高压整体烧结PCD钻头的制备与应用

由美国犹他州的PrecorpInc.公司开发并拥有技术专利、商标名称为DiaEdge的高压整体烧结PCD钻头(PCD-veineddrill)从20世纪80年代后期开始应用于金属切削加工,但这种钻头多年来一直未能在人们心目中建立起较高的可信度。如今,这种沿钻头刃槽长度方向开槽并将聚晶金刚石(PCD)粉在槽中通过高温高压烧结成型获得的整体烧结VCD钻头又重新受到人们的重视,它的应用范围也得到广泛拓展。高压整体烧结PCD钻头最初只是零星应用于航空零件和电子器件的加工,如今它已成为航空、电子、汽车、医疗器械等行业切削加工难加工材料的常规刀具,且应用范围还在不断扩大。

金刚石具有最高的硬度和最小的摩擦系数,是制备切削刀具的理想材料。Precorp公司制造DiaEdge聚晶金刚石钻头的主要工艺步骤为:①制备整体硬质合金钻尖毛坯;②在钻坯上开出窄槽;③将PCD金刚石粉与粘结剂混合后注入槽中;④将钻坯置于专用烧结压机中,在1480℃、61320kg/cm2的高温高压下烧结压制成型;⑤得到嵌有PCD刃带的钻尖毛坯;⑥将钻尖毛坯焊接到整体硬质合金钻杆毛坯上;⑦磨制出需要的钻头几何刃形。采用该工艺可制备出具有复杂钻尖形状的整体烧结PCD钻头,钻头直径可小至φ0.4mm。这种钻头非常适合用于高速、高效钻削加工。

钻尖与钻杆焊接接头距切削刃的长度取决于钻头直径的大小,该距离应使焊接接头在加工时不会受到切削区发热的影响,以保证接头与刀体的整体性。由于焊接接头与刀体的整体性是金刚石刀具的薄弱环节,因此有必要认真研究高压整体烧结PCD钻头不同于常规焊接式PCD钻头的使用特点。

常规PCD钻头的制备方法通常是在钻尖部位加工一个凹槽,利用线切割将在硬质合金基片上沉积的PCD薄膜切割成形,然后将其焊接在钻尖凹槽中。在20世纪80年代后期,世界上只有少数厂家(包括Precorp公司)能成功制备PCD钻头看起来就像是一直黑色鹦鹉。而在名为《波尔图建筑立面》(Building Facade Porto)的作品中。90年代初期,焊接式PCD钻头被用于钻削加工汽车发动机活塞上的定位器孔,该活塞为过共晶铝合金铸件(硅含量12%以上),必须使用PCD钻头加工才能达到要求的刀具寿命,钻头刃磨一次通常可加工3500副孔(实际上可能达到加工10000副孔)。但是,焊接式PCD钻头的加工时间较长,每件加工成本较高。此外,钻头切削刃在高温作用下经常发生焊接失效现象,从而导致整个钻头破损。使用整体烧结PCD钻头则可较好解决上述问题。

Precorp公司的DiaEdge整体烧结PCD钻头最早被设计用于电子工业和航空制造业,通过进一步的加工试验,该技术的应用领域逐渐扩大。目前,该钻头可用于加工绿色硬质合金、铝基复合材料、增强型复合陶瓷、各种牌号的铝材等,加工对象包括汽车发动机壳体、传动箱体、新型喷气战斗机的翼梁等。战斗机翼梁采用韧性极好的复合树脂材料制成,钻孔加工量很大,如F-22喷气战机机翼的每一个表面需钻削3500个孔,每副机翼的上下表面共需钻削14000个孔。过去采用硬质合金钻头加工20m翼梁需耗时16小时,现在采用整体烧结PCD钻头加工则只需4.5小时。降低每孔加工成本和加工时间是影响加工总成本的主要因素,也是使用整体烧结PCD钻头的优势所在。目前,美国航空业已计划将整体烧结PCD钻头应用于B-2、A-6、777等机型的生产加工。

由于金刚石钻头的价格是常规硬质合金钻头的许多倍,因此,为降低每孔加工成本,必须通过延长刀具使用寿命、缩短机床加工时间来平衡加工成本支出。整体烧结PCD钻头与常规焊接式PCD钻头相比,以上使用原则也同样适用。如果使用整体烧结PCD钻头可使刀具失效的可能性大幅度下降,则这种钻头对难加工材料钻削工艺可起到明显改善作用。由于加工技术的发展最终是由用户需求驱动的,因此很难确定是使用整体烧结PCD钻头还是使用常规焊接式PCD钻头最划算。因此,选用刀具时对被加工材料及工艺完整性进行认真研究是非常重要的,加工部门与刀具制造商的密切合作是满足用户需求的最佳途径。例如,位于美国俄亥俄州的本田传动器制造厂已将Precorp公司的整体烧结PCD钻头/铰刀(商标名称为OneShot)成功应用于汽车传动器的加工,从而使原来的三步工序缩减为一步工序,提高了生产率。根据最新统计,本田传动器厂已使用该刀具加工了超过30万个孔,降低了生产成本,提高了产品质量,缩短了生产周期。

Precorp公司制造的整体烧结PCD钻头的传统应用领域主要是航空制造业,用于加工碳纤维增强塑料工件。加工这种材料时,钻刃的锋利程度至关重要,如钻刃较钝,加工时可能会撕裂材料中的碳纤维霍华德先是利用脚步移动挤开了一道空间,从而破坏孔口的完整性。使用钻刃锋利的整体烧结PCD钻头可减轻钻头冲击,且切削刃可对孔口处的碳纤维起到修整作用。通过大量实际加工,可获得整体烧结PCD钻头加工碳纤维增强塑料的推荐切削速度及进给量。为防止被加工材料发生分层而采用的小进给量(约0.025~0.05mm/r)以及过大的切削速度(100~200m/min以上)将产生较大切削热,从而引起材料中的树脂融化,为此加工时需要使用冷却液。在使用先进的切屑真空抽吸系统的情况下进行干式钻削也可收到良好的加工效果。加工实践表明,整体烧结PCD钻头的钻孔数是标准(118°)焊接式PCD钻头钻孔数的3倍、镶PCD刀片钻头钻孔数的6倍、硬质合金钻头钻孔数的100倍。

随着高速加工技术的不断发展,整体烧结PCD钻头及其它旋转刀具必将得到更广泛的应用,这是因为机床主轴转速超过10000r/min的高速加工对于高刚性机床上使用的金刚石刀具影响很小。如今,整体烧结PCD钻头已被应用于汽车制造业加工碳纤维增强塑料零件,如位于美国密歇根州的通用汽车Powertrain分厂使用一种称为“freedrill”的整体烧结PCD钻头加工汽车传动箱体上的横向孔。原来使用硬质合金钻头加工时,钻头容易磨钝,并引起钻孔毛刺,因此需要每天更换钻头。改用整体烧结PCD钻头后,虽然钻头本身的成本比原来增加了5倍,但刀具加工寿命大大延长,一年只需要换一次刀。制造碳-碳材料飞机刹车的rrisTurbineGroup公司最近也成功完成了使用整体烧结PCD钻头加工刹车材料的工艺试验。事实上,钻削加工金属基复合刹车材料正成为整体烧结PCD钻头在汽车制造业的一个主要应用领域。一家主要的金属基复合材料(MMCs)制造商Alcan公司已将Percorp公司的整体烧结PCD钻头列入加工MMC材料的工艺指南。在MMC材料中添加碳化硅、氧化铝颗粒虽然可显著改善复合材料的机械性能,但材料中的硬质相也会加剧加工时的刀具磨损。迄今为止,金刚石刀具仍是加工MMC材料最有效的刀具,整体烧结PCD钻头的独特结构使其具有优异的耐磨性,并可获得很高的加工尺寸精度和表面质量,在某些情况下完全可以省略后续铰孔工序。

可以预见,整体烧结PCD刀具今后将在各类机加工车间得到越来越广泛的应用。

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