pcd刀具技术标准（制备PCD刀具的关键工序）

pcd刀具技术标准（制备PCD刀具的关键工序）许多研究者也对此问题进行了深人研究，如王适等人在对PCD复合片高频感应钎焊技术的研究中发现，高频感应钎焊PCD复合片时，焊接温度对焊接强度影响最大。董海等人通过对PCD复合片热稳定性的研究，确定了钎焊的安全温度:在空气气氛中钎焊SYNDITE PCD复合片时，CTB002牌号的钎焊安全温度应低于650°C ; CTBO 10牌号应低于670°C CTB025牌号应低于720°C。此外，在钎焊PCD复合片时，应首选钴含量较高的WC基硬质合金(即K类硬质合金)，这样有利于提高钎焊强度。对于PCD刀具的制备来说，PCD复合片与硬质合金或钢质基体的焊接非常重要。PCD的焊接方法主要有激光焊接、真空扩散焊接、真空钎焊、高频感应钎焊等。PCD复合片的钎焊工艺是制约PCD刀具推广应用的关键技术之一。众所周知，硬质合金的钎焊大多采用高温钎焊工艺(钎焊温度约1000°C )，而PCD复合片则必须采用低温

聚晶金刚石(PCD)刀具是将PCD复合片焊接到硬质合金或钢质刀体上制成的。PCD复合片将单晶金刚石的高硬度、高强度、高耐磨性和低摩擦系数与碳化钨硬质合金基体的高抗弯强度结合到一起，碳化钨硬质合金层可为金刚石层提供机械支持，增大其抗弯强度，同时，硬质合金层易于焊接，使PCD刀具的制备变得较为容易。

近年来，随着汽车零部件大量采用轻型材料(如铝合金等)制造，适合加工这些材料的PCD刀具的应用也大量增加。如在变速箱壳体的加工中，某些工序将原来使用的硬质合金镗刀改为金刚石刀具，使刀具寿命提高到数万件，获得了显著的经济效益。用PCD刀具加工铝合金工件时，由于金刚石硬度高，与金属材料亲和力小，且刀具前刀面大都抛光成镜面，因此不易产生积屑瘤，可获得良好的加工尺寸稳定性和表面质量，尺寸精度可达到5一7级，表面粗糙度可达到Ra0.02一0.32um。

采用PCD刀具加工各种尺寸规格的铝合金零件时，表面粗糙度可达Ra≤0 .1un，刀具寿命可达几千到几万件，尤其适合汽车零件的大规模生产。在中国汽车制造业，PCD刀具主要用于切削加工铝合金材料的发动机缸体、缸盖，变速器的壳体、阀体、槽体、侧盖等零部件。

HSK柄焊接式PCD刀具已在我国汽车发动机和变速箱制造企业(如上海大众动力总成有限公司、大众变速器(上海)有限公司、奇瑞汽车公司、江淮发动机公司、大众一汽发动机(大连)有限公司等)广泛使用。此类刀具(尤其是多齿刀具)的特点是切削刃相对于刀柄的跳动小(如刃长为30mm的HSK柄PCD铣刀的切削刃跳动仅为0.002mm)，尤其适合对各种有色金属零件的成型面、孔、阶梯孔等进行大批量高速加工。例如，采用铝基体刀盘的PCD高速铣刀(六刃，直径Φ100mm )，最高转速可达20000r/min以上，切削速度可达7000m/min，适合汽车零部件的成型面加工。

制备PCD刀具的关键工序

对于PCD刀具的制备，特别是各种高精度(尺寸公差可达2um)、非标准复合PCD刀具的制备，最关键的工序包括PCD刀具的焊接、切割和刃磨。焊接工序不仅决定了PCD刀片的焊接强度，而且还会影响PCD切削刃的切削性能。对于切削刃形状复杂而无法刃磨的PCD刀具，可在五轴五联动数控慢走丝加工机床上经过粗切和精切获得所要求的切削刃。对于需要精研加工的切削刃，可在高精度切割时留下微小的余量，再通过一次精研达到尺寸要求。

(1)PCD刀具的焊接

对于PCD刀具的制备来说，PCD复合片与硬质合金或钢质基体的焊接非常重要。PCD的焊接方法主要有激光焊接、真空扩散焊接、真空钎焊、高频感应钎焊等。PCD复合片的钎焊工艺是制约PCD刀具推广应用的关键技术之一。众所周知，硬质合金的钎焊大多采用高温钎焊工艺(钎焊温度约1000°C )，而PCD复合片则必须采用低温钎焊工艺，否则会对PCD复合片造成热损伤，影响其切削性能。但是，低温钎焊的接头强度往往比较低，在刀具加工过程中容易脱焊。目前，国内很多刀具制造商都受到PCD刀具焊接热损伤和脱焊难题的困扰。

许多研究者也对此问题进行了深人研究，如王适等人在对PCD复合片高频感应钎焊技术的研究中发现，高频感应钎焊PCD复合片时，焊接温度对焊接强度影响最大。董海等人通过对PCD复合片热稳定性的研究，确定了钎焊的安全温度:在空气气氛中钎焊SYNDITE PCD复合片时，CTB002牌号的钎焊安全温度应低于650°C ; CTBO 10牌号应低于670°C CTB025牌号应低于720°C。此外，在钎焊PCD复合片时，应首选钴含量较高的WC基硬质合金(即K类硬质合金)，这样有利于提高钎焊强度。

目前，国内外生产PCD刀具的制造商大多选用高频焊接工艺(见图7)。该工艺最重要的技术参数包括焊接温度、焊接时间、保温环境和保温时间。焊接温度会对PCD切削刃的内部组织结构产生直接影响，如果焊接温度过高，会导致PCD切削刃碳化，影响其切削性能;如果焊接温度过低，则会造成焊接不牢，影响接头强度。

焊接时间是指保持焊接温度的时间，如果保温时间不够，则焊剂难以充分而均匀地熔化，也会造成焊接不牢的现象。如果保温时间过长，PCD切削刃则会因长时间处于高温下而影响其切削性能。如果将焊接后的PCD刀具放在空气中冷却，则会因PCD与刀体之间热应力过大而造成焊接不牢，严重时PCD刀具上甚至会出现裂纹。因此，最好是将焊接后的刀具迅速放人温度一定的真空或惰性气体介质中保温一定时间，使其缓慢冷却。

(2)PCD刀具的切割

PCD刀具(尤其是各种高精度、非标准的复合PCD刀具)需要在数控五轴联动慢走丝线切割机床上进行切割加工(见图8)。例如，用德国VOLLMER公司的QWD系列电火花机床(如QWD760 )，可对各种曲线切削刃PCD刀具进行线切割加工，由于采用了先进的数控系统，一次输人程序即可切割出阶梯刀具、曲线刀具的刃、背、内折线等几何形状，自动化程度及加工精度均很高，加工出的多刃刀具跳动误差可控制在0. 001mm以内，刀具表面粗糙度可达Ra0.4um，特别适合带柄阶梯钴、铣刀、锯片等多刃刀具的加工。不足之处是切割表面粗糙度不如磨削表面，此外，加工成本也较高。

电蚀刃磨法的原理是将PCD刀具与电铝丝形成正负电极，通过正负电极间的放电，达到蚀除PCD的效果。薛建新等人通过研究指出，电蚀刃磨法去除PCD的效果取决于钼丝与PCD刃口之间的间隙、走刀进给速度以及电压的高低、电流的大小等，该方法可达到的尺寸精度一般为0.01mm，表面粗糙度约为Ra0.25um。

目前，国内生产PCD刀具的制造商(如上海玛铂、南京蓝帜、无锡瓦尔特等外资企业和郑州钻石、上海舒伯哈特、上海山田、上海敬业等内资企业)配备了数控五轴联动慢走丝线切割机床的企业并不多。而缺少了这种关键加工设备，很多高附加值的复杂PCD刀具就无法加工，即使勉强加工出来，也无法保证刀具精度。另外，使用该机床对PCD刀具进行线切割加工时，应尽量避免同时切割钢基体和PCD复合片，以确保PCD切削刃的加工质量。

(3)PCD刀具的刃磨

PCD刀具的刃磨分为外圆磨削和倒角磨削(见图9和图10)，所用的机床分别为外圆磨床(如瑞士STUDER系列磨床)和多轴手动工具磨床(如瑞士EWAG公司的RS系列工具磨床)。刃磨PCD刀具时，与树脂结合剂或金属结合剂金刚石砂轮相比，采用陶瓷结合剂金刚石砂轮具有磨削效率高、耐用度高、加工成本低等优点。金刚石砂轮的粒度、浓度、结合剂等对PCD刀具的刃磨质量及效率影响很大，如使用粒度小的砂轮能获得较低的磨削表面粗糙度。

砂轮转速对表面粗糙度的影响规律为:在转速较高和较低时，表面粗糙度值都较大，而转速处于中间水平的某一最佳值时，表面质量较好。磨削压力对表面粗糙度的影响规律正好相反:当磨削压力处于中间水平时，表面粗糙度值最大，而磨削压力较高(如5.5Pa)和较低(如2.5Pa)时，对应的表面粗糙度几乎无差别，这是与传统磨削规律的不同之处。

一般来说，在可以满足加工质量要求的前提下，应尽量选择粒度较大的砂轮(粗磨砂轮粒度可选22um 半精磨砂轮粒度可选15um，精磨砂轮粒度可选9um)。目前，加工效果较好的金刚石砂轮为TY-ROUT，因为其金刚石磨粒为有序排列，磨除率(每分钟磨除的PCD体积)为磨粒无序排列砂轮的20 -30倍，但其刃磨成本也相对较高。PCD刀具的研磨对磨削压力、冷却液等也有严格要求。PCD刀具刃磨的最佳转速应为2500r/min砂轮直径150mm )。冷却液浓度为4%，磨削压力为150N，刃磨出的PCD刀具表面粗糙度可达到Ra0.012um。

由于瑞士STUDER外圆磨床(如S20型)和瑞士EWAGRS系列多轴手动工具磨床(如RS15型)价格昂贵(单台价格均在200万元人民币左右)，目前很多PCD刀具生产商(尤其是内资企业)还没有配备此类关键设备。即使有了这种设备，也还需要技术熟练、经验丰富的操作工人采用正确的金刚石砂轮和磨削参数精心加工，才能制造出精度达微米级的PCD刀具。

结语

目前，我国PCD刀具的制备工艺技术与国外先进水平相比还存在较大差距。由于刀具制造商可以直接从国外购买高品质的PCD复合片，因此提高PCD刀具制备工艺技术显得尤为重要。在PCD刀具的制备过程中，PCD复合片与刀体的焊接、PCD刀具的线切割和刃磨工序是决定PCD刀具加工精度和使用寿命的关键工序，必须予以高度重视。通过有针对性地进行技术攻关，提高加工装备水平，就能显著提高PCD刀具的加工效率和质量水平，促进PCD刀具的推广应用。

免责声明：本文整理自王永国、涂国才、刘刚的《制备PCD刀具的关键工序》，其原创性以及文中表达的观点和判断不代表爱锐网，爱锐网本着传播知识、有益学习和研究的目的进行摘录，仅供读者参考交流，如有著作权人或出版方提出异议，将立即删除。如果您对文章转载有任何疑问请告之我们，以便我们及时纠正。

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