PCD和PCBN刀具制造及应用

PCD(金刚石复合片)和PCBN(立方氮化硼复合片)刀具是在上世纪七十年代发展起来的新型超硬复合材料加工刀具。金刚石复合片和立方氮化硼复合片因都采用硬质合金作衬底材料，有效降低了人造金刚石或立方氮化硼的使用量，具有可焊接性，兼具高硬度和高抗弯强度(金刚石的抗弯强度为210～490MPa，而PCD的抗弯强度可达1,500MPa)，能承受一定的冲击载荷，因而在日益追求高速切削、高精度切削的今天，必然地得到越来越多的刀具用户和刀具生产厂家的青睐。在切削加工方面正发挥着越来越多的重要作用。目前已有基本替代金刚石聚晶、立方氮化硼聚晶刀具的趋势。

金刚石复合片(PCD)、立方氮化硼复合片(PCBN)是在超高压高温下，利用少量粘结剂，把细粒度超硬材料聚结成无气孔、密实的多晶层;同时，使得超硬材料和硬质合金两层材料既致密又牢牢地“复合”、粘结为整体的超硬复合材料。在“复合”、粘结的过程中，利用了多晶层粘结剂元素、超硬材料元素(C或N、B，其中B扩散性较小)、硬质合金衬底中成分(主要为Co，W元素扩散性较小)的互换性，产生了粘结、反应、“扎钉”、机械镶嵌等作用。在这个过程中，受冷收缩系数要相互接近，硬质合金要二次液相烧结，元素要扩散，造成适宜的成份各材料相或其组分团的梯度。

PCD和PCBN刀具制造，要经过对片基的切割、刀头磨削、焊接、焊接后磨削等多道加工工序才能完成。

1.PCD、PCBN的切割、磨削

用于刀具制造的金刚石复合片、立方氮化硼复合片一般是由圆片基材切割加工而成的，当然也可以直接烧结合成出来，尤其是长、宽尺寸差别不大的长方形、圆形等。刀具用复合片形状有圆形、半圆形、扇形(450、600、900即1/4圆形)、以及长方形等。

经切割加工或直接合成出的复合片刀(头)坯，在固定到刀体之前之前需要适当磨削加工，主要是针对衬底底面(为使焊接时接触平整、粘结牢固)和非刀刃面(主要是为了美观)，一般可手工研磨，也可用金刚石砂轮粗磨。

应该指出，对用于刀具的复合片，还需要结合刀具加工条件和要求在合成时从超硬材料粒度方面进行合理选择：20～50?m的中粗粒度，合成出的PCD(金刚石复合片)和PCBN(立方氮化硼复合片)耐磨性好、热导性好，但抗弯强度和耐冲击性稍差，使用时易产生微小崩刃，因粒度较粗也制约了刀刃锋利度的提高，故不适合高精切削，此类刀头可用于半精加工;5～20?m的中细粒，合成出的PCD(金刚石复合片)和PCBN(立方氮化硼复合片)耐磨性和耐冲击性均适中，可用于粗、半精加工;0.5～5?m的细微粒，合成出的PCD(金刚石复合片)和PCBN(立方氮化硼复合片)耐磨性较低，但抗弯强度和耐冲击性高，刃口锋锐度好，不易崩刃，可用于高精加工或半精加工。

另外，由于各个厂家技术水平及使用设备(六面顶或两面顶)不同，所生产的PCD和PCBN质量也不同。某些厂家生产的的PCD和PCBN上下面平行度误差大，刀具生产厂家在选择复合片供应商时，也会虑及。

2.PCD、PCBN刀头与刀体的联接固定及焊接

加工好金刚石复合片或立方氮化硼复合片刀头后，就可以开始与刀体联接固定。常用工程化的固定方法有焊接法(广泛应用高频焊接)和机械加固法。机械加固法即是将复合片刀头底面和加压面磨平，用压板加压固定在刀体上。为使用时的临时加固方法，如同使用修整块修正砂轮时的夹固。只针对圆片状、长方形、三角形、且规格较大的复合片刀头。近年随着高强度、耐高温金属粘结剂的工程应用，也可以尝试用“粘结法”固定刀头。除机夹刀片外，其它固定法的刀头一般还需要单独研磨以达到规定的形状、尺寸、刃面粗糙度和几何角度。

焊接之前，要检查复合片有无裂纹、凹陷、多晶层剥离等缺陷(对目前越来越多的大尺寸复合片基材，在使用前还要抽查其片基不同位置的硬度与组织的一致性)，然后进行除油等清理工作，同时对刀杆或刀垫焊接部位进行清理，马上焊接。目前国内外对复合片刀头的焊接使用较多的是熔点低、流动性好、焊接强度高的银含量较高的钎焊焊料，如Ag45Cu18Zn19Cd18。复合片的焊接可采用事先裁好的与刀头形状、尺寸相近的片状焊料，也可采用粉状焊料;焊片或粉状焊料熔点要求7000℃以下，焊接时的温度不能高于8000℃，以防止复合片两层间因大的热应力差而剥离，或是因结合剂或衬底层中的钴侵蚀金刚石;焊接要采用助焊剂来助熔和清除赃物;一般采用普通高频焊机辅以合适的工装来焊接刀具;焊接过程中要保持好PCD和PCBN刀头的位置(可采用合适的钎焊定位胎具实现精确定位);焊好的刀具需要缓慢冷却，对高精度刀具建议采用专门的焊后保温装置。焊接时的温度取决于钎焊材料的熔点，一般在6500～6600C之间，需要精确控温精细操作。真空钎焊虽然有少用或不用钎助剂等优点，在PCD和PCBN刀具焊接方面，却并不合适。究其原因，在于当大批量放置PCD和PCBN刀头时，一来焊接温度不均匀，二来刀头位置容易移动，质量不易得到保证。

3.PCD、PCBN刀具焊接后的磨削

焊好的金刚石复合片或立方氮化硼复合片刀具(包括带刀杆的或是焊在刀垫上的)以及准备直接机卡用的刀头需要磨削。磨削分粗磨、半精磨、精磨和研磨四个过程。粗磨可用陶瓷碳化硅砂轮或树脂金刚石砂轮，粒度可用120～200目或更细些;半精磨或精磨可用树脂金刚石砂轮或金属结合剂电解磨轮(需电解磨削)，粒度用到200目～W14;研磨常用金刚石研磨膏，可采用W10～W3.5?m。近年来，有不少厂家采用陶瓷结合剂金刚石砂轮或CBN砂轮来作为制造超硬材料刀具的磨削砂轮，效果也很不错。

磨削之前，需要确认刀具和磨削砂轮的安装牢固程度;在磨床上进行批量生产时还要注意设计制作定位精确的专用刀具刃磨夹具;需采用湿磨，可采用加有防锈剂的冷却液或为弱碱性乳化液(电解磨需用专门的电解磨削液);磨削时要让磨削砂轮沿刀具切削刃摆动以使砂轮边缘磨损均匀，保证切削刃形状、精度以及锋锐度，同时也可以提高磨削效率;粗磨时进刀量宜控制为0.01mm/双行程，半精磨和精磨宜用0.005mm/双行程进刀量;研磨可在铸铁研磨盘(具)上进行(近年有人采用专门制作的高分子材料和陶瓷复合材质研磨具，也取得了良好效果)，要求操作人员技艺熟练，要勤检查刀具的各种几何参数及刃面粗糙度。

表1 某单位实测磨加工用磨料粒度与刀具刃面粗糙度关系

经过多次磨削后，金刚石复合片或立方氮化硼复合片刀具的形状、尺寸、刃面粗糙度以及几何角度需要达到技术要求。金刚石复合片或立方氮化硼复合片刀具若用于加工HRc60以上的零件，粗车削时前角取-5～-100，精车取00左右，而加工零件硬度稍低则应用较小的负前角;主偏角一般用75～450。精车或加工细长工件时主偏角宜选的大些，若是粗车很硬的的零件时，主偏角还可减少为200，以保持刀具的强度和冲击性;后角选择时需结合零件的硬度，零件硬脆应取8～120，被加工零件硬度较软，后角应取10～120。但一般说来，若刀具抗冲击性和强度允许，则尽量选用较大的后角。刃倾角的选择：粗车削时宜选用较大的刃倾角2～50，以增加刀刃的强度，而精车时则应用较小的刃倾角0～20，以减少径向切削力;对圆弧状刀尖圆弧半径的选择：粗车时选0.5～1.0mm以提高刀具耐用度;若零件硬度高且凸凹不平则应选择更大些如rε=1.5～2.5mm，这样可以防止崩刃;精车时刀尖圆弧半径应选0.5mm左右。最终还可用整体圆片刀具进行修光。nextpage

4.PCD、PCBN刀具的应用

近年来，切削机床技术的发展使其主轴转速和进给量不断提高，从而能以更高的切削速度、更大的材料切除率、更高的精度实现快速的切削加工，这对PCD、PCBN类超硬材料刀具提出了更多需求。仅仅在几年前，一些机床的主轴转速还只有6,000r/min，而如今已经达到30,000～40,000r/min，轴的运动加速度可达到2G。这种机床在强大的计算机能力支持下，能够实现加工所需的运动功能。为了能在作用点将这种速度优势转换为加工优势，就需要采用相应的刀具材料。然而，如果采用硬质合金刀具，其切削速度只能达到400m/min;而PCD刀具其切削速度可高达3,000m/min。除了更高的加工速度以外，PCD、PCBN刀具的主要优势还包括更长的刀具寿命，以及在大多数情况下更好的表面质量和减少换刀次数、降低非机动工时等优点。以下是PCD、PCBN刀具的某些由其高硬度、高耐磨性带来的应用领域：

表2.PCD刀具及PCBN刀具应用领域

(1)汽车发动机缸体加工PCD、PCBN刀具

近年来，随着我国汽车工业的不断发展，汽车行业已成为国民经济的支柱。各汽车厂在不断提高质量和性能的同时，更加关注部件加工的效率和成本。缸体是发动机的关键部件，其关键的加工部位有：曲轴孔、缸孔、顶面、止口等。

(2)汽车发动机缸盖加工PCD、PCBN刀具

从缸盖各部位的尺寸精度、位置精度、形状精度及粗糙度等要求来看，通常要用到铣、镗、铰等方面的刀具，其中尤为重要的是阀座底孔、导管底孔、阀座锥面、导管孔的加工。

(3)汽车变速箱加工PCD刀具

在变速箱的加工中，以孔加工为主。

(4)活塞、连杆加工PCD、PCBN刀具

活塞和连杆的主要作用是将混合气体燃烧所产生的爆炸力通过活塞销传给连杆，来推动曲轴的曲柄使曲轴旋转。由于活塞、连杆工作条件苛刻，在高温、高压、高耐磨的环境下，要求活塞具有高精度、高耐磨性特点。

(5)凸轮轴、曲轴加工PCBN刀具

(6)轧辊和刹车盘加工PCBN整体焊接式刀具

(7)齿轮加工PCBN刀具

齿轮广泛应用于机床、汽车、船舶及精密仪器等制造行业中。齿轮材料的耐磨性好、制造精度高、抗冲击性好。采用PCBN刀具，可实现以车代磨。

(8)轴承加工PCBN刀具

采用PCBN刀具精车淬硬轴承钢(HRc>60)，切削过程比较平稳，而且刀具使用寿命长，可实现以车代磨。

(9)空调压缩机部件加工PCBN刀具

压缩机是空调的核心部件，采用高耐磨性的PCBN刀具。

(10)汽车复合PCD系列刀具

现代汽车零部件越来越多地采用压铸铝合金制造，形状结构复杂，为了满足高效和高精度加工多阶梯成型孔的要求，利用高精度进口磨床和成型磨削技术开发出的PCD成型阶梯铰刀发挥着优越的作用。

(11)飞机复合材料加工PCD刀具

飞机机翼的碳纤维复合材料，具有韧性大、耐磨性强、质量轻等特点，采用普通刀具不能达到加工要求，PCD刀具可体现其硬度高、耐磨性为硬质合金100多倍的特点。

(12)医疗器械–人体骨关节加工PCD刀具

人体骨关节形状复杂，轮廓精度和表面粗糙度要求极高，PCD刀具在针对生陶瓷材质的加工中，具有精度高、耐磨性强等特点，广泛应用于医疗器械中。

(13)木材加工PCD刀具

木地板的卯榫的加工，由于有一定的硬度，使用PCD刀具比较合适，可保证极大量工件加工下的尺寸一致性。

(14)重载切削用PCBN刀具

切削余量大(粗加工可达10mm)、切削路程长(1,000m～1,500m)的加工场合，PCBN刀具仍是不错的选择。

(16)砂轮模具用PCBN刀具

砂轮磨粒硬度极高，要求模具表面硬度高(模具钢淬硬至HRc60～64)、耐磨性好。采用PCBN刀具精车大型砂轮模具来代替磨削，加工周期短，加工效率高，易操作。

目前，PCD和PCBN刀具的加工技术尚未被相关企业广泛采用的主要原因是：企业人员接受新技术的“感知”程度不够，企业对用PCD和PCBN刀具切削的加工机理、刀具性能及使用技术等方面还没有完全理解和掌握，此外切削过程中的一些不稳定因素以及相对昂贵的刀具成本也制约了PCD和PCBN刀具的使用和推广。但在机械加工方面的高速切削、高精度切削、以车代磨、绿色制造是大势所趋、不可阻挡的。随着许多工作领域在有志于进行PCD刀具及PCBN刀具制造和使用工作的青年人去开拓的情况下，相信国家的超硬材料事业会有一个更美好的明天、PCD和PCBN刀具会在切削加工方面会走的更远更强。