PCD刀具的性能特點(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(tài)決定的。在金剛石晶體中，碳原子的四個(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)的結(jié)合力和方向性很強(qiáng)，從而使金剛石具有極高硬度。由于聚晶金剛石（PCD）的結(jié)構(gòu)是取向不一的細(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(kāi)。

PCD刀具材料的主要性能指標(biāo)

　?、貾CD的硬度可達(dá)8000HV，為硬質(zhì)合金的80～120倍；

　?、赑CD的導(dǎo)熱系數(shù)為700W/mK，為硬質(zhì)合金的1.5～9倍，甚至高于PCBN和銅，因此PCD刀具熱量傳遞迅速；

　?、跴CD的摩擦系數(shù)一般僅為0.1～0.3（硬質(zhì)合金的摩擦系數(shù)為0.4～1），因此PCD刀具可顯著減小切削力；

　?、躊CD的熱膨脹系數(shù)僅為0.9×10^-6～1.18×10^-6，僅相當(dāng)于硬質(zhì)合金的1/5，因此PCD刀具熱變形小，加工精度高；

　?、軵CD刀具與有色金屬和非金屬材料間的親和力很小，在加工過(guò)程中切屑不易粘結(jié)在刀尖上形成積屑瘤。

PCD刀具的應(yīng)用

　　工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)PCD刀具的研究開(kāi)展較早，其應(yīng)用已比較成熟。自1953年在瑞典首次合成人造金剛石以來(lái)，對(duì)PCD刀具切削性能的研究獲得了大量成果，PCD刀具的應(yīng)用范圍及使用量迅速擴(kuò)大。目前，國(guó)際上著名的人造金剛石復(fù)合片生產(chǎn)商主要有英國(guó)DeBeers公司、美國(guó)GE公司、日本住友電工株式會(huì)社等。據(jù)報(bào)道，1995年一季度僅日本的PCD刀具產(chǎn)量即達(dá)10.7萬(wàn)把。PCD刀具的應(yīng)用范圍已由初期的車削加工向鉆削、銑削加工擴(kuò)展。由日本一家組織進(jìn)行的關(guān)于超硬刀具的調(diào)查表明：人們選用PCD刀具的主要考慮因素是基于PCD刀具加工后的表面精度、尺寸精度及刀具壽命等優(yōu)勢(shì)。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的聚晶金剛石復(fù)合片。

　　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(kāi)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。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。通過(guò)對(duì)近年來(lái)PCD刀具應(yīng)用的分析可見(jiàn)，PCD刀具主要應(yīng)用于以下兩方面：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(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)出良好的加工性能。如用PCD刀具可有效加工新型發(fā)動(dòng)機(jī)活塞材料——過(guò)共晶硅鋁合金（對(duì)該材料加工機(jī)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(duì)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的加工。如華中理工大學(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）的應(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。

PCBN刀具的切削性能

　　由于CBN晶體與金剛石晶體都屬閃鋅礦型，且晶格常數(shù)相近，化學(xué)鍵類型相同，因而CBN具有接近金剛石的硬度和抗壓強(qiáng)度，又因?yàn)槠涫怯蒒、B原子所組成，因此具有比金剛石更高的熱穩(wěn)定性和化學(xué)惰性。PCBN刀具材料主要性能如下：

具有很高的硬度和耐磨性

　　CBN單晶的顯微硬度為HV8000～9000，是目前已知的第二高硬度的物質(zhì)，PCBN復(fù)合片的硬度一般為HV3000～5000。因此用于加工高硬度材料時(shí)具有比硬質(zhì)合金及陶瓷更高的耐磨性，能減少大型零件加工中的尺寸偏差或尺寸分散性，尤其適用于自動(dòng)化程度高的設(shè)備中，可以減少換刀調(diào)刀輔助時(shí)間，使其效能得到充分發(fā)揮。

具有很高的熱穩(wěn)定性和高溫硬度

　　CBN的耐熱性可達(dá)1400～1500℃，在800℃時(shí)的硬度為Al2O3/TiC陶瓷的常溫硬度，因此，當(dāng)切削溫度較高時(shí)，會(huì)使被加工材料軟化，與刀具間硬度差增大，有利于切削加工進(jìn)行，而對(duì)刀具壽命影響不大。

具有較高的化學(xué)穩(wěn)定性

　　CBN具有很高的抗氧化能力，在1000℃時(shí)也不產(chǎn)生氧化現(xiàn)象，與鐵系材料在1200～1300℃時(shí)也不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，但在1000℃左右時(shí)會(huì)與水產(chǎn)生水解作用，造成大量CBN被磨耗，因此用PCBN刀具濕式切削時(shí)需注意選擇切削液種類。一般情況下，濕切對(duì)PCBN刀具壽命無(wú)明顯提高，所以使用PCBN刀具時(shí)往往采用干切方式。

具有良好的導(dǎo)熱性

　　CBN材料的導(dǎo)熱系數(shù)低于金剛石但大大高于硬質(zhì)合金，并且隨著切削溫度的提高，PCBN刀具的導(dǎo)熱系數(shù)不斷增大，因此可使刀尖處熱量很快傳出，有利于工件加工精度的提高。

具有較低的摩擦系數(shù)

　　CBN與不同材料的摩擦系數(shù)在0.1～0.3之間，大大低于硬質(zhì)合金的摩擦系數(shù)(0.4～0.6)，而且隨摩擦速度及正壓力的增大而略有減小。因此低的摩擦系數(shù)及優(yōu)良的抗粘結(jié)能力，使CBN刀具切削時(shí)不易形成滯留層或積屑瘤，有利于加工表面質(zhì)量的提高。

PCBN刀具應(yīng)用于先進(jìn)切削加工工藝

適用于高速及超高速切削加工技術(shù)

　　PCBN刀具最適合于鑄鐵、淬硬鋼等材料的高速切削加工。由PCBN刀具切削鑄鐵及淬硬鋼時(shí)刀具后刀面磨損與切削距離的關(guān)系可以看出：當(dāng)切削速度超過(guò)一定限度后，切削速度越高，PCBN刀具后刀面磨損速度反而越小，即高速切削下刀具的壽命反而高，這一特點(diǎn)尤其適合現(xiàn)代高速切削加工。

硬態(tài)切削加工技術(shù)的最佳刀具材料

　　對(duì)淬硬件(硬度HRC55以上)的精加工，通常采用磨削加工方法來(lái)完成，然而隨著刀具材料發(fā)展及車床(尤其是數(shù)控車床)加工精度的提高，以硬態(tài)切削代替磨削來(lái)完成零件的最終加工已成為一個(gè)新的精加工途徑，這種以車代磨的工藝方法有以下優(yōu)點(diǎn)：

　?。?）可提高加工柔性，突破了砂輪磨削的限制，通過(guò)改變切削刃及走刀方式可以加工出幾何形狀各異的工件；

　?。?）切削加工中的環(huán)保問(wèn)題日益嚴(yán)峻，磨削加工產(chǎn)生的廢液和廢棄物越來(lái)越難以處理和清除，而且對(duì)人體有害，而硬態(tài)切削無(wú)須加冷卻液，意義重大；

　?。?）切削效率高，加工時(shí)間短，設(shè)備投資費(fèi)用小，可降低加工成本；

　?。?）切除相同體積所消耗的能量?jī)H為磨削的20%，因此產(chǎn)生的切削熱較少，加工表面不易引起燒傷和微小裂紋，易于保持工件表面性能的完整性；

　?。?）同樣金屬去除率情況下，硬態(tài)切削較磨削節(jié)省能源。

　　通常用于硬態(tài)切削的刀具材料有陶瓷、TiC涂層刀片及PCBN刀具材料，但要在較高速度(1000m/min以上)下進(jìn)行硬態(tài)車削，PCBN是最佳刀具材料品種。如在汽車變速箱同步器套撥叉(材料為20CrMnTi，硬度為HRC58～62)加工采用以車代磨后，效率提高4倍以上，加工成本降低為原來(lái)磨削工藝的1/3～1/2。

進(jìn)行干切削加工工藝的理想刀具材料

　　由于經(jīng)濟(jì)與環(huán)保方面的原因，近幾年干切削加工方法已成為機(jī)械制造領(lǐng)域中的重點(diǎn)研究課題。我們首先來(lái)看一下濕切工藝由于使用切削液帶來(lái)的問(wèn)題：

　?。?）長(zhǎng)期暴露在空氣中或切削加工中由切削熱造成的切削液霧狀揮發(fā)，容易污染環(huán)境、危害操作者健康，切削液中的硫、氯等添加劑危害更大，影響加工表面質(zhì)量；

　?。?）切削液的使用影響加工成本，據(jù)統(tǒng)計(jì)，切削液占生產(chǎn)成本的15%，而刀具費(fèi)用僅占3%～4%；

　　（3）切削液的滲漏、溢出會(huì)污染環(huán)境，易發(fā)生安全、質(zhì)量事故；

　?。?）切削液的傳輸、回收、過(guò)濾等裝置及其維護(hù)費(fèi)用較高，增加了生產(chǎn)成本。

　　由于以上原因，干切削加工工藝已在西方工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家有了相當(dāng)?shù)膽?yīng)用。由美國(guó)Makino公司推薦的“紅月牙”(Red Crescent)干切工藝，既可以充分發(fā)揮刀具的切削性能，與濕切相比又能大大提高生產(chǎn)率。其機(jī)理是由于切削速度很高，產(chǎn)生的熱量聚集于刀具前部，使切削區(qū)附近材料達(dá)到紅熱狀態(tài)，屈服強(qiáng)度下降，進(jìn)而達(dá)到提高切削效率的效果。采用紅月牙干切削工藝的前提條件是在較高切削溫度下，被切材料強(qiáng)度有明顯下降，變得易切削，而刀具材料的強(qiáng)度在同樣狀態(tài)下要有較好的紅硬性及熱穩(wěn)定性，還要有較好的耐磨性和抗粘結(jié)性。

　　適用于干切工藝的刀具材料有陶瓷、金屬陶瓷、涂層硬質(zhì)合金及PCBN刀具材料等等，但就紅硬性和熱穩(wěn)定性來(lái)說(shuō)，PCBN材料是最適合干切工藝的刀具材料，且由于PCBN刀具材料具有上述優(yōu)點(diǎn)，更適于高速條件下的干式切削加工，用PCBN刀具切削灰口鑄鐵干切削和濕切削兩種情況下的對(duì)比可以看出：PCBN在高速干切情況下，比濕切削具有更高的刀具壽命。

適應(yīng)于自動(dòng)化加工及難加工材料加工

　　PCBN刀具有很高的硬度及耐磨性，能在高切削速度下長(zhǎng)時(shí)間地加工出高精度零件（尺寸分散性?。?，大大減少換刀次數(shù)和刀具磨損補(bǔ)償停機(jī)所花費(fèi)的時(shí)間。因此，很適合于數(shù)控機(jī)床及自動(dòng)化程度較高的加工設(shè)備，并且能使設(shè)備的高效能得到充分發(fā)揮。

　　在難加工材料應(yīng)用方面，PCBN刀具也顯示了其卓越的性能，如表面噴焊(涂)材料的加工，用其它材料刀具加工，刀具壽命極低，也無(wú)法采用磨削方法加工，而PCBN是惟一適合的刀具材料；又如，在石油電站設(shè)備中使用的高合金耐磨鑄鐵，采用PCBN刀具較硬質(zhì)合金刀具提高切削效率4倍以上，單件刀具成本下降為原來(lái)的1/5。另外在硬質(zhì)合金等燒結(jié)材料的切削加工方面，PCBN刀具也顯示了很好的切削性能。

PCBN刀具的應(yīng)用事例

　　由于PCBN具有較高的硬度和耐磨性，在高溫下不與鐵族金屬起反應(yīng)的化學(xué)惰性，因此主要用于高硬度材料及難加工材料的切削加工，如淬硬鋼、高合金耐磨鑄鐵、高溫合金、高速鋼、表面噴焊材料、燒結(jié)金屬材料等難加工材料的切削加工。

　?。?）加工淬硬鋼，可起到以車代磨的效果，由于切削深度比磨削深度大十幾倍以上，因此加工效率高，表面不產(chǎn)生燒傷。如以車代磨加工變速滑動(dòng)齒輪(20CrMnTi，硬度為HRC58～62)時(shí)，切削比原磨削加工效率提高4倍以上。

　?。?）加工高合金(含鎢或鉻18%)耐磨鑄鐵，切削速度較硬質(zhì)合金刀具提高10倍以上，切削效率提高4倍以上。

　?。?）加工高鈷鉻鉬耐蝕耐熱合金，PCBN刀具切削速度為160m/min，是硬質(zhì)合金刀具的8倍。

　?。?）加工熱噴涂(噴焊)材料，表面噴焊件無(wú)法用磨削加工，而用硬質(zhì)合金刀具切削效率極低，改用PCBN刀具后可提高加工效率，節(jié)省加工費(fèi)用50%以上。PCBN刀具還可用于有色金屬的精密切削及燒結(jié)金屬的切削加工等等。