1.1PCD刀具發(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。刀具發(fā)展歷程，從十九世紀(jì)末到二十世紀(jì)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時(shí)期。二十世紀(jì)七十年代，人們利用高壓合成技術(shù)合成了建鋒金剛石（PCD），解決了天然金剛石數(shù)量稀少、價(jià)格昂貴問題，使金剛石刀具應(yīng)用范圍擴(kuò)展到航空、航天、汽車、電子、石材等多個(gè)領(lǐng)域。
　　1.2PCD刀具性能特點(diǎn)
　　金剛石刀具具有硬度高、抗壓強(qiáng)度高、導(dǎo)熱性及耐磨性好等特性，可高速切削獲得很高加工精度加工效率。金剛石刀具上述特性由金剛石晶體狀態(tài)決定。金剛石晶體，碳原子四個(gè)價(jià)電子按四面體結(jié)構(gòu)成鍵，每個(gè)碳原子與四個(gè)相鄰原子形成共價(jià)鍵，進(jìn)而組成金剛石結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)結(jié)合力方向性很強(qiáng)，從而使金剛石具有極高硬度。由于建鋒金剛石（PCD）結(jié)構(gòu)取向不一細(xì)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刀具材料主要性能指標(biāo)：
　　①PCD硬度可達(dá)8000HV，為硬質(zhì)合金80～120倍；
　?、赑CD導(dǎo)熱系數(shù)為700W/mK，為硬質(zhì)合金1.5～9倍MyCIMT，甚至高于PCBN銅，因此PCD刀具熱量傳遞迅速；
　?、跴CD摩擦系數(shù)一般僅為0.1～0.3（硬質(zhì)合金摩擦系數(shù)為0.4～1），因此PCD刀具可顯著減小切削力；
　?、躊CD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1/5，因此PCD刀具熱變形小，加工精度高；
　?、軵CD刀具與有色金屬非金屬材料間親力很小，加工過程切屑不易粘結(jié)刀尖上形成積屑瘤。
　　1.3PCD刀具應(yīng)用
　　工業(yè)發(fā)達(dá)國家對PCD刀具研究開展較早，其應(yīng)用已比較成熟。自1953年瑞典首次合成人造金剛石以來，對PCD刀具切削性能研究獲得了大量成果，PCD刀具應(yīng)用范圍及使用量迅速擴(kuò)大。目前，國際上著名人造金剛石復(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(bào)道，1995年一季度僅日本PCD刀具產(chǎn)量即達(dá)10.7萬把。PCD刀具應(yīng)用范圍已由初期車削加工向鉆削、銑削加工擴(kuò)展。由日本一家組織進(jìn)行關(guān)于超硬刀具調(diào)查表明：人們選用PCD刀具主要考慮因素基于PCD刀具加工后表面精度、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建鋒金剛石復(fù)合片。
　　國內(nèi)PCD刀具市場隨著刀具技術(shù)水平發(fā)展也不斷擴(kuò)大。目前國第一汽車集團(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刀具應(yīng)用也進(jìn)一步推動了對其設(shè)計(jì)與制造技術(shù)研究。國內(nèi)清華大學(xué)、大連理工大學(xué)、華理工大學(xué)、吉林工業(yè)大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等均積極開展這方面研究。國內(nèi)從事PCD刀具研發(fā)、生產(chǎn)有上海舒伯哈特、鄭州新亞、南京藍(lán)幟、深圳潤祥、成都工具研究所等幾十家單位。目前，PCD刀具加工范圍已從傳統(tǒng)金屬切削加工擴(kuò)展到石材加工MyCIMT、木材加工、金屬基復(fù)合材料、玻璃、工程陶瓷等材料加工。通過對近年來PCD刀具應(yīng)用分析可見，PCD刀具主要應(yīng)用于以下兩方面：
　?、匐y加工有色金屬材料加工：用普通刀具加工難加工有色金屬材料時(shí)，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)出良好加工性能。如用PCD刀具可有效加工新型發(fā)動機(jī)活塞材料——過共晶硅鋁合金（對該材料加工機(jī)理研究已取得突破）。
　?、陔y加工非金屬材料加工：PCD刀具非常適合對石材、硬質(zhì)碳、碳纖維增強(qiáng)塑料（CFRP）、人造板材等難加工非金屬材料加工。如華理工大學(xué)1990年實(shí)現(xiàn)了用PCD刀具加工玻璃；目前強(qiáng)化復(fù)合地板及其它木基板材（如MDF）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刀具制造技術(shù)
　　2.1PCD刀具制造過程
　　PCD刀具制造過程主要包括兩個(gè)階段：
　?、貾CD復(fù)合片制造：PCD復(fù)合片由天然或人工合成金剛石粉末與結(jié)合劑（其含鈷、鎳等金屬）按一定比例高溫（1000～2000℃）、高壓（5～10萬個(gè)大氣壓）下燒結(jié)而成。燒結(jié)過程，由于結(jié)合劑加入，使金剛石晶體間形成以TiC、SiC、Fe、Co、Ni等為主要成分結(jié)合橋MyCIMT，金剛石晶體以共價(jià)鍵形式鑲嵌于結(jié)合橋骨架。通常將復(fù)合片制成固定直徑厚度圓盤，還需對燒結(jié)成復(fù)合片進(jìn)行研磨拋光及其它相應(yīng)物理、化學(xué)處理。
　　②PCD刀片加工：PCD刀片加工主要包括復(fù)合片切割、刀片焊接、刀片刃磨等步驟。
　　2.2PCD復(fù)合片切割工藝
　　由于PCD復(fù)合片具有很高硬度及耐磨性，因此必須采用特殊加工工藝。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)比較見表1。
　　PCD復(fù)合片切割工藝比較
　　工藝方法－工藝特點(diǎn)
　　電火花加工－高度集脈沖放電能量、強(qiáng)大放電爆炸力使PCD材料金屬融化，部分金剛石石墨化氧化，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
　　上述加工方法，電火花加工效果較佳。PCD結(jié)合橋存使電火花加工復(fù)合片成為可能。有工作液條件下，利用脈沖電壓使靠近電極金屬處工作液形成放電通道，并局部產(chǎn)生放電火花，瞬間高溫可使建鋒金剛石熔化、脫落，從而形成所要求三角形、長方形或正方形刀頭毛坯。電火花加工PCD復(fù)合片效率及表面質(zhì)量受到切削速度、PCD粒度、層厚電極質(zhì)量等因素影響，其切削速度合理選擇十分關(guān)鍵，實(shí)驗(yàn)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刀片焊接工藝
　　PCD復(fù)合片與刀體結(jié)合方式除采用機(jī)械夾固粘接方法外，大多通過釬焊方式將PCD復(fù)合片壓制硬質(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、成本低高頻感應(yīng)加熱釬焊PCD刀片焊接得到廣泛應(yīng)用。刀片焊接過程，焊接溫度、焊劑焊接合金選擇將直接影響焊后刀具性能。焊接過程，焊接溫度控制十分重要，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)合金基體結(jié)合。實(shí)際加工過程，可根據(jù)保溫時(shí)間PCD變紅深淺程度來控制焊接溫度（一般應(yīng)低于700℃）。國外高頻焊接多采用自動焊接工藝，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刀片刃磨工藝
　　PCD高硬度使其材料去除率極低（甚至只有硬質(zhì)合金去除率萬分之一）。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之間磨削兩種硬度相近材料間相互作用，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磨削效率磨削精度。砂輪結(jié)合劑選擇應(yīng)視磨床類型加工條件而定。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）磨削也對這種靈活磨削工藝具有巨大需求。隨著電火花磨削技術(shù)不斷發(fā)展，EDG技術(shù)將成為PCD磨削一個(gè)主要發(fā)展方向。
　?。甈CD刀具設(shè)計(jì)原則
　　3.1刀具材料選擇
　?。?）合理選擇PCD粒度
　　PCD粒度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PCD。粗晶粒PCD刀具則可用于一般粗加工。PCD材料粒度對于刀具磨損破損性能影響顯著。研究表明：PCD粒度號越大，刀具抗磨損性能越強(qiáng)。采用DeBeers公司SYNDITE002SYNDITE025兩種PCD材料刀具加工SiC基復(fù)合材料時(shí)刀具磨損試驗(yàn)結(jié)果表明，粒度為2μmSYNDITE002PCD材料較易磨損。
　?。?）合理選擇PCD刀片厚度
　　通常情況下，PCD復(fù)合片層厚約為0.3～1.0mm，加上硬質(zhì)合金層后總厚度約為2～8mm。較薄PCD層厚有利于刀片電火花加工。DeBeers公司推出0.3mm厚PCD復(fù)合片可降低磨削力，提高電火花切割速度。PCD復(fù)合片與刀體材料焊接時(shí)，硬質(zhì)合金層厚度不能太小，以避免因兩種材料結(jié)合面間應(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(jì)
　　PCD刀具幾何參數(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刀具常用于工件精加工，切削厚度較?。ㄓ袝r(shí)甚至等于刀具刃口半徑），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，較小后角、較高后刀面質(zhì)量對于提高PCD刀具加工質(zhì)量可起到重要作用。
　　PCD復(fù)合片與刀桿連接方式包括機(jī)械夾固、焊接、可轉(zhuǎn)位等多種方式，其特點(diǎn)與應(yīng)用范圍見表2。
　　PCD復(fù)合片與刀桿連接方式特點(diǎn)與應(yīng)用
　　連接方式－特點(diǎn)－應(yīng)用范圍
　　機(jī)械夾固－由標(biāo)準(zhǔn)刀體及可做成各種集合角度可換刀片組成，具有快換便于重磨優(yōu)點(diǎn)－小型機(jī)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(jī)夾刀具，用于小型機(jī)床
　　機(jī)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(jī)床、數(shù)控機(jī)床
　　可轉(zhuǎn)位－結(jié)構(gòu)緊湊，夾緊可靠，不需重磨焊接，可節(jié)省輔助時(shí)間，提高刀具壽命－普通通用機(jī)床
　　4．PCD刀具切削參數(shù)與失效機(jī)理
　　4.1PCD刀具切削參數(shù)對切削性能影響
　?。?）切削速度
　　PCD刀具可極高主軸轉(zhuǎn)速下進(jìn)行切削加工，但切削速度變化對加工質(zhì)量影響不容忽視。雖然高速切削可提高加工效率，但高速切削狀態(tài)下，切削溫度切削力增加可使刀尖發(fā)生破損，并使機(jī)床產(chǎn)生振動。加工不同工件材料時(shí)，PCD刀具合理切削速度也有所不同，如銑削Al2O3強(qiáng)化地板合理切削速度為110～120m/min；車削SiC顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料及氧化硅基工程陶瓷合理切削速度為30～40m/min。
　?。?）進(jìn)給量
　　如PCD刀具進(jìn)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(jìn)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，切削深度增加容易引起PCD刀具崩刃。
　　不同粒度等級PCD刀具不同加工條件下加工不同工件材料時(shí)，表現(xiàn)出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刀具實(shí)際切削參數(shù)。
　　4.2PCD刀具失效機(jī)理
　　刀具磨損形式主要有磨料磨損、粘結(jié)磨損（冷焊磨損）、擴(kuò)散磨損、氧化磨損、熱電磨損等。PCD刀具失效形式與傳統(tǒng)刀具有所不同MyCIMT，主要表現(xiàn)為建鋒層破損、粘結(jié)磨損擴(kuò)散磨損。研究表明，采用PCD刀具加工金屬基復(fù)合材料時(shí)，其失效形式主要為粘結(jié)磨損由金剛石晶粒缺陷引起微觀晶間裂紋。加工高硬度、高脆性材料時(shí)，PCD刀具粘結(jié)磨損并不明顯；相反，加工低脆性材料（如碳纖維增強(qiáng)材料）時(shí)，刀具磨損增大，此時(shí)粘接磨損起主導(dǎo)作用。
　　5．結(jié)語
　　PCD刀具因其良好加工質(zhì)量加工經(jīng)濟(jì)性非金屬材料、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優(yōu)勢。隨著PCD刀具理論研究日益深入及其應(yīng)用技術(shù)進(jìn)一步推廣，PCD刀具超硬刀具領(lǐng)域地位將日益重要，其應(yīng)用范圍也將進(jìn)一步拓展。