PDC刀具设计要素的选择原则①

苏慧涛

(北京天地东方超硬材料有限公司,北京 100018)

1 引言

PDC刀具是采用超硬材料PDC(聚晶金刚石/PCD复合片)与刀具基体通过焊接、刃磨等工艺制成的刀具,如图1所示。具有硬度极高,耐磨性好,加工效率高,摩擦系数低,导热性能优越等优点,主要用于加工铝、铜等有色金属及其合金、木工材质、非金属材料及复合材料等,不适合黑色金属的加工。广泛应用于汽车摩托车制造业、航天航空制造业、计算机和家电制造业、模具、机电制造业及其它行业。

图1 常见PDC刀具Fig.1 The common PDC cutting tool

2 PDC设计要素的选择原则

PDC刀具的生产设计通常要根据加工对象的材料性能、形状、光洁度、机床性能、PDC复合片等因素综合考虑,以确定刀具材料、刀体、主偏角、副偏角、后角、前角、刃倾角、刀尖圆弧、刃带等要素的选择。

3 PDC材料的选择

3.1 PDC粒度选择

PDC粒度大致分为三大类：粗粒度(20～50μm)、中粒度(10～20μm)、细粒度(0.5～10μm)；通常PDC粒度影响着刀具刃口锯齿度、抗冲击强度、使用寿命。细粒度的PDC刀具强度高、韧性好、抗冲击性能好,可以加工出好的刃口,获得良好的表面光洁度,主要用于精加工或超精加工,但相对粗粒度PDC刀具而言,其使用寿命偏低。而粗粒度PDC刀具,粒度越粗,刀具的抗磨损性能越强,刀具使用寿命越长,相对的刀具却越脆,抗冲击能力越差,且刀具刃口也越差,一般用做粗加工刀具。研究表明：10～25μm粒度的PDC刀具适合加工ω(Si)＞12%的高硅铝合金(ν=300～1500m/min)及硬质合金,8～10μm粒度的PDC刀具适合加工ω(Si)＜12%的硅铝合金金、铜及铜合金或非金属材料等材料,4～5μm粒度的PDC刀具适合干切加工FRP、木材或纯铝等材料。具体选择原则如表1所示：

PDC厚度根据实际生产需要进行确定。

(1)当刀体本身有足够的强度时,PDC整体厚度可以选用常规刀片厚度(1.6mm或2.0mm)。当刀体后刀面强度较低时,需要对PDC刀片的硬质合金层进行减薄,以增加刀体后刀面厚度,提高刀体支撑强度,例如设计厚度在2.38mm、3.18mm的薄机卡片及小直径钻头铣刀等刀具时都要考虑减薄PDC。但硬质合金层的厚度也不能太小,以避免焊接时因两种材料结合面间的应力差而引起分层。

(2)当刃口加工采用电火花加工时,宜采用金刚石层较薄的PDC,可提高PDC片的可加工性,进而提高切割速度。例如De Beers公司推出的金刚石层仅为0.3mm厚的PDC复合片,可降低磨削力,提高电火花切割速度[1]。

表1 不同粒度PDC刀具的加工对象[1]Table 1 The processing object of PDC cutting tool with different grit

4 刀体的选择

刀具刀体主要用于承载PDC刀片及实现刀具的装卡。一般多采用高频焊机(有特殊需要的也可采用真空焊接技术)将PDC刀片焊接在合适的刀体上,所以在焊接过程中刀体材料的金属性越好,刀体被加热的速度就越快,相对加热时间越短,焊接效率越高,同时PDC复合片在空气中被裸露加热的时间越短,对PCD层的性能影响越小(聚晶金刚石在空气中加热到700℃时开始氧化[2])。一般的常用刀体可选45#钢、40Cr,对于使用刀杆较细或者要求刀杆强度较高时可选用白钢或硬质合金作为刀体,以提高刀体强度防止振动。

5 PDC刀具角度的选择

5.1 主偏角(κr)的选择

主偏角的大小影响径向力Fx和轴向力Fy的分配比例及切削刃的长度。在背吃刀量ap和进刀量f相同的条件下,主偏角减小,径向力Fx增大和轴向力Fy减小,如图2所示；同时参与切削的切削刃长度增加,切削厚度减小,单位刃长度上的载荷减小,并增大刀尖角,因而有利于提高散热体积和刀尖强度,近而提高刀具寿命,如图3所示。

图2 主偏角与切削力的关系Fig.2 Relationship between the main angle and cutting force

图3 主偏角与切削载荷分布关系图Fig.3 Relationship between the principal angle and cutting load distribution

在设计中,PDC刀具的主偏角一般采用75°～90°,具体选择原则如下：

(1)加工细长杆时要尽量选用较大的主偏角,以减小径向力,减小工件的变形,正常情况下要选用较小的主偏角,增加参与切削的切削刃长度,减小切削力,使切削变得轻快,以提高刀具寿命。

(2)根据被加工材料的硬度来选择,当被加工工件较硬时,为减小单位切削刃上的载荷,PDC刀具一般多采用90°主偏角,加工较软材料时可采用较大的主偏角。

(3)要考虑被加工工件的形状来选择相应的主偏角,例如加工阶梯轴选用90°的主偏角。

(4)在精加工时可选用较小的主偏角,以提高工件表面的加工质量。

5.2 副偏角(κ′r)的选择

副偏角主要影响被加工工件的表面粗糙度和质量。PDC刀具一般选用较小的副偏角,必要时可以增加一段修光刃,一方面用来获得较高的表面光洁度,体现PDC刀具高精加工的优越性,另一方面可以弥补PCD材料本身的脆性,以增加刀尖强度,但较小的副偏角则会增加副后面与工件的摩擦和磨损,使加工温度升高,影响刀具的使用寿命。

具体选择原则如下：

(1)精加工刀具应取较小的或零度副偏角,以增加副切削刃对工件已加工表面的修光作用

(2)工件或刀具钢性较差时,应取较大的副偏角,以减少刀具与工件间的摩擦,防止工件或刀具振动。

(3)在切削过程中需要作用中间切入或双向进给的刀具,应取较大的副偏角

(4)切断、切糟及孔加工刀具的副偏角应取较小值,以保证重磨后刀具尺寸变化量较小

5.3 前角(γο)的选择

前角影响刀具的锋利度和刀楔的强度,加大前角则刃口锋利,切削轻快,平稳,同时刀尖强度下降,散热条件变坏,刀具寿命降低,且比较容易崩刃。

具体选择原则如下：

(1)由于PDC材料的脆性很大,很容易造成刃口崩刃,一般宜取较小的前角以增加刃口强度。

(2)根据被加工材料来选择,当加工的材料强度、硬度低,应选用较大的前角,例如：在用PDC刀具加工普通木制品时可选用10°至20°的大前角,在加工玻璃钢,陶瓷等硬脆材料时,要选用很小的前角甚至可以设计成负前角,例如：PDC刀具在切削碳化硅铝基复合材料时,以30～40m/min、后角6°、主偏角70°、刀尖圆弧半径0.1mm为参数,将前角设计为-6°可以取得良好的加工效果。PDC刀具负前角可以选择5～12°[3],

(3)在设计槽刀,螺纹刀等成型刀具时宜采用较小的前角或者零度前角,以减小加工误差。

(4)在连续切削中由于对刀头的冲击性小,可选择较大的前角,以提高刀具的锋利度,在断续加工中由于对刀具的冲击性较大,设计中应选用较小的前角甚至负前角,避免造成崩刃。

(5)PDC刀具在使用中大多切削速度较高,前角对切屑变形及切削力的影响较小,宜选用较小的前角。

(6)在PDC刀具在用0°、5°等小后角硬质合金刀片为基体的设计中,可以适当考虑增加前角,以提高刀具的锋利度。

5.4 后角(αο)的选择

后角影响后刀面与工件表面的摩擦程度,刀具磨损的速率和刀楔的强度。加大后角可以减少后刀面与工件表面的摩擦,降低刀具的磨损速率和工件已加工表面硬化的程度,提高刀具的耐用度,但后角过大会使切削刃强度降低,散热条件变差,近而降低刀具寿命。对于PDC刀具多用于工件的精加工,切削厚度较小,属于微量切削,其后角对加工质量有明显的影响,较小的后角对于提高PDC刀具的加工质量起着重要的作用。

具体选择原则如下

(1)精加工刀具及切削厚度较小的刀具,磨损主要发生在后刀面上,为降低磨损要尽量采用较大的后角,粗加工刀具要求切削刃坚固,要采用较小的后角。

(2)当工件强度,硬度较高时,宜选用较小的后角(8°～12°),以增加刀具刃口强度,工件材料软、粘时,后刀面摩擦严重,应取较大的后角(10°～20°),加工脆性材料,载荷集中在切削刃处,为提高切削刃强度,要选用较小的后角,

(3)被加工工件的工艺性较差时,(如细长杆),要选用较小的后角,以增大后刀面与工件的接触面积,减小振动。

5.5 刃倾角(λs)的选择

刃倾角的作用：(1)控制排屑方向,当刃倾角为负时,切屑流向已加工表面；当刃倾角为正时,切屑流向待加工表面。(2)适当的刃倾角,可使切削刃逐渐切入和切出工件,使切削力均匀,切削过程平衡,负刃倾角车刀,可以在刀具切入工件时避免刀尖受到冲击以保护刀尖,但过大的负刃倾角会使径向切削力显著增加。

具体选择原则如下：

(1)PDC刀具多用于精加工,一般选用正的刃倾角使切屑流向待向工表面,以免划伤已加工表面。粗车时采用较小的刃倾角,以增强切削刃的强度,精车时一般采用较大的刃倾角,以减小径向切削力。微量切削的精加工刀具可取特别大的刃倾角。

(2)冲击负荷较大的断续切削,应取较大负值的刃倾角,以保护刀尖及刃口,提高切削平稳性,此时可配合采用较大的前角,以免径向切削力过大。

(3)加工高硬度材料时,可取负值倾角,以提高刀具强度。

6 PDC刀具刀尖圆弧(rε)的选择

刀尖圆弧(rε)主要影响被加工工件的光洁度及刀尖强度。

工件表面粗糙度与刀尖圆弧的关系式如下：[4]

Rmax——表面粗糙度最大值

f——进给量

rε——刀尖圆弧半径

根据图4和上述关系式可知：在进刀量一定时,刀尖圆弧增大可以提高被加工工件的光洁度；PDC刀具多用于精加工,进刀量一般设定在0.1～0.3mm/r,甚至更小,所以PDC刀具的刀尖圆弧一般取0.1～0.4mm,对于加工硬度高的材料,为增加刀尖强度,可以选择更大的刀尖圆弧；在工件或刀体强度较低时,要选择较小的刀尖圆弧,以减小切削振动。

图4 表面粗糙度最大值与刀尖圆弧的关系Fig.4 Relationship between the maximum surface roughness and the tip arc

7 PDC刀具韧带的选择

PDC刀具通过精抛韧带一方面可以降低刀具的刃口锯齿度,提高被加工工件的表面光洁度；另一方面选择合理韧带宽度可以提高刀具的使用寿命,降低刀具成本,一般选择在0.2～0.4mm,韧带太宽,后刀面与工件的接触面积越大,产生的热量越多,越容易造成金刚石层的石墨化,降低刀具寿命,韧带太窄又会影响刀具刃口强度,容易崩刀刃。

具体选择原则如下：

(1)加工对刀具磨损较严重的材料,宜选用小韧带或者不加工韧带,

(2)加工硬度高的材料宜适当地增加韧带宽度,以增加刀刃强度,

(3)对于较软材料宜适当减小韧带宽度,以提高刀具的寿命。

(4)在选择PDC材料20μm以上的粗粒度刀具时,可以选择不加工韧带。

8 总结

由于PDC刀具在许多场合可以实现以车、镗、铣代替磨削工艺,也是高速切削最理想的刀具之一,实现了现代切削加工的绿色制造,所以设计出优良的PCD刀具对现代化工业的发展有着至关重要的作用,因此对PDC刀具的设计要素的作用及选择原则有一定的了解和把握,对设计出性能优良的PDC刀具有一定的参考作用。

参考文献：

[1] 庄心辅.新型金属切削刀具设计制造与新材料选用及检测标准汇编[M].北京：中国电子科技出版社,2006：559-563.

[2] 白清顺,姚英学.聚晶金刚石(PDC)刀具发展综述[J].工具技术,2002(3).

[3] 章文峰,潘晓南.PDC刀具加工SiC颗粒增强铝基复合材料的合理切削速度[J].材料工程,1999(1).

[4] 袁哲俊,刘华明,金属切削刀具设计手册[M].北京：机械工业出版社,2009.