高壓整體燒結(jié)PCD鉆頭

如今，這種沿鉆頭刃槽長(zhǎng)度方向開(kāi)槽并將聚晶金剛石（PCD）粉在槽中通過(guò)高溫高壓燒結(jié)成型獲得的整體燒結(jié)VCD鉆頭又重新受到人們的重視，它的應(yīng)用范圍也得到廣泛拓展。高壓整體燒結(jié)PCD鉆頭最初只是零星應(yīng)用于航空零件和電子器件的加工，如今它已成為航空、電子、汽車、醫(yī)療器械等行業(yè)切削加工難加工材料的常規(guī)刀具，且應(yīng)用范圍還在不斷擴(kuò)大。

金剛石具有最高的硬度和最小的摩擦系數(shù)，是制備切削刀具的理想材料。Precorp公司制造DiaEdge聚晶金剛石鉆頭的主要工藝步驟為：①制備整體硬質(zhì)合金鉆尖毛坯；②在鉆坯上開(kāi)出窄槽；③將PCD金剛石粉與粘結(jié)劑混合后注入槽中；④將鉆坯置于專用燒結(jié)壓機(jī)中，在1480℃、61320kg/cm2的高溫高壓下燒結(jié)壓制成型；⑤得到嵌有PCD刃帶的鉆尖毛坯；⑥將鉆尖毛坯焊接到整體硬質(zhì)合金鉆桿毛坯上；⑦磨制出需要的鉆頭幾何刃形。采用該工藝可制備出具有復(fù)雜鉆尖形狀的整體燒結(jié)PCD鉆頭，鉆頭直徑可小至φ0.4mm。這種鉆頭非常適合用于高速、高效鉆削加工。

鉆尖與鉆桿焊接接頭距切削刃的長(zhǎng)度取決于鉆頭直徑的大小，該距離應(yīng)使焊接接頭在加工時(shí)不會(huì)受到切削區(qū)發(fā)熱的影響，以保證接頭與刀體的整體性。由于焊接接頭與刀體的整體性是金剛石刀具的薄弱環(huán)節(jié)，因此有必要認(rèn)真研究高壓整體燒結(jié)PCD鉆頭不同于常規(guī)焊接式PCD鉆頭的使用特點(diǎn)。

常規(guī)PCD鉆頭的制備方法通常是在鉆尖部位加工一個(gè)凹槽，利用線切割將在硬質(zhì)合金基片上沉積的PCD薄膜切割成形，然后將其焊接在鉆尖凹槽中。在20世紀(jì)80年代后期，世界上只有少數(shù)廠家（包括Precorp公司）能成功制備PCD鉆頭。90年代初期，焊接式PCD鉆頭被用于鉆削加工汽車發(fā)動(dòng)機(jī)活塞上的定位器孔，該活塞為過(guò)共晶鋁合金鑄件（硅含量12%以上），必須使用PCD鉆頭加工才能達(dá)到要求的刀具壽命，鉆頭刃磨一次通?？杉庸?500副孔（實(shí)際上可能達(dá)到加工10000副孔）。但是，焊接式PCD鉆頭的加工時(shí)間較長(zhǎng)，每件加工成本較高。此外，鉆頭切削刃在高溫作用下經(jīng)常發(fā)生焊接失效現(xiàn)象，從而導(dǎo)致整個(gè)鉆頭破損。使用整體燒結(jié)PCD鉆頭則可較好解決上述問(wèn)題。

Precorp公司的DiaEdge整體燒結(jié)PCD鉆頭最早被設(shè)計(jì)用于電子工業(yè)和航空制造業(yè)，通過(guò)進(jìn)一步的加工試驗(yàn)，該技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域逐漸擴(kuò)大。目前，該鉆頭可用于加工綠色硬質(zhì)合金、鋁基復(fù)合材料、增強(qiáng)型復(fù)合陶瓷、各種牌號(hào)的鋁材等，加工對(duì)象包括汽車發(fā)動(dòng)機(jī)殼體、傳動(dòng)箱體、新型噴氣戰(zhàn)斗機(jī)的翼梁等。戰(zhàn)斗機(jī)翼梁采用韌性極好的復(fù)合樹(shù)脂材料制成，鉆孔加工量很大，如F-22噴氣戰(zhàn)機(jī)機(jī)翼的每一個(gè)表面需鉆削3500個(gè)孔，每副機(jī)翼的上下表面共需鉆削14000個(gè)孔。過(guò)去采用硬質(zhì)合金鉆頭加工20m翼梁需耗時(shí)16小時(shí)，現(xiàn)在采用整體燒結(jié)PCD鉆頭加工則只需4.5小時(shí)。降低每孔加工成本和加工時(shí)間是影響加工總成本的主要因素，也是使用整體燒結(jié)PCD鉆頭的優(yōu)勢(shì)所在。目前，美國(guó)航空業(yè)已計(jì)劃將整體燒結(jié)PCD鉆頭應(yīng)用于B-2、A-6、777等機(jī)型的生產(chǎn)加工。

由于金剛石鉆頭的價(jià)格是常規(guī)硬質(zhì)合金鉆頭的許多倍，因此，為降低每孔加工成本，必須通過(guò)延長(zhǎng)刀具使用壽命、縮短機(jī)床加工時(shí)間來(lái)平衡加工成本支出。整體燒結(jié)PCD鉆頭與常規(guī)焊接式PCD鉆頭相比，以上使用原則也同樣適用。如果使用整體燒結(jié)PCD鉆頭可使刀具失效的可能性大幅度下降，則這種鉆頭對(duì)難加工材料鉆削工藝可起到明顯改善作用。由于加工技術(shù)的發(fā)展最終是由用戶需求驅(qū)動(dòng)的，因此很難確定是使用整體燒結(jié)PCD鉆頭還是使用常規(guī)焊接式PCD鉆頭最劃算。因此，選用刀具時(shí)對(duì)被加工材料及工藝完整性進(jìn)行認(rèn)真研究是非常重要的，加工部門與刀具制造商的密切合作是滿足用戶需求的最佳途徑。例如，位于美國(guó)俄亥俄州的本田傳動(dòng)器制造廠已將Precorp公司的整體燒結(jié)PCD鉆頭/鉸刀（商標(biāo)名稱為OneShot）成功應(yīng)用于汽車傳動(dòng)器的加工，從而使原來(lái)的三步工序縮減為一步工序，提高了生產(chǎn)率。根據(jù)最新統(tǒng)計(jì)，本田傳動(dòng)器廠已使用該刀具加工了超過(guò)30萬(wàn)個(gè)孔，降低了生產(chǎn)成本，提高了產(chǎn)品質(zhì)量，縮短了生產(chǎn)周期。

Precorp公司制造的整體燒結(jié)PCD鉆頭的傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域主要是航空制造業(yè)，用于加工碳纖維增強(qiáng)塑料工件。加工這種材料時(shí)，鉆刃的鋒利程度至關(guān)重要，如鉆刃較鈍，加工時(shí)可能會(huì)撕裂材料中的碳纖維，從而破壞孔口的完整性。使用鉆刃鋒利的整體燒結(jié)PCD鉆頭可減輕鉆頭沖擊，且切削刃可對(duì)孔口處的碳纖維起到修整作用。通過(guò)大量實(shí)際加工，可獲得整體燒結(jié)PCD鉆頭加工碳纖維增強(qiáng)塑料的推薦切削速度及進(jìn)給量。為防止被加工材料發(fā)生分層而采用的小進(jìn)給量（約0.025～0.05mm/r）以及過(guò)大的切削速度（100～200m/min以上）將產(chǎn)生較大切削熱，從而引起材料中的樹(shù)脂融化，為此加工時(shí)需要使用冷卻液。在使用先進(jìn)的切屑真空抽吸系統(tǒng)的情況下進(jìn)行干式鉆削也可收到良好的加工效果。加工實(shí)踐表明，整體燒結(jié)PCD鉆頭的鉆孔數(shù)是標(biāo)準(zhǔn)（118°）焊接式PCD鉆頭鉆孔數(shù)的3倍、鑲PCD刀片鉆頭鉆孔數(shù)的6倍、硬質(zhì)合金鉆頭鉆孔數(shù)的100倍。

隨著高速加工技術(shù)的不斷發(fā)展，整體燒結(jié)PCD鉆頭及其它旋轉(zhuǎn)刀具必將得到更廣泛的應(yīng)用，這是因?yàn)闄C(jī)床主軸轉(zhuǎn)速超過(guò)10000r/min的高速加工對(duì)于高剛性機(jī)床上使用的金剛石刀具影響很小。如今，整體燒結(jié)PCD鉆頭已被應(yīng)用于汽車制造業(yè)加工碳纖維增強(qiáng)塑料零件，如位于美國(guó)密歇根州的通用汽車Powertrain分廠使用一種稱為“freedrill”的整體燒結(jié)PCD鉆頭加工汽車傳動(dòng)箱體上的橫向孔。原來(lái)使用硬質(zhì)合金鉆頭加工時(shí)，鉆頭容易磨鈍，并引起鉆孔毛刺，因此需要每天更換鉆頭。改用整體燒結(jié)PCD鉆頭后，雖然鉆頭本身的成本比原來(lái)增加了5倍，但刀具加工壽命大大延長(zhǎng)，一年只需要換一次刀。制造碳-碳材料飛機(jī)剎車的RobertE.MorrisTurbineGroup公司最近也成功完成了使用整體燒結(jié)PCD鉆頭加工剎車材料的工藝試驗(yàn)。事實(shí)上，鉆削加工金屬基復(fù)合剎車材料正成為整體燒結(jié)PCD鉆頭在汽車制造業(yè)的一個(gè)主要應(yīng)用領(lǐng)域。一家主要的金屬基復(fù)合材料（MMCs）制造商Alcan公司已將Percorp公司的整體燒結(jié)PCD鉆頭列入加工MMC材料的工藝指南。在MMC材料中添加碳化硅、氧化鋁顆粒雖然可顯著改善復(fù)合材料的機(jī)械性能，但材料中的硬質(zhì)相也會(huì)加劇加工時(shí)的刀具磨損。迄今為止，金剛石刀具仍是加工MMC材料最有效的刀具，整體燒結(jié)PCD鉆頭的獨(dú)特結(jié)構(gòu)使其具有優(yōu)異的耐磨性，并可獲得很高的加工尺寸精度和表面質(zhì)量，在某些情況下完全可以省略后續(xù)鉸孔工序。

可以預(yù)見(jiàn)，整體燒結(jié)PCD刀具今后將在各類機(jī)加工車間得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

PCD又稱聚晶金剛石，市場(chǎng)上常見(jiàn)拉絲模芯型號(hào)包括SD、CXD以及CXT三大系列。PCD的成功研制為線材拉制業(yè)帶來(lái)了巨大變革，它使整個(gè)加工過(guò)程變得更為高效和穩(wěn)定。PCD由微米級(jí)金剛石微粒與結(jié)合劑在高溫高壓條件下燒結(jié)而成，具有硬度高、耐磨性好、抗沖擊能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，模具使用過(guò)程中體現(xiàn)出磨損均勻、壽命長(zhǎng)的優(yōu)勢(shì)，適用于高速拉拔。由于PCD在宏觀上呈現(xiàn)各向同性，因此它不會(huì)像單晶金剛石那樣出現(xiàn)模孔磨損不均勻和?？撞粓A的現(xiàn)象發(fā)生。另外由于PCD的價(jià)格比單晶金剛石低得多，因此在拉絲行業(yè)中獲得了廣泛應(yīng)用。絕大部分金剛石拉絲模均使用PCD拉絲模芯。

按照結(jié)合劑的不同，PCD模芯可分鈷基和硅基兩類。鈷基PCD模芯含有金屬結(jié)合劑，具有良好的可加工性，可以使用電火花、激光、超聲波等工藝進(jìn)行加工，但金屬鈷的存在使得金剛石在高溫下易于發(fā)生石墨化，因此該類模芯適合在低于650攝氏度的條件下加工和使用。硅基PCD模芯可加工性相對(duì)較差，不過(guò)材料中沒(méi)有金屬結(jié)合劑，因此材料在1000攝氏度的條件下依然可保持良好的熱穩(wěn)定性。

⒈胎體式PDC鉆頭

胎體式金剛石復(fù)合片(PDC)鉆頭是將金剛石復(fù)合片通過(guò)釬焊方式焊接在鉆頭胎體上的一種切削型鉆頭。胎體鉆頭用碳化鎢粉末燒結(jié)而成，用人造聚晶金剛石復(fù)合片釬焊在碳化鎢胎體上，用天然金剛石保徑。

⒉鋼體式PDC鉆頭

鋼體PDC鉆頭，是用鎳、鉻、鉬合金機(jī)械加工成形。經(jīng)過(guò)熱處理后在鉆頭體上鉆孔，將人造聚晶金剛石復(fù)合片壓入(緊配合)鉆頭體內(nèi)，用柱狀碳化鎢保徑。

⒈地質(zhì)勘探用復(fù)合片鉆頭

主要用于地質(zhì)勘察勘探的復(fù)合片鉆頭，適用于軟到中硬巖層，現(xiàn)在有些廠家新研發(fā)的新型復(fù)合片可以應(yīng)用到十級(jí)硬度的巖層。

⒉煤田鉆采用復(fù)合片鉆頭

主要是用于煤礦上煤層鉆探采挖。一般來(lái)講煤田的巖層相對(duì)較軟，復(fù)合片鉆頭被大量應(yīng)用，如錨桿鉆頭，三翼鉆頭等。

⒊石油勘探用復(fù)合片鉆頭

主要是應(yīng)用在油氣田的鉆采用鉆頭。目前來(lái)說(shuō)，油田用復(fù)合片鉆頭是所有復(fù)合片鉆頭里面造價(jià)最高，要求最高的。可以說(shuō)是復(fù)合片鉆頭里面的貴族了。