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PCD和PCBN刀具制造及應用

發布時間:2013-08-08
PCD(金剛石復合片)和PCBN(立方氮化硼復合片)刀具是在上世紀七十年代發展起來的新型超硬復合材料加工刀具。金剛石復合片和立方氮化硼復合片因都采用硬質合金作襯底材料,有效降低了人造金剛石或立方氮化硼的使用量,具有可焊接性,兼具高硬度和高抗彎強度(金剛石的抗彎強度為210~490MPa,而PCD的抗彎強度可達1,500MPa),能承受一定的沖擊載荷,因而在日益追求高速切削、高精度切削的今天,必然地得到越來越多的刀具用戶和刀具生產廠家的青睞。在切削加工方面正發揮著越來越多的重要作用。目前已有基本替代金剛石聚晶、立方氮化硼聚晶刀具的趨勢。

  金剛石復合片(PCD)、立方氮化硼復合片(PCBN)是在超高壓高溫下,利用少量粘結劑,把細粒度超硬材料聚結成無氣孔、密實的多晶層;同時,使得超硬材料和硬質合金兩層材料既致密又牢牢地“復合”、粘結為整體的超硬復合材料。在“復合”、粘結的過程中,利用了多晶層粘結劑元素、超硬材料元素(C或N、B,其中B擴散性較小)、硬質合金襯底中成分(主要為Co,W元素擴散性較小)的互換性,產生了粘結、反應、“扎釘”、機械鑲嵌等作用。在這個過程中,受冷收縮系數要相互接近,硬質合金要二次液相燒結,元素要擴散,造成適宜的成份各材料相或其組分團的梯度。

  PCD和PCBN刀具制造,要經過對片基的切割、刀頭磨削、焊接、焊接后磨削等多道加工工序才能完成。

  1.PCD、PCBN的切割、磨削

  用于刀具制造的金剛石復合片、立方氮化硼復合片一般是由圓片基材切割加工而成的,當然也可以直接燒結合成出來,尤其是長、寬尺寸差別不大的長方形、圓形等。刀具用復合片形狀有圓形、半圓形、扇形(450、600、900即1/4圓形)、以及長方形等。

  經切割加工或直接合成出的復合片刀(頭)坯,在固定到刀體之前之前需要適當磨削加工,主要是針對襯底底面(為使焊接時接觸平整、粘結牢固)和非刀刃面(主要是為了美觀),一般可手工研磨,也可用金剛石砂輪粗磨。

  應該指出,對用于刀具的復合片,還需要結合刀具加工條件和要求在合成時從超硬材料粒度方面進行合理選擇:20~50?m的中粗粒度,合成出的PCD(金剛石復合片)和PCBN(立方氮化硼復合片)耐磨性好、熱導性好,但抗彎強度和耐沖擊性稍差,使用時易產生微小崩刃,因粒度較粗也制約了刀刃鋒利度的提高,故不適合高精切削,此類刀頭可用于半精加工;5~20?m的中細粒,合成出的PCD(金剛石復合片)和PCBN(立方氮化硼復合片)耐磨性和耐沖擊性均適中,可用于粗、半精加工;0.5~5?m的細微粒,合成出的PCD(金剛石復合片)和PCBN(立方氮化硼復合片)耐磨性較低,但抗彎強度和耐沖擊性高,刃口鋒銳度好,不易崩刃,可用于高精加工或半精加工。

  另外,由于各個廠家技術水平及使用設備(六面頂或兩面頂)不同,所生產的PCD 和PCBN質量也不同。某些廠家生產的的PCD 和PCBN上下面平行度誤差大,刀具生產廠家在選擇復合片供應商時,也會慮及 。

  2. PCD、PCBN刀頭與刀體的聯接固定及焊接

  加工好金剛石復合片或立方氮化硼復合片刀頭后,就可以開始與刀體聯接固定。常用工程化的固定方法有焊接法(廣泛應用高頻焊接)和機械加固法。機械加固法即是將復合片刀頭底面和加壓面磨平,用壓板加壓固定在刀體上。為使用時的臨時加固方法,如同使用修整塊修正砂輪時的夾固。只針對圓片狀、長方形、三角形、且規格較大的復合片刀頭。近年隨著高強度、耐高溫金屬粘結劑的工程應用,也可以嘗試用“粘結法”固定刀頭。除機夾刀片外,其它固定法的刀頭一般還需要單獨研磨以達到規定的形狀、尺寸、刃面粗糙度和幾何角度。

  焊接之前,要檢查復合片有無裂紋、凹陷、多晶層剝離等缺陷(對目前越來越多的大尺寸復合片基材,在使用前還要抽查其片基不同位置的硬度與組織的一致性),然后進行除油等清理工作,同時對刀桿或刀墊焊接部位進行清理,馬上焊接。目前國內外對復合片刀頭的焊接使用較多的是熔點低、流動性好、焊接強度高的銀含量較高的釬焊焊料,如Ag45Cu18Zn19Cd18。復合片的焊接可采用事先裁好的與刀頭形狀、尺寸相近的片狀焊料,也可采用粉狀焊料;焊片或粉狀焊料熔點要求7000C以下,焊接時的溫度不能高于8000C,以防止復合片兩層間因大的熱應力差而剝離,或是因結合劑或襯底層中的鈷侵蝕金剛石;焊接要采用助焊劑來助熔和清除贓物;一般采用普通高頻焊機輔以合適的工裝來焊接刀具;焊接過程中要保持好PCD 和PCBN刀頭的位置(可采用合適的釬焊定位胎具實現精確定位);焊好的刀具需要緩慢冷卻,對高精度刀具建議采用專門的焊后保溫裝置。焊接時的溫度取決于釬焊材料的熔點,一般在6500~6600C之間,需要精確控溫精細操作。真空釬焊雖然有少用或不用釬助劑等優點,在PCD和PCBN刀具焊接方面,卻并不合適。究其原因,在于當大批量放置PCD和PCBN刀頭時,一來焊接溫度不均勻,二來刀頭位置容易移動,質量不易得到保證。

  3. PCD、PCBN刀具焊接后的磨削

  焊好的金剛石復合片或立方氮化硼復合片刀具(包括帶刀桿的或是焊在刀墊上的)以及準備直接機卡用的刀頭需要磨削。磨削分粗磨、半精磨、精磨和研磨四個過程。粗磨可用陶瓷碳化硅砂輪或樹脂金剛石砂輪,粒度可用120~200目或更細些;半精磨或精磨可用樹脂金剛石砂輪或金屬結合劑電解磨輪(需電解磨削),粒度用到200目~W14;研磨常用金剛石研磨膏,可采用W10~W3.5?m。近年來,有不少廠家采用陶瓷結合劑金剛石砂輪或CBN砂輪來作為制造超硬材料刀具的磨削砂輪,效果也很不錯。

  磨削之前,需要確認刀具和磨削砂輪的安裝牢固程度;在磨床上進行批量生產時還要注意設計制作定位精確的專用刀具刃磨夾具;需采用濕磨,可采用加有防銹劑的冷卻液或為弱堿性乳化液(電解磨需用專門的電解磨削液);磨削時要讓磨削砂輪沿刀具切削刃擺動以使砂輪邊緣磨損均勻,保證切削刃形狀、精度以及鋒銳度,同時也可以提高磨削效率;粗磨時進刀量宜控制為0.01mm/雙行程,半精磨和精磨宜用0.005 mm/雙行程進刀量;研磨可在鑄鐵研磨盤(具)上進行(近年有人采用專門制作的高分子材料和陶瓷復合材質研磨具,也取得了良好效果),要求操作人員技藝熟練,要勤檢查刀具的各種幾何參數及刃面粗糙度。

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GT09(A)-小圖王(進口)Grapthec刀
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纖焊石材刀

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DB-金剛石圓底尖刀
DC-金剛石3D刀
DD-金剛石四棱刀
DE-大理石浮雕刀
DF-大理石切割刀
DG-花崗巖3D刀
DH-PCD復合刀
DI-鉆石高光刀(倒角)
DJ-鉆石高光刀(雕刻)
DK-花崗巖浮雕刀
DL-花崗巖切割刀
DM-釬焊石材刀(規格齊全)
DN-石墨專用金剛石球刀
DO-天然鉆石批花刀
DP-金剛石木工刀具
DQ-PCD金剛石亞克力刀
DR-金剛石燒結雕刻刀
DS-新金剛石釬焊雕刻刀
DT-鎢鋼石材尖刀

木工常用刀具

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WB-直齒直刀
WD-深圓底刀
WH-木工盒裝刀
WJ-進口TCT雙刃螺旋銑刀
WK-金剛石木工鑼刀
WL-木工非標鑼刀
WM-新型門板刀
WO-立軸刀
WP-金剛石櫥柜門板組合刀
WQ-金剛石花邊槽刀
WR-假百葉組合刀
WS-臺灣機常用外牙三角樣刀
WT-金剛石門板倒角切割刀
WU-軟硬包倒角雕刻刀
WV-移門雕刻刀
WW-金剛石圓底刀
WY-金剛石直刀

木工標準鑼刀

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B-帶軸承修邊刀類
C-不帶軸承作導向修邊刀類
D-直鉆形態刀類
E-圓底線型刀類
F-凸半圓弧刀類
G-弓型弧狀刀類
H-古典線型裝飾刀類
I-珠飾曲線刀類
J-皇冠曲線裝飾刀類
K-建筑流線型裝飾刀類
L-扶手線/臺邊線刀類
M-高瓶型扶手組合刀類
N-多型古典刀類
O-指甲狀型線條刀類
P-T型榫刀類
Q-T型榫刀組合類
R-門板刀類
T-整體硬質合金切削刀類
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