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    PCD聚晶金剛石刀具

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         金剛石作為一種超硬刀具材料應用于切削加工已有數百年歷史。在刀具發展歷程中,從十九世紀末到二十世紀中期,刀具材料以高速鋼為主要代表;1927年德國首先研制出硬質合金刀具材料并獲得廣泛應用;二十世紀五十年代,瑞典和美國分別合成出人造金剛石,切削刀具從此步入以超硬材料為代表的時期。二十世紀七十年代,人們利用高壓合成技術合成了聚晶金剛石(PCD),解決了天然金剛石數量稀少、價格昂貴的問題,使金剛石刀具的應用范圍擴展到航空、航天、汽車、電子、石材等多個領域。

    中文名稱:聚晶金剛石刀具     

    外文名稱:Polycrystalline diamond

    應用:切削加工


    ·性能特點

    金剛石刀具具有硬度高、抗壓強度高、導熱性及耐磨性好等特性,可在高速切削中獲得很高的加工精度和加工效率。金剛石刀具的上述特性是由金剛石晶體狀態決定的。在金剛石晶體中,碳原子的四個價電子按四面體結構成鍵,每個碳原子與四個相鄰原子形成共價鍵,進而組成金剛石結構,該結構的結合力和方向性很強,從而使金剛石具有極高硬度。由于聚晶金剛石(PCD)的結構是取向不一的細晶粒金剛石燒結體,雖然加入了結合劑,其硬度及耐磨性仍低于單晶金剛石。但由于PCD燒結體表現為各向同性,因此不易沿單一解理面裂開。

    ·主要指標

    PCD的硬度可達8000HV,為硬質合金的8~12;

    PCD的導熱系數為700W/mK,為硬質合金的1.5~9倍,甚至高于PCBN和銅,因此PCD刀具熱量傳遞迅速;

    PCD的摩擦系數一般僅為0.1~0.3(硬質合金的摩擦系數為0.4~1),因此PCD刀具可顯著減小切削力;

    PCD的熱膨脹系數僅為0.9×10^-6~1.18×10^-6,僅相當于硬質合金的1/5,因此PCD刀具熱變形小,加工精度高;

    PCD刀具與有色金屬和非金屬材料間的親和力很小,在加工過程中切屑不易粘結在刀尖上形成積屑瘤。


    ·應用

       工業發達國家對PCD刀具的研究開展較早,其應用已比較成熟。自1953年在瑞典首次合成人造金剛石以來,對PCD刀具切削性能的研究獲得了大量成果,PCD刀具的應用范圍及使用量迅速擴大。PCD刀具的應用也進一步推動了對其設計與制造技術的研究。目前國內PCD刀具市場隨著刀具技術水平的發展也不斷擴大。國內的清華大學、大連理工大學、華中科技大學、吉林工業大學、哈爾濱工業大學等均在積極開展這方面的研究。

    PCD刀具主要應用于以下兩方面: 難加工有色金屬材料的加工:用普通刀具加工難加工有色金屬材料時,往往產生刀具易磨損、加工效率低等缺陷,而PCD刀具則可表現出良好的加工性能。難加工非金屬材料的加工:PCD刀具非常適合對石材、硬質碳、碳纖維增強塑料(CFRP)、人造板材等難加工非金屬材料的加工。

    ·制造過程

         PCD刀具的制造過程主要包括兩個階段:PCD復合片的制造:PCD復合片是由天然或人工合成的金剛石粉末與結合劑(其中含鈷、鎳等金屬)按一定比例在高溫(1000~2000)、高壓(5~10萬個大氣壓)下燒結而成。在燒結過程中,由于結合劑的加入,使金剛石晶體間形成以TiC、SiC、Fe、Co、Ni等為主要成分的結合橋,金剛石晶體以共價鍵形式鑲嵌于結合橋的骨架中。通常將復合片制成固定直徑和厚度的圓盤,還需對燒結成的復合片進行研磨拋光及其它相應的物理、化學處理。PCD刀片的加工:PCD刀片的加工主要包括復合片的切割、刀片的焊接、刀片刃磨等步驟。

    ·結構設計

    PCD刀具的幾何參數取決于工件狀況、刀具材料與結構等具體加工條件。由于PCD刀具常用于工件的精加工,切削厚度較小(有時甚至等于刀具的刃口半徑),屬于微量切削,因此其后角及后刀面對加工質量有明顯影響,較小的后角、較高的后刀面質量對于提高PCD刀具的加工質量可起到重要作用。

    PCD復合片與刀桿的連接方式包括機械夾固、焊接、可轉位等多種方式。

     PCD復合片與刀桿連接方式的特點與應用                                                                                             

    連接方式-特點-應用范圍

    機械夾固-------由標準刀體及可做成各種集合角度的可換刀片組成,具有快換和便于重磨的優點------中小型機床      

    整體焊接-------結構緊湊、制作方便,可制成小尺寸刀具-專用刀具或難于機夾的刀具-------小型機床          

     機夾焊接--------刀片焊接于刀頭上,可使用標準刀桿,便于刃磨及調整刀頭位置---------自動機床、數控機床         

      可轉位--------結構緊湊,夾緊可靠,不需重磨和焊接,可節省輔助時間,提高刀具壽命-------普通通用機床

    本文共分 1
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