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PCD和CVD金剛石刀具切削性能對比及刀具失效機理

發布者:admin 時間:2019-06-12 16:37:00
導讀:
 
金剛石刀具有硬度高、耐磨損、導熱性好、摩擦系數小以及高的化學惰性等優異性能,是制備切削工具的理想材料。
 
通過多年的應用研究和開發,CVD金剛石刀具已步入商業化應用階段。在國內,對此類刀具的研究開發及產業化進程也不斷加快??梢灶A見,CVD金剛石刀具的應用將對機械制造業產生積極而深遠的影響。

隨著現代機械加工朝著高精度、高速切削、硬加工代研磨和降低成本等方向發展,對刀具性能提出了相當高的要求。
 
本文選用亞克力硬質塑料為被加工材料,設計了一組刀具參數為:前角10°,后角15°,刀尖圓弧度R0.6,進行車削實驗,通過觀察車削過程中PCD和CVD金剛石兩種刀具的表面和刃口形貌、金剛石刀片組成成分、以及被加工工件表面粗糙度前后的變化,比較兩種刀具的切削性能,探討其失效機理。
 
一、實驗材料與方法
 
亞克力硬質塑料是應用金剛石刀具比較多的領域,本文選用<60mm的亞克力硬質塑料棒為加工對象,金剛石工具采用CVD刀具和PCD刀具,其中CVD金剛石精拋光后的厚度為0.5mm,PCD金剛石精拋光后的厚度為2.0mm。根據所選的被加工材料,我們設計的刀具參數為:前角10°,后角15°,刀尖圓弧度R0.6。
 
采用電子顯微鏡觀察CVD金剛石和PCD金剛石的表面和刃口形貌;采用掃描電鏡攜帶的能譜儀進行表面成分分析;采用表面形貌儀測量工件的表面粗糙度。

二、實驗結果與討論
 
1、顯微組織
用掃描電鏡觀察刀具表面金剛石的形貌。由圖2a可以看出,PCD金剛石刀是由顆粒狀金剛石微粒和黑色孔隙所組成,其中一些金剛石微粒還保留著它們原有的晶面。隨著車削加工的進行,孔隙的數量明顯增多,如圖2b所示,而這種孔隙的尺度在圖2c中有所增大。這可能是由于在切削加工過程中刀頭的溫度升高,促進碳 (金剛石顆粒 )與PCD金剛石片中的黏結劑(鈷或鎢)發生反應所致。

2、刃口
PCD刀具在車削亞克力硬質塑料時,進刀40次后,刃口幾乎沒什么變化,但當進刀次數達到110次刀頭出現碎斷現象。碎斷是在切削刃上產生小塊碎裂或大塊斷裂,造成刀頭不能正常切削,刀尖與切削刃處發生的碎裂破損見圖4c,這時刀具不能刃磨不能繼續使用。

這種情況是切削較長時間后沒有及時換刀,因刀具材料疲勞而造成斷裂。與PCD金剛石刀片相比,在相同的加工條件下 ,CVD 金剛石刀顯示更加優良的加工壽命,進刀110次后,CVD金剛石刀片刃口質量完好,如圖5c所示。

3、工件表面粗糙度
 
我們以刀具初始狀態和失效狀態下被加工工件表面粗糙度為標準來衡量刀具的使用壽命。由表4可以看出,PCD刀具進刀40次后 ,工件表面粗糙度明顯降低,而CVD金剛石刀車削出的工件表面更光滑。
 
但當進刀達到80次后,PCD刀片與CVD金剛石刀片加工的工件表面粗糙度幾乎沒差異。
 
這種情況是可以理解的,因燒結需要,PCD中加入了Co等金屬黏結劑,而Co對金剛石的石墨化具有催化作用。在Co的作用下,PCD金剛石一般在600℃時即開始氧化,700℃時發生石墨化反應,所以隨著車削加工的進行,刀尖處溫度升高,金剛石的石墨化反應引起刃口粗糙,從而導致被加工工件表面粗糙度升高。
 
而CVD金剛石在空氣中需700℃以上才開始氧化,在真空或惰性氣體中的熱穩定性可達 1200℃以上。所以CVD金剛石的熱穩定性遠高于在高溫高壓下合成的聚晶金剛石( PCD ) 。

三、結論
本文通過PCD和CVD刀具對亞克力材料的車削試驗,研究和探討了上述兩種刀具的切削性能和失效機理。通過對切削前后刀具的表面和刃口形貌、以及被加工材料表面粗糙度對比觀察,得出以下結論:
 
(1)在同一刀具參數條件下,切削亞克力材料時,CVD和PCD兩種金剛石刀具都表現出了很好的切削性能,與PCD刀具相比,CVD金剛石刀具顯示了優越的耐腐蝕性能和耐磨性能,在加工過程中不會與亞克力材料發生化學反應,所以加工此類材料時CVD金剛石刀具有比PCD刀具有更長的壽命,加工出的工件表面也更平整光滑。
 
(2)對于PCD刀具,其失效機理有:刀具與被加工材料的物理摩擦使磨粒脫落形成的磨粒磨損;結合劑與被加工材料發生化學反應使結合劑流失,導致刀具結構疏松,磨粒脫落形成磨損。
 
(3)對于CVD金剛石刀具,因為成分是純多晶金剛石,本次試驗在整個車削過程中CVD金剛石刀的刃口形貌、金剛石刀尖處成分以及被加工工件的表面粗糙度均沒有明顯變化,由此,我們推測CVD金剛石刀具在車削此類材料時的失效機理為:切削過程中隨著加工時間的進一步延長,切削區溫度不斷升高,當達到熱化學反應溫度時,就會在刀具表面形成變質層從而帶來切削過程中刀具的磨損;同時高溫狀態下CVD金剛石的晶界疲勞破壞,也可能會造成CVD金剛石刀具的磨損失效。