PCD刀具应用综述

发布时间: 2020-06-04 发布者: 富耐克应用研究中心

聚晶金刚石(Polycrystalline Diamond,简称PCD)是一种金刚石和硬质合金组成的复合材料,通常是通过将添加一定量结合剂的金刚石粉末与硬质合金基体组装在一起,然后在超高温高压条件下烧结制得的。

PCD有极高的耐磨性和硬度、低摩擦系数、高导热率等特点,使得PCD刀具可以实现高速、高效和高精加工,在航空航天、汽车、电子、木材以及石材等领域有着广泛的应用前景。

1.PCD的性能特点

(1)高硬度和耐磨性

PCD具有硬度高、抗压强度高、导热性及耐磨性好的特点,可在高速切削中获得很高的加工精度和加工效率。PCD刀具的此种特性是由金刚石晶体状态决定的,该结构具有很强的结合力和方向性,从而使金刚石具有极高硬度。

(2)各向同性、无解理面

PCD是由微米级或亚微米级金刚石小颗粒通过一定方法合成的聚合体,颗粒无序堆积的混乱性导致其各向同性,可在切削工件时发挥最好的性能,而不需要选择方向,同时也不易沿单一解理面裂开,优化了力学性能。

(3)高加工精度

PCD刀具具有较低的热膨胀系数和很高的弹性模量,因而在切削过程中刀具不易变形,同时可以减小切削力和降低切削温度,提高刀具耐用度和切削率,从而获得良好的加工表面。

(4)低摩擦系数

PCD具有较低的摩擦系数,与有色金属和非金属材料间的亲和力很小,不仅可以降低变形和切削力,而且在切削加工中不产生积屑瘤,大大降低了加工工件表面的粗糙度。

(5)高导热率

PCD的导热率很高,比银、铜还要好,比一般硬质合金高得多,因此在切削过程中容易散热,切削温度较低。

2.PCD的应用

(1)PCD在汽车和航空航天领域中的应用

PCD刀具在汽车领域主要用于加工发动机活塞的裙部、销孔、汽缸体、变速箱等。由于这些部件材料含硅量较高(10%以上),对刀具的使用寿命要求高,而PCD刀具耐用度是硬质合金刀具的1-50倍,可保证零部件尺寸的稳定性,并可大大提高切削速度、加工效率和工件的表面质量。

在航空航天领域,采用PCD刀具加工铝合金(AlSi2)缸盖,切削速率较高,且刀具寿命比硬质合金提高约20倍,工件的表面质量也大大提高。

(2)PCD在木材加工行业中的应用

木材加工也是PCD刀具应用的重要领域。随着人工合成板材(中密度纤维板、刨花板及复合地板等)的飞速发展,加速了对超硬刀具的需求,使PCD刀具逐步替代了传统木工刀具在市场中的地位。

强化复合地板最外层的Al2O3对硬质合金刀具的磨损很大,利用PCD刀具能够有效地解决这个问题。因此,PCD在木工行业的主要市场是强化复合地板和高硬度纤维板的加工。

(3)PCD在电子加工行业中的应用

电子行业中对电气印刷板制作的要求越来越高,一般刀具在使用中会有毛边,影响电气元器件的安装定位,且整张印刷板不美观;硬质合金刀具在加工中,寿命短、加工速度慢、效率低、加工精度差。采用PCD刀具,加工效率高,加工成本低,应用比较广泛。

(4)PCD在玻璃切割加工行业中的应用

PCD制成的刀轮主要用于电子产品的液晶屏的高精度、高品质切割,同时可以切割建筑用和汽车用玻璃。芯棒与刀轮均为PCD材料,具有加工精度高、耐磨损、一致性好的优点,同时使用寿命高,是普通玻璃刀和硬质合金玻璃刀轮的理想替代品。

(5)PCD在复合材料行业中的应用

采用PCD刀具加工玻璃纤维增强复合材料,其刀具寿命是硬质合金刀具的60倍左右,单件加工成本为硬质合金刀具的1/20,且加工精度比硬质合金高。

PCD因其良好的加工质量和加工经济性在非金属材料、有色金属及合金、复合材料等领域显示出独一无二的优势。如果实现高速钢和硬质合金刀具的双替代,PCD刀具市场空间将更加巨大。

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