金刚石刀具切削铝合金时刀具材料和切削用量的选择

熊建武周进陈湘舜（湖南铁道职业技术学院机电工程系，湖南株洲412001）摘要：金刚石是切削有色金属的优选刀具材料。本文阐述了金刚石刀具材料的特性，切削加工铝合金时PCD刀具材料粒度和复合片厚度、几何角度、切削用量的选择。关键词：金刚石；刀具材料；粒度；切削用量；选择TheChoiceoftheMaterialandtheCuttingParameterwhenAluminumAlloyCuttedbyDiamondCutting-toolsXIONGJian-wu,ZHOUJin,CHENXiang-shun(DepartmentofMachineandElectricityEnginerring,HunanRailwayProfessional-TechnologyCollege,Zhuzhou412001China)Abstract：Diamondisthebestmaterialofcutting-toolstocutnonferrousmetals.Thispaperdiscussedthespecificpropertyofdiamondcutting-tools,thechoiceofthesizeandthicknessofPCDcutting-tools,thechoiceofdegreeofcutting-toolsandcuttingparameter,whenthealuminumalloycuttedbydiamondcutting-tools.Keywords：diamond;materialofcutting-tools;size;cuttingparameter;choice1金刚石刀具材料的特性适合于切削加工铝合金金刚石的热稳定性比较差，切削温度达到8000C时，其硬度就会大大降低。金刚石刀具不适合于加工钢铁类材料，因为，金刚石与铁有很强的化学亲合力，在高温下铁原子容易与碳原子相互作用使其转化为石墨结构，刀具极容易损坏。金刚石刀具主要适合于加工非金属材料、有色金属及其合金。采用单晶金刚石刀具，在超精密车床上可实现镜面加工。单晶金刚石刀具是目前超精密切削加工领域中最主要的刀具，其刃口可磨得非常锋利，刃口钝圆半径可达20～30nm，加工工件表面粗糙度极小，可达Ra为0.01µm的镜面水平，且刀具寿命很高，刃磨一次可以使用几百个小时。目前，单晶金刚石刀具广泛应用于加工计算机磁盘基片、录像机磁鼓、激光反射镜、各种天文望远镜、显微镜、光学仪器。聚晶金刚石（PCD）刀具主要用于加工耐磨有色金属及其合金和非金属材料，与硬质合金刀具相比，能在很长的切削过程中保持锋利刃口和切削效率，使用寿命远远高于硬质合金刀具。PCD刀具应用领域分布为：车削占37.6％、镗削占27.1％、面铣占20％、铰削占14.1％、钻削占1.2％。目前，PCD刀具已经广泛应用于汽车、摩托车、航空航天工业、国防工业中一些难加工的有色金属及其合金零部件的高速精密加工。据统计，在PCD刀具的使用领域中，汽车、摩托车占53%，飞机占10%，木材及塑料加工占26%，其他占11％。PCD面铣刀、镗刀、车刀、铰刀、复合孔加工等数控刀具等正大量应用于高强度、高硬度硅铝合金零部件自动生产线上，如用于加工汽车和摩托车发动机铝合金活塞的裙部、销孔、汽缸体、变速箱、化油器等。由于这些零件材料含硅量较高（w（Si）=12％以上），并且大多数采用流水线方式大批量生产，对刀具寿命要求较高，硬质合金刀具难以胜任，而PCD刀具寿命远高于硬质合金刀具，是硬质合金刀具寿命的几十甚至几百倍，且粒度大的PCD刀具有更优良的耐磨性，可保证零件的尺寸稳定性，并可大大提高切削速度、加工效率和工件的加工质量。在加工硅含量较高的铝合金时，除PCD刀具外，其他所有的刀具都在很短的时间内产生严重的磨损而不能继续切削。CVD金刚石是指用化学气相沉积法（CVD）在异质基体（如硬质合金、陶瓷等）上合成金刚石膜，CVD金刚石具有与天然金刚石完全相同的结构和特性。CVD金刚石不含任何金属或非金属添加剂，力学性能兼具单晶金刚石和PCD的优点，又在一定程度上克服了它们的不足。大量实践表明，焊接型CVD金刚石刀具的使用寿命超过PCD刀具，其抗冲击性优于单晶金刚石。CVD金刚石刀具的超硬耐磨性和良好的韧性使之可加工大多数非金属材料和多种有色金属材料，如铝、硅铝合金、铜、铜合金、石墨、陶瓷以及各种其成本远远低于价格昂贵的天然金刚石刀具。目前，CVD金刚石刀具除用于发动机活塞硅铝合金材料的加工外，还用于缸体、缸盖、高压油泵、汽油泵、水泵、发电机转子、起动机、汽车车体中玻璃钢部件的车、铣、钻、镗等的加工。较典型的CVD金刚石刀具产品有美国Kenametal公司的KD100刀片、KDF3OO牌号CVD金刚石涂层硬质合金立铣刀等。CVD金刚石刀具被认为是汽车发动机制造业中有广泛应用前景的新一代刀具材料，满足高速、高寿命、干式机加工技术要求。2加工铝合金PCD刀具粒度的选择2.1PCD刀具粒度的选择PCD刀具的性能主要与金刚石粒度有关。目前，金刚石制品制造商所提供的PCD刀片粒度随生产厂家不同而各异，但大致可分为3类，即粗粒度（20～50µm）、中粒度（10～20µm）和细粒度（0.5～10µm）。通常，粗粒度PCD中金刚石含量较高，耐磨性好，但用该类材料制成的刀具刃口总有微小崩刃，难以制作高精度刀具。细粒度PCD制成的刀具刃口锋利性好、形状精度高，但耐磨性不如粗粒度PCD，多用于精加工场合。中粒度PCD刀具介于两者之间。PCD刀具粒度的选择与刀具加工条件有关。如设计用于精密加工的刀具时，应选用强度高、韧性好、抗冲击性能好的细粒度PCD。粗粒度PCD刀具则主要用于一般的粗加工。PCD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：PCD粒度号越大，刀具的抗磨损性能越强。PCD粒径为10～25µm的PCD刀具适合于加工w（Si）12％的高硅铝合金（v＝300～1500m/min）及硬质合金；PCD粒径为8～9µm的PCD刀具适合于加工w（Si）12％的硅铝合金（v＝500～3500m/min）及通用非金属材料；PCD粒径为4～5µm的PCD刀具适合于切削加工FRP、木材或纯铝等材料。在任何情况下，细晶粒组织的PCD刀片不能用来加工w(Si)10％的硅铝合金，因为硅含量高将使细晶粒金刚石刀片的切削刃产生破损。表1和表2为PCD刀片粒度的选用。表1加工铝合金PCD刀具粒度的选用被加工材料PCD刀具粒度的选用粗粒度中粒度细粒度铝★☆铝合金（w（Si）13％）☆★铝合金（w（Si）13％）☆★注：☆第一优选，★第二优选。表2TaeguTecPCD刀具粒度的选用牌号粒度应用范围结合剂耐磨性韧性KP50010～25硅铝合金（w（Si）12%）和硬质合金的加工，铝合金的铣削（断续切削）逐渐减少↓↑逐渐提高逐渐降低↓KP3008～9硅铝合金（w（Si）12%）和铜合金的加工，普通有色金属的加工KP1004～5塑料、木材、铝合金的加工2.2PCD复合片的厚度选择通常情况下，PCD复合片的层厚约为0.3～1.0mm，加上硬质合金层后的总厚度约为2～5mm。较薄的PCD层厚有利于刀片的电火花加工。DeBeers公司推出的0.3mm厚PCD复合片可降低磨削力，提高电火花的切割速度。PCD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。3PCD刀具几何角度的选择PCD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。表3为PCD刀具的几何角度的选择。表3PCD刀具的几何角度的选择刀具几何角度刀具几何角度的选择前角γ0粗车高硬度材料时，一般采用较大的负前角，γ0=50～100，若硬度较低可采用较小的负前角；精车时一般采用O前角，甚至采用正前角，但一般小于100后角α0由于PCD刀具常用于工件的精加工，切削厚度较小，属于微量切削，其后角对加工质量有明显影响，较小的后角对于提高PCD刀具的加工质量可起到重要作用。当工件材料硬度较高时，可采用α0=80～120；当工件材料硬度较低时，可采用α0＝100～200刃倾角λS粗车时一般采用较小的刃倾角，以增加切削刃强度；精车时一般采用较大的刃倾角，以减小径向切削力主偏角kγ一般采用750～900。当粗车高硬度材料时，主偏角可设计成900，其目的是保持刀具强度和抗冲击性能。如加工细长工件时，可选用较大的主偏角，以减小径向切削力；精车时，可采用较小的主偏角，以提高加工表面质量4金刚石刀具切削用量的选择PCD刀具可在极高的主轴转速下进行切削加工，但切削速度的变化对加工质量的影响不容忽视。虽然高速切削可提高加工效率，但在高速切削状态下，切削温度和切削力的增加可使刀尖发生破损。PCD刀具加工时的进给量过大，将使工件上残余几何面积增加，导致表面粗糙度增大；进给量过小，则会使摩擦增加，切削寿命降低。增加PCD刀具的背吃刀量会使切削力增大、切削热升高，从而加剧刀具磨损，影响刀具寿命。此外，背吃刀量的增加容易引起PCD刀具崩刃。不同粒度等级的PCD刀具在不同的加工条件下加工不同工件材料时，表现出的切削性能也不尽相同，因此应根据具体加工条件确定PCD刀具的实际切削参数。表4为PCD刀具加工铝合金工件材料时的推荐切削用量。表5为TaeguTec公司PCD刀具推荐切削条件和牌号选择。表6为Ky-ocera公司PCD刀具推荐切削条件和牌号选择。表7为Dijet公司PCD刀具推荐切削条件和牌号选择。表4PCD刀具加工铝合金工件材料时的推荐切削用量被加工材料加工方式切削速度（m/min）进给量（mm/r）背吃刀量（mm）铝合金（w（Si）13％）粗车300～15000.10～0.40精车500～20000.05～0.200.10～1.0铣削500～30000.10～0.30mm/齿0.10～3.0铝合金（w（Si）13％）粗车150～8000.05～0.400.10～3.0精车200～10000.02～0.200.10～1.0铣削200～15000.10～0.30mm/齿0.10～3.0表5TaeguTec公司PCD刀具推荐切削条件和牌号选择切削方式被加工材料切削速度（m/min）进给量（mm/r）背吃刀量（mm）推荐牌号车削硅铝合金（w（Si）=4％～8%）800～25000.10～0.30.05～3.0KP300硅铝合金（w（Si）=9％～14%）600～12800.10～0.30.05～3.0KP300,KP500硅铝合金（w（Si）=16％～18%）300～6000.10～0.30.05～3.0KP500铣削硅铝合金（w（Si）14％）300～30000.10～0.20.1～3.0KP500湿式切削硅铝合金（w（Si）15％）300～12000.10～0.20.1～3.0表6Ky-ocera公司PCD刀具推荐切削条件和牌号选择被加工材料PCD刀具牌号冷却推荐切削用量KPD025KPD010KPD002切削速度（m/min）进给量（mm/r）背吃刀量（mm）铝合金☆☆干切/湿切300～10000.05～0.53.0注：☆第一优选，★第二优选。表7Dijet公司PCD刀具推荐切削条件和牌号选择被加工材料PCD刀具牌号推荐切削用量JDA200JDA400JDA420JDA10切削速度（m/min）进给量（mm/r）背吃刀量（mm）铝合金★☆☆☆500～15000.05～0.20～3.5高硅铝合金☆★～15000.05～0.20～3.5注：☆第一优选，★第二优选。参考文献：[1]邓建新,赵军.数控刀具材料选用手册[M].机械工业出版社,2005[2]艾兴.高速切削加工技术[M].国防工业出版社,2003[3]刘杰华,任昭蓉.金属切削与刀具实用技术[M].国防工业出版社,2006[4]陆剑中,孙家宁.金属切削原理与刀具[M].机械工业出版社,2006[5]陆剑中,周志明.金属切削原理与刀具[M].机械工业出版社,2006基金项目:2006年湖南省高