PCD刀具的發展
金剛石作為一種超硬刀具材料應用于切削加工已有數百年歷史。在刀具發展歷程中，從十九世紀末到二十世紀中期，刀具材料以高速鋼為主要代表；1927年德國首先研制出硬質合金刀具材料并獲得廣泛應用；二十世紀五十年代，瑞典和美國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期。二十世紀七十年代，人們利用高壓合成技術合成了聚晶金剛石（PCD），解決了天然金剛石數量稀少、價格昂貴的問題，使金剛石刀具的應用范圍擴展到航空、航天、汽車、電子、石材等多個領域。
1.2 PCD刀具的性能特點
金剛石刀具具有硬度高、抗壓強度高、導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決定的。在金剛石晶體中，碳原子的四個價電子按四面體結構成鍵，每個碳原子與四個相鄰原子形成共價鍵，進而組成金剛石結構，該結構的結合力和方向性很強，從而使金剛石具有極高硬度。由于聚晶金剛石（PCD）的結構是取向不一的細晶粒金剛石燒結體，雖然加入了結合劑，其硬度及耐磨性仍低于單晶金剛石。但由于PCD燒結體表現為各向同性，因此不易沿單一解理面裂開。
PCD刀具材料的主要性能指標：
①PCD的硬度可達8000HV，為硬質合金的80～120倍；
②PCD的導熱系數為700W/mK，為硬質合金的1.5～9倍MyCIMT，甚至高于PCBN和銅，因此PCD刀具熱量傳遞迅速；
③PCD的摩擦系數一般僅為0.1～0.3（硬質合金的摩擦系數為0.4～1），因此PCD刀具可顯著減小切削力；
④PCD的熱膨脹系數僅為0.9×10 -6～1.18×10 -6，僅相當于硬質合金的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在刀尖上形成積屑瘤。
1.3 PCD刀具的應用
工業發達國家對PCD刀具的研究開展較早，其應用已比較成熟。自1953年在瑞典首次合成人造金剛石以來，對PCD刀具切削性能的研究獲得了大量成果，PCD刀具的應用范圍及使用量迅速擴大。目前，國際上著名的人造金剛石復合片生產商主要有英國De Beers公司、美國GE公司、日本住友電工株式會社等。據報道，1995年一季度僅日本的PCD刀具產量即達10.7萬把。PCD刀具的應用范圍已由初期的車削加工向鉆削、銑削加工擴展。由日本一家組織進行的關于超硬刀具的調查表明：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勢。金剛石復合片合成技術也得到了較大發展，DeBeers公司已推出了直徑74mm、層厚0.3mm的聚晶金剛石復合片。
國內PCD刀具市場隨著刀具技術水平的發展也不斷擴大。目前中國第一汽車集團已有一百多個PCD車刀使用點，許多人造板企業也采用PCD刀具進行木制品加工。PCD刀具的應用也進一步推動了對其設計與制造技術的研究。國內的清華大學、大連理工大學、華中理工大學、吉林工業大學、哈爾濱工業大學等均在積極開展這方面的研究。國內從事PCD刀具研發、生產的有上海舒伯哈特、鄭州新亞、南京藍幟、深圳潤祥、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的金屬切削加工擴展到石材加工MyCIMT、木材加工、金屬基復合材料、玻璃、工程陶瓷等材料的加工。通過對近年來PCD刀具應用的分析可見，PCD刀具主要應用于以下兩方面：
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，往往產生刀具易磨損、加工效率低等缺陷，而PCD刀具則可表現出良好的加工性能。如用PCD刀具可有效加工新型發動機活塞材料——過共晶硅鋁合金（對該材料加工機理的研究已取得突破）。
②難加工非金屬材料的加工：PCD刀具非常適合對石材、硬質碳、碳纖維增強塑料（CFRP）、人造板材等難加工非金屬材料的加工。如華中理工大學1990年實現了用PCD刀具加工玻璃；目前強化復合地板及其它木基板材（如MDF）的應用日趨廣泛，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
2.1 PCD刀具的制造過程
PCD刀具的制造過程主要包括兩個階段：
①PCD復合片的制造：PCD復合片是由天然或人工合成的金剛石粉末與結合劑（其中含鈷、鎳等金屬）按一定比例在高溫（1000～2000℃）、高壓（5～10萬個大氣壓）下燒結而成。在燒結過程中，由于結合劑的加入，使金剛石晶體間形成以TiC、SiC、Fe、Co、Ni等為主要成分的結合橋MyCIMT，金剛石晶體以共價鍵形式鑲嵌于結合橋的骨架中。通常將復合片制成固定直徑和厚度的圓盤，還需對燒結成的復合片進行研磨拋光及其它相應的物理、化學處理。
②PCD刀片的加工：PCD刀片的加工主要包括復合片的切割、刀片的焊接、刀片刃磨等步驟。
2.2 PCD復合片的切割工藝
由于PCD復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，其工藝特點的比較見表1。
PCD復合片切割工藝的比較
工藝方法－ 工藝特點
電火花加工－高度集中的脈沖放電能量、強大的放電爆炸力使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中結合橋的存在使電火花加工復合片成為可能。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、長方形或正方形的刀頭毛坯。電火花加工PCD復合片的效率及表面質量受到切削速度、PCD粒度、層厚和電極質量等因素的影響，其中切削速度的合理選擇十分關鍵，實驗表明，增大切削速度會降低加工表面質量，而切削速度過低則會產生“拱絲”現象，并降低切割效率。增加PCD刀片厚度也會降低切割速度。
2.3 PCD刀片的焊接工藝
PCD復合片與刀體的結合方式除采用機械夾固和粘接方法外，大多是通過釬焊方式將PCD復合片壓制在硬質合金基體上。焊接方法主要有激光焊接、真空擴散焊接、真空釬焊、高頻感應釬焊等。目前，投資少、成本低的高頻感應加熱釬焊在PCD刀片焊接中得到廣泛應用。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，則焊接強度不夠；如焊接溫度過高，PCD容易石墨化，并可能導致“過燒”，影響PCD復合片與硬質合金基體的結合。在實際加工過程中，可根據保溫時間和PCD變紅的深淺程度來控制焊接溫度（一般應低于700℃）。國外的高頻焊接多采用自動焊接工藝，焊接效率高、質量好，可實現連續生產；國內則多采用手工焊接，生產效率較低，質量也不夠理想。
2.4 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合劑金剛石砂輪進行磨削。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，因此其磨削規律比較復雜。對于高粒度、低轉速砂輪，采用水溶性冷卻液可提高PCD的磨削效率和磨削精度。砂輪結合劑的選擇應視磨床類型和加工條件而定。由于電火花磨削（EDG）技術幾乎不受被磨削工件硬度的影響，因此采用EDG技術磨削PCD具有較大優勢。某些復雜形狀PCD刀具（如木工刀具）的磨削也對這種靈活的磨削工藝具有巨大需求。隨著電火花磨削技術的不斷發展，EDG技術將成為PCD磨削的一個主要發展方向。
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