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PCD聚晶金刚石刀具行业基础资料

摘要: 人造聚晶金刚石复合片刀具(PCD),是20 世纪60 年代发展起来的一种超硬刀具。它具有仅次于天然金刚石的硬度和耐磨性、低的摩擦系数、高的导热性、低的线膨胀系数和高的复合抗弯强度, 而应用于高速切削各种有色金属、非金属。其刀具耐用度是硬质合金的几十至几百倍。

我国在60 年代就成功的研制出人造金刚石。又在此基础上, 用高温、高压技术在硬质合金基体上烧结一层聚晶金刚石, 两者形成一体的刀坯。这样就将金刚石的高硬度高耐磨性和硬质合金的韧性结合在一起。这种刀片称人造聚晶金刚石复合片,简称为PCD

二、人造聚晶金刚石复合片的性能与切削特点:

 

1.硬度为HV7500  9000,仅次于天然金刚石,而且它的硬度和耐磨性在各方向一致,不需选向。它的强度由于有韧性较高的硬质合金支撑,其复合抗弯强度σbb可达1500Mpa 

2.具有很高的耐磨性,其耐磨性一般为硬质合金的60 80 倍。在切削硬度较高的(HV>1500)非金属材料时,其刀具耐用度极高。

3.具有较低的摩擦系数,金刚石与有色金属的摩擦系数为0.1 0.3,而硬质合金与有色金属的摩擦系数是0.3 0.6,这样用PCD 刀具时,可降低切削力和切削温度约1/2 1/3 

4.具有很高的导热性,金刚石的导热系数为146W/m.k ,是硬质合金的1.5 7 倍,可以大大的降低切削区的温度,提高刀具耐用度。

5.金刚石的线膨胀系数很小(0.9  1.18 ×10-6mm/mm.  ),约为一般钢(11 ×10-6mm/mm.  )1/10。而且由于刀刃锋利,已加工表面冷硬现象小(6 μm左右),为硬质合金刀具的1/3 左右,所以加工精度好。

6.由于聚晶层晶粒直径一般约为2 0.5 μm,它的刃口锋利程度不如天然金刚石刀具, 所以加工精度低于天然金刚石刀具,只能达到表面粗糙度Ra0.2 0.05 μm.但它还可以制成尺寸较大的刀片,用于成形加工。

 

三、PCD 的应用

PCD 刀具主要用于高效切削有色金属和非金属。如铝和铝合金、铜和铜合金、硬质合金、工程陶瓷、石墨、塑料、橡胶、层板、硅橡胶、巴氏合金、各种复合材料、玻璃钢等。特别在汽车制造业、航天、航空、造船、发动机制造行业,可得到广泛的应用。

1.在硅铝合金切削加工中的应用: 美、英、德等国, 采用PCD 刀具加工硅铝合金(含硅量9 18 )的汽车活塞、传动箱、气缸、船用发动机等零件,切削速度Vc=173  1098m/min ,其刀具寿命为硬质合金刀具寿命的50 450 倍;是单晶金刚石刀具的2 5 倍。刀具成本为硬质合金的1/5 1/6

2.在铜合金切削加工中的应用:用PCD 刀具加工整流子、连杆套、泵体、滑动轴承和阀体等零件,切削速度Vc=200  750m/min ,刀具寿命是单晶金刚石刀的1.5 60 倍,是硬质合金刀具的300 倍。可省去大量的磨刀和换刀时间。

3.在复合材料加工中的应用: 采用PCD 刀具切削玻璃纤维增强复合材料, 其刀具耐用度是硬质合金刀具的1/20 ,并且加工精度比硬质合金高。

4.在钛合金切削中的应用:用它切削钛合金的效果非常显著,其刀具耐用度为硬质合金刀具的1000 多倍。而且它与钛合金的相互扩散最小。

5.在切削硬质合金中的应用:用PCD 刀具采用Vc=28 56m/min ap=0.5mm  f=0.1  0.3mm/r车削模具用硬质合金(YG15 YG20) ,效率比磨削高许多倍。

6.在切削砂轮中的应用: PCD 刀具车削硬度为HV1800  2450 刚玉类各种结合剂的砂轮几百个,其刀具磨耗体积与砂轮切除体积比例为1/1350 万。较传统的刀碗车削效率高几十倍,且噪音没有,粉尘也小。

7.在砂轮整修中的应用:用PCD 刀片制作成如图所示的休整工具,来修整磨刀机上的砂轮,具有修整效率高,砂轮修除量小,被修整砂轮表面跳动小而平整,受到社会上的欢迎。

PCD 刀具的性能特点

金刚石刀具具有硬度高、抗压强度高、导热性及耐磨性好等特性, 可在高速切削中获得很高的加工精度和加工效率。金刚石刀具的上述特性是由金刚石晶体状态决定的。在金刚石晶体中,碳原子的四个价电子按四面体结构成键,每个碳原子与四个相邻原子形成共价键,进而组成金刚石结构, 该结构的结合力和方向性很强, 从而使金刚石具有极高硬度。由于聚晶金刚石( PCD )的结构是取向不一的细晶粒金刚石烧结体,虽然加入了结合剂,其硬度及耐磨性仍低于单晶金刚石。但由于PCD 烧结体表现为各向同性,因此不易沿单一解理面裂开。

PCD 刀具材料的主要性能指标:

①  PCD 的硬度可达8000HV ,为硬质合金的80 120倍;

②  PCD 的导热系数为700W/mK ,为硬质合金的1.5  9 倍,甚至高于PCBN 和铜,因此PCD 刀具热量传递迅速;

③  PCD 的摩擦系数一般仅为0.1  0.3(硬质合金的摩擦系数为0.4 1),因此PCD 刀具可显著减小切削力;

④  PCD 的热膨胀系数仅为0.9 ×10 -6 1.18 ×10-6,仅相当于硬质合金的1/5 ,因此PCD 刀具热变形小,加工精度高;

⑤  PCD 刀具与有色金属和非金属材料间的亲和力很小,在加工过程中切屑不易粘结在刀尖上形成积屑瘤.

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