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制備PCD刀具的工序

聚晶金剛石(PCD)刀具是將PCD復合片焊接到硬質合金或鋼質刀體上制成的。PCD復合片將單晶金剛石的高硬度、高強度、高耐磨性和低摩擦系數與碳化鎢硬質合金基體的高抗彎強度結合到一起,碳化鎢硬質合金層可為金剛石層提供機械支持,增大其抗彎強度,同時,硬質合金層易于焊接,使PCD刀具的制備變得較為容易。

 近年來,隨著汽車零部件大量采用輕型材料( 鋁合金等)制造,適合加工這些材料的PCD刀具的 應用也大量增加。如在變速箱殼體的加工中,某些 工序將原來使用的硬質合金鏜刀改為金剛石刀具, 使刀具壽命提高到數萬件,獲得了顯著的經濟效 益。用PCD刀具加工鋁合金工件時,由于金剛石 硬度高,與金屬材料親和力小,且刀具前刀面大都拋 光成鏡面,因此不易產生積屑瘤,可獲得良好的加工 尺寸穩定性和表面質量,尺寸精度可達到57級, 表面粗糙度可達到Ra0.020.32um。PCD鉸刀

采用PCD 刀具加工各種尺寸規格的鋁合金零件時,表面粗糙 度可達Ra≤0 .1un,刀具壽命可達幾千到幾萬件,尤 其適合汽車零件的大規模生產。在中國汽車制造 業,PCD刀具主要用于切削加工鋁合金材料的發動 機缸體、缸蓋,變速器的殼體、閥體、槽體、側蓋等零 部件。

隨著PCD刀具的應用范圍越來越廣泛,對PCD 刀具制備工藝的研究也日益重要。本文主要對制備 PCD刀具的一些關鍵工序(如焊接、線切割、刃磨等) 作一簡要介紹。

PCD刀具的分類

從刀具結構上,PCD刀具主要可分為焊接整體式PCD刀具和焊接PCD刀片兩大類。近年來,焊接式帶柄PCD刀具在汽車及零部件制造行業發展迅速,主要包括PCD銑刀、PCD膛刀、PCD鉸刀,以及由兩種乃至三種刀具組合而成的PCD復合刀具。

刀柄形式主要有圓柱柄、BT(BT40,BT50),SK(SK40,SK50),HSK(HSK 63 , HSK 100)等。HSK柄焊接式PCD刀具已在我國汽車發動機 和變速箱制造企業(如上海大眾動力總成有限公司、大眾變速器(上海)有限公司、奇瑞汽車公司、江淮發 動機公司、大眾一汽發動機(大連)有限公司等)廣泛 使用。此類刀具(尤其是多齒刀具)的特點是切削刃 相對于刀柄的跳動小(如刃長為30mmHSK PCD銑刀的切削刃跳動僅為0.002mm),尤其適合對 各種有色金屬零件的成型面、孔、階梯孔等進行大批 量高速加工。例如,采用鋁基體刀盤的PCD高速銑刀(六刃,直徑Φ100mm ),最高轉速可達20000r/min 以上,切削速度可達7000m/min,適合汽車零部件的成型面加工。PCD鉸刀

制備PCD刀具的關鍵工序

對于PCD刀具的制備,特別是各種高精度(尺寸公差可達2um)、非標準復合PCD刀具的制備,最關鍵的工序包括PCD刀具的焊接、切割和刃磨。焊接工序不僅決定了PCD刀片的焊接強度,而且還會影響PCD切削刃的切削性能。對于切削刃形狀復 雜而無法刃磨的PCD刀具,可在五軸五聯動數控慢走絲加工機床上經過粗切和精切獲得所要求的切削刃。對于需要精研加工的切削刃,可在高精度切割時留下微小的余量,再通過一次精研達到尺寸要求。

(1)PCD刀具的焊接

對于PCD刀具的制備來說,PCD復合片與硬質合金或鋼質基體的焊接非常重要。PCD的焊接方法主要有激光焊接、真空擴散焊接、真空釬焊、高頻感應釬焊等。PCD復合片的釬焊工藝是制約PCD刀具推廣應用的關鍵技術之一。眾所周知,硬質合 金的釬焊大多采用高溫釬焊工藝(釬焊溫度約1000°C ),而PCD復合片則必須采用低溫釬焊工藝,否則會對PCD復合片造成熱損傷,影響其切削性能。但是,低溫釬焊的接頭強度往往比較低,在刀具加工過程中容易脫焊。

目前,國內外生產PCD刀具的制造商大多選用高頻焊接工藝。該工藝最重要的技術參數包括焊接溫度、焊接時間、保溫環境和保溫時間。焊接溫度會對PCD切削刃的內部組織結構產生直接影響,如果焊接溫度過高,會導致PCD切削刃碳化,影響其切削性能;如果焊接溫度過低,則會造成焊接不牢,影響接頭強度。PCD鉸刀

焊接時間是指保持焊接溫度的時間,如果保溫時間不夠,則焊劑難以充分而均勻地熔化,也會造成焊接不牢的現象。如果保溫時間過長,PCD切削刃則會因長時間處于高溫下而影響其切削性能。如果將焊接后的PCD刀具放在空氣中冷卻,則會因PCD與刀體之間熱應力過大而造成焊接不牢,嚴重時PCD刀具上甚至會出現裂紋。因此,最好是將焊接后的刀具迅速放人溫度一定的真空或惰性氣體介質中保溫一定時間,使其緩慢冷卻。

(2)PCD刀具的切割

PCD刀具(尤其是各種高精度、非標準的復合PCD刀具)需要在數控五軸聯動慢走絲線切割機床上進行切割加工。可對各種曲線切削刃PCD刀具進行線切割加工。

電蝕刃磨法的原理是將PCD刀具與電鋁絲形成正負電極,通過正負電極間的放電,達到蝕除PCD的效果。

(3)PCD刀具的刃磨

PCD刀具的刃磨分為外圓磨削和倒角磨削,所用的機床分別為外圓磨床和多軸手動工具磨床。刃磨PCD刀具時,與樹脂結合劑或金屬結合劑金剛石砂輪相比,采用陶瓷結合劑金剛石砂輪具有磨削效率高、耐用度高、加工成本低等優點。金剛石砂輪的粒度、濃度、結合劑等對PCD刀具的刃磨質量及效率影響很大,如使用粒度小的砂輪能獲得較低的磨削表面粗糙度。

砂輪轉速對表面粗糙度的影響規律為:在轉速較高和較低時,表面粗糙度值都較大,而轉速處于中間水平的某一最佳值時,表面質量較好。磨削壓力對表面粗糙度的影響規律正好相反:當磨削壓力處于中間水平時,表面粗糙度值最大,而磨削壓力較高(5.5Pa)和較低(2.5Pa)時,對應的表面粗糙度幾乎無差別,這是與傳統磨削規律的不同之處。PCD鉸刀

一般來說,在可以滿足加工質量要求的前提下,應盡量選擇粒度較大的砂輪(粗磨砂輪粒度可選22um,半精磨砂輪粒度可選15um,精磨砂輪粒度可選9um)。目前,加工效果較好的金剛石砂輪為TY-ROUT,因為其金剛石磨粒為有序排列,磨除率(每分鐘磨除的PCD體積)為磨粒無序排列砂輪的20 -30倍,但其刃磨成本也相對較高。PCD刀具的研磨對磨削壓力、冷卻液等也有嚴格要求。PCD刀具刃磨的最佳轉速應為2500r/min砂輪直徑150mm )。冷卻液濃度為4%,磨削壓力為150N,刃磨出的PCD刀具表面粗糙度可達到Ra0.012um

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