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【技術】金剛石刀具的應用範圍及製造方法

時間:2018-09-06 分享到:

隨著汽車、航空和航天技術的飛速發展,對材料性能及加工技術的要求日益提高。新型材料如碳纖維增強塑料、顆粒增強金屬基複合材料(PRMMC)及陶瓷材料得到廣泛應用。這些材料具有強度高、耐磨性好、熱膨脹係數小等特性,這決定了對它們進行機加工時刀具的壽命非常短。開發新型耐磨且穩定的超硬切削刀具是許多高校、科研院所和企業研究的課題。

  金剛石集力學、光學、熱學、聲學、光學等眾多優異性能於一身,具有極高的硬度,摩擦係數小,導熱性高,熱膨脹係數和化學惰性低,是製造刀具的理想材料。本文對近年來金剛石刀具製造方法的發展作一概述。

  1、金剛石刀具的應用範圍

  (1)難加工有色金屬材料的加工

  加工銅、鋅、鋁等有色金屬及其合金時,材料易粘附刀具,加工困難。利用金剛石摩擦係數低、與有色金屬親和力小的特點,金剛石刀具可有效防止金屬與刀具發生粘結。此外,由於金剛石彈性模量大,切削時刃部變形小,對所切削的有色金屬擠壓變形小,可使切削過程在小變形下完成,從而可以提高加工表麵質量。

  (2)難加工非金屬材料的加工

  加工含有大量高硬度質點的難加工非金屬材料,如玻璃纖維增強塑料、填矽材料、硬質碳纖維/環氧樹脂複合材料時,材料的硬質點使刀具磨損嚴重,用硬質合金刀具難以加工,而金剛石刀具硬度高、耐磨性好,因此加工效率高。

  (3)超精密加工

  隨著現代集成技術的問世,機加工向高精度方向發展,對刀具性能提出了相當高的要求。由於金剛石摩擦係數小、熱膨脹係數低、導熱率高,能切下極薄的切屑,切屑容易流出,與其它物質的親和力小,不易產生積屑瘤,發熱量小,導熱率高,可以避免熱量對刀刃和工件的影響,因此刀刃不易鈍化,切削變形小,可以獲得較高質量的表麵。

  2、金剛石刀具的製造方法

  目前金剛石的主要加工方法有以下四種:薄膜塗層刀具、厚膜金剛石焊接刀具、金剛石燒結體刀具和單晶金剛石刀具。

  2.1薄膜塗層刀具

  薄膜塗層刀具是在剛性及高溫特性好的集體材料上通過化學氣相沉積法(CVD)沉積金剛石薄膜製成的刀具。

  由於Si3N4係陶瓷、WC-Co係硬質合金以及金屬W的熱膨脹係與金剛石接近,製膜時產生的熱應力小,因此可作為刀體的基體材料。WC-Co係硬質合金中,粘結相Co的存在易使金剛石薄膜與基體之間形成石墨而降低附著強度,在沉積前需進行預處理以消除Co的影響(一般通過酸腐蝕去Co)。

  化學氣相沉積法是采用一定的方法把含有C源的氣體激活,在極低的氣體壓強下,使碳原子在一定區域沉積下來,碳原子在凝聚、沉積過程中形成金剛石相。目前用於沉積金剛石的CVD法主要包括:微波、熱燈絲、直流電弧噴射法等。

  金剛石薄膜的優點是可應用於各種幾何形狀複雜的刀具,如帶有切屑的刀片、端銑刀、鉸刀及鑽頭;可以用來切削許多非金屬材料,切削時切削力小、變形小、工作平穩、磨損慢、工件不易變形,適用於工件材質好、公差小的精加工。主要缺點是金剛石薄膜與基體的粘接力較差,金剛石薄膜刀具不具有重磨性。

  2.2金剛石厚膜焊接刀具

  金剛石厚膜焊接刀具的製作過程一般包括:大麵積的金剛石膜的製備;將金剛石膜切成刀具需要的形狀尺寸;金剛石厚膜與刀具基體材料的焊接;金剛石厚膜刀具切削刃的研磨與拋光。(1)金剛石厚膜的製備與切割

  常用的製備金剛石厚膜的工藝方法是直流等離子體射流CVD法。將金剛石沉積到WC-Co合金(表麵進行鏡麵加工)上,在基體的冷卻過程中,金剛石膜自動脫落。此方法沉積速度快(最高可達930μm/h),晶格之間結合比較緊密,但是生長表麵比較粗糙。金剛石膜硬度高、耐磨、不導電決定了它的切割方法是激光切割(切割可在空氣、氧氣和氬氣的環境中進行)。采用激光切割不僅能將金剛石厚膜切割成所需要的形狀和尺寸,還可以切出刀具的後角,具有切縫窄、高效等優點。


本文轉自金工網。


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