聚晶金剛石刀具

金剛石作為一種超硬刀具材料套用於切削加工已有數百年歷史。在刀具發展歷程中，從十九世紀末到二十世紀中期，刀具材料以高速鋼為主要代表；1927年德國首先研製出硬質合金刀具材料並獲得廣泛套用；二十世紀五十年代，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。二十世紀七十年代，人們利用高壓合成技術合成了聚晶金剛石（PCD），解決了天然金剛石數量稀少、價格昂貴的問題，使金剛石刀具的套用範圍擴展到航空、航天、汽車、電子、石材等多個領域。

基本介紹

• 中文名：聚晶金剛石刀具
• 外文名：Polycrystalline diamond
• 概述：種超硬刀具材料
• 套用：切削加工
• 材料：PCD

性能特點

金剛石刀具具有硬度高、抗壓強度高、導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決定的。在金剛石晶體中，碳原子的四個價電子按四面體結構成鍵，每個碳原子與四個相鄰原子形成共價鍵，進而組成金剛石結構，該結構的結合力和方向性很強，從而使金剛石具有極高硬度。由於聚晶金剛石（PCD）的結構是取向不一的細晶粒金剛石燒結體，雖然加入了結合劑，其硬度及耐磨性仍低於單晶金剛石。但由於PCD燒結體表現為各向同性，因此不易沿單一解理面裂開。

主要指標

①PCD的硬度可達8000HV，為硬質合金的8～12倍；

②PCD的導熱係數為700W/mK，為硬質合金的1.5～9倍，甚至高於PCBN和銅，因此PCD刀具熱量傳遞迅速；

③PCD的摩擦係數一般僅為0.1～0.3（硬質合金的摩擦係數為0.4～1），因此PCD刀具可顯著減小切削力；

④PCD的熱膨脹係數僅為0.9×10^-6～1.18×10^-6，僅相當於硬質合金的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，在加工過程中切屑不易粘結在刀尖上形成積屑瘤。

套用

工業已開發國家對PCD刀具的研究開展較早，其套用已比較成熟。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刀具的套用範圍及使用量迅速擴大。目前，國際上著名的人造金剛石複合片生產商主要有英國DeBeers公司、美國GE公司、日本住友電工株式會社等。據報導，1995年一季度僅日本的PCD刀具產量即達10.7萬把。PCD刀具的套用範圍已由初期的車削加工向鑽削、銑削加工擴展。由日本一家組織進行的關於超硬刀具的調查表明：人們選用PCD刀具的主要考慮因素是基於PCD刀具加工後的表面精度、尺寸精度及刀具壽命等優勢。金剛石複合片合成技術也得到了較大發展，DeBeers公司已推出了直徑74mm、層厚0.3mm的聚晶金剛石複合片。

國內PCD刀具市場隨著刀具技術水平的發展也不斷擴大。目前中國第一汽車集團已有一百多個PCD車刀使用點，許多人造板企業也採用PCD刀具進行木製品加工。PCD刀具的套用也進一步推動了對其設計與製造技術的研究。國內的清華大學、大連理工大學、華中科技大學、吉林工業大學、哈爾濱工業大學等均在積極開展這方面的研究。國內從事PCD刀具研發、生產的有上海舒伯哈特、佛山邦納、常州默克工具、鄭州新亞、南京藍幟、深圳潤祥、成都工具研究所、成都戴夢迪等幾十家單位。目前，PCD刀具的加工範圍已從傳統的金屬切削加工擴展到石材加工、木材加工、金屬基複合材料、玻璃、工程陶瓷等材料的加工。通過對近年來PCD刀具套用的分析可見，PCD刀具主要套用於以下兩方面：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，往往產生刀具易磨損、加工效率低等缺陷，而PCD刀具則可表現出良好的加工性能。如用PCD刀具可有效加工新型發動機活塞材料——過共晶矽鋁合金（對該材料加工機理的研究已取得突破）。②難加工非金屬材料的加工：PCD刀具非常適合對石材、硬質碳、碳纖維增強塑膠（CFRP）、人造板材等難加工非金屬材料的加工。如華中理工大學1990年實現了用PCD刀具加工玻璃；目前強化複合地板及其它木基板材（如MDF）的套用日趨廣泛，用PCD刀具加工這些材料可有效避免刀具易磨損等缺陷。

製造技術

製造過程

PCD刀具的製造過程主要包括兩個階段：①PCD複合片的製造：PCD複合片是由天然或人工合成的金剛石粉末與結合劑（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）下燒結而成。在燒結過程中，由於結合劑的加入，使金剛石晶體間形成以TiC、SiC、Fe、Co、Ni等為主要成分的結合橋，金剛石晶體以共價鍵形式鑲嵌於結合橋的骨架中。通常將複合片製成固定直徑和厚度的圓盤，還需對燒結成的複合片進行研磨拋光及其它相應的物理、化學處理。②PCD刀片的加工：PCD刀片的加工主要包括複合片的切割、刀片的焊接、刀片刃磨等步驟。

切割工藝

由於PCD複合片具有很高的硬度及耐磨性，因此必須採用特殊的加工工藝。目前，加工PCD複合片主要採用電火花線切割、雷射加工、超音波加工、高壓水射流等幾種工藝方法，其工藝特點的比較見表1。

表1 PCD複合片切割工藝的比較

工藝方法－工藝特點

電火花加工－高度集中的脈衝放電能量、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

超音波加工－加工效率低，金剛石微粉消耗大，粉塵污染大

雷射加工－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中結合橋的存在使電火花加工複合片成為可能。在有工作液的條件下，利用脈衝電壓使靠近電極金屬處的工作液形成放電通道，並在局部產生放電火花，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複合片的效率及表面質量受到切削速度、PCD粒度、層厚和電極質量等因素的影響，其中切削速度的合理選擇十分關鍵，實驗表明，增大切削速度會降低加工表面質量，而切削速度過低則會產生“拱絲”現象，並降低切割效率。增加PCD刀片厚度也會降低切割速度。

焊接工藝

PCD複合片與刀體的結合方式除採用機械夾固和粘接方法外，大多是通過釺焊方式將PCD複合片壓制在硬質合金基體上。焊接方法主要有雷射焊接、真空擴散焊接、真空釺焊、高頻感應釺焊等。目前，投資少、成本低的高頻感應加熱釺焊在PCD刀片焊接中得到廣泛套用。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後刀具的性能。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，並可能導致“過燒”，影響PCD複合片與硬質合金基體的結合。在實際加工過程中，可根據保溫時間和PCD變紅的深淺程度來控制焊接溫度（一般應低於700℃）。國外的高頻焊接多採用自動焊接工藝，焊接效率高、質量好，可實現連續生產；國內則多採用手工焊接，生產效率較低，質量也不夠理想。

刃磨工藝

PCD的高硬度使其材料去除率極低（甚至只有硬質合金去除率的萬分之一）。目前，PCD刀具刃磨工藝主要採用陶瓷結合劑金剛石砂輪進行磨削。由於砂輪磨料與PCD之間的磨削是兩種硬度相近的材料間的相互作用，因此其磨削規律比較複雜。對於高粒度、低轉速砂輪，採用水溶性冷卻液可提高PCD的磨削效率和磨削精度。砂輪結合劑的選擇應視磨床類型和加工條件而定。由於電火花磨削（EDG）技術幾乎不受被磨削工件硬度的影響，因此採用EDG技術磨削PCD具有較大優勢。某些複雜形狀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的不斷發展，EDG技術將成為PCD磨削的一個主要發展方向。

設計原則

PCD粒度

PCD粒度的選擇與刀具加工條件有關，如設計用於精加工或超精加工的刀具時，應選用強度高、韌性好、抗衝擊性能好、細晶粒的PCD。粗晶粒PCD刀具則可用於一般的粗加工。PCD材料的粒度對於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。採用DeBeers 公司SYNDITE 002和SYNDITE025兩種PCD材料的刀具加工SiC基複合材料時的刀具磨損試驗結果表明，粒度為2μm的SYNDITE002PCD材料較易磨損。

PCD粒度有亞微米、2μm、5μm、10μm、25μm及2~30μm，其中10μm粒度的CDW010材質為通用型，抗崩刃型和耐磨性均良好，一般情況，粒度越大，刀片材質更耐磨損，而混合粒度2~30μm的CDW302材質的耐磨性更好。如圖所示，為不同PCD粒度的抗崩刃性和耐磨性對比，還有放電特性和可磨性對比。

PCD材質	聚晶金剛石PCD粒度	加工工藝
CDW850，CDW002，CDW005	細粒度，平均粒度為亞微米，2μm，5μm	主要用於精加工、超精密加工工藝。
CDW010	通用型中等粒度，平均粒度為10μm	粗加工、精加工均可
CDW025，CDW302	粗粒度25μm和混合粒度	主要用於粗加工，可獲得較高的使用壽命。

刀片厚度

通常情況下，PCD複合片的層厚約為0.3～1.0mm，加上硬質合金層後的總厚度約為2～8mm。較薄的PCD層厚有利於刀片的電火花加工。DeBeers公司推出的0.3mm厚PCD複合片可降低磨削力，提高電火花的切割速度。PCD複合片與刀體材料焊接時，硬質合金層的厚度不能太小，以避免因兩種材料結合面間的應力差而引起分層。

結構設計

PCD刀具的幾何參數取決於工件狀況、刀具材料與結構等具體加工條件。由於PCD刀具常用於工件的精加工，切削厚度較小（有時甚至等於刀具的刃口半徑），屬於微量切削，因此其后角及後刀面對加工質量有明顯影響，較小的后角、較高的後刀面質量對於提高PCD刀具的加工質量可起到重要作用。

PCD複合片與刀桿的連線方式包括機械夾固、焊接、可轉位等多種方式，其特點與套用範圍見表2。

表2 PCD複合片與刀桿連線方式的特點與套用

連線方式－特點－套用範圍

機械夾固－由標準刀體及可做成各種集合角度的可換刀片組成，具有快換和便於重磨的優點－中小型工具機

整體焊接－結構緊湊、製作方便，可製成小尺寸刀具－專用刀具或難於機夾的刀具，用於小型工具機

機夾焊接－刀片焊接於刀頭上，可使用標準刀桿，便於刃磨及調整刀頭位置－自動工具機、數控工具機

可轉位－結構緊湊，夾緊可靠，不需重磨和焊接，可節省輔助時間，提高刀具壽命－普通通用工具機

切削參數

PCD刀具切削參數對切削性能的影響

切削速度

PCD刀具可在極高的主軸轉速下進行切削加工，但切削速度的變化對加工質量的影響不容忽視。雖然高速切削可提高加工效率，但在高速切削狀態下，切削溫度和切削力的增加可使刀尖發生破損，並使工具機產生振動。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顆粒增強鋁基複合材料及氧化矽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，將使工件上殘餘幾何面積增加，導致表面粗糙度增大；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，表現出的切削性能也不盡相同，因此應根據具體加工條件確定PCD刀具的實際切削參數。

失效機理

刀具的磨損形式主要有磨料磨損、粘結磨損（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刀具有所不同，主要表現為聚晶層破損、粘結磨損和擴散磨損。研究表明，採用PCD刀具加工金屬基複合材料時，其失效形式主要為粘結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刀具的粘結磨損並不明顯；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作用

PCD刀具的主要套用領域

（1）航空航天領域

複合材料相比於其它材料具有質量輕、強度高、耐高溫、耐腐蝕等特性，成為航空航天領域的理想材料。隨著航空航天複合材料的廣泛套用，如何正確選擇、合理使用刀具進行高效高質量切削加工是一個非常重要的問題。

目前，航空航天製造業廣泛套用的刀具材料主要有硬質合金和PCD刀具材料，其中，PCD刀具材料所占比重越來越大，在當今的航空製造中兩者成為航空航天業刀具發展中的主導刀具，套用範圍相當廣泛。

（2）汽車行業領域

PCD刀具於1973年在美國開始套用。自汽車工業套用PCD刀具以來，PCD刀具在北美汽車工業中的使用量高速增長。目前，美國汽車公司使用PCD刀具加工的主要對象是發動機的鋁合金汽缸體。

PCD刀具的套用涵蓋汽車幾乎所有鋁合金零部件加工領域，包括專用階梯複合刀具，鑄鋁及鋁合金加工絲錐，各種高精度孔複合絞刀，複合鑽頭，大倍徑鑽頭，高難度材料加工鑽頭等等。目前，國內汽車企業如一汽大眾，已廣泛使用PCD刀具加工汽車鋁合金零部件（如汽車鋁合金活塞、鋁合金輪轂）。