金刚石刀具及切削有机复合材料磨损状况的研究

本文主要介绍了天然单晶金刚石、聚晶金刚石(PCD)及金刚石膜(CVD)的特性,分别进行了几种PCD、CVD切削有机复合材料的试验,重点分析了其刀具的耐磨性。     

PCD和CVD金刚石刀具切削性能对比及失效机理初探

通过切削实验,观察切削前后刀具的表面和刃口形貌、金刚石刀片组成成分、以及被加工工件表面粗糙度,比较两种刀具的切削性能,探讨其失效机理。结果表明:在同等条件下,CVD金刚石刀具的切削性能要明显优于PCD刀具。在车削过程中,PCD刀具的失效机理主要是结合剂与被加工材料中化学成分发生化学反应使结合剂流失,导致刀具结构疏松,从而导致磨粒团脱落。CVD刀具的失效机理为产生变质层磨损。切削过程中随着加工时间的进一步延长,切削区温度不断升高,当达到热化学反应温度时,就会在刀具表面形成变质层,从而带来切削过程中刀具的磨损;同时高温状态下CVD金刚石的晶界疲劳破坏,也可能会造成CVD金刚石刀具的磨损失效。     

人造金刚石刀具加工有色金属的研究

对人造金刚石刀具加工有色金属的切削性能进行了试验研究。结果表明，目前国产PCD金刚石刀具在加工铝硅合金时的切削性能与国外同类刀具相差不大，符合使用要求；并且得到了CVD金刚石刀具在加工某些有色金属时的切削性能优于硬质合金刀具的结论。     

基体热处理使PCD刀具适于断续切削

聚晶金刚石（PCD）刀具的韧性较差,极少用于带有冲击性的断续切削加工,限制了其应用范围。为改良刀具性能,通过热处理工艺优化刀具基体,加固PCD和基体的结合,制成新型的PCD刀具。通过断续切削铝合金实验,分析新型刀具的使用寿命以及表面磨损状况。结果表明:刀具基体优化后,金刚石层与硬质合金基体之间的结合力提高,刀具抗冲击能力提高。新型刀具在切削128 min后没有出现崩刃现象,其磨损量仍在可控范围,适用于断续切削生产。      

切削难加工材料的解决方案——PCD和CBN刀具

聚晶金刚石（PCD）刀具和立方氮化硼（CBN）刀具为难加工材料的切削难题提供了解决方案。对切削刀具材料中这两种先进概念刀具的加工挑战已尽人皆知。不同设计的CBN刀具被用于对淬硬黑色金属进行连续或断续切削,以及切削加工焊接金属和复合金属。而PCD刀具被广泛应用于铣削有色金属、复合材料、塑料以及极其难加工的超级合金。     

金刚石涂层立铣刀与PCD立铣刀切削铝合金性能研究

目的：研究金刚石涂层立铣刀和 PCD 立铣刀切削铝合金时,铝合金表面粗糙度以及刀具的使用寿命。方法通过实验比较1μm、5μm金刚石涂层四刃立铣刀和PCD立铣刀在高速干式切削条件下切削铝合金的性能,并通过走刀距离比较不同状态刀具的使用寿命以及在走刀过程中的粘刀情况,用表面粗糙度测量仪测量加工的铝合金表面粗糙度。结果1μm、5μm金刚石涂层立铣刀加工铝合金失效距离分别为25 m、75 m, PCD立铣刀加工铝合金96 m后失效;1μm、5μm金刚石涂层立铣刀切削铝合金表面粗糙度平均值分别为1.07μm、1.10μm,PCD立铣刀切削铝合金表面粗糙度平均值为0.80μm。结论5μm金刚石涂层立铣刀是1μm金刚石涂层立铣刀寿命的5倍,PCD立铣刀使用寿命最长;1μm、5μm金刚石涂层立铣刀切削铝合金表面较PCD立铣刀粗糙,在相同切削环境下切削铝合金时, PCD立铣刀使用寿命较金刚石涂层立铣刀提高,且在抑制粘刀方面效果十分明显。     

加工复合地板耐磨层时PCD刀具切削参数的研究

切削参数是影响PCD刀具切削性能的主要因素。本文采用Element Six公司的SYNDITE CTH025型聚晶金刚石(PCD)复合片制成强化复合地板用切削刀具，进行了一系列加工强化复合地板耐磨层的切削实验。通过实验研究了切削参数对刀具切削力的影响，得出了切削力随切削参数的变化规律，指出随着切削深度的增加，PCD刀具切削力增加；进给速度的增加使切削力增加；切削速度的增加将会使切削力降低。同时，分析了切削参数对刀具磨损、工件加工质量以及加工效率的影响。最后，本文总结了采用PCD刀具加工强化复合地板时加工参数的选择原则，认为当n=6000r／min、f=10000mm／min能够实现较高的加工效率，并保证工件的加工质量。     

高速铣削用PCD刀具的研制

高速铣削的应用在当前机械制造中越来越盛行。虽然PCD材料科学总的来说已很成熟，但高速铣削的需求促使PCD供应商不断改进与完善其产品。中粒度尺寸品级PCD材料通常用于既具有良好的耐磨性（工具寿命），同时又能保持良好的工件表面光洁度的产品。铣削刀具典型的损坏模式是由于工件毛刺的形成而丧失切削刃的锋利度。要求是在改进表面光洁度时，减少毛刺的产生与形成。这种特有的材料性能，诸如弯曲强度和韧性的提高与改进，可通过控制金刚石粒度尺寸的分布和先进的处理工艺来达到。结果是使PCD刀具材料改进切削刃的良好性能，有更好的工件表面光洁度，而不牺牲刀具的耐磨性。这样，使最终产品的性能将在高速铣削中获得应用。     

聚晶金刚石复合片的磨损规律

通过观察切削花岗岩过程中聚晶金刚石复合片（ＰＤＣ）刀具的磨损过程和磨损形貌，研究ＰＤＣ刀具的磨损规律。研究结果表明：切削花岗岩时，受切削力及其冲击的作用，ＰＤＣ刀具产生近乎平行岩石表面的磨损形式，磨损机理为机械作用引起聚晶金刚石层微观裂纹产生并扩展而导致的金刚石颗粒的微观破碎。     

聚晶金刚石刀具磨削机理试验研究

本文通过观察聚晶金刚石（PCD）磨削表面的微观形貌及背散射立体像，研究了PCD材料的磨削机理。结果表明，在磨削过程中，PCD材料会产生冲击脆性去除、沿晶疲劳脆性地去除、沿晶疲劳脆性去除、疲劳点蚀脆性去除、热化学去除及机械热去除。其主次顺序取决于磨削工艺参数。因冲击脆性去除直接产生PCD刀具刃口锯齿缺陷，所以在磨削中应尽量减少这种去除。     

PCD刀具加工有色金属的研究

本文主要研究PCD刀具加工有色金属时刃口及后刀面的刃磨质量对切削表面质量的影响。首先对PCD刀具切削有色金属模型进行了分析研究,然后分别采用金属结合剂金刚石砂轮、树脂结合剂金刚石砂轮和陶瓷结合剂金刚石砂轮刃磨出三把不同质量的PCD刀具进行了切削对比试验,并用扫描电镜对切削表面微观形貌进行了观察分析,发现加工有色金属时,PCD刀具后刀面与刃口刃磨质量对切削表面质量有着同等重要的影响作用。     

PCD刀具加工强化复合地板中磨损行为的断裂力学研究

本文首先利用断裂力学的理论，分析了聚晶金刚石刀具切削过程中的沿晶和解理两种磨损特征及其形成过程。通过采用SYNDITE聚晶金刚石刀具对Al2O3颗粒表层强化复合地板的切削加工实验，验证了理论分析的正确性。研究表明聚晶金刚石刀具铣削Al2O3表层强化复合地板的过程中，刀具的磨损特征主要由沿晶磨损和解理磨损组成。并且，理论和实验结果表明刀具的磨损特征受到金刚石晶粒尺寸的影响。粗粒度聚晶金刚石易产生解理磨损形貌，细粒度的聚晶金刚石易产生沿晶磨损形貌。同时，研究表明微观裂纹特征对聚晶金刚石刀具的磨损起着重要的作用。     

CVD金刚石厚膜刀具及应用研究

热丝CVD法沉积金刚石厚膜为全晶质纯多晶金刚石材料,是制造切削刀具的理想材料。本文针对国内外CVD金刚石厚膜焊接刀具研究与应用中存在的关键技术问题,结合我所近期相关技术研究进展,重点介绍了其制造工艺及关键技术。     

CVD金刚石薄膜涂层刀具切削性能研究

本文采用不同涂层工艺的ＣＶＤ金刚石薄膜刀具切削高硅铝合金,观测比较刀具的磨损过程、磨损与破损形貌及工件表面粗糙度,分析ＣＶＤ金刚石薄膜刀具切削主崖裂口合金的磨损机理和失效原因。研究结果可为涂层工艺的提供了理论依据。     

Nanocrystalline diamond coating tools for machining high-strength Al alloys

Diamond coating tools have been increasingly used for machining advanced materials. Recently, a microwave plasma-assisted chemical vapor deposition (CVD) technology was developed to produce diamond coatings which consist of nano-diamond crystals embedded into a hard amorphous diamond-like carbon matrix. In this study, the nanocrystalline diamond (NCD) coating tools were evaluated in machining high-strength aluminum (Al) alloy. The conventional CVD microcrystalline diamond coating (MCD) tools and PCD tools were also tested for performance comparisons. In addition, stress distributions in diamond coating tools, after deposition and during machining, were analyzed using a 2D finite element (FE) thermomechanical model.

The results show that catastrophic failures, reached in all except one machining conditions, limit the NCD tool life, which is primarily affected by the cutting speed. In addition, coating delamination in the worn NCD tools is clearly evident from scanning electron microscopy (SEM) and force monitoring in machining can capture the delamination incident. At a high feed, coating delamination may extend to the rake face. Furthermore, SEM observations of coating failure boundaries show intimate coating-substrate contact. Though the NCD tools are inferior to the PCD tools, they substantially outperform the MCD tools, which failed by premature delamination. The diamond coating tools can have high residual stresses from the deposition and stresses at the cutting edge are highly augmented. Further machining loading causes the stress reversal pattern which seems to correlate with the tool wear severity.     

Machinability of ultrafine-grained copper using tungsten carbide and polycrystalline diamond tools

Equal channel angular extrusion (ECAE) is an effective process to produce bulk ultrafine-grained (UFG) materials from regular coarse-grained materials. Such ECAE-processed materials typically excel in strength, wear resistance, ductility, and high strain-rate superplasticity, with promising applications in lightweight transportation and medical industries. Precision machining work is generally indispensable for further applications after bulk materials are produced by ECAE. To effectively and efficiently machine such ECAE-processed materials for further broad applications, machining issues such as machinability and tool material selection should be considered. This study was undertaken to investigate the machinability of ECAE-processed pure copper using both tungsten carbide (WC) and polycrystalline diamond (PCD) cutting tools in order to facilitate broad applications of ECAE-processed UFG coppers. It is found that despite its higher cost, PCD is favored to machine UFG copper based on this study since it has better wear resistance, gives lower cutting forces, yields a better workpiece surface finish, and results in no smearing on the workpiece. In machining UFG copper, depth of cut notching was observed as the wear pattern and abrasion as the wear mechanism for the WC tool, while flank wear was observed as the wear pattern and diffusion as the wear mechanism for the PCD tool.     

研磨刀架结构对金刚石刀具刃口质量的影响

金刚石刀具刃口锋利度和刀面表面粗糙度对所加工零件的质量有着重要影响。较好的研磨刀架结构将有助于降低因刀架而产生的振动扰动,获得高质量的刀具刃口。通过改进刀架结构,使刀具刃口锋利度从300 nm提高到了50 nm,表面粗糙度从15 nm提高到了0.5 nm,刀具刃口质量得到了明显改善。