PCD刀具的發(fā)展史

1、1概述PCD刀具的發(fā)展金剛石作為一種超硬刀具材料應(yīng)用于切削加工已有數(shù)百年歷史。在刀具發(fā)展歷程中，從 十九世紀(jì)末到二十世紀(jì)中期，刀具材料以高速鋼為主要代表；1927 年德國(guó)首先研制出硬質(zhì)合金刀具材料并獲得廣泛應(yīng)用； 二十世紀(jì)五十年代， 瑞典和美國(guó)分別合成出人造金剛石， 切 削刀具從此步入以超硬材料為代表的時(shí)期。 二十世紀(jì)七十年代， 人們利用高壓合成技術(shù)合成 了聚晶金剛石（PCD，解決了天然金剛石數(shù)量稀少、價(jià)格昂貴的問題，使金剛石刀具的應(yīng) 用范圍擴(kuò)展到航空、航天、汽車、電子、石材等多個(gè)領(lǐng)域。PCD刀具的性能特點(diǎn)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

2、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。PCD刀具材料的主要性能指標(biāo)： PCD的硬度可達(dá)8000HV，為硬質(zhì)合金的80120倍； PCD的導(dǎo)熱系數(shù)為700W/mK，為硬質(zhì)合金的9倍，甚至高于PCBN和銅，因此PCD刀具 熱量傳

3、遞迅速；PCD的摩擦系數(shù)一般僅為（硬質(zhì)合金的摩擦系數(shù)為1），因此PCD刀具可顯著減小切削力；PCD的熱膨脹系數(shù)僅為X 10 -6X 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； PCD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刀具的應(yīng)用工業(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，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)De Beers 公1995年一季度僅日本

4、的 PCD刀具司、美國(guó) GE 公司、日本住友電工株式會(huì)社等。據(jù)報(bào)道，產(chǎn)量即達(dá)萬把。PCD刀具的應(yīng)用范圍已由初期的車削加工向鉆削、銃削加工擴(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。

5、國(guó)內(nèi)的 清華大學(xué)、 大連理工大學(xué)、 華中理 工大學(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、鄭州新亞、南京藍(lán)幟、深圳潤(rùn)祥、成都工具研究所 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：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

6、硅鋁合金（對(duì)該材料 加工機(jī)理的研究已取得突破）。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。2 . PCD刀具的制造技術(shù)PCD刀具的制造過程PCD刀具的制造過程主要包括兩個(gè)階段：PCD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（10002000 C）、高壓（510萬個(gè)大氣壓）下燒結(jié)而成。在燒結(jié)過程中，由

7、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。PCD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。PCD復(fù)合片的切割工藝由于 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

8、 工藝特點(diǎn)電火花加工一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

9、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刀片的焊接工藝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

10、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 變紅的深淺程度來控制焊接溫度（一般應(yīng)低于 700C）。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刀片的刃磨工藝PCD的高硬度使其材料去除率極低（甚至只有硬質(zhì)合金去除率的萬分之一）。目前，PCD 刀具刃磨工藝主要采用樹脂結(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

11、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。3. PCD刀具的設(shè)計(jì)原則刀具材料的選擇（1 ）合理選擇PCD粒度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PCB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

12、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De Beers公司SYNDITE 002和SYNDITE 025兩種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2卩m的SYNDITE 002PCD材料較易磨損。2 ）合理選擇PCD刀片厚度通常情況下，PCD復(fù)合片的層厚約為，加上硬質(zhì)合金層后的總厚度約為28mm。較薄的PCD層厚有利于刀片的電火花加工。De Beers公司推出的厚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。刀具幾何參數(shù)與

13、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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， 刀具的加工質(zhì)量可起到重要作用。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 PCDPCD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

14、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4. PCD刀具的切削參數(shù)與失效機(jī)理PCD刀具切削參數(shù)對(duì)切削性能的影響（1）切削速度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，如銃削 AI2O3強(qiáng)化地板的合理切削速度為110120m/min ;

15、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3040m/min。（2）進(jìn)給量如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。3）切削深度 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)。PCD刀具的失效機(jī)理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)，