗疲劳韧性，适于制作大规格缩颈模、六片模，螺母模下仁。YL90.113.90—14.10≥2340≥84.5有较高的耐磨性和韧性，适于制作一般耐冲击锻造模，冷冲模具和螺母模上仁。YL90.213.70—13.90≥2400≥83.5适于中规格螺栓缩颈模和螺母模上仁。YL90.413.20—13.40≥2600≥82.0具有很高的强度和抗疲劳韧性，用于螺母模下仁、全钨一冲等有较大冲击力的冷墩、冷冲、冷压模具。YL90.513.00—13.20≥2760≥81.8具有很好的抗冲击力，抗疲劳韧性，用于工作载荷很大，应力显著条件下的冷冲压模具。YL90L13.20—13.40≥2450≥82.0用于一般冷冲螺丝模具和切断剪刀片。YL10013.45—13.60≥3050≥84.5用于沉头、喇叭头、三角模主模等编辑本段发展趋势韩国YesTool公司推出的“KRUZ”硬质合金机夹孔加工刀具，采用了硬质相晶粒分别为0.2+0.5+0.8μm的混合型高钴(13%)超细晶粒度基体，使刀具基体材料的强度和硬度都有较大的提高，配以接近整体型钻头强度的机夹刀片几何结构和夹紧方式以及独创的钻尖设计和高性能的氮化钛(TiN)与氮铝化钛(TiAlN)纳米物理涂层(PVD)，不仅适用于加工软质到硬质工件，甚至对极难加工的特殊材料工件，都能体现出优秀的切削性能。瑞典山特维克可乐满公司(SandvikCoromant)新推出的钢材车削牌号GC4225、GC4235，采用了超细晶粒的梯度硬质合金基体，配以氮碳化钛中温化学涂层(MT-CVD)和细晶柱状a-Al2O3化学涂层，表面则采用消除表面应力的后处理工艺，即通过喷丸处理去掉前刀面CVD涂层的拉应力表层(TiN)，使露出表面的Al2O3的拉应力下降40%，内层涂层的应力下降20%，显著改善了刀片的抗微崩刃性能和抗剥落能力，在提高刀刃完整性和可靠性的同时还提高了涂层表面的光洁度，降低了刀片与切屑之间的粘结性。GC4225可覆盖从粗加工到精加工80%的应用领域，与一般的P25刀片比较刀具寿命可提高60%，生产效率提高33%，为钢件加工的首选牌号。株洲钻石切削刀具股份有限公司继两年前推出用于铸铁加工的YBD系列黑金刚牌号后，新推出的用于钢材加工的第二代黑金刚系列牌号——YBC152和YBC252也采用了表面富钴的梯度硬质合金基体材料，配以厚层的纤维状TiCN和细晶粒Al2O3的CVD涂层，具有极强的抗塑性变形能力和刃口强度，特别适合钢材的高速加工。新一代黑金刚牌号刀片在相同切削条件下，可提高切削速度25%以上；在同样切削速度下，刀具寿命可提高30%以上。在本次展会上推出表面富钴梯度硬质合金基体材料新牌号的还有：美国Kennametal公司的通用材质牌号KU30T、Valenite公司的加工不锈钢牌号VP5535、以色列ISCAR公司的适用于高速加工的改进型Al2O3MT-CVD复合涂层“a-TEC”系列(如：IC9150、IC9250、IC9350)牌号等。在硬质合金中添加少量的元素可强化材料的硬质相和粘结相、净化晶界并显著提高材料的抗弯强度和冲击韧性。日本住友电工硬质合金株式会社推出的ACE系列涂层牌号(AC700G、AC2000、AC3000)，采用了加锆(Zr)的硬质合金基体材料，使新牌号基体材料的红硬性大幅度提高。日立工具技术株式会社新推出的HG系列涂层新牌号(HG8010、HG8025)则采用了所谓“三重锆效果”的CVD涂层新技术，其“第一重锆效果”就是在硬质合金基体材质中添加了锆(Zr)元素，以提高基体的抗高温变形能力；“第二重锆效果”则是用细晶柱状的锆(Zr)涂层取代通常的MT-TiCN涂层，从而提高了涂层的抗氧化性；“第三重锆效果”则是在涂层表面涂覆一层白色的锆(Zr)涂层，以提高刀具表面的润滑性、耐热性和抗剥落性。这种新型涂层牌号刀片具有良好的耐热性，特别适用于高效加工，与传统刀片相比，可提高加工效率150%，降低加工成本20～30%。超细晶粒硬质合金得到了越来越广泛的采用。除上述几家公司的新牌号采用了超细晶粒硬质合金基体外，Kennametal公司推出的新牌号KC5525、KC5510也采用了晶粒细化的高钴硬质合金基体，拥有钴含量达10%的超级细化晶粒的硬质合金基体，配以高铝含量的TiAlNPVD涂层，使刀具在断续切削时具有很高的刃口韧性的同时，又具有极强的抗热变形能力。ISCAR公司推出的用于整体硬质合金立铣刀的“AL-TEC”涂层系列(如：IC900、I