金剛石復(fù)合片(PCD)、立方氮化硼復(fù)合片(PCBN)是在超高壓高溫下,利用少量粘結(jié)劑,把細粒度超硬材料聚結(jié)成無氣孔、密實的多晶層;同時,使得超硬材料和硬質(zhì)合金兩層材料既致密又牢牢地“復(fù)合”、粘結(jié)為整體的超硬復(fù)合材料。在“復(fù)合”、粘結(jié)的過程中,利用了多晶層粘結(jié)劑元素、超硬材料元素(C或N、B,其中B擴散性較小)、硬質(zhì)合金襯底中成分(主要為Co,W元素擴散性較小)的互換性,產(chǎn)生了粘結(jié)、反應(yīng)、“扎釘”、機械鑲嵌等作用。在這個過程中,受冷收縮系數(shù)要相互接近,硬質(zhì)合金要二次液相燒結(jié),元素要擴散,造成適宜的成份各材料相或其組分團的梯度。
PCD和PCBN刀具制造,要經(jīng)過對片基的切割、刀頭磨削、焊接、焊接后磨削等多道加工工序才能完成。
1.PCD、PCBN的切割、磨削
用于刀具制造的金剛石復(fù)合片、立方氮化硼復(fù)合片一般是由圓片基材切割加工而成的,當然也可以直接燒結(jié)合成出來,尤其是長、寬尺寸差別不大的長方形、圓形等。刀具用復(fù)合片形狀有圓形、半圓形、扇形(450、600、900即1/4圓形)、以及長方形等。
經(jīng)切割加工或直接合成出的復(fù)合片刀(頭)坯,在固定到刀體之前之前需要適當磨削加工,主要是針對襯底底面(為使焊接時接觸平整、粘結(jié)牢固)和非刀刃面(主要是為了美觀),一般可手工研磨,也可用金剛石砂輪粗磨。
應(yīng)該指出,對用于刀具的復(fù)合片,還需要結(jié)合刀具加工條件和要求在合成時從超硬材料粒度方面進行合理選擇:20~50?m的中粗粒度,合成出的PCD(金剛石復(fù)合片)和PCBN(立方氮化硼復(fù)合片)耐磨性好、熱導(dǎo)性好,但抗彎強度和耐沖擊性稍差,使用時易產(chǎn)生微小崩刃,因粒度較粗也制約了刀刃鋒利度的提高,故不適合高精切削,此類刀頭可用于半精加工;5~20?m的中細粒,合成出的PCD(金剛石復(fù)合片)和PCBN(立方氮化硼復(fù)合片)耐磨性和耐沖擊性均適中,可用于粗、半精加工;0.5~5?m的細微粒,合成出的PCD(金剛石復(fù)合片)和PCBN(立方氮化硼復(fù)合片)耐磨性較低,但抗彎強度和耐沖擊性高,刃口鋒銳度好,不易崩刃,可用于高精加工或半精加工。
另外,由于各個廠家技術(shù)水平及使用設(shè)備(六面頂或兩面頂)不同,所生產(chǎn)的PCD 和PCBN質(zhì)量也不同。某些廠家生產(chǎn)的的PCD 和PCBN上下面平行度誤差大,刀具生產(chǎn)廠家在選擇復(fù)合片供應(yīng)商時,也會慮及 。
2. PCD、PCBN刀頭與刀體的聯(lián)接固定及焊接
加工好金剛石復(fù)合片或立方氮化硼復(fù)合片刀頭后,就可以開始與刀體聯(lián)接固定。常用工程化的固定方法有焊接法(廣泛應(yīng)用高頻焊接)和機械加固法。機械加固法即是將復(fù)合片刀頭底面和加壓面磨平,用壓板加壓固定在刀體上。為使用時的臨時加固方法,如同使用修整塊修正砂輪時的夾固。只針對圓片狀、長方形、三角形、且規(guī)格較大的復(fù)合片刀頭。近年隨著高強度、耐高溫金屬粘結(jié)劑的工程應(yīng)用,也可以嘗試用“粘結(jié)法”固定刀頭。除機夾刀片外,其它固定法的刀頭一般還需要單獨研磨以達到規(guī)定的形狀、尺寸、刃面粗糙度和幾何角度。
焊接之前,要檢查復(fù)合片有無裂紋、凹陷、多晶層剝離等缺陷(對目前越來越多的大尺寸復(fù)合片基材,在使用前還要抽查其片基不同位置的硬度與組織的一致性),然后進行除油等清理工作,同時對刀桿或刀墊焊接部位進行清理,馬上焊接。目前國內(nèi)外對復(fù)合片刀頭的焊接使用較多的是熔點低、流動性好、焊接強度高的銀含量較高的釬焊焊料,如Ag45Cu18Zn19Cd18。復(fù)合片的焊接可采用事先裁好的與刀頭形狀、尺寸相近的片狀焊料,也可采用粉狀焊料;焊片或粉狀焊料熔點要求7000C以下,焊接時的溫度不能高于8000C,以防止復(fù)合片兩層間因大的熱應(yīng)力差而剝離,或是因結(jié)合劑或襯底層中的鈷侵蝕金剛石;焊接要采用助焊劑來助熔和清除贓物;一般采用普通高頻焊機輔以合適的工裝來焊接刀具;焊接過程中要保持好PCD 和PCBN刀頭的位置(可采用合適的釬焊定位胎具實現(xiàn)精確定位);焊好的刀具需要緩慢冷卻,對高精度刀具建議采用專門的焊后保溫裝置。焊接時的溫度取決于釬焊材料的熔點,一般在6500~6600C之間,需要精確控溫精細操作。真空釬焊雖然有少用或不用釬助劑等優(yōu)點,在PCD和PCBN刀具焊接方面,卻并不合適。究其原因,在于當大批量放置PCD和PCBN刀頭時,一來焊接溫度不均勻,二來刀頭位置容易移動,質(zhì)量不易得到保證。
3. PCD、PCBN刀具焊接后的磨削
焊好的金剛石復(fù)合片或立方氮化硼復(fù)合片刀具(包括帶刀桿的或是焊在刀墊上的)以及準備直接機卡用的刀頭需要磨削。磨削分粗磨、半精磨、精磨和研磨四個過程。粗磨可用陶瓷碳化硅砂輪或樹脂金剛石砂輪,粒度可用120~200目或更細些;半精磨或精磨可用樹脂金剛石砂輪或金屬結(jié)合劑電解磨輪(需電解磨削),粒度用到200目~W14;研磨常用金剛石研磨膏,可采用W10~W3.5?m。近年來,有不少廠家采用陶瓷結(jié)合劑金剛石砂輪或CBN砂輪來作為制造超硬材料刀具的磨削砂輪,效果也很不錯。
磨削之前,需要確認刀具和磨削砂輪的安裝牢固程度;在磨床上進行批量生產(chǎn)時還要注意設(shè)計制作定位精確的專用刀具刃磨夾具;需采用濕磨,可采用加有防銹劑的冷卻液或為弱堿性乳化液(電解磨需用專門的電解磨削液);磨削時要讓磨削砂輪沿刀具切削刃擺動以使砂輪邊緣磨損均勻,保證切削刃形狀、精度以及鋒銳度,同時也可以提高磨削效率;粗磨時進刀量宜控制為0.01mm/雙行程,半精磨和精磨宜用0.005 mm/雙行程進刀量;研磨可在鑄鐵研磨盤(具)上進行(近年有人采用專門制作的高分子材料和陶瓷復(fù)合材質(zhì)研磨具,也取得了良好效果),要求操作人員技藝熟練,要勤檢查刀具的各種幾何參數(shù)及刃面粗糙度。