聚晶金剛石刀具

PCD刀具的制造過程主要包括兩個(gè)階段:①PCD復(fù)合片的制造:PCD復(fù)合片是由天然或人工合成的金剛石粉末與結(jié)合劑(其中含鈷、鎳等金屬)按一定比例在高溫(1000~2000℃)、高壓(5~10萬(wàn)個(gè)大氣壓)下燒結(jié)而成。在燒結(jié)過程中，由于結(jié)合劑的加入，使金剛石晶體間形成以TiC、SiC、Fe、Co、Ni等為主要成分的結(jié)合橋，金剛石晶體以共價(jià)鍵形式鑲嵌于結(jié)合橋的骨架中。通常將復(fù)合片制成固定直徑和厚度的圓盤，還需對(duì)燒結(jié)成的復(fù)合片進(jìn)行研磨拋光及其它相應(yīng)的物理、化學(xué)處理。②PCD刀片的加工:PCD刀片的加工主要包括復(fù)合片的切割、刀片的焊接、刀片刃磨等步驟。

由于PCD復(fù)合片具有很高的硬度及耐磨性，因此必須采用特殊的加工工藝。目前，加工PCD復(fù)合片主要采用電火花線切割、激光加工、超聲波加工、高壓水射流等幾種工藝方法，其工藝特點(diǎn)的比較見表1。

表1 PCD復(fù)合片切割工藝的比較

工藝方法-工藝特點(diǎn)

電火花加工-高度集中的脈沖放電能量、強(qiáng)大的放電爆炸力使PCD材料中的金屬融化，部分金剛石石墨化和氧化，部分金剛石脫落，工藝性好、效率高

超聲波加工-加工效率低，金剛石微粉消耗大，粉塵污染大

激光加工-非接觸加工，效率高、加工變形小、工藝性差

在上述加工方法中，電火花加工效果較佳。PCD中結(jié)合橋的存在使電火花加工復(fù)合片成為可能。在有工作液的條件下，利用脈沖電壓使靠近電極金屬處的工作液形成放電通道，并在局部產(chǎn)生放電火花，瞬間高溫可使聚晶金剛石熔化、脫落，從而形成所要求的三角形、長(zhǎng)方形或正方形的刀頭毛坯。電火花加工PCD復(fù)合片的效率及表面質(zhì)量受到切削速度、PCD粒度、層厚和電極質(zhì)量等因素的影響，其中切削速度的合理選擇十分關(guān)鍵，實(shí)驗(yàn)表明，增大切削速度會(huì)降低加工表面質(zhì)量，而切削速度過低則會(huì)產(chǎn)生"拱絲"現(xiàn)象，并降低切割效率。增加PCD刀片厚度也會(huì)降低切割速度。

PCD復(fù)合片與刀體的結(jié)合方式除采用機(jī)械夾固和粘接方法外，大多是通過釬焊方式將PCD復(fù)合片壓制在硬質(zhì)合金基體上。焊接方法主要有激光焊接、真空擴(kuò)散焊接、真空釬焊、高頻感應(yīng)釬焊等。目前，投資少、成本低的高頻感應(yīng)加熱釬焊在PCD刀片焊接中得到廣泛應(yīng)用。在刀片焊接過程中，焊接溫度、焊劑和焊接合金的選擇將直接影響焊后刀具的性能。在焊接過程中，焊接溫度的控制十分重要，如焊接溫度過低，則焊接強(qiáng)度不夠;如焊接溫度過高，PCD容易石墨化，并可能導(dǎo)致"過燒"，影響PCD復(fù)合片與硬質(zhì)合金基體的結(jié)合。在實(shí)際加工過程中，可根據(jù)保溫時(shí)間和PCD變紅的深淺程度來(lái)控制焊接溫度(一般應(yīng)低于700℃)。國(guó)外的高頻焊接多采用自動(dòng)焊接工藝，焊接效率高、質(zhì)量好，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn);國(guó)內(nèi)則多采用手工焊接，生產(chǎn)效率較低，質(zhì)量也不夠理想。

PCD的高硬度使其材料去除率極低(甚至只有硬質(zhì)合金去除率的萬(wàn)分之一)。目前，PCD刀具刃磨工藝主要采用陶瓷結(jié)合劑金剛石砂輪進(jìn)行磨削。由于砂輪磨料與PCD之間的磨削是兩種硬度相近的材料間的相互作用，因此其磨削規(guī)律比較復(fù)雜。對(duì)于高粒度、低轉(zhuǎn)速砂輪，采用水溶性冷卻液可提高PCD的磨削效率和磨削精度。砂輪結(jié)合劑的選擇應(yīng)視磨床類型和加工條件而定。由于電火花磨削(EDG)技術(shù)幾乎不受被磨削工件硬度的影響，因此采用EDG技術(shù)磨削PCD具有較大優(yōu)勢(shì)。某些復(fù)雜形狀PCD刀具(如木工刀具)的磨削也對(duì)這種靈活的磨削工藝具有巨大需求。隨著電火花磨削技術(shù)的不斷發(fā)展，EDG技術(shù)將成為PCD磨削的一個(gè)主要發(fā)展方向。

金剛石刀具具有硬度高、抗壓強(qiáng)度高、導(dǎo)熱性及耐磨性好等特性，可在高速切削中獲得很高的加工精度和加工效率。金剛石刀具的上述特性是由金剛石晶體狀態(tài)決定的。在金剛石晶體中，碳原子的四個(gè)價(jià)電子按四面體結(jié)構(gòu)成鍵，每個(gè)碳原子與四個(gè)相鄰原子形成共價(jià)鍵，進(jìn)而組成金剛石結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的結(jié)合力和方向性很強(qiáng)，從而使金剛石具有極高硬度。由于聚晶金剛石(PCD)的結(jié)構(gòu)是取向不一的細(xì)晶粒金剛石燒結(jié)體，雖然加入了結(jié)合劑，其硬度及耐磨性仍低于單晶金剛石。但由于PCD燒結(jié)體表現(xiàn)為各向同性，因此不易沿單一解理面裂開。

工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)PCD刀具的研究開展較早，其應(yīng)用已比較成熟。自1953年在瑞典首次合成人造金剛石以來(lái)，對(duì)PCD刀具切削性能的研究獲得了大量成果，PCD刀具的應(yīng)用范圍及使用量迅速擴(kuò)大。目前，國(guó)際上著名的人造金剛石復(fù)合片生產(chǎn)商主要有英國(guó)DeBeers公司、美國(guó)GE公司、日本住友電工株式會(huì)社等。據(jù)報(bào)道，1995年一季度僅日本的PCD刀具產(chǎn)量即達(dá)10.7萬(wàn)把。PCD刀具的應(yīng)用范圍已由初期的車削加工向鉆削、銑削加工擴(kuò)展。由日本一家組織進(jìn)行的關(guān)于超硬刀具的調(diào)查表明:人們選用PCD刀具的主要考慮因素是基于PCD刀具加工后的表面精度、尺寸精度及刀具壽命等優(yōu)勢(shì)。金剛石復(fù)合片合成技術(shù)也得到了較大發(fā)展，DeBeers公司已推出了直徑74mm、層厚0.3mm的聚晶金剛石復(fù)合片。

國(guó)內(nèi)PCD刀具市場(chǎng)隨著刀具技術(shù)水平的發(fā)展也不斷擴(kuò)大。目前中國(guó)第一汽車集團(tuán)已有一百多個(gè)PCD車刀使用點(diǎn)，許多人造板企業(yè)也采用PCD刀具進(jìn)行木制品加工。PCD刀具的應(yīng)用也進(jìn)一步推動(dòng)了對(duì)其設(shè)計(jì)與制造技術(shù)的研究。國(guó)內(nèi)的清華大學(xué)、大連理工大學(xué)、華中科技大學(xué)、吉林工業(yè)大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等均在積極開展這方面的研究。國(guó)內(nèi)從事PCD刀具研發(fā)、生產(chǎn)的有上海舒伯哈特、常州默克工具、鄭州新亞、南京藍(lán)幟、深圳潤(rùn)祥、成都工具研究所、成都戴夢(mèng)迪等幾十家單位。目前，PCD刀具的加工范圍已從傳統(tǒng)的金屬切削加工擴(kuò)展到石材加工、木材加工、金屬基復(fù)合材料、玻璃、工程陶瓷等材料的加工。通過對(duì)近年來(lái)PCD刀具應(yīng)用的分析可見，PCD刀具主要應(yīng)用于以下兩方面:①難加工有色金屬材料的加工:用普通刀具加工難加工有色金屬材料時(shí)，往往產(chǎn)生刀具易磨損、加工效率低等缺陷，而PCD刀具則可表現(xiàn)出良好的加工性能。如用PCD刀具可有效加工新型發(fā)動(dòng)機(jī)活塞材料--過共晶硅鋁合金(對(duì)該材料加工機(jī)理的研究已取得突破)。②難加工非金屬材料的加工:PCD刀具非常適合對(duì)石材、硬質(zhì)碳、碳纖維增強(qiáng)塑料(CFRP)、人造板材等難加工非金屬材料的加工。如華中理工大學(xué)1990年實(shí)現(xiàn)了用PCD刀具加工玻璃;目前強(qiáng)化復(fù)合地板及其它木基板材(如MDF)的應(yīng)用日趨廣泛，用PCD刀具加工這些材料可有效避免刀具易磨損等缺陷。

刀具的磨損形式主要有磨料磨損、粘結(jié)磨損(冷焊磨損)、擴(kuò)散磨損、氧化磨損、熱電磨損等。PCD刀具的失效形式與傳統(tǒng)刀具有所不同，主要表現(xiàn)為聚晶層破損、粘結(jié)磨損和擴(kuò)散磨損。研究表明，采用PCD刀具加工金屬基復(fù)合材料時(shí)，其失效形式主要為粘結(jié)磨損和由金剛石晶粒缺陷引起的微觀晶間裂紋。在加工高硬度、高脆性材料時(shí)，PCD刀具的粘結(jié)磨損并不明顯;相反，在加工低脆性材料(如碳纖維增強(qiáng)材料)時(shí)，刀具的磨損增大，此時(shí)粘接磨損起主導(dǎo)作用。

PCD刀具切削參數(shù)對(duì)切削性能的影響

PCD刀具可在極高的主軸轉(zhuǎn)速下進(jìn)行切削加工，但切削速度的變化對(duì)加工質(zhì)量的影響不容忽視。雖然高速切削可提高加工效率，但在高速切削狀態(tài)下，切削溫度和切削力的增加可使刀尖發(fā)生破損，并使機(jī)床產(chǎn)生振動(dòng)。加工不同工件材料時(shí)，PCD刀具的合理切削速度也有所不同，如銑削Al2O3強(qiáng)化地板的合理切削速度為110~120m/min;車削SiC顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料及氧化硅基工程陶瓷的合理切削速度為30~40m/min。

如PCD刀具的進(jìn)給量過大，將使工件上殘余幾何面積增加，導(dǎo)致表面粗糙度增大;如進(jìn)給量過小，則會(huì)使切削溫度上升，切削壽命降低。

增加PCD刀具的切削深度會(huì)使切削力增大、切削熱升高，從而加劇刀具磨損，影響刀具壽命。此外，切削深度的增加容易引起PCD刀具崩刃。

不同粒度等級(jí)的PCD刀具在不同的加工條件下加工不同工件材料時(shí)，表現(xiàn)出的切削性能也不盡相同，因此應(yīng)根據(jù)具體加工條件確定PCD刀具的實(shí)際切削參數(shù)。

①PCD的硬度可達(dá)8000HV，為硬質(zhì)合金的8~12倍;

②PCD的導(dǎo)熱系數(shù)為700W/mK，為硬質(zhì)合金的1.5~9倍，甚至高于PCBN和銅，因此PCD刀具熱量傳遞迅速;

③PCD的摩擦系數(shù)一般僅為0.1~0.3(硬質(zhì)合金的摩擦系數(shù)為0.4~1)，因此PCD刀具可顯著減小切削力;

④PCD的熱膨脹系數(shù)僅為0.9×10^-6~1.18×10^-6，僅相當(dāng)于硬質(zhì)合金的1/5，因此PCD刀具熱變形小，加工精度高;

⑤PCD刀具與有色金屬和非金屬材料間的親和力很小，在加工過程中切屑不易粘結(jié)在刀尖上形成積屑瘤。

PCD粒度的選擇與刀具加工條件有關(guān)，如設(shè)計(jì)用于精加工或超精加工的刀具時(shí)，應(yīng)選用強(qiáng)度高、韌性好、抗沖擊性能好、細(xì)晶粒的PCD。粗晶粒PCD刀具則可用于一般的粗加工。PCD材料的粒度對(duì)于刀具的磨損和破損性能影響顯著。研究表明:PCD粒度號(hào)越大，刀具的抗磨損性能越強(qiáng)。采用DeBeers 公司SYNDITE 002和SYNDITE025兩種PCD材料的刀具加工SiC基復(fù)合材料時(shí)的刀具磨損試驗(yàn)結(jié)果表明，粒度為2μm的SYNDITE002PCD材料較易磨損。

通常情況下，PCD復(fù)合片的層厚約為0.3~1.0mm，加上硬質(zhì)合金層后的總厚度約為2~8mm。較薄的PCD層厚有利于刀片的電火花加工。DeBeers公司推出的0.3mm厚PCD復(fù)合片可降低磨削力，提高電火花的切割速度。PCD復(fù)合片與刀體材料焊接時(shí)，硬質(zhì)合金層的厚度不能太小，以避免因兩種材料結(jié)合面間的應(yīng)力差而引起分層。

PCD刀具的幾何參數(shù)取決于工件狀況、刀具材料與結(jié)構(gòu)等具體加工條件。由于PCD刀具常用于工件的精加工，切削厚度較小(有時(shí)甚至等于刀具的刃口半徑)，屬于微量切削，因此其后角及后刀面對(duì)加工質(zhì)量有明顯影響，較小的后角、較高的后刀面質(zhì)量對(duì)于提高PCD刀具的加工質(zhì)量可起到重要作用。

PCD復(fù)合片與刀桿的連接方式包括機(jī)械夾固、焊接、可轉(zhuǎn)位等多種方式，其特點(diǎn)與應(yīng)用范圍見表2。

表2 PCD復(fù)合片與刀桿連接方式的特點(diǎn)與應(yīng)用

連接方式-特點(diǎn)-應(yīng)用范圍

機(jī)械夾固-由標(biāo)準(zhǔn)刀體及可做成各種集合角度的可換刀片組成，具有快換和便于重磨的優(yōu)點(diǎn)-中小型機(jī)床

整體焊接-結(jié)構(gòu)緊湊、制作方便，可制成小尺寸刀具-專用刀具或難于機(jī)夾的刀具，用于小型機(jī)床

機(jī)夾焊接-刀片焊接于刀頭上，可使用標(biāo)準(zhǔn)刀桿，便于刃磨及調(diào)整刀頭位置-自動(dòng)機(jī)床、數(shù)控機(jī)床

可轉(zhuǎn)位-結(jié)構(gòu)緊湊，夾緊可靠，不需重磨和焊接，可節(jié)省輔助時(shí)間，提高刀具壽命-普通通用機(jī)床