聚晶金刚石刀具

①PCD的硬度可达8000HV，为硬质合金的8~12倍;

②PCD的导热系数为700W/mK，为硬质合金的1.5~9倍，甚至高于PCBN和铜，因此PCD刀具热量传递迅速;

③PCD的摩擦系数一般仅为0.1~0.3(硬质合金的摩擦系数为0.4~1)，因此PCD刀具可显著减小切削力;

④PCD的热膨胀系数仅为0.9×10^-6~1.18×10^-6，仅相当于硬质合金的1/5，因此PCD刀具热变形小，加工精度高;

⑤PCD刀具与有色金属和非金属材料间的亲和力很小，在加工过程中切屑不易粘结在刀尖上形成积屑瘤。

工业发达国家对PCD刀具的研究开展较早，其应用已比较成熟。自1953年在瑞典首次合成人造金刚石以来，对PCD刀具切削性能的研究获得了大量成果，PCD刀具的应用范围及使用量迅速扩大。国际上著名的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年一季度仅日本的PCD刀具产量即达10.7万把。PCD刀具的应用范围已由初期的车削加工向钻削、铣削加工扩展。由日本一家组织进行的关于超硬刀具的调查表明:人们选用PCD刀具的主要考虑因素是基于PCD刀具加工后的表面精度、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的聚晶金刚石复合片。

国内PCD刀具市场随着刀具技术水平的发展也不断扩大。中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刀具的应用也进一步推动了对其设计与制造技术的研究。国内的清华大学、大连理工大学、华中科技大学、吉林工业大学、哈尔滨工业大学等均在积极开展这方面的研究。国内从事PCD刀具研发、生产的有上海舒伯哈特、佛山邦纳、常州默克工具、郑州新亚、南京蓝帜、深圳润祥、成都工具研究所、成都戴梦迪等几十家单位。PCD刀具的加工范围已从传统的金属切削加工扩展到石材加工、木材加工、金属基复合材料、玻璃、工程陶瓷等材料的加工。通过对近年来PCD刀具应用的分析可见，PCD刀具主要应用于以下两方面:①难加工有色金属材料的加工: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的加工性能。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(对该材料加工机理的研究已取得突破)。②难加工非金属材料的加工: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的加工。如华中理工大学1990年实现了用PCD刀具加工玻璃;强化复合地板及其它木基板材(如MDF)的应用日趋广泛，用PCD刀具加工这些材料可有效避免刀具易磨损等缺陷。

制造过程

PCD刀具的制造过程主要包括两个阶段:①PCD复合片的制造:PCD复合片是由天然或人工合成的金刚石粉末与结合剂(其中含钴、镍等金属)按一定比例在高温(1000~2000℃)、高压(5~10万个大气压)下烧结而成。在烧结过程中，由于结合剂的加入，使金刚石晶体间形成以TiC、SiC、Fe、Co、Ni等为主要成分的结合桥，金刚石晶体以共价键形式镶嵌于结合桥的骨架中。通常将复合片制成固定直径和厚度的圆盘，还需对烧结成的复合片进行研磨抛光及其它相应的物理、化学处理。②PCD刀片的加工:PCD刀片的加工主要包括复合片的切割、刀片的焊接、刀片刃磨等步骤。

切割工艺

由于PCD复合片具有很高的硬度及耐磨性，因此必须采用特殊的加工工艺。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，其工艺特点的比较见表1。

表1 PCD复合片切割工艺的比较

工艺方法-工艺特点

电火花加工-高度集中的脉冲放电能量、强大的放电爆炸力使PCD材料中的金属融化，部分金刚石石墨化和氧化，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

在上述加工方法中，电火花加工效果较佳。PCD中结合桥的存在使电火花加工复合片成为可能。在有工作液的条件下，利用脉冲电压使靠近电极金属处的工作液形成放电通道，并在局部产生放电火花，瞬间高温可使聚晶金刚石熔化、脱落，从而形成所要求的三角形、长方形或正方形的刀头毛坯。电火花加工PCD复合片的效率及表面质量受到切削速度、PCD粒度、层厚和电极质量等因素的影响，其中切削速度的合理选择十分关键，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。

焊接工艺

PCD复合片与刀体的结合方式除采用机械夹固和粘接方法外，大多是通过钎焊方式将PCD复合片压制在硬质合金基体上。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。投资少、成本低的高频感应加热钎焊在PCD刀片焊接中得到广泛应用。在刀片焊接过程中，焊接温度、焊剂和焊接合金的选择将直接影响焊后刀具的性能。在焊接过程中，焊接温度的控制十分重要，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的结合。在实际加工过程中，可根据保温时间和PCD变红的深浅程度来控制焊接温度(一般应低于700℃)。国外的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。

刃磨工艺

PCD的高硬度使其材料去除率极低(甚至只有硬质合金去除率的万分之一)。PCD刀具刃磨工艺主要采用陶瓷结合剂金刚石砂轮进行磨削。由于砂轮磨料与PCD之间的磨削是两种硬度相近的材料间的相互作用，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的磨削效率和磨削精度。砂轮结合剂的选择应视磨床类型和加工条件而定。由于电火花磨削(EDG)技术几乎不受被磨削工件硬度的影响，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)的磨削也对这种灵活的磨削工艺具有巨大需求。随着电火花磨削技术的不断发展，EDG技术将成为PCD磨削的一个主要发展方向。

PCD粒度

PCD粒度的选择与刀具加工条件有关，如设计用于精加工或超精加工的刀具时，应选用强度高、韧性好、抗冲击性能好、细晶粒的PCD。粗晶粒PCD刀具则可用于一般的粗加工。PCD材料的粒度对于刀具的磨损和破损性能影响显著。研究表明:PCD粒度号越大，刀具的抗磨损性能越强。采用DeBeers 公司SYNDITE 002和SYNDITE025两种PCD材料的刀具加工SiC基复合材料时的刀具磨损试验结果表明，粒度为2μm的SYNDITE002PCD材料较易磨损。

PCD粒度有亚微米、2μm、5μm、10μm、25μm及2~30μm，其中10μm粒度的CDW010材质为通用型，抗崩刃型和耐磨性均良好，一般情况，粒度越大，刀片材质更耐磨损，而混合粒度2~30μm的CDW302材质的耐磨性更好。如图1所示，为不同PCD粒度的抗崩刃性和耐磨性对比，还有放电特性和可磨性对比。

刀片厚度

通常情况下，PCD复合片的层厚约为0.3~1.0mm，加上硬质合金层后的总厚度约为2~8mm。较薄的PCD层厚有利于刀片的电火花加工。DeBeers公司推出的0.3mm厚PCD复合片可降低磨削力，提高电火花的切割速度。PCD复合片与刀体材料焊接时，硬质合金层的厚度不能太小，以避免因两种材料结合面间的应力差而引起分层。

结构设计

PCD刀具的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刀具常用于工件的精加工，切削厚度较小(有时甚至等于刀具的刃口半径)，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，较小的后角、较高的后刀面质量对于提高PCD刀具的加工质量可起到重要作用。

PCD复合片与刀杆的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。

表2 PCD复合片与刀杆连接方式的特点与应用

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的可换刀片组成，具有快换和便于重磨的优点-中小型机床

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的刀具，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，不需重磨和焊接，可节省辅助时间，提高刀具寿命-普通通用机床

PCD刀具切削参数对切削性能的影响

切削速度

PCD刀具可在极高的主轴转速下进行切削加工，但切削速度的变化对加工质量的影响不容忽视。虽然高速切削可提高加工效率，但在高速切削状态下，切削温度和切削力的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刀具的合理切削速度也有所不同，如铣削Al2O3强化地板的合理切削速度为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的合理切削速度为30~40m/min。

进给量

如PCD刀具的进给量过大，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。

切削深度

增加PCD刀具的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，切削深度的增加容易引起PCD刀具崩刃。

不同粒度等级的PCD刀具在不同的加工条件下加工不同工件材料时，表现出的切削性能也不尽相同，因此应根据具体加工条件确定PCD刀具的实际切削参数。

(1)航空航天领域

复合材料相比于其它材料具有质量轻、强度高、耐高温、耐腐蚀等特性，成为航空航天领域的理想材料。随着航空航天复合材料的广泛应用，如何正确选择、合理使用刀具进行高效高质量切削加工是一个非常重要的问题。

航空航天制造业广泛应用的刀具材料主要有硬质合金和PCD刀具材料，其中，PCD刀具材料所占比重越来越大，在当今的航空制造中两者成为航空航天业刀具发展中的主导刀具，应用范围相当广泛。

(2)汽车行业领域

PCD刀具于1973年在美国开始应用。自汽车工业应用PCD刀具以来，PCD刀具在北美汽车工业中的使用量高速增长。美国汽车公司使用PCD刀具加工的主要对象是发动机的铝合金汽缸体。

PCD刀具的应用涵盖汽车几乎所有铝合金零部件加工领域，包括专用阶梯复合刀具，铸铝及铝合金加工丝锥，各种高精度孔复合绞刀，复合钻头，大倍径钻头，高难度材料加工钻头等等。国内汽车企业如一汽大众，已广泛使用PCD刀具加工汽车铝合金零部件(如汽车铝合金活塞、铝合金轮毂)。