（机械制造及其自动化专业论文）有序化pdc刀具的制备及其切削性能研究.pdf

高校教师硕f ：学位论文 摘要 本文设计和制备了一种新型结构的有序化p d c 刀具，采用激光切割制备的 p d c 纤维取代传统砂轮的磨粒与切削刀具的刀片，通过p d c 纤维在基体材料中 的定向、均匀排布和对p d c 纤维的刃磨，保证有序化p d c 刀具的每个p d c 纤 维均能以一定的切削角度参与切削，然后将制各的p d c 纤维片整体装配成新型 有序化p d c 刀具。有序化p d c 刀具的纤维宽度在0 2 0 5 m m 之间，比传统的 切削刀具尺寸小得多，同时参与切削的纤维数量远大于普通切削刀具的刀刃数， 并且各纤维具有锋利的刀刃与人为确定的切削角度和间隔距离，因而在获得较高 的加工精度和表面质量的同时能保证较高的加工效率。 同时，进一步开展了有序化p d c 刀具与传统金刚石砂轮在相同条件下加工 w c 1 2 c o 涂层材料的对比性实验。实验通过对切削力与加工表面形貌、w c 1 2 c o 涂层材料的物理特点以及脆性材料的断裂力学的分析，探讨了w c 1 2 c o 涂层材 料的有序化p d c 刀具切削加工机理和刀具磨损机理。实验发现：采用有序化p d c 刀具切削加工w c 1 2 c o 涂层材料时，在较低进给速度与较小切削深度下，其加 工表面完整性很好，不仅能获得与金刚石砂轮磨削相媲美的加工质量，而且其法 向力与切向力小，可降低对机床的刚度要求，并且通过增加参与切削的纤维微刃 数量，可以获得较高的加工效率，实现w c 1 2 c o 涂层材料的高效精密加工。而 在对刀具的磨损机理分析中发现：有序化p d c 刀具在切削过程中由于受到频繁 的冲击作用，在其前刀面出现了小凹坑和轻微的磨粒磨损，随着切削的继续进行， 在其切刃处出现了局部崩刃现象，需对其进行重新刃磨。 这种有序化p d c 刀具是一种集砂轮与切削刀具优点于一身的新型刀具，是 对传统砂轮和切削刀具在结构和工艺上的创新，具有广阔的市场空间和应用前 景。 关键词：有序化p d c 刀具金刚石砂轮w c 1 2 c o 涂层切削性能 切削机理 磨损机理 有序化p d c 刀具的制备及切削性能研究 a bs t r a c t t h i sp a p e ri sa i m e da td e v e l o p i n ga n dp r e p a r i n gan e wo r d e r e dp d cc u t t e r w h i c hr e p l a c e st h ea b r a s i v e si nag r i n d i n gw h e e lo rt h ei n s e r t si nac u t t i n gt o o lw i t h p d cf i b e r s p d cf i b e r sa r ef i r s ta r t i f i c i a l l ya l i g n e da l o n gt h ed e s i r e dd i r e c t i o na n d d i s t r i b u t e di nam o l da n df i x e dw i t he p o x yr e s i nt om a k et h ep d cp i e c e s t h e s p e c i a l l yo r d e r e dp d cp i e c e sa r et h e nl a p p e dw i t hd i a m o n da b r a s i v et og e ts h a r p c u t t i n ge d g e sa n dt h en e c e s s a r yc l e a r a n c ea n g l e s ；f i n a l l y ，p r e p a r e dan e ws t r u c t u r a l o r d e r e dp d cc u t t e rt h r o u g ha s s e m b l i n gt h ep d c p i e c e s t h eo r d e r e dp d cc u t t e rh a s al o wr a t i oo fn o r m a lt ot a n g e n t i a lg r i n d i n gf o r c e s ，d e s i r e dg e o m e t r i e s ( e g ，r a k e a n g l e s ) a n de d g es p a c ea m o n gp d cf i b e r s ，m e a n w h i l ei th a sal a r g en u m b e ro f c u t t i n ge d g e st h a nt h ec o n v e n t i o n a lc u t t i n gt o o l s m a c h i n i n gw i t ht h eo r d e r e dp d c c u t t e ri se x p e c t e dt op r o v i d eb o t hg o o ds u r f a c ef i n i s ha n dh i g hm a c h i n i n ge f f i c i e n c y a tt h es a m et i m e t h es t u d yc o m p a r e st h em a c h i n i n gp r o p e r t i e so ft h eo r d e r e dp d cc u t t e rw i t h t h a to ft h ed i a m o n dg r i n d i n gw h e e li n m a c h i n i n gt h ew c 12 c oc o a t i n g ，a n d i t f u r t h e rd i s c u s s e st h ec u t t i n gm e c h a n i s ma n dt h ew e a rm e c h a n i s mo ft h eo r d e r e dp d c c u t t e rb a s e do ni n v e s t i g a t i o no ft h ec u t t i n gf o r c ea n dm a e h i n i e ds u r f a c ea sw e l la s t h ep h y s i c a lp r o p e r t i e so ft h ew c i2 c oc o a t i n g t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t e t h a tt h eq u a l i t yo ft h em a c h i n e dw o r k - p i e c es u r f a c ei se q u a lt ot h a to fm a c h i n e db y d i a m o n dg r i n d i n gw h e e l ，m e a n w h i l e ，t h eo r d e r e dp d cc u t t e rr e q u i r e st h el o w e r m a c h i n es t i f f n e s sb e c a u s ei th a sal o wn o r m a lt ot a n g e n t i a lf o r c er a t i o ，a n di tc a n o b t a i nh i g hm a t e r i a lr e m o v a le f f i c i e n c yt h r o u g hi n c r e a s i n gt h en u m b e ro ft h ep d c f i b e r sw i t ht h ec u t t i n ge d g e s i ti sf o u n dt h a tt h er a k ef a c eo ft h eo r d e r e dp d cc u t t e r a p p e a rc a v i t i e sa n ds l i g h ta b r a s i v ew e a ri nt h ec u t t i n gp r o c e s s ，a n dt h ec u t t i n ge d g e s o ft h eo r d e r e dp d cc u t t e re x i h i b i t st h et i p p i n gd u et ot h ec o l l i s i o nw i t ht h e w o r k p i e c e t h eo r d e r e dp d cc u t t e rc o m b i n e st h ea d v a n t a g e so fg r i n d i n gw h e e la n dc u t t i n g t o o l s ，i ti sa ni n n o v a t i o nt oc u t t i n gt o o la n dh a saw i d em a r k e tp o t e n t i a la n d a p p l i c a t i o np r o s p e c t k e y w o r d s ：t h eo r d e r e dp d cc u t t e rd i a m o n dw h e e lw c c oc o a t i n g c u t t i n gp r o p e r t i e sc u t t i n gm e c h a n i s mw e a rm e c h a n i s m l i 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：i 日期：如产；月，乡e l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密毗 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：? 彤 导师签名：议阳移 1 9 期：，7 年；月巧日 1 9 期：州年；月，6 1 9 高校教师硕j ：学位论文 1 1论文研究背景 第1 章绪论 制造业是国民经济的支柱产业，而磨削加工是制造技术中的重要领域，是现 代机械制造业中实现精密加工、超精密加工最有效、应用最广的基本工艺技术川。 随着工业发展的需要以及材料科学的不断突破和创新，各种高强度、高硬度、抗 腐蚀和耐高温的新型材料应运而生，为了实现这些材料的精密加工和超精密加 工，满足人们对产品高精度，高品质的需求，磨削加工技术得到了广泛的应用和 发展。特别是在硬脆材料( 如工程陶瓷、光学玻璃、半导体硅片、花岗岩等) 和 高塑性金属材料( 如铝合金、钛合金等) 的加工过程中，磨削加工仍是最主要的 材料去除加工途径。 自从18 世纪中期第一台外圆磨床问世以来，磨削技术的每一次飞速发展都 与新型磨料的开发与应用密切相关，特别是上世纪5 0 - - - 6 0 年代人造金刚石与立 方氮化硼的研制成功与应用，极大地推动了磨削技术的发展。砂轮是磨削加工技 术中使用最为广泛的加工工具，自从1 8 世纪人类第一次将天然磨粒与粘土烧结 成砂轮以来，当今的砂轮在结构上几乎一直保持着其最初的模样，依然是由磨粒、 结合剂与气孔三部分组成，只是磨料的类型有所不同以及砂轮的具体制备工艺方 面稍有改进。其中，磨粒是构成砂轮的主要原料，它具有高的硬度和脆性，在磨 削过程中对工件起切削作用；结合剂的作用是将磨粒固结起来，使之具有一定的 形状和强度；而气孔是砂轮的空隙，磨削时起着容纳磨屑和散逸磨削热的作用， 还可以浸渍某些填充剂或添加剂以改善砂轮的性能，满足某些特殊加工和特殊应 用场合的需要。 由于砂轮磨粒形状及其分布的随机性，造成了磨削时法向力与切向力之比 高、磨削比能高、磨削温度高、对磨床刚度要求高，并且磨削过程中磨粒容易脱 落，特别是超硬磨料砂轮的磨粒利用率不高，而且在磨削低硬度、高韧性材料时 砂轮容易堵塞，需要定期对砂轮进行修整与修锐，从而影响了磨削加工的生产率。 针对磨粒容易脱落( 特别是超硬磨料砂轮磨粒的利用率不高) 、磨削区温度 高( 特别是在磨削难加工合金材料时) 、砂轮磨粒形状与分布规律随机不定等问 题，国内外学者对砂轮结构的设计与改进进行了大量的研究工作。为解决砂轮磨 粒容易脱落的问题，a k c h a t t o p a d h y a y 通过钎焊技术来提高对磨粒的把持强度， 开发了单层超硬磨料砂轮【2 刁j 。我国南京航空航天大学徐鸿钧课题组对基于钎焊 技术的单层超硬材料砂轮的制备开展了大量的研究工作，对超硬材料的钎焊机理 进行了深入的研究【4 。7 】，但单层超硬砂轮的使用寿命有限，目前单层钎焊超硬砂 有序化p d c 刀具的制备及其切削性能研究 轮的使用性能与钎焊工艺都有待改善。为了解决铝合金等塑性材料在磨削过程中 砂轮堵塞和磨削区温度过高的问题，j e o n g d uk i m 提出了断续磨削砂轮的思想， 通过在砂轮上径向开槽，并在槽中填入多孔介质( 气孔率高达6 5 ) ，在一定程 度上缓解了磨削塑性材料时砂轮的堵塞问题【8 l 。t n g u y e n 设计了一种开槽砂轮， 并在开槽处径向加工一小孔，在磨削区的开槽处径向注入冷却液，较好地解决了 磨削区温度高的问题，但是砂轮结构复杂【9 1 。近十年来，材料科学取得了重大进 展，如p s i c 晶须与a a 1 2 0 3 纤维的成功开发及应用，日本学者k y a m a g u c h i 首 次利用p s i c 晶须与a a 1 2 0 3 纤维代替传统磨粒开发了s i c 晶须砂轮【1 0 1 2 j 与 a 1 2 0 3 纤维砂轮【1 2 1 ，并基于c v d 法制备了d l c ( d i a m o n dl i k ec a r b o n ) 膜，然后利 用滚压拉延法制备出d l c 纤维，开发了d l c 纤维砂轮。国内的魏源迁教授及其 同事也开展了a 1 2 0 3 纤维砂轮、s i c 晶须砂轮以及类金刚石纤维砂轮【” 1 6 】的开发 和磨削性能的研究。然而，这些研究都没有解决纤维或晶须在砂轮中均匀分布的 问题，砂轮仍需要定时修锐，而且a 1 2 0 3 纤维或s i c 晶须的截面尺寸只有几个微 米，刚度极为有限，无法胜任高速高效加工的需要。而作为世界上已知的最硬物 质，金刚石在加工硬质材料方面具有无可比拟的优越性，因此国内外一些学者进 行了开发和研制金刚石纤维砂轮的研究工作，如英国b r i s t o l 大学n p s m i t h 等人 对在微米级的钨丝和s i c 纤维上利用c v d 法沉积金刚石进行了大量的研究，并 对金刚石纤维在磨削中的应用进行了探讨【1 。7 1 ，由于基于c v d 法在金属丝上沉积 的金刚石质量不好，涂层质量差，金刚石沉积速度慢，无法实现批量生产，因此 该方案未能得到推广和应用。针对砂轮表面磨粒随机分布的问题，j c a u r i c h 等 人提出了人为控制砂轮上磨粒分布的思想，并对磨粒的分布进行了仿真与优化 【l 引，然而，该思想只对单层砂轮才有效，砂轮的使用寿命有限。目前，对砂轮 结构和工艺的改进优化仍是值得深入研究的课题。 而切削加工也是现代制造中不可或缺的加工技术。在机械、电机等传统产业 和航空航天、核能等现代高新技术产业部门都起到了重要的作用。据统计，切削 加工的劳动量约占全部机械制造劳动量的3 0 - 4 0 ，约7 0 的零部件需用切削 刀具来加工。切削加工所用的刀具为人工制作，刀具几何形状( 如前角、后角) 及其分布均可人为控制，法向力与切向力之比小，对机床刚度的要求相对较低， 切削加工效率高，但与磨削加工相比存在工件表面质量低、精度较差等不足。同 时，传统切削刀具在加工一些硬脆非金属材料时，刀具的耐用度和切削加工效率 往往很低，有时甚至无法加工；对于有色金属及其合金的精密和超精密加工，传 统刀具材料也难以胜任。 通过上述切削加工与磨削加工的对比分析发现：传统砂轮磨削加工表面质量 好，加工精度高，但存在磨粒形状及其分布规律随机不定、法向力与切向力之比 大、磨削比能高、磨削温度高，磨削过程中磨粒容易脱落等不足；而切削加工所 高校教师硕十学位论文 用的刀具为人工制作，刀具几何形状( 如前角、后角) 及其分布均可人为控制， 法向力与切向力之比小，对机床刚度的要求相对较低，切削加工效率高，但相比 于磨削加工存在工件表面质量低、精度较差的不足。针对这一现实情况，能否开 发制备出一种集传统切削刀具与砂轮的优点于一身，同时参与切削的刀刃数量 多，刀刃的形状与切削角度可人为控制的刀具呢? 这样的刀具在获得较高的加工 精度的同时也能获得较好的加工效率，这为开发新型刀具提供了新的思路。 随着现代制造业愈来愈多地使用自动机床、数控机床，迫切需要耐用度更高、 加工精度和加工效率更高、性能更加稳定的刀具材料。p d c ( p o l y c r y s t a l l i n e d i a m o n dc o m p a c t s ，简称p d c ) 超硬复合刀具材料正是适合上述切削刀具性能要 求的理想刀具材料之一。聚晶金刚石复合片( p d c ) 是将金刚石微粉在超高压高温 下一次性烧结在硬质合金基体上，从而将聚晶金刚石与硬质合金复合成一个整 体。由于它既具有金刚石的硬度和耐磨性又具有硬质合金的韧性和强度【l9 1 ，因 此它的出现具有划时代的意义。 相对于传统切削刀具和单晶金刚石，聚晶金刚石复合片( p d c ) 刀具具有以下 优点：( 1 ) 晶粒呈无序排列，具有各向同性，无解理面；( 2 ) 具有较高的强度，特别 是p d c 刀具材料由于有硬质合金基体的支撑而具有较高的抗冲击强度，在冲击 时一般只产生小晶粒破碎，因而p d c 刀具不仅可用于精密切削加工和普通半精 密加工，而且还可用作较大切削量的粗加工和断续加工，这大大扩展了金刚石刀 具材料的使用范围；( 3 ) 可以制成特定形状以适合于不同加工的需要。由于p d c 刀具坯料大型化和加工技术如电火花、激光切割技术的提高，三角形、人字形以 及各种异形刀坯均可加工成型；( 4 ) 可以设计或预测产品的性能从而赋予刀具必要 的特点来适应它的特定用途，如选择细粒度的p d c 刀具材料可使刀具刃口质量 提高，粗粒度的p d c 刀具材料可使刀具的耐用度提高等。 自上世纪7 0 年代初美国g e 公司成功研制p d c 超硬复合刀具材料c o m p a x 以来，由于其优异的刀具切削性能，已广泛地应用于有色金属及其合金、预烧结 硬质合金、耐磨的非金属材料( 如陶瓷、石材、玻璃) 、复合地板及各种颗粒增 强复合材料的精密切削加工。这种新型刀具材料的使用，不仅大大提高了刀具的 耐用度、切削加工的效率和加工精度，明显改善了加工零件的表面质量，而且还 解决了许多其他难加工材料的加工问题，大大扩充了切削加工的使用范围。通过 对近年来p d c 刀具应用的分析，p c d 刀具主要应用于以下两方面：( 1 ) 难加工有 色金属材料的加工：用普通刀具加工难加工有色金属材料时，往往产生刀具易磨 损、加工效率低等缺陷，而p c d 刀具则可表现出良好的加工性能；( 2 ) 难加工非 金属材料的加工：p c d 刀具非常适合对石材、工程陶瓷、碳纤维增强塑料、人 造板材等难加工非金属材料的加工，用它加工这些材料可有效避免刀具易磨损等 缺陷。 有序化p d c 刀具的制备及j e 切削性能研究 本文通过对传统磨削砂轮与切削刀具各自优缺点的总结以及对p d c 刀具加 工性能的分析，设计和制备了一种集传统切削刀具与砂轮的优点于一身，在获得 较高的加工精度的同时，还能获得较好的加工效率的有序化p d c 刀具。通过采 用激光切割的p d c 纤维取代传统砂轮的磨粒与切削刀具的刀片，有序化p d c 刀 具同时参与切削的微刃数量比传统切削刀具的刀刃数多得多，但比传统砂轮磨粒 的数量少，单个微刃的切削深度介于传统砂轮磨粒的切削深度与传统切削刀具的 切削深度之间，可以在获得较高加工效率的同时保证较好的加工质量。同时通过 p d c 纤维微刃在刀具基体材料中的定向、均匀、有序排布，保证每个p d c 纤维 微刃具有锋利的刀刃并能以一定的切削角度进行切削。这样，有序化p d c 刀具 具有法向力与切向力之比小、同时参与切削的微刃多、微刃的形状与分布可人为 控制等特点，加之p d c 本身具有的高硬度、高耐磨性以及导热性好等特性，使 得有序化p d c 刀具相对于传统切削刀具和砂轮，具有加工精度高、刀具寿命长、 切削比能小和加工效益好等优势，既适于工程陶瓷、半导体硅片、光学玻璃等脆 硬材料的高效精密加工，也适于铝合金等高塑性合金材料高效精密加工。因此， 有序化p d c 刀具加工是磨削和切削加工的结合点，集切削与磨削的优点于一身， 是对刀具和砂轮在结构和工艺上的一种创新，具有广阔的市场空间和应用前景。 1 2 p d c 刀具的一般制备工艺及应用介绍 1 2 1p d c 刀具的一般制备工艺介绍 在金属( 非金属) 切削技术中，刀具技术的革新具有十分重要的意义，它直 接影响机床加工效率的高低和加工质量的好坏。为了不断提高生产效率、降低产 品成本、增强产品的竞争能力，各工业发达国家都在大力进行刀具新技术的研究 开发工作。国际上著名的切削与机床方面的权威人士认为：“合理地选择与应用 现代刀具是降低成本、获得主要经济效益的关键”。在这种认识的推动下，国外 新的刀具材料，高效刀具新产品和刀具制造新工艺不断涌现，p d c 超硬材料刀 具的应运而生就是很好的证明。 p d c 刀具是新兴的超硬刀具材料，由经过精选的人造金刚石微晶体在高温 高压下烧结而成。烧结过程中由于添加剂的加入，使金刚石晶体间形成以t i c 、 s i c 、f e 、c o 和n i 等为主要成分的结合桥，金刚石晶体以共价键的结合形式牢 固地嵌于结合桥构成的坚强骨架中，使p d c 的韧性和抗冲击性能大大提高。聚 晶金刚石复合片由聚晶金刚石( p c d ) 层和硬质合金基底组成。p c d 层具有接近天 然金刚石的高硬度，硬质合金基底则具有良好的韧性，二者结合使p d c 刀具在 切削加工、木材加工和钻探等行业获得了广泛应用。目前，p d c 刀具的制作大 体可分为三步：( 1 ) 聚晶金刚石复合片的切割；( 2 ) 与刀体的焊接；( 3 ) 刃磨。其中聚 晶金刚石复合片的切割一般采用激光切割( l a s e rc u t t i n g ) 、电火花线切割( e d m 高校教师硕十学位论文 c u t t i n g ) 或超声波加t ( u l t r a s o n i cm a c h i n i n g ) ；焊接工艺多采用高频感应钎焊的方 式。 聚晶金刚石复合片制成的刀具切削效果远高于硬质合金和陶瓷涂层刀具，但 是能否在实际应用中发挥材料的优良性能，还要看刀具的加工水平以及合理选择 刀具几何角度，因此必须掌握p d c 刀具的制造工艺。图1 1 为p d c 刀具的一般 制造过程。 图1 1p d c 刀具的制造过程 1 2 1 1p d c 刀具材料的制造 由天然或人工合成的金刚石粉末与结合剂( 其中含c o ，n i 等金属) 按一定比 例在高温( 1 0 0 0 - 2 0 0 0 0 c ) 高压( 5 1 0 g p a ) 下烧结在硬质合金基体上而成。在烧结 过程中，金刚石晶体以共价键形式形成d d 结合的骨架结构，以f c 、c o 、n i 、 t i 、s i c 等为主要成分的结合剂镶嵌于金刚石d d 结合骨架的间隙中。通常p d c 复合片制成固定直径和厚度的圆盘，还需对烧结成的p d c 复合片进行研磨抛光 处理及其他相应的物理、化学处理。 1 2 1 2p d c 刀片的加工 p d c 刀片的加工主要包括聚晶金刚石复合片的切割、刀片的焊接、刀片刃 磨等步骤。将聚晶金刚石复合片切割成各种形状的刀片钎焊在刀杆上，然后开刃 和刃磨刀尖圆弧。其中p d c 刀具的前刀面均要求采用研磨抛光方法，将p d c 表 面研磨成镜面，以尽量减少积屑瘤的生成，并使切屑能顺利排出。一般情况下， p d c 刀具材料或切割成标准刀片的聚晶金刚石层已经研磨成抛光面，因此p d c 有序化p d c 刀具的制备及】e 切削性能研究 刀具制造时一般前刀面不再进行研磨抛光处理。下面具体介绍p d c 刀片的切割、 焊接以及刃磨等工艺。 1 聚晶金刚石复合片的切割 聚晶金刚石复合片具有很高的硬度和耐磨性，必须采用特殊的加工工艺，目 前主要采用电火花线切割加工、激光加工和超声波加工，其主要的加工工艺特点 见表1 1 。 表1 1 p d c 复合片切割工艺的工艺特点 工艺方法工艺特点 高度集中的脉冲放电能量、强人的放电爆炸力使p d c 材料中的金属熔化，部 电火花加工 分金刚石石墨化和氧化，部分金刚石脱落。加工效率高 超声波加工加工效率很低，金刚石微粉消耗大，粉尘污染大 激光加工非接触加工，效率高，加工变形小，工艺性差 这几种加工方法中，电火花加工和激光切割加工的效果较好。由于p c d 层 中金属结合剂的存在使电火花加工聚晶金刚石复合片成为可能，在有工作液的条 件下，利用脉冲电压使靠近电极金属处的工作液形成放电通道，并在局部产生放 电火花，瞬间高温可以使聚晶金刚石熔化、脱落，从而切割成所要求的三角形、 长方形或正方形的刀头毛坯。其中切削速度的合理选择十分关键，实验表明，增 大切削速度会降低加工表面质量，而切削速度过低则会产生“拱丝”现象，并降低 切割效率。而在激光切割中，由于激光以极高的能量密度使材料在很短的时间内 熔化或气化，利用其进行材料的切割加工不受材料硬度、脆性等力学性能的影响， 因此，被认为是p d c 等超硬材料最有效的加工方法之一。 2 p d c 刀片的焊接 p d c 刀片与刀体的结合大多是通过钎焊的方式将p d c 片压制在硬质合金基 体上。焊接的方法主要有激光焊接、真空钎焊、高频感应钎焊等。目前在p d c 刀片焊接中应用最广泛的是高频感应加热钎焊。 p d c 材料本身的耐热性较差，焊接温度不宜超过7 0 0 0 c ，时间不宜过长，但 又必须要达到一定的焊接强度。由于材料价格较贵，从成本角度考虑，应尽可能 减小刀坯材料，过小的刀坯必然要求其焊接强度更高。大部分刀坯的有效焊接面 积均在1 0 m m 2 以下，因此焊接强度必须保证在1 2 0 m p a ( 剪切强度) 以上。焊接 前的表面应经超声波或其他净化处理，并进行仔细的清洗以去除表面油污、氧化 物等影响焊接强度的杂质。焊接后要谨慎地缓慢冷却，以减小热应力。 3 p d c 刀片的刃磨 聚晶金刚石的材料去除率极低。目前，p d c 刀具的刃磨工艺主要采用树脂 结合剂金刚石砂轮进行磨削。选择砂轮前需要综合考虑砂轮的磨料、粒度、硬度 等因素的影响。由于砂轮磨料与p c d 层之间的磨削是两种硬度相近的材料间的 高校教师硕上学位论文 相互作用，因此其磨削规律比较复杂。对于粗粒度、低转速砂轮，采用水溶性冷 却液可提高p c d 层的磨削效率和磨削精度。 电火花磨削技术( e d g ) 几乎不受磨削工件硬度的影响，因此采用电火花磨削 技术磨削p c d 有较大的优势，这种磨削工艺还可以磨削某些复杂形状的p d c 刀 具，电火花磨削技术将成为p c d 磨削的一个主要发展方向。 p d c 刀具的最终刃磨是在专用的金刚石砂轮工具磨床上进行的。工具磨床 与普通磨床有较大的区别【2 0 】：( 1 ) 砂轮主轴及机床整体的刚性较高；( 2 ) 独特的砂 轮架摆动机构使砂轮架作横向摆动，防止因砂轮磨削比过低而在砂轮表面出现沟 槽；( 3 ) 配备有高精度回转工作台系统和光学投影装置。 1 2 2p d c 刀具的设计原则 1 2 2 1刀具材料的选择 1 合理选择p d c 刀具金刚石粒度 p d c 粒度的选择与刀具加工条件有关，如设计用于精加工或超精加工的刀 具时，应选用强度高、韧性好、抗冲击性能好、细晶粒的p d c 刀具材料。粗晶 粒p d c 刀具则可用于一般的粗加工。p d c 材料的粒度对于刀具的磨损和破损性 能影响显著。研究表明：p d c 粒度号越大，刀具的抗磨损性能越强。如采用d e b e e r s 公司的s y n d i t e0 0 2 和s y n d i t e0 2 5 两种p c d 材料加工s i c 基复合材 料时，对其进行刀具磨损实验结果表明，粒度为2 1 x m 的s y n d i t e0 0 2 p c d 更容 易磨损。 2 合理选择p d c 刀片厚度 通常情况下，p d c 刀具的聚晶金刚石层约为0 3 1 0 m m ，加上硬质合金层 后的总厚度约为2 8 m m 。较薄的p c d 层有利于刀片的电火花加工。d eb e e r s 公司推出的0 3 m m 厚聚晶金刚石复合片可降低磨削力，提高电火花的切割速度。 聚晶金刚石复合片与刀体材料焊接时，硬质合金层的厚度不能太小，以避免因两 种材料结合面间的应力差而引起分层。因此，在刀具的制备过程中合理地选择 p d c 刀片的厚度也是很重要的。 1 2 2 2p d c 刀具的结构及几何参数设计 p d c 刀具的几何参数取决于工件状况、刀具材料与结构等具体加工条件。 由于p d c 刀具常用于工件的精加工，切削厚度较小( 有时甚至等于刀具的刃口 半径) ，因此其后角及后刀面对加工质量有明显影响。较小的后角、较高的后刀 面质量对于提高p c d 刀具的加工质量可起到重要作用。 1 2 3p d c 刀具的应用介绍 工业发达国家对p d c 刀具的研究开展较早，其应用已比较成熟。自上世纪 有序化p d c 刀具的制备及其切削性能研究 7 0 年代初美国g e 公司成功研制p d c 超硬复合刀具材料以来，对p d c 刀具的研 制以及切削性能的研究获得了大量成果，p c d 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d eb e e r s 公司、 美国g e 公司、日本住友电工株式会社等。据报道，19 9 5 年一季度仅日本的p d c 刀具产量即达1 0 7 万把。p d c 刀具的应用范围已由初期的车削加工向钻削、铣 削加工等扩展。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p d c 刀具的主要考虑因素是基于p d c 刀具加工后的表面质量、尺寸精度及刀具寿命 等优势。目前，p d c 超硬刀具的品种正在不断增加，不仅有车刀、镗刀、铰刀、 成型刀具，还有用于制造齿轮的刀具，与此同时产量也在不断增加。l9 8 2 年美 国各种p d c 超硬刀具的产量为o 2 3 亿美元，1 9 8 9 年增至1 o l 亿美元，占美国 刀具总产量的4 1 4 ，据日本通产省统计，日本1 9 9 5 年一季度p d c 切削刀具的 产值达15 7 3 亿日元。至2 0 0 3 年，全球p d c 刀具年销售额已达4 亿美元左右。 随着现代制造业尤其是汽车制造业的快速发展，p d c 超硬刀具的生产与应用也 得到了快速发展，p d c 刀具的市场份额不断增加。 p d c 切削刀具在我国起步于上世纪7 0 年代中后期，当时郑州磨料磨具研究 所研制的p d c 切削刀具是采用整体柱状均质p c d 为刀头，经铣孔、镶嵌( 或焊 接) 、出刃、刃磨而成。但是p c d 无衬底因而焊接性能差；p c d 与刀杆的固结 主要是通过机械镶嵌来把持，刀头易脱落；同时p c d 层较厚( 2 m m - - - 4 m m ) 使其 加工工艺性差( p c d 的磨削比仅为硬质合金的1 1 0 0 0 左右) ，这给p c d 切削刀 具的制造带来难以预料的困难【2 。 到上世纪7 0 年代末8 0 年代初，在成都某研究所等单位成功研制了p c d - 硬 质合金复合片、p c b n 硬质合金复合片之后，p d c 切削刀具才有较大的进展， 这时不仅刀头易焊接( 硬质合金衬底较易焊接) ，而且刀具刃磨效率大大提高， 但是由于刀具质量不理想，国内仅有少量的p d c 刀具应用。8 0 年代末，随着国 外p d c 切削刀具的引进以及p d c 切削刀具制造工艺的逐步改进，才使得p d c 刀具在切削性能上有了明显改善。但是由于加工p d c 切削刀具无专用装备和工 艺，而采用通用设备生产的p d c 切削刀具因其刚性差、无针对性，前后刀面粗 糙、切削刃崩口较大、刀尖呈折线而非理想光滑圆弧、切削过程易粘刀而使得加 工工件表面不理想。另外由于当时p d c 切削刀具质量差，市场处于初级阶段， 研发投资少等，p d c 切削刀具仅用于硬质合金刀具难以加工的零件。 上世纪9 0 年代初随着国外p d c 切削刀具技术设备的引进以及北京某所在 p d c 表面加工中取得重大的进展( p c d 表面可研磨抛光到准镜面) ，使国内p d c 切削刀具的刃口质量得到质的提高。到了9 0 年代中后期，国外p d c 切削刀具及 制造设备的大量进口以及国内p d c 切削刀具制造技术的完善，p d c 切削刀具得 到高速发展。初步估计，目前全国有p d c 切削刀具制造厂家3 0 - - 4 0 家，研发高 高校教师硕t ：学位论文 校十余所，国内的清华大学、大连理工大学、华中科技大学、吉林大学、哈尔滨 工业大学等均在积极开展这方面的研究。同时，国内从事p d c 刀具研发、生产 的有上海舒伯哈特、郑州新亚、南京蓝帜、深圳润祥、成都工具研究所等几十家 单位。p d c 刀具的加工范围已从传统的金属切削加工扩展到石材加工、木材加 工、金属基复合材料、玻璃、工程陶瓷等材料的加工。目前，国内p d c 切削刀 具年产量约2 0 万把左右，销售额约4 0 0 0 万元。但市场上仍有1 3 的切削刀具为 进口，另外国产p d c 切削刀具中多数的刀片为进口。因此，这方面的研究工作 仍有待提高和深入开展。 而在p d c 刀具的应用方面，由于p d c 刀具具有硬度高、抗冲击强度高、导 热性及耐磨性好等特性，在切削加工领域有着极其广泛的应用前景，发挥着日益 重大的作用。p d c 刀具主要应用在以下几个方面： 1 2 3 1在石油地质钻探中的应用 聚晶金刚石复合片钻头( 简称p d c 钻头) 是近些年来研制发展的新型钻井 钻探钻头，它采用人造聚晶金刚石制作的复合片作为切削齿来制备钻头1 2 引。由 于p d c 钻头具有极高的耐磨性、抗冲击韧性和锐利的切削刃等优异性能，自上 世纪7 0 年代末8 0 年代初以来，国外在油井钻探、煤田钻探和部分岩心钻探中逐 步开始使用其进行钻探工作，从而大大提高了机械钻速和钻头寿命，降低了钻进 的综合成本和成孔周期，取得了明显的经济效益。我国从上世纪8 0 年代末开始 生产p d c 钻头。随着p d c 钻头技术和刀具材料技术的不断改进，它在石油与天 然气钻探中的应用范围、使用数量及完成钻井工作量日益增加。目前，在世界钻 头市场中p d c 钻头估计占市场总额的3 5 以上，随着p d c 本身品质的不断提高， p d c 钻头不仅适合于软、中地层的钻探，而且在硬地层、破碎性地层、夹层、 超深井的钻探中也有良好的表现与突破性进展。p d c 钻头具有重量轻、钻速快、 进尺多、应用面广、成本低、经济效益好等优点。 目前世界范围内的石油、天然气钻井已广泛使用p d c 钻头，在很多方面p d c 钻头已取代了硬质合金牙轮钻头的主导地位。这种钻头与硬质合金牙轮钻头相 比，硬度和耐磨性高，切削速度快，而且没有运动部件，在很大程度上降低了成 本，提高了效率，还从结构上消除了事故隐患，因而深受用户欢迎。在地层相同 的情况下，p d c 钻头与牙轮钻头相比，机械钻速可以提高3 3 1 0 0 ，成本可 以降低3 0 5 0 ，单次进尺可增加3 4 倍。 1 2 3 2 在宝石加工中的应用 p d c 在宝石加工上的应用是近年来开拓的新领域，市场前景十分看好。在此 项应用中其硬度远低于钻探等领域的要求，为适应宝石的加工需要作一些特殊的 处理。在性能上与普通p d c 有所区别，它不需要一味追求极高的硬度和耐磨性， 有序化p d c 刀具的制备及其切削性能研究 而是根据加工宝石的具体要求进行结构设计。 目前，国内许多公司生产此类聚晶金刚石，产品大多出口国外。近年来，浙 江、广东一带的宝石生产厂家也开始使用这一新技术，产品极具发展潜力。 1 2 3 3汽车和航空航天等领域中的应用 p d c 刀具在制造领域，尤其是在汽车和航空航天领域作为传统的硬质合金 刀具的高性能替代产品而得到广泛应用。近年来，为了减少汽车、飞机的总重量 和燃油费用，铝合金材料在汽车和飞机的零部件中的使用越来越多。为此，用于 加工铝合金零部件的p d c 刀具的使用量也在快速增长。p d c 刀具寿命长，能实 现高效、高速、高精度的切削加工。如用聚晶金刚石复合片c o m p a x 铣刀铣削 3 8 0 铝合金压铸件发动机外壳平面时，一个刀刃可加工1 8 0 0 0 件左右，为普通硬 质合金铣刀耐用度的4 5 0 倍。同时，由于p d c 刀具的刀刃可长时间保持锋利， 故不会产生铝屑粘附在刀刃上而形成大量毛刺的现象，不仅可大大提高加工表面 质量，而且可省掉去毛刺工序，机床生产率可提高一倍。汽车工业领域中的活塞、 汽缸、传动等一些相关零件以及航空航天领域中的一些精密、难加工零件都采用 p d c 刀具进行加工。日本住友电工硬质材料公司开发的耐磨损性能和抗崩刃性 能兼优的牌号为s u m i d i ad a 2 2 0 0 的p c d 刀具材料，能大幅度地提高刀尖强度， 实现铝合金的稳定、高质量加工，并能保证刀具具有较长的使用寿命。目前，国 内各大汽车制造厂也都在使用和开发p d c 刀具，其中中国第一汽车集团公司已 有p d c 车刀使用点10 0 多个，对提高汽车产品的质量起到了很重要的作用。 1 2 3 4 在木材加工和建筑行业中的应用 p d c 刀具在木材加工工业中的开发应用始于上世纪8 0 年代初，1 9 9 2 年p d c 刀 具在这一领域的年产值在3 0 0 0 万美元左右，年增长率为1 5 2 0 。从全球来看， 欧洲市场发展最成熟，产值约占2 3 。 随着建筑业的蓬勃发展，作为一种特殊的人造板材强化复合地板得到了 广泛的应用，其加工工艺也逐渐引起人们的普遍关注。p d c 刀具是近年来人们加 工强化复合地板耐磨层时普遍采用的一种刀具。一方面，强化复合地板的耐磨层 一般是a 1 2 0 3 颗粒与密胺树脂浸渍而成；另一方面，由于p d c 是单晶金刚石微粉 同金属结合剂经高温高压合成的，既具有较高的硬度，又有较强的耐磨性和热传 导性。相对于传统的高速钢或硬质合金刀具而言，采用p d c 刀具加工强化复合地 板的耐磨层能够实现良好的切削质量，具有良好的加工效率和刀具耐用度。目前， p d c 刀具品种有p d c 镶齿圆锯片、成型铣刀、麻花钻以及各种装夹式和钎焊式刀 具。采用p d c 作为木材加工和复合地板加工的刀具材料具有以下优点：( 1 ) 由于硬 度高、耐磨性好，使用寿命为同类硬质合金刀具的2 0 0 - - - 4 0 0 倍，使更换刀具时间 由原来的每几小时延长到几个月一次，减少了停机换刀次数及刃磨工时，提高了 崩植教师颈学位论文 设备利用率和术制品生产率：( 2 ) 刀尖后退刀量小，可以提高切削速度，增加每齿 进给量，同样可以提高生产率；( 3 ) 可获得较低的租糙度和较高的精度；( 4 ) 经济效 益好，刀具成本相对于同类硬质合金刀具其加工成本可下降2 0 6 9 。 目前p d c 刀具的应用市场在逐年增加，其在汽车制造、家具制造和航空航 天等领域中的占有份额如图l2 所示 2 a l 。 航空航天其它 3 8 木工刀具 2 9 图】2p d c 刀具用途占有份额比倒图 1 3 新型有序化p d c 刀具的构想 汽车制造 6 0 尽管国内外许多学者对砂轮与切削刀具材料开展了大量的研究工作，在传统 砂轮与切削刀具的结构与制备工艺方面取得了大量创新性的研究成果，然而，还 未曾有人从如何结合砂轮与切削刀具的优点以开发新型结构的刀具这样一个视 角去考察与创新加工工具。因此，对于砂轮与刀具的创新都是局部改进，没有克 服砂轮与切削刀具所存在的一些固有的不足。对于传统结构的砂轮和切削刀具存 在的不足在前面已进行了详细的阐述和分析，其主要不足是无法克服加工质量、 生产效率、刀具耐用度三者之问的矛盾。传统砂轮磨削加工表面质量好，加工精 度高但存在磨粒形状及其分布规律随机不定、法向力与切向力之比大、磨削比 能高、磨削温度高，磨削过程中磨粒容易脱落等不足；而切削加工所用的刀具为 人工制作，刀具几何形状( 如前角、后角) 及其分布均可人为控制，法向力与切 向力之比小，对机床剐度的要求相对较低，切削加工效率高，但相比于磨削加工 存在工件表面质量低、精度较差等不足。在此基础上，我们提出和制备了一种集 传统切削刀具与砂轮优点于一身，在获得较高的加工精度的同时，能获得较好的 加工效率的有序化p d c 刀具。通过对切削刃的均匀捧布与刃磨以及增加参与切 削的刀刃数量可以在降低单个切削刃的切削参数的同时保持总体的切削效率不 变，并且可大大降低切削