第一節(jié) 產(chǎn)品技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

為了滿足用戶對(duì)PCD刀具切削性能不斷提高的要求，在競(jìng)爭(zhēng)激烈的PCD刀具市場(chǎng)占有更大份額，刀具制造商正不斷對(duì)PCD刀具技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)與提高。

1、國(guó)外技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

美國(guó)DiamondAbrasive公司通過優(yōu)化PCD燒結(jié)工藝，促使金剛石顆粒之間生成的共生物增大，從而提高了粗顆粒PCD刀具的耐磨性。該公司開發(fā)的CTH025牌號(hào)的耐磨性比同類型粗顆粒PCD牌號(hào)提高了25%~30%，該牌號(hào)被設(shè)計(jì)用于切削具有高耐磨性的鋁金屬基復(fù)合材料(MMC)。

DiamondAbrasive公司還推出了一種稱為“multimodal”的新型PCD牌號(hào)，這種牌號(hào)原來是為對(duì)刀具韌性要求極高的采礦業(yè)開發(fā)的，其特點(diǎn)是每片刀片材料中都分布著各種不同粒度尺寸的金剛石顆粒，例如，multimodal牌號(hào)CTM302的材料中包含了粒度尺寸從2µm到30µm的金剛石顆粒。這種由大、小粒度混合構(gòu)成的刀具切削刃性能相當(dāng)于金剛石粒度為10µm的刀片性能，而刀具的壽命則超過了僅由單一粗顆粒金剛石制成的PCD刀具。

幾年前，美國(guó)SumitomoElectricCarbide公司曾推出一種稱為DA2200的亞微細(xì)粒度(0.5µm)的PCD牌號(hào)，該牌號(hào)的PCD刀具可加工出極高的工件表面光潔度，且具有幾乎可與硬質(zhì)合金媲美的高強(qiáng)度。

為了應(yīng)對(duì)近來PCD刀具大幅降價(jià)的壓力，該公司又開發(fā)了價(jià)格較低的DA2200牌號(hào)刀具以替代價(jià)格較貴的原型刀具。由于采用了先進(jìn)的PCD燒結(jié)工藝，從而可制備出PCD金剛石層厚度僅為標(biāo)準(zhǔn)厚度1/3的DA2200復(fù)合片，用這種復(fù)合片制造的刀具與金剛石層較厚的PCD刀具強(qiáng)度相同，但所消耗的金剛石材料以及刀坯磨削工序中的材料去除量顯著減少，從而降低了刀具的制造成本。

近來，采用PCD刀尖的多功能旋轉(zhuǎn)刀具的開發(fā)與應(yīng)用日漸增多。這種刀具可在一次走刀中完成鉆孔、擴(kuò)孔、倒角、精修等多道孔加工工序，用于汽車制造業(yè)可有效降低加工成本，如一把多功能PCD刀具在需要重磨前可加工多達(dá)幾千件汽車傳動(dòng)箱零件。

ClappDiCO公司新開發(fā)了一種不需重磨的超速(SuperSpeed)PCD銑刀。該銑刀上裝夾了多個(gè)不需重磨的小刀尖PCD刀片，刀片上的斷屑槽可實(shí)現(xiàn)對(duì)切屑的有效控制；銑刀刀體采用輕型不銹鋼制造，可避免耐磨鋁合金切屑和冷卻/沖洗液對(duì)刀體的損害。該銑刀上還集成了一個(gè)由凸輪驅(qū)動(dòng)的軸向調(diào)節(jié)裝置，可對(duì)PCD刀片的軸向尺寸進(jìn)行精確微調(diào)，并實(shí)現(xiàn)了刀具硬件結(jié)構(gòu)的最小化。

2、國(guó)內(nèi)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

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。

上海工具廠有限公司通過技術(shù)改造，引進(jìn)了PCD刀具(包含PCBN刀具)的先進(jìn)生產(chǎn)設(shè)備，包括瑞士EWAG公司的RS15機(jī)床、德國(guó)VOLLMER公司的QM110和QWD760機(jī)床、德國(guó)SCHENCK公司的HSK刀柄動(dòng)平衡機(jī)、ZOLLER公司的CNC刀具專用測(cè)量?jī)x等。通過現(xiàn)有生產(chǎn)技術(shù)的配套，上工目前已能生產(chǎn)木工 行業(yè) 、印制電路板 行業(yè) 和汽車制造業(yè)所急需的各類PCD銑刀、鏜刀、鉸刀，成為國(guó)內(nèi)目前唯一能配套生產(chǎn)帶HSK刀柄的PCD刀具的企業(yè)。

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、木材加工、金屬基復(fù)合材料、玻璃、工程陶瓷等材料的加工。隨著PCD刀具切削性能的不斷提高和PCD刀具價(jià)格的不斷下降，PCD刀具對(duì)于廣大用戶具有了前所未有的吸引力，這將有力推動(dòng)PCD刀具的普及應(yīng)用以及PCD刀具技術(shù)更快地向前發(fā)展。

第二節(jié) 產(chǎn)品工藝特點(diǎn)或流程

1、PCD刀具的設(shè)計(jì)原則

1）刀具材料的選擇

（1）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(jì)用于精加工或超精加工的刀具時(shí)，應(yīng)選用強(qiáng)度高、韌性好、抗沖擊性能好、細(xì)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(duì)于刀具的磨損和破損性能影響顯著。 研究 表明：PCD粒度號(hào)越大，刀具的抗磨損性能越強(qiáng)。采用DeBeers公司SYNDITE002和SYNDITE025兩種PCD材料的刀具加工SiC基復(fù)合材料時(shí)的刀具磨損試驗(yàn)結(jié)果表明，粒度為2μm的SYNDITE002PCD材料較易磨損。

（2）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。DeBeers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(shí)，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。

2）刀具幾何參數(shù)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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(shí)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(duì)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(duì)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(jī)械夾固、焊接、可轉(zhuǎn)位等多種方式，其特點(diǎn)與應(yīng)用范圍見下表。

PCD復(fù)合片與刀桿連接方式的特點(diǎn)與應(yīng)用

2、PCD刀具的制造過程

PCD刀具的制造過程主要包括兩個(gè)階段：

1）PCD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(gè)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(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。

2）PCD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、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)的比較見下表。

PCD復(fù)合片切割工藝的比較

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。

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(qiáng)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(shí)際加工過程中，可根據(jù)保溫時(shí)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(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。

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(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。

第三節(jié) 國(guó)內(nèi)外技術(shù)未來發(fā)展趨勢(shì) 分析

目前 研究 人員針對(duì)PCD復(fù)合片的特點(diǎn)，開發(fā)了專用的釬料和釬劑，用以改善釬料對(duì)焊接金屬的潤(rùn)濕能力。如DeBeers實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的一種含鋼53%、金14.5%、錳29%、鎳3.5%的新焊料，改善了焊接質(zhì)量；含氯化鈷的釬劑能使銀基或銅基釬料很好的潤(rùn)濕PCD復(fù)合片和硬質(zhì)合金表面，并能防止它們脫鈷，從而提高焊接強(qiáng)度，降低鉆頭的脫片率；特殊的焊前處理方法能在PCD或硬質(zhì)合金表面燒滲一層Ni-Co-Pd合金層，填充其表面裂紋等缺陷，防止硬質(zhì)合金脫鈷，具有良好一致的潤(rùn)濕性，釬縫剪切強(qiáng)度可達(dá)320MPa。

低銀釬料的 研究 一直是一個(gè)重要方向，一種低銀無鎘釬料結(jié)合與之匹配的釬劑使金剛石工具的剪切強(qiáng)度可達(dá)179.5MPa；組成為氟化鉀、氯化鈉、氟硼酸鉀、硼酸、蒸餾水等的銀釬焊膏，在500～700℃內(nèi)可配合各種銀釬焊料使用，增加潤(rùn)濕能力。與此同時(shí)，旨在降低成本、替代銀基釬料的低銀、無銀釬料的 研究 也很多，且效果很好。因此未來對(duì)低銀釬料技術(shù)的 研究 依舊是我國(guó)PCD刀具生產(chǎn) 行業(yè) 的技術(shù)研發(fā)方向。

針對(duì)PCD耐熱性差的特點(diǎn)，采用水冷釬焊、惰性氣體保護(hù)釬焊等改進(jìn)方法是為了減少加熱過程對(duì)PCD層的熱損傷，以相應(yīng)地提高焊接溫度，獲得更高的焊接強(qiáng)度。在改進(jìn)現(xiàn)有技術(shù)的同時(shí)，新的制作方法也不斷涌現(xiàn)。美國(guó)宇航局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室開發(fā)了一種焊接碳化鎢和金剛石硬釬焊接點(diǎn)的微波加熱工藝。這種接點(diǎn)能承受硬巖石鉆探溫度達(dá)900℃，并能用來制造鉆地?zé)峋玫慕饎偸繉鱼@頭。

綜上所述，合理的加熱方式是具有革命性意義的，可以帶來焊接質(zhì)量的大幅度提高。接頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和釬料、釬劑的合理選擇以及水冷、保護(hù)氣體等輔助措施，均可改進(jìn)現(xiàn)有技術(shù)的不足。

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