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聚晶金刚石机械(PCD)刀具发展综述
日期:[2010年02月12日]   共阅[]次

金刚石作为一种超硬刀具材料应用于切削加工已有数百年历史。在刀具发展历程中,从十九世纪末到二十世纪中期,刀具材料以高速钢为主要代表;1927年德国首先研制出硬质合金刀具材料并获得广泛应用;二十世纪五十年代,瑞典和美国分别合成出人造金刚石,切削刀具从此步入以超硬材料为代表的时期。二十世纪七十年代,人们利用高压合成技术合成了聚晶金刚石(PCD),解决了天然金刚石数量稀少、价格昂贵的问题,使金刚石刀具的应用范围扩展到航空、航天、汽车、电子、石材等多个领域。

  1.2 PCD刀具的性能特点

  金刚石刀具具有硬度高、抗压强度高、导热性及耐磨性好等特性,可在高速切削中获得很高的加工精度和加工效率。金刚石刀具的上述特性是由金刚石晶体状态决定的。在金刚石晶体中,碳原子的四个价电子按四面体结构成键,每个碳原子与四个相邻原子形成共价键,进而组成金刚石结构,该结构的结合力和方向性很强,从而使金刚石具有极高硬度。由于聚晶金刚石(PCD)的结构是取向不一的细晶粒金刚石烧结体,虽然加入了结合剂,其硬度及耐磨性仍低于单晶金刚石。但由于PCD烧结体表现为各向同性,因此不易沿单一解理面裂开。

  PCD刀具材料的主要性能指标:
  ①PCD的硬度可达8000HV,为硬质合金的80~120倍;
  ②PCD的导热系数为700W/mK,为硬质合金的1.5~9倍MyCIMT,甚至高于PCBN和铜,因此PCD刀具热量传递迅速;
  ③PCD的摩擦系数一般仅为0.1~0.3(硬质合金的摩擦系数为0.4~1),因此PCD刀具可显著减小切削力;
  ④PCD的热膨胀系数仅为0.9×10  -6~1.18×10 -6,仅相当于硬质合金的1/5,因此PCD刀具热变形小,加工精度高;
  ⑤PCD刀具与有色金属和非金属材料间的亲和力很小,在加工过程中切屑不易粘结在刀尖上形成积屑瘤。

  1.3 PCD刀具的应用

  工业发达国家对PCD刀具的研究开展较早,其应用已比较成熟。自1953年在瑞典首次合成人造金刚石以来,对PCD刀具切削性能的研究获得了大量成果,PCD刀具的应用范围及使用量迅速扩大。目前,国际上著名的人造金刚石复合片生产商主要有英国De Beers公司、美国GE公司、日本住友电工株式会社等。据报道,1995年一季度仅日本的PCD刀具产量即达10.7万把。PCD刀具的应用范围已由初期的车削加工向钻削、铣削加工扩展。由日本一家组织进行的关于超硬刀具的调查表明:人们选用PCD刀具的主要考虑因素是基于PCD刀具加工后的表面精度、尺寸精度及刀具寿命等优势。金刚

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