刀具材料PCD

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1、XX大学 年秋季学期研究生课程考试课程名称: 课程编号： 论文题目: 刀具材料PCD概述研究生姓名: 学 号: 论文评语：成 绩： 任课教师：评阅日期：刀具材料PD概述摘要:好的刀具材料是制造出好的刀具的前提，更是加工出好的产品的核心。随着制造业的迅速发展,金刚石刀具的生产和应用正在逐年增长。天然金刚石价格昂贵,金刚石广泛应用于切削加工的还是PCD。本文针对刀具材料PC做了比较系统的论述，重要涉及PCD材料的简介，PCD复合片及刀具的制造技术，CD复合片的重要优缺陷以及CD刀具材料的应用。核心词：PC;材料；刀具Th overviaboucuttig tolmateralsofDbstrac:

2、God ooaterialis prerequisite t crete agood tool， it s aso a ey procsin o akig a god prduct .Wiheshapevelomnt o mkig indsry， prductionndpplicaion ofdmond tlsisincresing year by year.Natura dionds ar expnsive，PCD is ilused n uting .This papr akesa sysematic ntrodutio f tool atalPCD,icuin the intrduio

3、PCD maerals ,he mafaurin technques f PC compositeshetan tl， the ain vantages ad disdvags of PCD compsteset ateiand the applicaton of PCD to.Ky rds：PCD;Mterials ; ol1引言 随着人类生活、生产水平的提高，高速钢刀具已不能满足高加工效率和高加工质量的新规定。随着制造业的迅速发展,金刚石刀具的生产和应用正在逐年增长。人们已经开始谋求性能更高的新型刀具材料。天然金刚石价格昂贵,金刚石广泛应用于切削加工的还是PCD,自20世纪70年代初,采用

4、高温高压合成技术制备的PCD复合片研制成功后来,在诸多场合下天然金刚石已经被人造P所替代。PC原料来源丰富，其制造技术已经成熟，并且其价格低廉，只有天然金刚石的几十分之一。如此使金刚石刀具的应用范畴扩展到航空、航天、汽车、电子、石材等多种领域。2刀具材料CD的简介P又称人造聚晶金刚石。PCD复合片是由粒度为微米级的金刚石颗粒与钴,镍等金属粉末混合均匀后,在高温高压下,在碳化钨基材上烧结而成的一种新型刀坯材料2。P复合片不仅具有金刚石高硬度，高耐磨性,高导热性,低摩擦因数，低热膨胀系数等优越性能，同步还具有硬质合金良好的强度和韧性。因此，可切割成所需刀头，将刀头焊接在硬质合金基体上，通过刃磨从而

5、制成切削性能良好的CD刀具。随着机械制造行业的发展，对被加工工件的质量规定越来越高,许多刀具材料已无法达到所需原则，而原料来源丰富,价格低廉,切削性能优良的PD材料所制成的刀具却可以满足机械加工的需要，因此PCD材料被越来越广泛的用于机械制造及加工的过程中。但CD刀具无法刃磨出极其锋利的刃口，很难达到超精密镜面切削,目前工业中还不能以便的制造带有断屑槽的CD刀片3。3 PD刀具材料的性能指标一般刀具材料所应具有的性能重要有: (）高硬度和高耐磨性；刀具硬度应高于工件材料的硬度，常温硬度一般在60HRC以上。耐磨性是指材料抵御磨损的能力,它与材料硬度、强度和组织构造有关。材料硬度越高，耐磨性越好

6、；组织中碳化物和氮化物等硬质点的硬度越高,颗粒越小,数量越多且分布越均匀，则耐磨性越高。例如：碳素钢的硬度在6HC;高速钢的硬度在-0H；硬质合金的硬度为89-93A。(2）足够的强度与冲击韧性；切削时刀具要承受较大的切削力、冲击和振动，为避免崩刀和折断，刀具材料应具有足够的强度和韧性。刀具材料的抗弯强度大小顺序为：高速钢硬质合金立方氮化硼、金刚石和陶瓷。 (3）足够的高耐热性热硬性和较好的传热性;耐热性是指刀具材料在高温下保持足够的硬度、耐磨性、强度和韧性、抗氧化性、抗粘结性和抗扩散性的能力（亦称为热稳定性)。材料在高温下仍保持高硬度的能力称为热硬性(亦称高温硬度、红硬性),它是刀具材料保持

7、切削能力的必备条件。刀具材料的高温硬度越高，耐热性越好，容许的切削速度越高。刀具材料的热导率大，有助于将切削区的热量传出，减少切削温度5。 （）良好的工艺性和经济性。为了便于刀具加工制造，刀具材料要有良好的工艺性能,如热轧、锻造、焊接、热解决和机械加工等工艺性能。 CD刀具材料不仅具有这些基本性能，并且具有其他某些优良性能。31PC刀具材料的长处： (1)PCD的硬度可达00HV，为硬质合金的八十至一百二十倍,并且PCD的耐磨性更好。如下图1为PCD与硬质合金刀具的耐磨性比较。 图1硬质合金与CD刀具耐磨性比较 （2）PC的导热系数为700/MK，为硬质合金的159倍，甚至高于CBN和铜。因此

8、CD刀具热量传递迅速,良好的传热性在很大限度上可以延长刀具寿命。 (3)PCD的摩擦系数一般仅为.1至0.3，而硬质合金的摩擦系数为4。因此PCD刀具可明显减小切削力，从而延长了刀具寿命。 (4）PC的热膨胀系数小，因此PC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。 （）P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。下图2为切削工程中形成的积屑瘤,在很大限度上减少了工件的表面质量。图

9、2积屑瘤 （6)金刚石刀具的弹性模量大，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限度6-8。3.2 CD刀具材料的缺陷：(1）PD刀具材料的材质比较脆，在切削的工程中很也许由于受到冲击或者受力不均而崩刃。（2）CD刀具材料制成的刀具只可完毕较小尺寸变化加工。大的尺寸变化容易使刀片受力不均而损坏刀片。（3）C刀片比较难加工。PCD刀片的加工重要涉及PCD复合片的切割工艺，P刀片的焊接工艺，PCD刀片的刃磨工艺。这些工艺完毕的好坏会直接影响刀片的质量，而在加工过程中对加工条件,加工工艺的规定很高。()CD及人造聚晶金刚石刀具的刃口锋利性和加工的工

10、件表面质量低于D,同步其可加工性很差,磨削比小，难以根据刀头的几何形状任意成形。因此目前运用人造聚晶金刚石复合片只能制造车刀，至今还不能制造带断屑槽的可转位刀片和复杂三维曲面几何形状的铣刀。此外，由于金刚石是由碳原子构成的,它与铁元素的亲和力大,故不能用金刚石刀具切削钢铁材料9。4 C刀具的制造技术4 PD复合片的制造 PCD复合片是由天然或人工合成的金刚石粉末与结合剂(其中含钴、镍等金属）按一定比例在高温（000）、高压(510万个大气压）下烧结而成。在烧结过程中,由于结合剂的加入，使金刚石晶体间形成以iC、S、Fe、N等为重要成分的结合桥，金刚石晶体以共价键形式镶嵌于结合桥的骨架中。一般将

11、复合片制成固定直径和厚度的圆盘，还需对烧结成的复合片进行研磨抛光及其他相应的物理、化学解决。.2 PCD刀片的加工：PCD刀片的加工涉及复合片的切割、刀片的焊接、刀片刃磨等环节9。4.2 CD刀片片的加工421CD复合片的切割工艺由于PC复合片具有很高的硬度及耐磨性，因此必须采用特殊的加工工艺。目前,加工P复合片重要采用电火花线切割、激光加工、超声波加工、高压水射流等几种工艺措施,其工艺特点的比较如下。PCD复合片切割工艺的比较：工艺措施工艺特点电火花加工-高度集中的脉冲放电能量、强大的放电爆炸力使PC材料中的金属融化,部分金刚石石墨化和氧化,部分金刚石脱落,工艺性好、效率高超声波加工加工效率

12、低,金刚石微粉消耗大，粉尘污染大激光加工非接触加工，效率高、加工变形小、工艺性差在上述加工措施中，电火花加工效果较佳。PCD中结合桥的存在使电火花加工复合片成为也许。在有工作液的条件下,运用脉冲电压使接近电极金属处的工作液形成放电通道，并在局部产生放电火花,瞬间高温可使聚晶金刚石熔化、脱落,从而形成所规定的三角形、长方形或正方形的刀头毛坯。电火花加工CD复合片的效率及表面质量受到切削速度、PC粒度、层厚和电极质量等因素的影响，其中切削速度的合理选择十分核心,实验表白,增大切削速度会减少加工表面质量,而切削速度过低则会产生“拱丝”现象,并减少切割效率。增长金刚石刀具（PCD)刀片厚度也会减少切割

13、速度-8。4.2 D刀片的焊接工艺 CD复合片与刀体的结合方式除采用机械夹固和粘接措施外,大多是通过钎焊方式将PCD复合片压制在硬质合金基体上。焊接措施重要有激光焊接、真空扩散焊接、真空钎焊、高频感应钎焊等。目前，投资少、成本低的高频感应加热钎焊在PCD刀片焊接中得到广泛应用。在刀片焊接过程中，焊接温度、焊剂和焊接合金的选择将直接影响焊后刀具的性能。在焊接过程中，焊接温度的控制十分重要，如焊接温度过低,则焊接强度不够;如焊接温度过高，PD容易石墨化，并也许导致“过烧”,影响PCD复合片与硬质合金基体的结合。在实际加工过程中,可根据保温时间和PD变红的深浅限度来控制焊接温度（一般应低于700)。

14、国外的高频焊接多采用自动焊接工艺，焊接效率高、质量好，可实现持续生产；国内则多采用手工焊接,生产效率较低,质量也不够抱负10。4.3 PCD刀片的刃磨工艺PCD的高硬度使其材料清除率极低(甚至只有硬质合金清除率的万分之一)。目前，聚晶金刚石刀具(CD)刃磨工艺重要采用树脂结合剂金刚石砂轮进行磨削。由于砂轮磨料与PC之间的磨削是两种硬度相近的材料间的互相作用,因此其磨削规律比较复杂。由于电火花磨削(DG）技术几乎不受被磨削工件硬度的影响,因此采用EG技术磨削PD具有较大优势。某些复杂形状聚晶金刚石刀具(PCD）(如木工刀具)的磨削也对这种灵活的磨削工艺具有巨大需求。随着电火花磨削技术的不断发展,

15、EDG技术将成为PC磨削的一种重要发展方向。5 PD刀具的应用 聚晶金刚石(PC)刀具加工铝制工件具有刀具寿命长、金属切除率高等长处，其缺陷是刀具价格昂贵，加工成本高。这一点在机械制造业已形成共识。但近年来PC刀具的发展与应用状况已发生了许多变化。如今的铝材料在性能上已今非昔比,在加工多种新开发的铝合金材料(特别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PC刀具的牌号及几何参数，以适应不同的加工规定。PC刀具的另一种变化是加工成本不断减少，在市场竞争压力和刀具制造工艺改善的共同作用下，PD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

16、日益增多，而刀具的合用性则受到不同被加工材料的制约11。过去,价格昂贵始终是影响顾客广泛接受PC刀具的一种重要障碍，但目前状况发生了很大变化。业界估计，在过去的两三年中,C刀具的价格已下降了40%0%。浮现PC刀具价格“跳水”的因素之一是市场供不小于求。在0世纪9年代初,CD刀具的发展势头开始超过老式的硬质合金刀具,在随后的十年中,对PCD刀具的市场需求不断增长。但是,随着PC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CD刀具市场也有一定影响。此外，新进入C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种因素是刀具制导致本不断减少,刀具制造工艺

17、(如用于金刚石毛坯粗加工的EM工艺、切削刃精密加工工艺等)不断改善。此外,与十年前相比,加工CD刀具用的金刚石砂轮质量明显提高，成本则大大下降12。近来,采用PCD刀尖的多功能旋转刀具的开发与应用日渐增多。这种刀具可在一次走刀中完毕钻孔、扩孔、倒角、精修等多道孔加工工序,用于汽车制造业可有效减少加工成本,如一把多功能PCD刀具在需要重磨前可加工多达几千件汽车传动箱零件。随着PCD刀具切削性能的不断提高和PCD刀具价格的不断下降，PCD刀具对于广大顾客具有了前所未有的吸引力，这将有力推动PCD刀具的普及应用以及PCD刀具技术更快地向前发展。 道谢 在此,特别感谢我的导师王永国教师在这学期为我们授

18、课,带我们进入刀具这个行业,让我对刀具有了一种更加系统的结识。同步感谢在一起度过一种学期的同窗们,同窗们精心准备的PPT和王教师的解说点评，使我对制造工艺与刀具有了一种更加进一步的理解。最后，感谢教师在百忙之中评阅论文。参照文献：金属加工刀具及其应用/王永国编著.北京:机械工业出版社,.92 韩荣第,于启勋.难加工材料切削加工北京:机械工业出版社19963 王运炎金属材料与热解决.北京:机械工业出版社.4 司马琼金属切削原理及实用湖南：湖南科学技术出版社.19985 肖诗纲.刀具材料及其合理选择M.第2版.北京:机械工业出版社,1990:13-.6V.J.Tenry, C.S Yst,GW.

19、Cla Srctue-property corretnsfr i2-based crmicdensifiedusing ctive liqui metal . In Sciecf Hard Matials.New York; Plnu, 9； 891-90.7 刘战强，艾兴.高速切削刀具的发呈现状J.工具技术.,35 (3)： 3-.8 于启勋,张京英.项代新型刀具材料新发展J.磨料磨具通讯,10(6):1-89. Karch, R. Birngr， .Gleite.Ceaics dctle low temperatue J. Nature.987,330(14): 55-558.1 肖诗纲.刀具材料及其合理选择M.第版.北京：机械工业出版社,1990:13-14.11PC刀具在非金属切削加工中的应用.成都刀具研究所2机械工程材料/王章忠主编北京:机械工业出版社,.1