CVD金刚石厚膜刀具的耐磨性试验
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数控刀具
1 引言
2O3微粉增强树脂材料时的耐磨性进行了对比试验与分析。
2 CVD金刚石的特点
3N4、WC等过渡材料上,然后通过磨削和酸蚀去除过渡材料获得金刚石厚膜,最后将金刚石厚膜焊接在基体材料上,制成车刀、镗刀等简单刀具,其制造工艺与PCD刀具基本相同。
- 纯度高
- PCD材料中所含的Co使其具有较强的抗碎裂和抗断裂性能,但Co的存在降低了PCD的硬度,且在高温条件下将加快金刚石向石墨转化和氧化。CVD金刚石为纯金刚石,不含任何添加复合材料,因此具有比PCD更高的硬度、热导率、致密性、刃口锋利性、耐磨性、耐高温性、化学稳定性、非导电性以及更低的摩擦系数。
- 金刚石颗粒的大小是决定PCD材料性能的重要因素,粗粒PCD刀具耐磨性较好,但切削刃较粗糙;细粒PCD刀具刃口锋利,易加工出良好的零件表面纹理,但耐磨性稍差。CVD金刚石因不含结合相,属连续性材料,其性能几乎不受内部金刚石晶粒大小的影响。
- 各向同性
- CVD金刚石与PCD材料一样为多晶材料,其内部晶粒不具有方向性,因此在制作切削刀具时可任意取向,不受晶体特性影响,这是与天然单晶金刚石的不同之处。
- 可制作较大面积的膜层材料
- CVD金刚石通常沉积在硬质合金或陶瓷基片上,由于采用低压沉积工艺,因而容易生成较大面积(f100mm以上)的金刚石膜,使CVD金刚石在尺寸及形状方面具有更大的应用灵活性。
3 切削试验条件
- 设备
- 试验用机床为J1-MA2AK460×860型车床。采用J19型万能工具显微镜测量刀具后刀面磨损带宽度。
- 试件
- 据国外资料介绍,目前50%以上的PCD刀具用于切削硅铝合金。硅铝合金(特别是Si含量>12%的高硅铝合金)组织中含有大量颗粒粗大、硬度高的初晶Si,切削加工时,它们像砂轮磨粒一样高速作用于刀具上,可使刀具迅速磨损,用普通材料刀具很难加工。因此,PCD刀具、CVD金刚石刀具目前主要用于该类材料及硬质点强化软基非金属材料(如碳纤维增强塑料、各种耐磨纤维板等)的切削加工。由于PCD刀具、CVD金刚石刀具工作寿命较长,采用硅铝合金或增强塑料进行耐磨性试验耗时过多,为此我们试制了Al
2O3微粉填充聚乙烯醇缩醛树脂材料作为专用试验材料。切削加工中,该材料中Al2O3微粉的研磨、凿削和摩擦作用类似硅铝合金及增强塑料,且Al2O3含量较高,可缩短试验周期,能较好地模拟硅铝合金等材料的切削加工。- 试件尺寸:外圆f255mm,内孔f155mm。
- 据国外资料介绍,目前50%以上的PCD刀具用于切削硅铝合金。硅铝合金(特别是Si含量>12%的高硅铝合金)组织中含有大量颗粒粗大、硬度高的初晶Si,切削加工时,它们像砂轮磨粒一样高速作用于刀具上,可使刀具迅速磨损,用普通材料刀具很难加工。因此,PCD刀具、CVD金刚石刀具目前主要用于该类材料及硬质点强化软基非金属材料(如碳纤维增强塑料、各种耐磨纤维板等)的切削加工。由于PCD刀具、CVD金刚石刀具工作寿命较长,采用硅铝合金或增强塑料进行耐磨性试验耗时过多,为此我们试制了Al
- 刀具
图1
图2- 本试验选用三种进口PCD刀具(编号为A、B、C)、二种国产PCD刀具(编号为D、E)和一种硬质合金刀具(编号为F)与CVD金刚石厚膜刀具进行切削对比试验。试验用刀具均由本中心超硬材料刀具室制作。刀具几何角度均为:g=0°,a=6°,K
r=75°,Kr=15°,刀尖圆弧半径r=0.3~0.35mm。 - 本试验选用三种进口PCD刀具(编号为A、B、C)、二种国产PCD刀具(编号为D、E)和一种硬质合金刀具(编号为F)与CVD金刚石厚膜刀具进行切削对比试验。试验用刀具均由本中心超硬材料刀具室制作。刀具几何角度均为:g=0°,a=6°,K
- 切削参数
- 工件转速:n=240r/min
- 横向走刀速度:f=0.205mm/r
- 切削深度:t=0.1mm
- 切削方式:干式端面切削
4.切削试验结果及分析
- CVD金刚石刀具与进口PCD刀具的耐磨性对比
- 图1所示为CVD金刚石刀具与三种进口PCD刀具的磨损曲线对比。由图可知,CVD金刚石刀具磨损最小,在切削过程的前5分钟内几乎测不到磨损现象。如以后刀面磨损带宽度VB=0.15mm为磨钝标准,则CVD金刚石刀具的工作寿命为某国外著名品牌PCD刀具的一倍多,是极理想的高耐磨性刀具。虽然CVD金刚石刀具耐磨性较高,但从图中可看出其磨损曲线的波动性较进口PCD刀具大,表明其后刀面磨损不稳定。用显微镜观察,可发现CVD金刚石刀具出现了较多崩刃现象,这是由CVD金刚石刀具的材料特性所决定的,由于CVD金刚石中不含金属结合相,因而脆性较大,因此,CVD金刚石刀具更适合用于连续切削。为弥补CVD金刚石刀具断裂韧性的不足,采用的切削速度通常应高于PCD刀具。
- CVD金刚石刀具与国产PCD刀具的耐磨性对比
- 图2所示为CVD金刚石刀具与二种国产PCD刀具和硬质合金刀具的磨损曲线对比。由图可见,CVD金刚石刀具的耐磨性显著优于国产PCD刀具及硬质合金刀具。此外,PCD刀具的初期快速磨损较明显,而CVD金刚石刀具则无此倾向,这是由于PCD材料由金刚石与结合相组成,结合相的存在使刀具难以刃磨出非常锋利的刃口;而CVD金刚石属连续性材料,易于刃磨出锋利的刀具切削刃。
- 刀具材料的耐磨性对比
- 由试验结果可知,CVD金刚石厚膜刀具较各种PCD刀具具有更高的耐磨性。为了定量分析各种刀具的相对耐磨性,以刀具后刀面磨损带宽度VB=0.182mm为磨钝标准,对以上试验结果进行适当数据处理,计算结果列于下表。从表中可看出,CVD金刚石在耐磨性上具有明显优势。
各种刀具的相对耐磨性表&bnsp;CVDPCD-APCD-BPDC-CPCD-DPCD-EWC耐用度(min)55.8947.1826.3419.3314.03.700.237相对耐磨性2361991118259161
5 结论
- CVD金刚石厚膜刀具的耐磨性明显优于PCD刀具。在本试验条件下,CVD金刚石厚膜刀具的耐磨性为某国外著名品牌PCD刀具的1.18倍,为国产PCD刀具的4倍,为WC刀具的236倍。
- CVD金刚石厚膜刀具切削刃口锋利,几乎不存在初期快速磨损,可用于超精密切削。但CVD金刚石厚膜刀具在切削过程中崩刃较多,磨损曲线波动较大,因此比较适合用于连续切削。
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