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CVD金刚石切削复合材料的利刃

发布时间:08-26  
核心提示:当今时代,随着科技发展、特别是材料结构轻量化的发展,在几乎所有工业部门(汽车行业、航空航天行业和一般的机械工程行业等),



???当今时代,随着科技发展、特别是材料结构轻量化的发展,在几乎所有工业部门(汽车行业、航空航天行业和一般的机械工程行业等),对复合材料的需求都非常旺盛。



???一种复合材料是由多种不同特性的材料,通过复杂组合而形成,所有这些复合材料都是应实际应用需要而产生的。其三明治型结构保证了它们都可形成高度复杂的结构,并表现出所需的应用特性。



基本原理?



???原则上,复合材料都是混合结构,例如:印刷电路上的铜层和增加稳定性所需的钛膜,就是最简单的例子。不同复合材料的切削性能,也需要区别看待,需划分到不同切削等级中。



复合材料可粗略地分为以下三种:



???粘合覆盖型,例如胶合板



???颗粒混合型,例如碎木胶合板



???纤维型材料,该型又分:金属基材型MMC、纤维塑料型FPC和陶瓷基材型CMC。



???其中最重要的是FPC材料。FPC型材质中,最著名的又属碳纤维增强塑料CFRP,应用最多也是最先使用该材料的行业是航空航天业。?而在船舶行业,使用较多的FPC材料,是玻璃纤维增强塑料(GFRP)和碳纤维增强塑料(CFRP)。



???如果零件需要极其高的阻抗和冲击韧性的话,则需要芳纶或者凯夫拉尔纤维,即芳纶纤维增强型塑料(AFRP)。



???高性能复合材料是现代具有很大发展潜力的轻量化材料。通过多种纤维和基材的组合,再有特殊强化结构,可以制造出满足各种不同要求的最佳状态的定制产品。



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加工复合材料的难题?

???当切削复合材料(例如CFRP和GFRP)时,常因工件材质的多相特性,造成加工状况不明。复合材料通常由基材和强化基材的玻璃纤维或碳纤维构成。基于应用环境的不同,可使用各种具高抗性的纤维。选择何种纤维取决于终端产品的需要。



???在切削纤维时,横向和纵向的纤维不会相互干涉,就造成切削后工件易产生锯齿状边缘、脱层和纤维损坏。高阻抗的纤维还会造成刀具很强的磨料磨损,这就需要刀具材质具有很高的硬度。



???复合胶凝材料的热稳定性不太好。加工中,复合材料会和切削刀具材质发生化学反应。所以,为了避免对工件的化学破坏,切削时通常要限制切削速度。加工复合材料的各种标准也还没有制定出来,例如基于表面质量的工件质量标准,机加工废料的排放等。



???复合材料的难加工与其结构的多相特性相关,所以在加工中需要各种各样的刀具材质。如果切削纤维时需要非常锋利的切削刃,我们就可以选择CVD金刚石材质或者镶有PCD的刀具。



???但是,使用此类材质可加工的工件轮廓是有限的,特别当工件需加工的轮廓非常复杂时,很难实现。在一些案例中,需要断屑槽时,必须使用硬质合金
刀具。为了减小硬质合金刀具在加工复合材料中可能出现的严重磨粒磨损,可适当为硬质合金刀具增加金刚石涂层。不过,后者并非被广泛采用的解决复合材料切削的有效方法。



Horn刀具提供的解决方案?



???最近几个月,位于德国凯泽斯劳滕的专业复合材料生产商CirComp公司,使用HORN的CVD金刚石刀具,加工了多种回转对称类的复合材质工件,例如:管子、支柱、桅杆及高性能滑动轴承。



???以前PCD是加工复合材料的首选,但现在,CVD金刚石刀具在加工复合材料时体现的一流性能,远远地超过了PCD刀具。



???复合材料是一系列的纤维和基材的组合。从微观角度看,切削纤维可被视为在微秒的时间间隙内不断改变切削角度的断续切削—纵向、横向、斜向,每一层纤维的走向都不同。



???Horn最新的CVD厚膜金刚石刀片,使用特殊工艺生产,在加工复合纤维材料时是PCD刀具寿命的5~6倍。主要原因如下:CVD金刚石刀片的材质是99.9%的纯净金刚石,由20μm-25μm的均质晶体构成。而PCD是由金刚石和粘结剂构成的金刚石,含量略高于80%的刀具材质。



???这就意味着CVD金刚石的硬度相对PCD,可以出现很大幅度的提高,甚至比天然钻石的硬度也稍高一些。CVD刀具使用精确的激光雕刻进行刃口倒圆,并可提供1~2μm的刃口锋利度。在激光雕刻过程中,单个的金刚石晶体会被切割掉,而不会出现磨削时的晶体破碎情况。这就意味着CVD金刚石刀具的锋利程度是PCD刀具的10倍以上。使用激光还可以在CVD金刚石刀具上雕刻出多种断屑槽。


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小结:?



???CVD金刚石锋利的切削刃、大幅提高的硬度、整体强度以及更加精细的晶体结构,决定了其刀具良好的寿命和切削性能。相对PCD刀具,使用CVD金刚石刀具切削纤维材质,磨蚀磨损更小。



???发生在CVD金刚石刀具上的磨损,多为后刀面磨损。这相当于重新磨锐了刀具刃口。有断屑槽也比无断屑槽的,高出了一个层次。金刚石是最好的导热材质之一。这就意味着在切削过程中,切削刃某一位置产生的热量会马上消散,不会在刃部造成过热现象。



???极具创新性的CVD金刚石切削材质,在加工复合材质时采用了正切削前角。所以无论粗加工还是精加工,都能达到了最优效果,特别是在高进给和切屑厚度变化的情况下。例如:在首次粗加工中使用带有3D断屑槽的CVD金刚石刀具切削,也能实现精加工中所能达到的最好表面粗糙度,并可保持良好的刀具寿命。



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