對聚晶金剛石(pcd)刀具的發(fā)展概況、性能特點、應(yīng)用范圍、制造技術(shù)、設(shè)計原則、切削參數(shù)及失效機理等進行了綜合評述

　　1．概述

　　1.1pcd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(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、價格昂貴的問題，使金剛石刀具的應(yīng)用范圍擴展到航空、航天、汽車、電子、石材等多個領(lǐng)域。

　　1.2pcd刀具的性能特點

　　金剛石刀具具有硬度高、抗壓強度高、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，碳原子的四個價電子按四面體結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的結(jié)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(jié)構(gòu)是取向不一的細晶粒金剛石燒結(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)：

　?、賞cd的硬度可達8000hv，為硬質(zhì)合金的80～120倍；

　?、趐cd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；

　?、踦cd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；

　?、躳cd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；

　?、輕cd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。

　　1.3pcd刀具的應(yīng)用

　　工業(yè)發(fā)達國家對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大。目前，國際上著名的人造金剛石復(fù)合片生產(chǎn)商主要有英國debeers公司、美國ge公司、日本住友電工株式會社等。據(jù)報道，1995年一季度僅日本的pcd刀具產(chǎn)量即達10.7萬把。pcd刀具的應(yīng)用范圍已由初期的車削加工向鉆削、銑削加工擴展。由日本一家組織進行的關(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。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。

pcd復(fù)合片

　　國內(nèi)pcd刀具市場隨著刀具技術(shù)水平的發(fā)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(yè)也采用pcd刀具進行木制品加工。pcd刀具的應(yīng)用也進一步推動了對其設(shè)計與制造技術(shù)的研究。國內(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(tǒng)的金屬切削加工擴展到石材加工、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：

　?、匐y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(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）。

　?、陔y加工非金屬材料的加工：pcd刀具非常適合對石材、硬質(zhì)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(xué)1990年實現(xiàn)了用pcd刀具加工玻璃；目前強化復(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)

　　2.1pcd刀具的制造過程

　　pcd刀具的制造過程主要包括兩個階段：

　?、賞cd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（5～10萬個大氣壓）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，還需對燒結(jié)成的復(fù)合片進行研磨拋光及其它相應(yīng)的物理、化學(xué)處理。

　?、趐cd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。

　　2.2pcd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，其工藝特點的比較見表1。

　　pcd復(fù)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(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，實驗表明，增大切削速度會降低加工表面質(zhì)量，而切削速度過低則會產(chǎn)生“拱絲”現(xiàn)象，并降低切割效率。增加pcd刀片厚度也會降低切割速度。

　　2.3pcd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。在實際加工過程中，可根據(jù)保溫時間和pcd變紅的深淺程度來控制焊接溫度（一般應(yīng)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(zhì)量好，可實現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)；國內(nèi)則多采用手工焊接，生產(chǎn)效率較低，質(zhì)量也不夠理想。

　　2.4pcd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。某些復(fù)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(shù)的不斷發(fā)展，edg技術(shù)將成為pcd磨削的一個主要發(fā)展方向。

　　3．pcd刀具的設(shè)計原則

pcd刀片

　　3.1刀具材料的選擇

　?。?）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)計用于精加工或超精加工的刀具時，應(yīng)選用強度高、韌性好、抗沖擊性能好、細晶粒的pcd。粗晶粒pcd刀具則可用于一般的粗加工。pcd材料的粒度對于刀具的磨損和破損性能影響顯著。研究表明：pcd粒度號越大，刀具的抗磨損性能越強。采用debeers 公司syndite 002和syndite025兩種pcd材料的刀具加工sic基復(fù)合材料時的刀具磨損試驗結(jié)果表明，粒度為2μm的syndite 002pcd材料較易磨損。

　?。?）合理選擇pcd刀片厚度

　　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。de beers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，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。

　　3.2刀具幾何參數(shù)與結(jié)構(gòu)設(shè)計

　　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械夾固、焊接、可轉(zhuǎn)位等多種方式，其特點與應(yīng)用范圍見表2。

　　pcd復(fù)合片與刀桿連接方式的特點與應(yīng)用

　　連接方式－ 特點 － 應(yīng)用范圍

　　機械夾固－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－中小型機床

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

　　機夾焊接－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－自動機床、數(shù)控機床

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

　　4．pcd刀具的切削參數(shù)與失效機理

　　4.1pcd刀具切削參數(shù)對切削性能的影響

　?。?）切削速度

　　pcd刀具可在極高的主軸轉(zhuǎn)速下進行切削加工，但切削速度的變化對加工質(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，并使機床產(chǎn)生振動。加工不同工件材料時，pcd刀具的合理切削速度也有所不同，如銑削al2o3強化地板的合理切削速度為110～120m/min；車削sic顆粒增強鋁基復(fù)合材料及氧化硅基工程陶瓷的合理切削速度為30～40m/min。

　?。?）進給量

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

　?。?）切削深度

　　增加pcd刀具的切削深度會使切削力增大、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。

　　不同粒度等級的pcd刀具在不同的加工條件下加工不同工件材料時，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刀具的實際切削參數(shù)。

　　4.2pcd刀具的失效機理

　　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)磨損和擴散磨損。研究表明，采用pcd刀具加工金屬基復(fù)合材料時，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，pcd刀具的粘結(jié)磨損并不明顯；相反，在加工低脆性材料（如碳纖維增強材料）時，刀具的磨損增大，此時粘接磨損起主導(dǎo)作用。

　　5．結(jié)語

　　pcd刀具因其良好的加工質(zhì)量和加工經(jīng)濟性在非金屬材料、有色金屬及其合金材料、金屬基復(fù)合材料等切削加工領(lǐng)域顯示出其它刀具難以比擬的優(yōu)勢

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。隨著pcd刀具的理論研究日益深入及其應(yīng)用技術(shù)的進一步推廣，pcd刀具在超硬刀具領(lǐng)域的地位將日益重要，其應(yīng)用范圍也將進一步拓展。

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