[发明专利]机加工基材的方法

说明书

背景技术

本发明涉及机加工基材的方法。

利用金刚石复合片(也称为多晶金刚石(PCD))和立方氮化硼复合片(也 称为PCBN)的超硬研磨切削元件或工具部件广泛地应用于钻孔、铣削、切削和 其它这样的研磨应用中。该元件或工具部件通常包含粘结于载体的PCD或PCBN 层，该载体通常为烧结碳化物载体。该PCD或PCBN层可呈现尖锐的切削刃或切 削点或者切削表面或研磨表面。

PCD包括含有大量的直接金刚石与金刚石粘结的金刚石颗粒物料。PCD将典 型地具有第二相，该第二相包含金刚石催化剂/溶剂例如钴、镍、铁或包含一种 或多种这样的金属的合金。PCBN通常还包含粘结相，该粘结相典型是cBN催化 剂或包含这样的催化剂。合适的粘结相的例子是铝、碱金属、钴、镍、钨等。

PCD切削元件广泛用于机加工一系列的金属和合金以及木制复合材料。特别 地，汽车、航空航天以及木材加工工业使用PCD，以便从其提供的较高水平的生 产率、精度和一致性中受益。在金属加工工业中，铝合金、双金属、铜合金、 碳/石墨增强的塑料和金属基质复合物是用PCD进行机加工的典型材料。层合铺 地板、水泥板、刨花板、碎料板和胶合板是这类木材产品的例子。PCD还在石油 钻探工业中用作钻体的镶嵌件(insert)。

在机加工期间，切削工具的失效通常由下列过程中的一个或其组合引起：

·由于破坏性的断裂(突然失效)

·由于累积磨损(渐进性失效)

·由于塑性变形(突然失效)

导致形状改变的塑性变形通常在超硬切削工具材料中不是非常重要的因 素，所述工具材料如在提高的温度下保持其强度的PCD。渐进性磨损导致的工具 失效的特征为工具上的磨损特征的演变。典型的磨损特征包括侧面磨损、月牙 洼磨损、DOC(切削深度)缺口磨损以及层缘缺口磨损。侧面磨损带的宽度(VB_Bmax) 是合适的工具磨损量度，并且VB_Bmax的预定值被视为良好的工具寿命标准[国际 标准(ISO)3685，1993，使用单点车削工具测试的工具寿命]。在特定应用中 产生磨损特征(磨痕)的磨损模式通常依赖于切削工具的显微组织、机加工条 件和切削刃的几何结构。磨损模式可以包括磨料磨损、微观断裂磨损(碎裂、 剥落和开裂)、粘着磨损(形成切屑瘤)或摩擦化学磨损(扩散磨损和形成新的 化合物)。通常将大量的时间和精力花费在寻找最优的工具材料、几何结构和机 加工参数。

金刚石的高硬度是PCD的良好磨损特性的原因，然而，该高硬度负面地影 响其断裂或碎裂抵抗性(chip resistance)。当在某种应用中工具处于使用的 磨合(break-in)阶段或早期阶段时，PCD的这种低碎裂抵抗性可以通过微观断 裂磨损模式而引起破坏性的断裂或磨损。为了阻止破坏性的断裂，通常在切削 刃上制备倒棱和珩磨头以便增加其强度。

相对于碳化物，PCD的较低碎裂抵抗性将其应用限制于仅仅精加工用途。在 粗加工和严重断续的应用(高的进给率和切削深度)中，在这种情况下切削刃 上的负荷比较高，PCD可能容易断裂，导致工具过早失效。另一方面碳化物比 PCD磨损得快，但是碎裂抵抗性更高。不同于在精加工操作中，在粗加工操作中 尺寸容限不是很重要(VB_Bmax＞0.6)，这意味着工具磨损不是主要的因素，而碎 裂抵抗性是。而且，在较不苛刻的应用中，如MDF(中密度纤维板)低SiAl合 金和刨花板，磨损率通常比较低，所以碳化物因较低的价格-性能比而成为优选。

除此之外，由于PCD的高硬度导致加工成本可能高，使得它不如碳化物引 人注意。由高温高压(HPHT)合成生产的超硬切削工具材料(多晶金刚石(PCD)、 多晶立方氮化硼(PCBN)、单晶金刚石等)，在将它们用作切削工具的镶嵌件前 必须经过几个加工步骤。这些加工步骤通常包括以下：

1)从超硬研磨表面和合成的盘片侧面去除金属杯状物(cup)，通常为 钽或铌或钼的杯状物；

2)整体去除超硬研磨台的外部以便得到优选性能；

3)在上表面上进行半精加工；

4)在上表面上进行抛光(精加工)。当用90°、3μm的触针测量时， 抛光的PCD层通常具有Ra＝0.01μm的粗糙度；通常并不抛光PCBN