PCD刀具由聚晶金剛石刀尖和硬質(zhì)合金基體經(jīng)高溫高壓燒結(jié)而成。既能發(fā)揮金剛石高硬度、高導(dǎo)熱系數(shù)、低摩擦系數(shù)、低熱膨脹系數(shù)、與金屬和非金屬親和力小、彈性模量高、無(wú)解理面、各向同性等眾多優(yōu)勢(shì)，又兼顧了硬質(zhì)合金的高強(qiáng)度。

       熱穩(wěn)定性、沖擊韌性和耐磨性是PCD的主要性能指標(biāo)。由于多應(yīng)用于高溫高應(yīng)力環(huán)境，熱穩(wěn)定性是重中之重。研究表明，PCD的熱穩(wěn)定性對(duì)其耐磨性和沖擊韌性影響都很大，數(shù)據(jù)顯示：當(dāng)溫度高于750℃時(shí)，PCD的耐磨性和沖擊韌性普遍下降5％-10％。

       PCD的晶體狀態(tài)決定了其特性。微觀結(jié)構(gòu)上，碳原子與四個(gè)相鄰原子形成共價(jià)鍵，得到四面體結(jié)構(gòu)，進(jìn)而組成原子晶體，具有很強(qiáng)的方向性和結(jié)合力，硬度極高。PCD的主要性能指標(biāo)如下：①硬度可以達(dá)到8000HV，是硬質(zhì)合金的8-12倍；②導(dǎo)熱系數(shù)為700W/mK，是硬質(zhì)合金的1.5-9倍，甚至高于PCBN和銅；③摩擦系數(shù)一般僅為0.1-0.3，遠(yuǎn)小于硬質(zhì)合金的0.4-1，顯著減小了切削力；④熱膨脹系數(shù)僅為0.9×10-6-1.18×10-6，是硬質(zhì)合金的1/5，可減小熱變形，提高加工精度；⑤與有色金屬和非金屬材料親和力很小，不易形成積屑瘤。

       立方氮化硼的抗氧化性較強(qiáng)，可加工含鐵材料，但硬度低于單晶金剛石，加工速度較慢，效率較低。單晶金剛石硬度高，但韌性不足，各向異性使其在外力沖擊下容易沿(111)面解離，加工效率受限。PCD是由微米級(jí)金剛石小顆粒通過(guò)一定手段合成的聚合體，顆粒無(wú)序堆積的混亂性導(dǎo)致其宏觀上各向同性，抗張強(qiáng)度不存在方向性和解理面。與單晶金剛石相比，PCD的晶界有效減小了各向異性，優(yōu)化了力學(xué)性質(zhì)。幾種常用金剛石材料與硬質(zhì)合金的特性對(duì)比見表1。

       1  PCD刀具的設(shè)計(jì)原則

       (1)合理選擇PCD粒度

       理論上，PCD應(yīng)該盡量做到晶粒細(xì)化，且添加劑在晶間的分布要盡量均勻，以克服各向異性。PCD粒度的選擇也與加工條件有關(guān)，一般來(lái)說(shuō)，強(qiáng)度高、韌性好、抗沖擊性能好、細(xì)晶粒的PCD可用于精加工或超精加工，粗晶粒的PCD可用于一般的粗加工。PCD粒度可以顯著影響刀具的磨損性能。相關(guān)文獻(xiàn)指出，原料晶粒較大時(shí)，耐磨性隨粒度減小而逐漸提高，但粒度極小時(shí)，此規(guī)律就不適用了。

       相關(guān)實(shí)驗(yàn)選取了四種平均粒徑分別為10μm、5μm、2μm和1μm的金剛石粉料進(jìn)行對(duì)比，得出結(jié)論：①隨著原料粒度減小，Co擴(kuò)散得更均勻；②隨著顆粒度降低，PCD的耐磨性和耐熱性也逐漸降低。

表1  幾種金剛石材料與硬質(zhì)合金的特性對(duì)比

       (2)合理選擇刃口形式及刀片厚度

       刃口形式主要包括倒棱、鈍圓、倒棱鈍圓復(fù)合以及尖銳角四種結(jié)構(gòu)。尖銳角結(jié)構(gòu)使刃口鋒利，切削速度較快，可顯著減小切削力和毛刺，提高產(chǎn)品表面質(zhì)量，較適合對(duì)低硅鋁合金及其它硬度偏低、材質(zhì)均勻有色金屬的精加工。鈍圓結(jié)構(gòu)可以鈍化刃口，形成R角，有效預(yù)防刀刃折斷，適合加工中/高硅鋁合金。在某些特殊情況下，如切削深度較淺、進(jìn)刀較小時(shí)，首選鈍圓結(jié)構(gòu)。倒棱結(jié)構(gòu)可以增大棱角，穩(wěn)固刀刃，但同時(shí)會(huì)增加壓力和切削抗力，較適合重載切削高硅鋁合金。

       為了有利于電火花加工，通常選擇較薄的PDC片層(0.3-1.0mm)，加上硬質(zhì)合金層，刀具總厚度在2-8mm左右。硬質(zhì)合金層不宜太厚，以免因結(jié)合面間的應(yīng)力差而引起分層。

       2  PCD刀具的制造工藝

       PCD刀具的制造工藝直接決定了工具的切削性能和使用壽命，是其應(yīng)用和發(fā)展的關(guān)鍵所在。PCD刀具的制造流程見圖5。

       (1) PCD復(fù)合片(PDC)的制造

       ①PDC的制造過(guò)程

       PDC一般由天然或人工合成的金剛石粉末與結(jié)合劑在高溫(1000-2000℃)、高壓(5-10atm)下按一定比例燒結(jié)而成。結(jié)合劑使晶間形成了以TiC、SiC、Fe、Co、Ni等為主要成分的結(jié)合橋，金剛石晶體以共價(jià)鍵形式鑲嵌于結(jié)合橋的骨架中。PDC一般制成直徑和厚度固定的圓盤，并進(jìn)行研磨拋光等相應(yīng)的物理、化學(xué)處理。

       從本質(zhì)上講，PDC的理想形式應(yīng)當(dāng)盡可能保留單晶金剛石的優(yōu)良物理特性，因此，要求燒結(jié)體中添加劑盡量少，同時(shí)顆粒間D-D鍵結(jié)合盡可能多。

圖1  PCD刀具的制造流程

       ②粘結(jié)劑的分類與選擇

       粘結(jié)劑是影響PCD刀具熱穩(wěn)定性的最主要因素，直接影響其硬度、耐磨性和熱穩(wěn)定性。常見的PCD粘結(jié)方式有：鐵、鈷、鎳等過(guò)渡金屬。以Co和W混合粉作為粘結(jié)劑，采用溶滲催化法，當(dāng)合成壓力為5.5GPa、燒結(jié)溫度為1450℃、保溫4min時(shí)合成的燒結(jié)型PCD綜合性能最好。SiC、TiC、WC、TiB2等陶瓷材料。SiC的熱穩(wěn)定性優(yōu)于Co，但硬度和斷裂韌性相對(duì)較低，適當(dāng)降低原料尺寸可提高PCD的硬度和韌性。無(wú)粘接劑，以石墨或其它碳源在超高溫高壓下燒結(jié)成納米級(jí)聚晶金剛石(NPD)。以石墨為前驅(qū)物直接轉(zhuǎn)化成金剛石來(lái)制備NPD條件最為苛刻，但合成的NPD硬度最高，力學(xué)性能最好。

       ③晶粒的選擇與控制

       原料金剛石粉末是影響PCD性能的關(guān)鍵因素。前處理金剛石微粉、添加少量阻礙異常粒生長(zhǎng)的物質(zhì)以及合理選擇燒結(jié)助劑可以抑制金剛石異常粒長(zhǎng)大。

       具有均勻結(jié)構(gòu)的高純NPD可以有效消除各向異性，進(jìn)一步提高力學(xué)性能。高能球磨法制備的納米石墨前驅(qū)體粉末，在高溫預(yù)燒結(jié)進(jìn)行氧含量調(diào)控，在18GPa、2100-2300℃條件下將石墨轉(zhuǎn)變?yōu)榻饎偸闪似瑢雍皖w粒狀NPD，且硬度隨片層厚度降低而增加。

       ④后期化學(xué)處理

       相同溫度(200℃)及時(shí)間(20h)下，路易斯酸—FeCl3的脫鈷效果明顯優(yōu)于王水，且HCl的最佳配比為10-15g/100ml。隨著脫鈷深度增加，PCD的熱穩(wěn)定性提高。對(duì)于粗粒度生長(zhǎng)型PCD，強(qiáng)酸處理可以較徹底地去除Co，但對(duì)聚晶性能影響大；添加TiC、WC改變合成聚晶結(jié)構(gòu)，與強(qiáng)酸處理結(jié)合使用，可提高PCD的穩(wěn)定性。目前，PCD材料制備工藝日臻完善，產(chǎn)品韌性良好，各向異性也有了很大提高，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)，相關(guān)產(chǎn)業(yè)正在飛速發(fā)展。

       (2)PCD刀片的加工

       ①切割工藝

       PCD硬度高，耐磨性良好，切割工藝難度高。具體切割工藝特點(diǎn)比較見表2。

表2  幾種切割工藝的特點(diǎn)比較

       綜上，電火花加工最佳。電火花加工效率及PDC表面質(zhì)量與電極質(zhì)量、PCD粒度、層厚，特別是切削速度有關(guān)。實(shí)驗(yàn)表明，切削速度過(guò)高會(huì)影響PDC表面質(zhì)量，過(guò)低會(huì)引起“拱絲”，影響切割效率。隨著刀片厚度增加，切割速度會(huì)降低。

       ②焊接工藝

       PDC與刀體的連接方式有機(jī)械夾固、粘接和釬焊。釬焊是將PDC壓制在硬質(zhì)合金基體上，方法包括真空釬焊、真空擴(kuò)散焊接、高頻感應(yīng)加熱釬焊、激光焊接等。高頻感應(yīng)加熱釬焊低成本，高回報(bào)，獲得了廣泛應(yīng)用。焊接質(zhì)量與焊劑、焊接合金和焊接溫度有關(guān)。焊接溫度(一般低于700℃)影響最大，溫度過(guò)高，容易引起PCD石墨化，甚至“過(guò)燒”，直接影響焊接效果，而溫度過(guò)低會(huì)導(dǎo)致焊接強(qiáng)度不足。通過(guò)保溫時(shí)間和PCD變紅的深淺程度可以控制焊接溫度。連接方式比較見表3。

表3  PDC刀片與刀桿連接方式的特點(diǎn)和應(yīng)用

       ③刃磨工藝

       PCD刀具刃磨工藝難度高，是制造工藝的關(guān)鍵。刃磨一般要求主切削刃有一定的直線度，無(wú)鋸齒和崩刃，刃口鋸齒峰值在5μm以內(nèi)，圓弧半徑在4μm以內(nèi)；前、后刀面保證一定的表面光潔度，甚至將前刀面Ra降至0.01μm，達(dá)到鏡面要求，使切屑沿前刀面流動(dòng)、預(yù)防粘刀。

       刃磨工藝包括金剛石砂輪機(jī)械刃磨、電火花刃磨(EDG)、金屬結(jié)合劑超硬磨料砂輪在線電解修整刃磨(ELID)、復(fù)合刃磨加工。其中，金剛石砂輪機(jī)械刃磨最成熟，應(yīng)用最廣。

       相關(guān)實(shí)驗(yàn)得出：①粗顆粒砂輪會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的刃口崩缺，且砂輪粒度下降，刃口質(zhì)量呈變好的趨勢(shì)；②砂輪粒度與細(xì)顆?；虺?xì)顆粒PCD刀具的刃口質(zhì)量關(guān)系密切，但對(duì)粗顆粒PCD刀具作用有限。

       國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究主要集中在刃磨機(jī)理及工藝上。刃磨機(jī)理中，占主導(dǎo)的是熱化學(xué)去除和機(jī)械去除，脆性去除和疲勞去除比例相對(duì)較小。刃磨時(shí)，要根據(jù)不同結(jié)合劑金剛石砂輪的強(qiáng)度、耐熱性等特點(diǎn)，盡可能提高砂輪轉(zhuǎn)速和擺頻，避免脆性和疲勞去除，提高熱化學(xué)去除比例，降低表面粗糙度。干磨削的表面粗糙度較低，但容易因加工溫度過(guò)高，燒傷刀具表面。

       刃磨工藝方面需要注意：①選擇合理的刃磨工藝參數(shù)，可以使刃口質(zhì)量更加優(yōu)異，前、后刀面表面光潔度更高。但也要綜合考慮磨削力高、砂輪損耗大、刃磨效率低、成本高等問(wèn)題；②選擇合理的砂輪質(zhì)量，包括結(jié)合劑種類，砂輪粒度、濃度、結(jié)合劑、砂輪修整，配以合理的干濕刃磨條件，可以優(yōu)化刀具前后角、刀尖鈍化值等參數(shù)，同時(shí)提高刀具的表面質(zhì)量。

       不同結(jié)合劑金剛石砂輪特性不同，刃磨機(jī)理及效果也不同。樹脂結(jié)合劑金剛石砂輪較軟，磨粒易過(guò)早脫落，不耐熱，表面受熱易變形，刃磨表面易產(chǎn)生磨痕，粗糙度大；金屬結(jié)合劑金剛石砂輪通過(guò)磨粒局部破碎保持鋒利狀態(tài)，成型性好，表面平整，刃磨表面粗糙度低，效率較高，但對(duì)磨粒的結(jié)合能力太強(qiáng)使磨具自銳性差，且刃口容易留下沖擊缺口，造成邊緣嚴(yán)重破壞；陶瓷結(jié)合劑金剛石砂輪強(qiáng)度適中，自勵(lì)性好，內(nèi)部氣孔較多，有利于排屑和散熱，可以適應(yīng)各種冷卻液，磨削溫度較低，砂輪磨損較小，形狀保持性好，工件精度高，效率最高，但金剛石磨粒和結(jié)合劑組成的脫落體容易導(dǎo)致刀具表面結(jié)合劑處形成凹坑。使用時(shí)要根據(jù)加工材料，綜合磨削效率、磨具耐用度及工件表面質(zhì)量進(jìn)行合理選擇。

       磨削效率方面的研究主要集中在提高生產(chǎn)率和控制成本上，一般作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的是磨削率Q(單位時(shí)間內(nèi)PCD去除量)和磨耗比G(PCD去除量與砂輪損耗量之比)。

       德國(guó)學(xué)者KENTER以恒定壓力磨削PCD刀具，試驗(yàn)得出：①增大砂輪轉(zhuǎn)速、PDC粒度和冷卻液濃度，磨削率與磨耗比均減小；②增大磨粒粒度，增大恒定壓力，增大砂輪中金剛石的濃度，磨削率與磨耗比均增大；③結(jié)合劑種類不同，磨削率與磨耗比不同。KENTER系統(tǒng)研究了PCD刀具的刃磨工藝，但沒有系統(tǒng)分析刃磨工藝對(duì)刃磨質(zhì)量的影響。

       3  PCD刀具的使用與失效

       (1)刀具切削參數(shù)選擇

       PCD刀具使用初期的一段時(shí)間內(nèi)，隨著鋒利刃口逐漸鈍化，加工表面質(zhì)量變好。鈍化可以有效去除刃磨帶來(lái)的微缺口和小毛刺，改善切削刃的表面質(zhì)量，同時(shí)，在刃口處形成一個(gè)倒圓形刃口半徑，對(duì)已加工表面起到擠壓修光作用，從而提高了工件表面質(zhì)量。

       PCD刀具面銑削鋁合金，切削速度一般在4000m/min內(nèi)，孔加工一般在800m/min內(nèi)，加工彈塑性較高的有色金屬應(yīng)取較高的車削速度(300-1000m/min)。進(jìn)給量一般推薦在0.08-0.15mm/r之間。進(jìn)給量過(guò)大，切削力升高，工件表面殘余幾何面積增大；進(jìn)給量過(guò)小，切削熱升高，磨損加劇。切削深度增大，切削力增大，切削熱升高，壽命降低，切削深度過(guò)大易造成崩刃；切削深度過(guò)小會(huì)導(dǎo)致加工硬化，磨損加劇甚至崩刃。國(guó)際生產(chǎn)工程學(xué)會(huì)(CIRP)推薦的PCD刀具切削用量見表4。

表4  國(guó)際生產(chǎn)工程學(xué)會(huì)(CIRP)推薦的PCD刀具

       (2)磨損形式

       刀具加工工件時(shí)，由于摩擦、高溫等原因，磨損不可避免。金剛石刀具的磨損由三個(gè)階段組成：初期的快速磨損階段(也稱過(guò)渡階段)、磨損率為常數(shù)的穩(wěn)定磨損階段和之后的快速磨損階段?？焖倌p階段表明刀具已不能繼續(xù)工作，需要重新刃磨修整。刀具的磨損形式包括粘接磨損(冷焊磨損)、擴(kuò)散磨損、磨料磨損、氧化磨損等。

       與傳統(tǒng)刀具有所不同，PCD刀具的磨損形式是粘接磨損、擴(kuò)散磨損、聚晶層破損。其中聚晶層破損是主要原因，表現(xiàn)為外力沖擊導(dǎo)致的刀刃細(xì)微崩口或PDC中粘接劑丟失引起的晶粒剝落，形成豁口，屬于物理機(jī)械破損，可導(dǎo)致加工精度降低，工件報(bào)廢。PCD粒度、刃口形式、刀片角度、工件材料、加工參數(shù)會(huì)影響刃口強(qiáng)度和切削力，進(jìn)而引起聚晶層破損。工程實(shí)踐中，要根據(jù)加工條件，選擇合適的原料粒度、刀具參數(shù)和加工參數(shù)。

       4  PCD刀具的發(fā)展趨勢(shì)

       目前，PCD刀具的應(yīng)用范圍已由傳統(tǒng)的車削加工向鉆削、銑削加工、高速切削擴(kuò)展，在國(guó)內(nèi)外得到了廣泛應(yīng)用。電動(dòng)汽車的高速發(fā)展，在給傳統(tǒng)汽車行業(yè)帶來(lái)沖擊的同時(shí)，也給刀具行業(yè)帶來(lái)了前所未有的挑戰(zhàn)，催促著刀具行業(yè)加快優(yōu)化與創(chuàng)新。

       PCD刀具的廣泛應(yīng)用加深并推動(dòng)了刀具研發(fā)，隨著研究不斷深入，PDC規(guī)格尺寸越來(lái)越小、晶粒細(xì)化、質(zhì)量?jī)?yōu)化、性能均一化、磨削率與磨耗比越來(lái)越高、形狀結(jié)構(gòu)多樣化。PCD刀具研究方向包括：①研究開發(fā)較薄的PCD層；②研究開發(fā)新型PCD刀具材料；③研究更好地焊接PCD刀具，進(jìn)一步降低成本；④研究改進(jìn)PCD刀具刃磨工藝，提高效率；⑤研究?jī)?yōu)化PCD刀具參數(shù)，因地制宜地使用刀具；⑥研究根據(jù)被加工材料合理選擇切削參數(shù)。

       小結(jié)

       (1)PCD刀具切削性能優(yōu)異，彌補(bǔ)了許多硬質(zhì)合金刀具的不足；同時(shí)，價(jià)格遠(yuǎn)低于單晶金剛石刀具，在現(xiàn)代切削中大放異彩，是一種很有前途的刀具；

       (2)要根據(jù)被加工材料的種類和性能，合理選擇PCD刀具的粒度和參數(shù)，這是刀具制造和使用的前提；

       (3)PCD材料硬度高，是切削刀具的理想材料，但同時(shí)也為刀具制造帶來(lái)了難度。制造時(shí)要綜合考量工藝難度與加工需求，以期達(dá)到最佳的性價(jià)比；

       (4)PCD刀具加工材料時(shí)，要合理選擇切削參數(shù)，在滿足產(chǎn)品性能的基礎(chǔ)上，盡可能延長(zhǎng)刀具使用壽命，以期達(dá)到刀具壽命、生產(chǎn)效率、產(chǎn)品質(zhì)量的平衡；

       (5)研發(fā)新型PCD刀具材料，克服其固有弊端。