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(wèn)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。
1.2 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(kāi)。
PCD刀具材料的主要性能指標(biāo)：
①PCD的硬度可達(dá)8000HV，為硬質(zhì)合金的80～120倍；
②PCD的導(dǎo)熱系數(shù)為700W/mK，為硬質(zhì)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(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(guò)程中切屑不易粘結(jié)在刀尖上形成積屑瘤。
1.3 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(kāi)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)De Beers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(kāi)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MyCIMT、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(guò)對(duì)近年來(lái)PCD刀具應(yīng)用的分析可見(jiàn)，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(guò)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。
2．PCD刀具的制造技術(shù)
2.1 PCD刀具的制造過(guò)程
PCD刀具的制造過(guò)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(guò)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MyCIMT，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。
2.2 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(jiàn)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(guò)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。
2.3 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(guò)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(guò)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(guò)程中，焊接溫度的控制十分重要，如焊接溫度過(guò)低，則焊接強(qiáng)度不夠；如焊接溫度過(guò)高，PCD容易石墨化，并可能導(dǎo)致“過(guò)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(guò)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。
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(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樹(shù)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。
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