建锋金刚石(PCD)刀具

 
　　1.1PCD刀具发展
　　金刚石作为一种超硬刀具材料应用于切削加工已有数百年历史。刀具发展历程，从十九世纪末到二十世纪期，刀具材料以高速钢为主要代表；1927年德国首先研制出硬质合金刀具材料并获得广泛应用；二十世纪五十年代，瑞典美国分别合成出人造金刚石，切削刀具从此步入以超硬材料为代表时期。二十世纪七十年代，人们利用高压合成技术合成了建锋金刚石（PCD），解决了天然金刚石数量稀少、价格昂贵问题，使金刚石刀具应用范围扩展到航空、航天、汽车、电子、石材等多个领域。
　　1.2PCD刀具性能特点
　　金刚石刀具具有硬度高、抗压强度高、导热性及耐磨性好等特性，可高速切削获得很高加工精度加工效率。金刚石刀具上述特性由金刚石晶体状态决定。金刚石晶体，碳原子四个价电子按四面体结构成键，每个碳原子与四个相邻原子形成共价键，进而组成金刚石结构，该结构结合力方向性很强，从而使金刚石具有极高硬度。由于建锋金刚石（PCD）结构取向不一细晶粒金刚石烧结体，虽然加入了结合剂，其硬度及耐磨性仍低于单晶金刚石。但由于PCD烧结体表现为各向同性，因此不易沿单一解理面裂开。
　　PCD刀具材料主要性能指标：
　　①PCD硬度可达8000HV，为硬质合金80～120倍；
　　②PCD导热系数为700W/mK，为硬质合金1.5～9倍MyCIMT，甚至高于PCBN铜，因此PCD刀具热量传递迅速；
　　③PCD摩擦系数一般仅为0.1～0.3（硬质合金摩擦系数为0.4～1），因此PCD刀具可显著减小切削力；
　　④PCD热膨胀系数仅为0.9×10-6～1.18×10-6，仅相当于硬质合金1/5，因此PCD刀具热变形小，加工精度高；
　　⑤PCD刀具与有色金属非金属材料间亲力很小，加工过程切屑不易粘结刀尖上形成积屑瘤。
　　1.3PCD刀具应用
　　工业发达国家对PCD刀具研究开展较早，其应用已比较成熟。自1953年瑞典首次合成人造金刚石以来，对PCD刀具切削性能研究获得了大量成果，PCD刀具应用范围及使用量迅速扩大。目前，国际上著名人造金刚石复合片生产商主要有英国DeBeers公司、美国GE公司、日本住友电工株式会社等。据报道，1995年一季度仅日本PCD刀具产量即达10.7万把。PCD刀具应用范围已由初期车削加工向钻削、铣削加工扩展。由日本一家组织进行关于超硬刀具调查表明：人们选用PCD刀具主要考虑因素基于PCD刀具加工后表面精度、尺寸精度及刀具寿命等优势。金刚石复合片合成技术也得到了较大发展，DeBeers公司已推出了直径74mm、层厚0.3mm建锋金刚石复合片。
　　国内PCD刀具市场随着刀具技术水平发展也不断扩大。目前国第一汽车集团已有一百多个PCD车刀使用点，许多人造板企业也采用PCD刀具进行木制品加工。PCD刀具应用也进一步推动了对其设计与制造技术研究。国内清华大学、大连理工大学、华理工大学、吉林工业大学、哈尔滨工业大学等均积极开展这方面研究。国内从事PCD刀具研发、生产有上海舒伯哈特、郑州新亚、南京蓝帜、深圳润祥、成都工具研究所等几十家单位。目前，PCD刀具加工范围已从传统金属切削加工扩展到石材加工MyCIMT、木材加工、金属基复合材料、玻璃、工程陶瓷等材料加工。通过对近年来PCD刀具应用分析可见，PCD刀具主要应用于以下两方面：
　　①难加工有色金属材料加工：用普通刀具加工难加工有色金属材料时，往往产生刀具易磨损、加工效率低等缺陷，而PCD刀具则可表现出良好加工性能。如用PCD刀具可有效加工新型发动机活塞材料——过共晶硅铝合金（对该材料加工机理研究已取得突破）。
　　②难加工非金属材料加工：PCD刀具非常适合对石材、硬质碳、碳纤维增强塑料（CFRP）、人造板材等难加工非金属材料加工。如华理工大学1990年实现了用PCD刀具加工玻璃；目前强化复合地板及其它木基板材（如MDF）应用日趋广泛，用PCD刀具加工这些材料可有效避免刀具易磨损等缺陷。
　　2．PCD刀具制造技术
　　2.1PCD刀具制造过程
　　PCD刀具制造过程主要包括两个阶段：
　　①PCD复合片制造：PCD复合片由天然或人工合成金刚石粉末与结合剂（其含钴、镍等金属）按一定比例高温（1000～2000℃）、高压（5～10万个大气压）下烧结而成。烧结过程，由于结合剂加入，使金刚石晶体间形成以TiC、SiC、Fe、Co、Ni等为主要成分结合桥MyCIMT，金刚石晶体以共价键形式镶嵌于结合桥骨架。通常将复合片制成固定直径厚度圆盘，还需对烧结成复合片进行研磨抛光及其它相应物理、化学处理。
　　②PCD刀片加工：PCD刀片加工主要包括复合片切割、刀片焊接、刀片刃磨等步骤。
　　2.2PCD复合片切割工艺
　　由于PCD复合片具有很高硬度及耐磨性，因此必须采用特殊加工工艺。目前，加工PCD复合片主要采用电火花线切割、激光加工、超声波加工、高压水射流等几种工艺方法，其工艺特点比较见表1。
　　PCD复合片切割工艺比较
　　工艺方法－工艺特点
　　电火花加工－高度集脉冲放电能量、强大放电爆炸力使PCD材料金属融化，部分金刚石石墨化氧化，部分金刚石脱落，工艺性好、效率高
　　超声波加工－加工效率低，金刚石微粉消耗大，粉尘污染大
　　激光加工－非接触加工，效率高、加工变形小、工艺性差
　　上述加工方法，电火花加工效果较佳。PCD结合桥存使电火花加工复合片成为可能。有工作液条件下，利用脉冲电压使靠近电极金属处工作液形成放电通道，并局部产生放电火花，瞬间高温可使建锋金刚石熔化、脱落，从而形成所要求三角形、长方形或正方形刀头毛坯。电火花加工PCD复合片效率及表面质量受到切削速度、PCD粒度、层厚电极质量等因素影响，其切削速度合理选择十分关键，实验表明，增大切削速度会降低加工表面质量，而切削速度过低则会产生“拱丝”现象，并降低切割效率。增加PCD刀片厚度也会降低切割速度。
　　2.3PCD刀片焊接工艺
　　PCD复合片与刀体结合方式除采用机械夹固粘接方法外，大多通过钎焊方式将PCD复合片压制硬质合金基体上。焊接方法主要有激光焊接、真空扩散焊接、真空钎焊、高频感应钎焊等。目前，投资少、成本低高频感应加热钎焊PCD刀片焊接得到广泛应用。刀片焊接过程，焊接温度、焊剂焊接合金选择将直接影响焊后刀具性能。焊接过程，焊接温度控制十分重要，如焊接温度过低，则焊接强度不够；如焊接温度过高，PCD容易石墨化，并可能导致“过烧”，影响PCD复合片与硬质合金基体结合。实际加工过程，可根据保温时间PCD变红深浅程度来控制焊接温度（一般应低于700℃）。国外高频焊接多采用自动焊接工艺，焊接效率高、质量好，可实现连续生产；国内则多采用手工焊接，生产效率较低，质量也不够理想。
　　2.4PCD刀片刃磨工艺
　　PCD高硬度使其材料去除率极低（甚至只有硬质合金去除率万分之一）。目前，PCD刀具刃磨工艺主要采用树脂结合剂金刚石砂轮进行磨削。由于砂轮磨料与PCD之间磨削两种硬度相近材料间相互作用，因此其磨削规律比较复杂。对于高粒度、低转速砂轮，采用水溶性冷却液可提高PCD磨削效率磨削精度。砂轮结合剂选择应视磨床类型加工条件而定。由于电火花磨削（EDG）技术几乎不受被磨削工件硬度影响，因此采用EDG技术磨削PCD具有较大优势。某些复杂形状PCD刀具（如木工刀具）磨削也对这种灵活磨削工艺具有巨大需求。随着电火花磨削技术不断发展，EDG技术将成为PCD磨削一个主要发展方向。
　　．PCD刀具设计原则
　　3.1刀具材料选择
　　（1）合理选择PCD粒度
　　PCD粒度选择与刀具加工条件有关，如设计用于精加工或超精加工刀具时，应选用强度高、韧性好、抗冲击性能好、细晶粒PCD。粗晶粒PCD刀具则可用于一般粗加工。PCD材料粒度对于刀具磨损破损性能影响显著。研究表明：PCD粒度号越大，刀具抗磨损性能越强。采用DeBeers公司SYNDITE002SYNDITE025两种PCD材料刀具加工SiC基复合材料时刀具磨损试验结果表明，粒度为2μmSYNDITE002PCD材料较易磨损。
　　（2）合理选择PCD刀片厚度
　　通常情况下，PCD复合片层厚约为0.3～1.0mm，加上硬质合金层后总厚度约为2～8mm。较薄PCD层厚有利于刀片电火花加工。DeBeers公司推出0.3mm厚PCD复合片可降低磨削力，提高电火花切割速度。PCD复合片与刀体材料焊接时，硬质合金层厚度不能太小，以避免因两种材料结合面间应力差而引起分层。
　　3.2刀具几何参数与结构设计
　　PCD刀具几何参数取决于工件状况、刀具材料与结构等具体加工条件。由于PCD刀具常用于工件精加工，切削厚度较小（有时甚至等于刀具刃口半径），属于微量切削，因此其后角及后刀面对加工质量有明显影响，较小后角、较高后刀面质量对于提高PCD刀具加工质量可起到重要作用。
　　PCD复合片与刀杆连接方式包括机械夹固、焊接、可转位等多种方式，其特点与应用范围见表2。
　　PCD复合片与刀杆连接方式特点与应用
　　连接方式－特点－应用范围
　　机械夹固－由标准刀体及可做成各种集合角度可换刀片组成，具有快换便于重磨优点－小型机床
　　整体焊接－结构紧凑、制作方便，可制成小尺寸刀具－专用刀具或难于机夹刀具，用于小型机床
　　机夹焊接－刀片焊接于刀头上，可使用标准刀杆，便于刃磨及调整刀头位置－自动机床、数控机床
　　可转位－结构紧凑，夹紧可靠，不需重磨焊接，可节省辅助时间，提高刀具寿命－普通通用机床
　　4．PCD刀具切削参数与失效机理
　　4.1PCD刀具切削参数对切削性能影响
　　（1）切削速度
　　PCD刀具可极高主轴转速下进行切削加工，但切削速度变化对加工质量影响不容忽视。虽然高速切削可提高加工效率，但高速切削状态下，切削温度切削力增加可使刀尖发生破损，并使机床产生振动。加工不同工件材料时，PCD刀具合理切削速度也有所不同，如铣削Al2O3强化地板合理切削速度为110～120m/min；车削SiC颗粒增强铝基复合材料及氧化硅基工程陶瓷合理切削速度为30～40m/min。
　　（2）进给量
　　如PCD刀具进给量过大，将使工件上残余几何面积增加，导致表面粗糙度增大；如进给量过小，则会使切削温度上升，切削寿命降低。
　　（3）切削深度
　　增加PCD刀具切削深度会使切削力增大、切削热升高，从而加剧刀具磨损，影响刀具寿命。此外，切削深度增加容易引起PCD刀具崩刃。
　　不同粒度等级PCD刀具不同加工条件下加工不同工件材料时，表现出切削性能也不尽相同，因此应根据具体加工条件确定PCD刀具实际切削参数。
　　4.2PCD刀具失效机理
　　刀具磨损形式主要有磨料磨损、粘结磨损（冷焊磨损）、扩散磨损、氧化磨损、热电磨损等。PCD刀具失效形式与传统刀具有所不同MyCIMT，主要表现为建锋层破损、粘结磨损扩散磨损。研究表明，采用PCD刀具加工金属基复合材料时，其失效形式主要为粘结磨损由金刚石晶粒缺陷引起微观晶间裂纹。加工高硬度、高脆性材料时，PCD刀具粘结磨损并不明显；相反，加工低脆性材料（如碳纤维增强材料）时，刀具磨损增大，此时粘接磨损起主导作用。
　　5．结语
　　PCD刀具因其良好加工质量加工经济性非金属材料、有色金属及其合金材料、金属基复合材料等切削加工领域显示出其它刀具难以比拟优势。随着PCD刀具理论研究日益深入及其应用技术进一步推广，PCD刀具超硬刀具领域地位将日益重要，其应用范围也将进一步拓展。