蘇慧濤

(北京天地東方超硬材料有限公司,北京 100018)

1 引言

PDC刀具是采用超硬材料PDC(聚晶金剛石/PCD復(fù)合片)與刀具基體通過焊接、刃磨等工藝制成的刀具,如圖1所示。具有硬度極高,耐磨性好,加工效率高,摩擦系數(shù)低,導(dǎo)熱性能優(yōu)越等優(yōu)點,主要用于加工鋁、銅等有色金屬及其合金、木工材質(zhì)、非金屬材料及復(fù)合材料等,不適合黑色金屬的加工。廣泛應(yīng)用于汽車摩托車制造業(yè)、航天航空制造業(yè)、計算機和家電制造業(yè)、模具、機電制造業(yè)及其它行業(yè)。

圖1 常見PDC刀具Fig.1 The common PDC cutting tool

2 PDC設(shè)計要素的選擇原則

PDC刀具的生產(chǎn)設(shè)計通常要根據(jù)加工對象的材料性能、形狀、光潔度、機床性能、PDC復(fù)合片等因素綜合考慮,以確定刀具材料、刀體、主偏角、副偏角、后角、前角、刃傾角、刀尖圓弧、刃帶等要素的選擇。

3 PDC材料的選擇

3.1 PDC粒度選擇

PDC粒度大致分為三大類：粗粒度(20～50μm)、中粒度(10～20μm)、細粒度(0.5～10μm)；通常PDC粒度影響著刀具刃口鋸齒度、抗沖擊強度、使用壽命。細粒度的PDC刀具強度高、韌性好、抗沖擊性能好,可以加工出好的刃口,獲得良好的表面光潔度,主要用于精加工或超精加工,但相對粗粒度PDC刀具而言,其使用壽命偏低。而粗粒度PDC刀具,粒度越粗,刀具的抗磨損性能越強,刀具使用壽命越長,相對的刀具卻越脆,抗沖擊能力越差,且刀具刃口也越差,一般用做粗加工刀具。研究表明：10～25μm粒度的PDC刀具適合加工ω(Si)＞12%的高硅鋁合金(ν=300～1500m/min)及硬質(zhì)合金,8～10μm粒度的PDC刀具適合加工ω(Si)＜12%的硅鋁合金金、銅及銅合金或非金屬材料等材料,4～5μm粒度的PDC刀具適合干切加工FRP、木材或純鋁等材料。具體選擇原則如表1所示：

PDC厚度根據(jù)實際生產(chǎn)需要進行確定。

(1)當(dāng)?shù)扼w本身有足夠的強度時,PDC整體厚度可以選用常規(guī)刀片厚度(1.6mm或2.0mm)。當(dāng)?shù)扼w后刀面強度較低時,需要對PDC刀片的硬質(zhì)合金層進行減薄,以增加刀體后刀面厚度,提高刀體支撐強度,例如設(shè)計厚度在2.38mm、3.18mm的薄機卡片及小直徑鉆頭銑刀等刀具時都要考慮減薄PDC。但硬質(zhì)合金層的厚度也不能太小,以避免焊接時因兩種材料結(jié)合面間的應(yīng)力差而引起分層。

(2)當(dāng)刃口加工采用電火花加工時,宜采用金剛石層較薄的PDC,可提高PDC片的可加工性,進而提高切割速度。例如De Beers公司推出的金剛石層僅為0.3mm厚的PDC復(fù)合片,可降低磨削力,提高電火花切割速度[1]。

表1 不同粒度PDC刀具的加工對象[1]Table 1 The processing object of PDC cutting tool with different grit

4 刀體的選擇

刀具刀體主要用于承載PDC刀片及實現(xiàn)刀具的裝卡。一般多采用高頻焊機(有特殊需要的也可采用真空焊接技術(shù))將PDC刀片焊接在合適的刀體上,所以在焊接過程中刀體材料的金屬性越好,刀體被加熱的速度就越快,相對加熱時間越短,焊接效率越高,同時PDC復(fù)合片在空氣中被裸露加熱的時間越短,對PCD層的性能影響越小(聚晶金剛石在空氣中加熱到700℃時開始氧化[2])。一般的常用刀體可選45#鋼、40Cr,對于使用刀桿較細或者要求刀桿強度較高時可選用白鋼或硬質(zhì)合金作為刀體,以提高刀體強度防止振動。

5 PDC刀具角度的選擇

5.1 主偏角(κr)的選擇

主偏角的大小影響徑向力Fx和軸向力Fy的分配比例及切削刃的長度。在背吃刀量ap和進刀量f相同的條件下,主偏角減小,徑向力Fx增大和軸向力Fy減小,如圖2所示；同時參與切削的切削刃長度增加,切削厚度減小,單位刃長度上的載荷減小,并增大刀尖角,因而有利于提高散熱體積和刀尖強度,近而提高刀具壽命,如圖3所示。

圖2 主偏角與切削力的關(guān)系Fig.2 Relationship between the main angle and cutting force

圖3 主偏角與切削載荷分布關(guān)系圖Fig.3 Relationship between the principal angle and cutting load distribution

在設(shè)計中,PDC刀具的主偏角一般采用75°～90°,具體選擇原則如下：

(1)加工細長桿時要盡量選用較大的主偏角,以減小徑向力,減小工件的變形,正常情況下要選用較小的主偏角,增加參與切削的切削刃長度,減小切削力,使切削變得輕快,以提高刀具壽命。

(2)根據(jù)被加工材料的硬度來選擇,當(dāng)被加工工件較硬時,為減小單位切削刃上的載荷,PDC刀具一般多采用90°主偏角,加工較軟材料時可采用較大的主偏角。

(3)要考慮被加工工件的形狀來選擇相應(yīng)的主偏角,例如加工階梯軸選用90°的主偏角。

(4)在精加工時可選用較小的主偏角,以提高工件表面的加工質(zhì)量。

5.2 副偏角(κ′r)的選擇

副偏角主要影響被加工工件的表面粗糙度和質(zhì)量。PDC刀具一般選用較小的副偏角,必要時可以增加一段修光刃,一方面用來獲得較高的表面光潔度,體現(xiàn)PDC刀具高精加工的優(yōu)越性,另一方面可以彌補PCD材料本身的脆性,以增加刀尖強度,但較小的副偏角則會增加副后面與工件的摩擦和磨損,使加工溫度升高,影響刀具的使用壽命。

具體選擇原則如下：

(1)精加工刀具應(yīng)取較小的或零度副偏角,以增加副切削刃對工件已加工表面的修光作用

(2)工件或刀具鋼性較差時,應(yīng)取較大的副偏角,以減少刀具與工件間的摩擦,防止工件或刀具振動。

(3)在切削過程中需要作用中間切入或雙向進給的刀具,應(yīng)取較大的副偏角

(4)切斷、切糟及孔加工刀具的副偏角應(yīng)取較小值,以保證重磨后刀具尺寸變化量較小

5.3 前角(γο)的選擇

前角影響刀具的鋒利度和刀楔的強度,加大前角則刃口鋒利,切削輕快,平穩(wěn),同時刀尖強度下降,散熱條件變壞,刀具壽命降低,且比較容易崩刃。

具體選擇原則如下：

(1)由于PDC材料的脆性很大,很容易造成刃口崩刃,一般宜取較小的前角以增加刃口強度。

(2)根據(jù)被加工材料來選擇,當(dāng)加工的材料強度、硬度低,應(yīng)選用較大的前角,例如：在用PDC刀具加工普通木制品時可選用10°至20°的大前角,在加工玻璃鋼,陶瓷等硬脆材料時,要選用很小的前角甚至可以設(shè)計成負前角,例如：PDC刀具在切削碳化硅鋁基復(fù)合材料時,以30～40m/min、后角6°、主偏角70°、刀尖圓弧半徑0.1mm為參數(shù),將前角設(shè)計為-6°可以取得良好的加工效果。PDC刀具負前角可以選擇5～12°[3],

(3)在設(shè)計槽刀,螺紋刀等成型刀具時宜采用較小的前角或者零度前角,以減小加工誤差。

(4)在連續(xù)切削中由于對刀頭的沖擊性小,可選擇較大的前角,以提高刀具的鋒利度,在斷續(xù)加工中由于對刀具的沖擊性較大,設(shè)計中應(yīng)選用較小的前角甚至負前角,避免造成崩刃。

(5)PDC刀具在使用中大多切削速度較高,前角對切屑變形及切削力的影響較小,宜選用較小的前角。

(6)在PDC刀具在用0°、5°等小后角硬質(zhì)合金刀片為基體的設(shè)計中,可以適當(dāng)考慮增加前角,以提高刀具的鋒利度。

5.4 后角(αο)的選擇

后角影響后刀面與工件表面的摩擦程度,刀具磨損的速率和刀楔的強度。加大后角可以減少后刀面與工件表面的摩擦,降低刀具的磨損速率和工件已加工表面硬化的程度,提高刀具的耐用度,但后角過大會使切削刃強度降低,散熱條件變差,近而降低刀具壽命。對于PDC刀具多用于工件的精加工,切削厚度較小,屬于微量切削,其后角對加工質(zhì)量有明顯的影響,較小的后角對于提高PDC刀具的加工質(zhì)量起著重要的作用。

具體選擇原則如下

(1)精加工刀具及切削厚度較小的刀具,磨損主要發(fā)生在后刀面上,為降低磨損要盡量采用較大的后角,粗加工刀具要求切削刃堅固,要采用較小的后角。

(2)當(dāng)工件強度,硬度較高時,宜選用較小的后角(8°～12°),以增加刀具刃口強度,工件材料軟、粘時,后刀面摩擦嚴(yán)重,應(yīng)取較大的后角(10°～20°),加工脆性材料,載荷集中在切削刃處,為提高切削刃強度,要選用較小的后角,

(3)被加工工件的工藝性較差時,(如細長桿),要選用較小的后角,以增大后刀面與工件的接觸面積,減小振動。

5.5 刃傾角(λs)的選擇

刃傾角的作用：(1)控制排屑方向,當(dāng)刃傾角為負時,切屑流向已加工表面；當(dāng)刃傾角為正時,切屑流向待加工表面。(2)適當(dāng)?shù)娜袃A角,可使切削刃逐漸切入和切出工件,使切削力均勻,切削過程平衡,負刃傾角車刀,可以在刀具切入工件時避免刀尖受到?jīng)_擊以保護刀尖,但過大的負刃傾角會使徑向切削力顯著增加。

具體選擇原則如下：

(1)PDC刀具多用于精加工,一般選用正的刃傾角使切屑流向待向工表面,以免劃傷已加工表面。粗車時采用較小的刃傾角,以增強切削刃的強度,精車時一般采用較大的刃傾角,以減小徑向切削力。微量切削的精加工刀具可取特別大的刃傾角。

(2)沖擊負荷較大的斷續(xù)切削,應(yīng)取較大負值的刃傾角,以保護刀尖及刃口,提高切削平穩(wěn)性,此時可配合采用較大的前角,以免徑向切削力過大。

(3)加工高硬度材料時,可取負值傾角,以提高刀具強度。

6 PDC刀具刀尖圓弧(rε)的選擇

刀尖圓弧(rε)主要影響被加工工件的光潔度及刀尖強度。

工件表面粗糙度與刀尖圓弧的關(guān)系式如下：[4]

Rmax——表面粗糙度最大值

f——進給量

rε——刀尖圓弧半徑

根據(jù)圖4和上述關(guān)系式可知：在進刀量一定時,刀尖圓弧增大可以提高被加工工件的光潔度；PDC刀具多用于精加工,進刀量一般設(shè)定在0.1～0.3mm/r,甚至更小,所以PDC刀具的刀尖圓弧一般取0.1～0.4mm,對于加工硬度高的材料,為增加刀尖強度,可以選擇更大的刀尖圓弧；在工件或刀體強度較低時,要選擇較小的刀尖圓弧,以減小切削振動。

圖4 表面粗糙度最大值與刀尖圓弧的關(guān)系Fig.4 Relationship between the maximum surface roughness and the tip arc

7 PDC刀具韌帶的選擇

PDC刀具通過精拋韌帶一方面可以降低刀具的刃口鋸齒度,提高被加工工件的表面光潔度；另一方面選擇合理韌帶寬度可以提高刀具的使用壽命,降低刀具成本,一般選擇在0.2～0.4mm,韌帶太寬,后刀面與工件的接觸面積越大,產(chǎn)生的熱量越多,越容易造成金剛石層的石墨化,降低刀具壽命,韌帶太窄又會影響刀具刃口強度,容易崩刀刃。

具體選擇原則如下：

(1)加工對刀具磨損較嚴(yán)重的材料,宜選用小韌帶或者不加工韌帶,

(2)加工硬度高的材料宜適當(dāng)?shù)卦黾禹g帶寬度,以增加刀刃強度,

(3)對于較軟材料宜適當(dāng)減小韌帶寬度,以提高刀具的壽命。

(4)在選擇PDC材料20μm以上的粗粒度刀具時,可以選擇不加工韌帶。

8 總結(jié)

由于PDC刀具在許多場合可以實現(xiàn)以車、鏜、銑代替磨削工藝,也是高速切削最理想的刀具之一,實現(xiàn)了現(xiàn)代切削加工的綠色制造,所以設(shè)計出優(yōu)良的PCD刀具對現(xiàn)代化工業(yè)的發(fā)展有著至關(guān)重要的作用,因此對PDC刀具的設(shè)計要素的作用及選擇原則有一定的了解和把握,對設(shè)計出性能優(yōu)良的PDC刀具有一定的參考作用。

參考文獻：

[1] 莊心輔.新型金屬切削刀具設(shè)計制造與新材料選用及檢測標(biāo)準(zhǔn)匯編[M].北京：中國電子科技出版社,2006：559-563.

[2] 白清順,姚英學(xué).聚晶金剛石(PDC)刀具發(fā)展綜述[J].工具技術(shù),2002(3).

[3] 章文峰,潘曉南.PDC刀具加工SiC顆粒增強鋁基復(fù)合材料的合理切削速度[J].材料工程,1999(1).

[4] 袁哲俊,劉華明,金屬切削刀具設(shè)計手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社,2009.