高效铣削铝合金用PCD刀具
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图1 汽车零部件铝合金使用量变化趋势

图2 PCD组织

图3 金刚石的平均粒度与PCD的抗弯强度

图5 Sumidia DA2200的性能

图6 夹紧螺钉部分的应力分布

图7 破坏性试验的螺纹破损部位

图9 RF型成品铣刀外观
近年来,为了减少汽车的总重量和燃油费用,铝合金材料在汽车零部件中的使用越来越多(图1为汽车零部件中铝合金使用量的变化趋势)。为此,加工铝合金汽车零部件用聚晶金刚石(PCD)刀具的使用量也在快速增长。PCD刀具寿命长,能实现高效、高速、高精度切削加工。但由于其刀尖强度较低,通常只适用于精加工,而在切削抗力变化较大的粗加工中容易发生崩刃,且刀具寿命的分散性较大。为了克服原有金刚石刀具的缺点,日本住友电工硬质材料公司开发了耐磨损性能和抗崩刃性能兼优的sumidia DA2200牌号PCD刀具材料。

1 Sumidia DA2200的特点

  1. 原有PCD牌号的性能
    原有PCD牌号中有图2所示网状烧结组织,其最大特征是由金刚石和助烧剂Co组成的单一组织,其中金刚石所占比例最高。如图3所示,金刚石的抗弯强度在很大程度上取决于其粒度大小。表1为在该公司原有的3种不同粒度的PCD牌号Sumidia DA90、DA150、DA200的性能特点。其中,Sumidia DA90粒度最大,耐磨性能最好;Sumidia DA200粒度最小,强度和耐破损性最好;Sumidia DA150为中等粒度,耐磨性能与抗崩刃性能匹配平衡,性能优良。加工铝件时通常采用Sumidia DA150。
    牌号平均粒度
    (µm)
    硬度
    (HV)
    耐磨性强度
    DA90~5012000~10000



    DA150512000~10000
    DA2000.510000~8000
  2. Sumidia DA2200的性能
    Sumidia DA2200的聚晶组织如图4所示。由于实现了超细微金刚石颗粒均匀而牢固的结合,Sumidia DA2200的抗弯强度可与K10类硬质合金相匹敌(图5),因此大幅度提高了刀尖强度,从而能稳定实现铝合金的粗加工,并保证了刀具有较长使用寿命。

图4 Sumidia DA2200的聚晶组织

2 RF型铣刀的性能特点

采用PCD制造的铝合金加工用铣刀可以不受铣削速度的制约,目前高速铣削的速度可达2000~3000m/min。但是,在开发高速铣刀时,需要考虑铣刀的轻量化和因离心力可能导致切削刃及铣刀零件飞出的问题。
  1. 刀体采用高强度铝合金
    在设计高速铣刀时,如果仍采用质量较大的钢制刀体,就无法减小刀具的旋转力矩,这就意味着不能缩短铣刀达到设定转速、自动换刀等非切削时间。虽然可通过去除刀体多余部分来减轻重量,但去除量过多容易引发高频切削振动。为解决上述问题,可采用比重仅为钢的1/2的铝合金作为刀体材料。但是,普通铝合金的抗拉强度和硬度都只有钢的1/2,为弥补强度和硬度的不足,采用了抗拉强度为573N/mm2、硬度为150HB的特殊铝合金材料,其强度和硬度约为普通铝合金的2倍。
  2. 刀体结构设计特点
    设计刀体结构时,如果采用楔块式紧固机构将刀片固紧在刀体上,容易导致刀体产生裂纹并使精度恶化;如果采用利用刀片中心孔和螺钉将刀片直接固紧在刀体上的紧固机构,则存在切削刃跳动精度调整范围小、重磨后刀尖高度和直径与新刀不一致等缺点。为解决上述问题,采用了先将刀片用螺钉固紧在钢制刀夹上,然后将装好刀片的刀夹紧固在刀体上的结构设计,这种结构对于消除高频切削振动十分有效。
  3. 高速铣刀离心力和加工安全的研究
    在高速铣削中,铣刀的转速越高,产生的离心力越大。离心力的大小与速度的平方成正比,如Ø100mm铣刀以5000m/min的切削速度旋转时,刀片质量为7.3克,作用于其上的离心力达到1014N(130kgf),刀<
本文作者:廖先富(译)
原载:《工具展望》2007年第6期
上载于:2009-2-11 9:31:17

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