PCD刀具加工鋁制工件的應用與發展?

　　聚晶金剛石(PCD)刀具加工鋁制工件具有刀具壽命長、金屬切除率高等優點，其缺點是刀具價格昂貴，加工成本高。這一點在機械制造業已形成共識。但近年來PCD刀具的發展與應用情況已發生了許多變化。如今的鋁材料在性能上已今非昔比，在加工各種新開發的鋁合金材料(尤其是高硅含量復合材料)時，為了實現生產率及加工質量的最優化，必須認真選擇PCD刀具的牌號及幾何參數，以適應不同的加工要求。PCD刀具的另一個變化是加工成本不斷降低，在市場競爭壓力和刀具制造工藝改進的共同作用下，PCD刀具的價格已大幅下降50%以上。上述變化趨勢導致PCD刀具在鋁材料加工中的應用日益增多，而刀具的適用性則受到不同被加工材料的制約。
　　
　　PCD刀具的基本特點
　　具有極高硬度和獨特機械性能的PCD復合片是由金剛石顆粒和催化劑的混合物在高溫高壓下燒結而成，在合成過程中產生了金剛石顆粒共生物，并在金剛石顆粒之間建立起連接“橋”，從而獲得具有催化劑島狀結構、類似于整體金剛石的PCD材料。PCD材料的結構與PCBN(聚晶立方氮化硼)材料不同。在PCBN材料中，CBN粒子之間并無實際粘結物；而PCD材料中則存在共生物，金剛石顆粒之間通過晶格“橋”相互連接。
　　PCD刀具牌號是以金剛石顆粒的粒度進行分類。根據制造商的標準，細顆粒、中等顆粒和粗顆粒PCD牌號所對應的金剛石粒度大致分別為2μm、10μm和25μm。粗顆粒PCD牌號比細顆粒PCD牌號強度更高，耐磨性更好，在粗加工中具有更長的工作壽命，但粗顆粒PCD刀具的切削刃難以達到細顆粒PCD刀具表面的光滑程度。因此，細顆粒PCD刀具可獲得更好的加工表面光潔度，但磨損速度較快。

　　PCD刀具的價格變化
　　過去，價格昂貴一直是影響用戶廣泛接受PCD刀具的一個主要障礙，但現在情況發生了很大變化。業界估計，在過去的兩三年中，PCD刀具的價格已下降了40%～60%。出現PCD刀具價格“跳水”的原因之一是市場供大于求。在20世紀90年代初，PCD刀具的發展勢頭開始超過傳統的硬質合金刀具，在隨后的十年中，對PCD刀具的市場需求不斷增加。但是，隨著PCD刀具制造技術的成熟，其銷售增長勢頭開始減緩，目前整個制造業的不景氣對PCD刀具市場也有一定影響。此外，新進入PCD刀具制造業的競爭者也動搖了原有的市場價格體系。PCD刀具價格下降的另一個原因是刀具制造成本不斷降低，刀具制造工藝(如用于金剛石毛坯粗加工的EDM工藝、切削刃精密加工工藝等)不斷改進。此外，與十年前相比，加工PCD刀具用的金剛石砂輪質量顯著提高，成本則大大下降。
　　
　　汽車制造業推動了PCD刀具發展
　　美國汽車制造商為了迎合美國消費者偏愛寬大轎車的習慣，同時又要考慮經濟不景氣的影響以及適應CAFE節能標準的要求，因此一直在致力于提高汽車燃料的利用效率。美國航空業制造商也面臨類似的壓力。這就導致輕型材料(如塑料、復合材料、鋁合金材料等)在汽車、飛機制造上的應用大量增加。為了在減輕材料重量的同時增加其強度，人們在新型鋁合金材料中加入了硅元素。硅鋁合金的重量與鋁合金相同(或更輕)，但其硬度、強度和耐磨性顯著提高，同時還具有更好的熱膨脹性能。在合金中添加硅元素的百分比含量取決于材料的使用性能與加工性能。鋁合金中的硅元素濃度達到完全飽和點時稱為共晶態；當鋁合金處于過共晶態(硅元素含量超過12.6%)時，硅元素將以固體粒子的形式從鋁基體中析出；當鋁合金中的硅元素含量低于約12%時稱為亞共晶態，此時硅元素與鋁元素處于混合狀態而沒有析出物。過共晶態鋁合金具有最好的耐磨性、剛性和抗疲勞強度，但其機械性能的改善意味著其切削加工性能的惡化。過共晶態鋁合金，尤其是T-6合金、經過熱處理的390合金(用于制造發動機活塞)等，難于切削加工的主要原因在于這種合金中所含的硬質硅顆粒(俗稱“石頭”)，只有采用具有鋒利切削刃的金剛石刀具才能進行有效加工并獲得良好的加工表面質量。如果PCD刀具的切削刃鈍化，切削時會將硅顆粒從基體中撕離，從而破壞加工表面光潔度。硬度較軟的低硅鋁合金也并不一定易于切削加工(尤其當工件表面質量要求較高時)，加工此類合金時遇到的主要問題是卷屑不良和容易產生積屑瘤，影響加工表面光潔度，特別是硅含量低于9%的粘性鋁合金，加工難度相當大。
　　鋁金屬基復合材料是通過在鋁合金基體中添加陶瓷纖維(或微粉)制成，它可看作是過共晶態鋁合金材料的進一步發展。通過添加增強纖維，可在保持鋁合金原有良好性能的同時顯著改善復合材料的機械物理性能。鋁金屬基復合材料具有強度高、重量輕、熱穩定性和熱傳導性好的優點，但反過來看，材料獲得的優良耐磨性是以其可加工性惡化為代價的。

　　PCD刀具的正確使用
　　切削加工鋁合金材料時，硬質合金刀具的磨損壽命僅為PCD刀具的5%左右，且硬質合金刀具的粗加工切削速度約為120m/min，而PCD刀具即使在粗加工高硅鋁合金時其切削速度也可達到約360m/min。刀具制造商推薦采用細顆粒(或中等顆粒)PCD牌號加工無硅和低硅鋁合金材料，采用粗顆粒PCD牌號加工高硅鋁合金材料。如銑削加工的工件表面光潔度達不到要求，可采用晶粒尺寸較小的修光刀片對工件表面進行修光加工，以獲得滿意的表面光潔度。
　　PCD刀具的正確應用是獲得滿意加工效果的前提。雖然刀具失效的具體原因各不相同，但通常是由于使用對象或使用方法不正確所致。用戶在訂購PCD刀具時，應正確把握刀具的適用范圍。例如，用PCD刀具加工黑色金屬工件(如不銹鋼)時，由于金剛石極易與鋼中的碳元素發生化學反應，將導致PCD刀具迅速磨損，因此加工淬硬鋼的正確選擇應該是PCBN刀具。
　　但一般來說，為了減小切削力，防止產生積屑瘤，PCD刀具應采用正切削角。在加工高硅鋁合金時(尤其在用PCD刀具替代硬質合金刀具進行加工時)，PCD刀具的后角最好比原硬質合金刀具采用的后角(如25°)略微減小，以改善PCD刀具切削刃對高硅鋁合金的切削性能。PCD刀具的正前角也不宜過大，因為刀具前角越大，其切削刃強度越低，換句話說，PCD刀具的后角越小，切削刃的強度越高。為了在保證刀具為正切削角的前提下盡可能提高切削刃強度，美國MastertechDiamondProducts公司將具有負前角的CNMX刀片焊接在PCD刀具刀尖部位并形成正切削角，這樣，刀片的負前角既提供了較高的切削刃強度，又不會影響刀具的正常切削。制備PCD刀具切削刃時，不需對金剛石刀尖作過多工藝處理，對于PCD銑刀，可對切削刃進行輕微刃磨，此外，使切削刃產生一定的軸向傾角也有助于提高PCD刀具的切削性能。
　　PCD刀片的成功應用不僅僅取決于合理選用刀具幾何參數和切削參數(如PCD車刀常用的進給率范圍為0.13mm/r(精車)～0.38mm/r(粗車))，有時還需要刀具供應商對刀具使用中遇到的問題提供解決方案。例如，某大型汽車零件加工車間采用J&M金剛石工具公司提供的PCD刀片進行銑槽加工，原來每片PCD金剛石刀片可加工1500個零件，但加工產生的切屑會損傷零件表面，為此，J&M公司提出用EDM(放電加工)工藝在金剛石刀片頂部加工一條徑向斷屑槽的解決方案，并專門定制了50片刀片，從而有效解決了這一問題。現在每片PCD刀片加工的零件數已由1500件提高到4300件。
　　
　　機床剛性與切削速度
　　雖然金剛石具有極高的硬度，但其韌性不如硬質合金，更大大低于高速鋼，因此PCD刀具的主要失效形式為崩刃。崩刃通常由加工中的振動引起，減小刀具懸伸量或主軸長度、提高機床本身的剛性均有助于減小振動。高剛性的加工機床是使用PCD刀具的必備條件，大多數加工車間都是在先進的CNC數控機床上切削加工高硅鋁合金和鋁金屬基復合材料。
　　較高的切削速度也可起到保護PCD刀具切削刃的目的。用PCD刀具進行車削加工時，采用的切削速度應比用硬質合金刀具加工提高2～3倍，否則難以獲得滿意的加工效果。
　　大多數切削加工所用的PCD刀具都是在硬質合金刀體上焊接一片PCD刀尖制成，因此焊接部位的整體性對于PCD刀具的加工壽命起著至關重要的作用。過高的切削溫度可能引起焊料軟化，造成PCD刀尖脫落；過大的切削深度(超過PCD刀尖長度的60%)也可能對焊接部位造成沖擊和破壞。如果焊接部位的整體性出現問題，可通過降低切削速度和(或)減小切削深度來降低PCD刀尖處的溫度。
　　PCD刀具可分為表面加工刀具和孔加工刀具兩大類。PCD刀具對鋁合金材料進行表面加工時，通常不需要使用冷卻液；而進行鉆孔或鏜孔等半封閉式加工時，則需要確保排屑順暢以及對切削刃的冷卻與潤滑。
　　刀具夾頭的剛性對于PCD刀具的使用也十分重要。如果刀具夾頭剛性不足，使用再好的刀具也難以獲得滿意的加工表面光潔度。刀具制造商推薦PCD刀具用戶使用HSK刀柄(夾頭)，這種刀柄剛性高、夾緊可靠、扭矩傳遞性能好，非常適合PCD刀具的高速切削。
　　為了滿足用戶對PCD刀具切削性能不斷提高的要求，在競爭激烈的PCD刀具市場占有更大份額，刀具制造商正不斷對PCD刀具技術進行改進與提高。
　　美國DiamondAbrasive公司通過優化PCD燒結工藝，促使金剛石顆粒之間生成的共生物增大，從而提高了粗顆粒PCD刀具的耐磨性。該公司開發的CTH025牌號的耐磨性比同類型粗顆粒PCD牌號提高了25%~30%，該牌號被設計用于切削具有高耐磨性的鋁金屬基復合材料(MMC)。
　　DiamondAbrasive公司還推出了一種稱為“multimodal”的新型PCD牌號，這種牌號原來是為對刀具韌性要求極高的采礦業開發的，其特點是每片刀片材料中都分布著各種不同粒度尺寸的金剛石顆粒，例如，multimodal牌號CTM302的材料中包含了粒度尺寸從2μm到30μm的金剛石顆粒。這種由大、小粒度混合構成的刀具切削刃性能相當于金剛石粒度為10μm的刀片性能，而刀具的壽命則超過了僅由單一粗顆粒金剛石制成的PCD刀具。
　　幾年前，美國Sumitomo ElectricCarbide公司曾推出一種稱為DA2200的亞微細粒度(0.5μm)的PCD牌號，該牌號的PCD刀具可加工出極高的工件表面光潔度，且具有幾乎可與硬質合金媲美的高強度。為了應對近來PCD刀具大幅降價的壓力，該公司又開發了價格較低的DA2200牌號刀具以替代價格較貴的原型刀具。由于采用了先進的PCD燒結工藝，從而可制備出PCD金剛石層厚度僅為標準厚度1/3的DA2200復合片，用這種復合片制造的刀具與金剛石層較厚的PCD刀具強度相同，但所消耗的金剛石材料以及刀坯磨削工序中的材料去除量顯著減少，從而降低了刀具的制造成本。
　　近來，采用PCD刀尖的多功能旋轉刀具的開發與應用日漸增多。這種刀具可在一次走刀中完成鉆孔、擴孔、倒角、精修等多道孔加工工序，用于汽車制造業可有效降低加工成本，如一把多功能PCD刀具在需要重磨前可加工多達幾千件汽車傳動箱零件。
　　ClappDiCO公司新開發了一種不需重磨的超速(SuperSpeed)PCD銑刀。該銑刀上裝夾了多個不需重磨的小刀尖PCD刀片，刀片上的斷屑槽可實現對切屑的有效控制；銑刀刀體采用輕型不銹鋼制造，可避免耐磨鋁合金切屑和冷卻/沖洗液對刀體的損害。該銑刀上還集成了一個由凸輪驅動的軸向調節裝置，可對PCD刀片的軸向尺寸進行精確微調，并實現了刀具硬件結構的最小化。
　　隨著PCD刀具切削性能的不斷提高和PCD刀具價格的不斷下降，PCD刀具對于廣大用戶具有了前所未有的吸引力，這將有力推動PCD刀具的普及應用以及PCD刀具技術更快地向前發展。