混合粒度的多峰PCD刀具新牌号
发布日期：2019-03-28
想象一下：在一只大桶里装满保龄球，然后将许多高尔夫球混入其中，使其填满体积较大的保龄球之间的空隙。一些PCD(聚晶金刚石)制造商在生产新的刀具牌号时也在做着与此类似的事情——当然其尺度规模要远远小得多。 双峰PCD牌号中包含了两种粒度的金刚石颗粒，一种是粗颗粒，粒径约为25～30µm；另一种是细颗粒，粒径约为2～4µm。 多峰PCD牌号中则可能包含有3种(三峰)或4种(四峰)粒度的金刚石颗粒，其中每一种粒度的分布都符合高斯曲线，即为正态分布。例如，假设一块四峰PCD中共包含了100粒金刚石颗粒，那么其中15粒的粒径为2µm，15粒的粒径为15µm，15粒的粒径为20µm，15粒的粒径为30µm，其余40粒的粒径则平均分布于上述尺寸周围。 采用两种以上的粒度成分可以增大PCD的密度，从而使PCD刀具获得连续切削刃，能够应用于高磨蚀性加工和断续切削。 既然目标是获得高密度的PCD，那么就出现了一个显而易见的问题：为什么不可以像烧结亚微牌号硬质合金那样，用数量更多、粒度更小的金刚石颗粒来制备高密度PCD呢？对此，Diamond Abrasives Corp.(DAC)公司的技术服务经理Gabriel Dontu博士解释说：“PCD不是一种烧结材料，而是一种金刚石颗粒的紧密压实体。这意味着金刚石粒子相互之间形成了原子连接桥。”这种称为“共生(intergrowth)”的物理生长过程是在金刚石颗粒受到高压、高温时发生的。金刚石的原子结构在高压高温下重新组合，使相互挤压在一起的粒子表面之间形成了原子连接桥。因此，PCD金刚石本身是连续的，金刚石颗粒不再处于分离状态。 Dontu博士指出，虽然制备PCD时在金刚石粉中添加了钴和其它元素，但它们的作用并不是充当将分散的金刚石颗粒聚合在一起的粘结剂，而是作为粒子之间产生原子连接反应的催化剂。 与细颗粒PCD牌号相比，具有粗颗粒组织(晶粒尺寸)的PCD牌号的耐磨性更好。但是，对这种PCD牌号进行刃磨加工以获得有效切削刃是一件非常不容易的事情。Diamond Innovations Inc.公司(前身为GE Superabrasives公司)的产品生产经理Jim Graham说，“如果你需要刀具有很好的耐磨性，或者对工件表面光洁度要求很高，就必须刃磨出符合要求的切削刃。而对于粗颗粒PCD刀具，要刃磨出锋利的切削刃相当困难。但是，如果采用双峰PCD牌号，则有助于获得十分光滑锋利的切削刃。” Dontu博士补充说，如果采用多峰PCD牌号，甚至可以刃磨出质量更佳的切削刃(目前DAC公司已不再生产用于金属切削刀具的双峰PCD牌号)。 生产超硬刀具的E. C. Kitzel and Sons Inc.公司总经理Tom Schumann对此表示赞同，“采用多峰PCD牌号既可以获得更光滑的切削刃，同时又不会降低耐磨性。事实上，由于这种PCD牌号密度更高，因此其耐磨性反而有所提高。” 对于大多数加工，PCD刀具推荐采用零前角或5°～8°的小正前角以及10°～13°的后角；硬质合金刀具则推荐采用15°～20°的大前角和20°～25°的后角。用PCD刀具进行粗加工和断续切削时，采用较大前后角容易引起切削刃崩刃。只要可能，对于大多数加工应采用具有锋利切削刃的PCD刀具；对于粗加工和重载断续切削，则应采用0.025mm钝化切削刃。 作为一种具有高硬度和高脆性的物质，金刚石被认为不适合作为粗加工刀具材料，因为与其它刀具材料相比，金刚石的断裂韧性严重不足。但是，双峰PCD牌号确实能够有效提高刀具切削刃的韧性，它适应重载切削加工的能力使PCD刀具的使用范围不断扩展。 Dontu博士指出，高密度PCD牌号正在提高PCD刀具的应用基础。双峰PCD的发明迄今已有8年历史，而多峰PCD的概念大约在2年前被引入切削刀具市场。当时DAC公司的目标是研究开发5个以上针对特定加工用途(如粗加工和精加工)的PCD牌号。公司现在的目标是开发1～2个可以覆盖多种加工用途的PCD牌号。 Dontu博士列举DAC公司开发的多峰PCD牌号——CTM 302为例，该牌号的问世使公司正在逐步实现其目标。“我们在实验室的测试结果表明，CTM 302是迄今为止耐磨性最佳的PCD牌号。同时，该牌号还可以获得与粒径约10µm的中等粒度PCD牌号相当的切削刃制备质量。”这就意味着CTM 302至少能够替代3～4种PCD牌号。 American Superabrasives Corp.公司总裁Tom Corcoran说，人们选用某些PCD牌号是为了加工出光洁度好的精密表面；选用另一些PCD牌号则是为了获得较长的刀具寿命。与单峰PCD牌号相比，双峰或多峰PCD牌号更不容易崩刃，只需使用一把刀具就能同时获得较长刀具寿命和较高表面光洁度的双重效应。Corcoran指出，“现在‘一次过(one-pass)’加工越来越多，而且在加工过程中无需更换刀尖。” “一次过”加工和不必更换刀尖的明显好处是可以缩短加工循环时间。DAC公司的Dontu博士说，由于多峰PCD新牌号的切削刃韧性较好，使刀具能以更高切削速度进行加工，因此它的另一个优势是可以提高生产率。“通过分析我所研究过的加工案例，在99%的加工中，四峰PCD牌号的刀具切削性能得到改善，超过了中等颗粒和粗颗粒PCD牌号。”多峰PCD较高的密度和较好的韧性使刀具在加工软材料时可以采用更大的正切削角和更小的刀尖角；此外，较高的切削刃强度允许刀具采用较大的进给率，尤其当刀具上有用于精加工的刮削刃时。 Dontu博士指出，与其它类型的刀具一样，PCD刀具切削时的温度控制也十分重要。一般来说，PCD刀具切削时不需要使用冷却液，除非有必要从切削区辅助排屑。因此，要求刀具材料有助于将切削热从切削区迅速带走。由于金刚石具有最好的热传导性，因此刀具中所含的金刚石越多，它从工件上带走的热量也越多。“多峰PCD比单峰PCD含有更多的金刚石，它的组织更紧密，可吸走更多的热量，因此可使刀具以更高的切削速度和进给率进行加工。” 随着越来越多的工件采用合金材料以提高其强度/重量比，双峰和多峰PCD刀具的使用也将日益增多。Corcoran指出，“铣削加工是多峰PCD刀具的应用重点，尤其是活塞的加工。”但是，双峰和多峰PCD刀具的使用并不会减少单峰PCD刀具的品种。“对于某些加工而言，常规的粗颗粒PCD牌号加工效果更好。” Dontu博士表示，目前已有的新型多峰PCD牌号并不代表此类产品的终结，开发更新、更优PCD牌号的工作仍在继续，不久以后将会有更多新牌号问世。
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