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1、 人民币什么是 PCD 刀片？ 2009-11-26 11:06:24| 分类： 资料|举报|字号 订阅PCD 定义,PCD 英文 Polycrystalline diamond 简称,文直译过来聚晶金刚石意思.它与单晶金刚石相对应.。聚晶金刚石（PCD）刀具发展 1概述 1.1 PCD 刀具发展 金刚石作为一种超硬刀具材料应用于切削加工已有数百年历史。刀具发展历程，从十九世纪末到二十世纪期，刀具材料以高速钢为主要代表；1927 年德国首先研制出硬质合金刀具材料并获得广泛应用；二十世纪五十年代，瑞典美国分别合成出人造金刚石，切削刀具从此步入以超硬材料为代表时期。二十世纪七十年代，人们利用高压合
2、成技术合成了聚晶金刚石（PCD），解决了天然金刚石数量稀少、价格昂贵问题，使金刚石刀具应用范围扩展到航空、航天、汽车、电子、石材等多个领域。 1.2 PCD 刀具性能特点 金刚石刀具具有硬度高、抗压强度高、导热性及耐磨性好等特性，可高速切削获得很高加工精度加工效率。金刚石刀具上述特性由金刚石晶体状态决定。金刚石晶体，碳原子四个价电子按四面体结构成键，每个碳原子与四个相邻原子形成共价键，进而组成金刚石结构，该结构结合力方向性很强，从而使金刚石具有极高硬度。由于聚晶金刚石（PCD）结构取向不一细晶粒金刚石烧结体，虽然加入了结合剂，其硬度及耐磨性仍低于单晶金刚石。但由于 PCD 烧结体表现为各向同性
3、，因此不易沿单一解理面裂开。 PCD 刀具材料主要性能指标：PCD 硬度可达 8000HV，为硬质合金80120 倍；PCD 导热系数为 700W/mK，为硬质合金 1.59 倍，甚至高于PCBN 铜，因此 PCD 刀具热量传递迅速；PCD 摩擦系数一般仅为0.10.3（硬质合金摩擦系数为 0.41），因此 PCD 刀具可显著减小切削力；PCD 热膨胀系数仅为 0.910 -61.1810 -6，仅相当于硬质合金 1/5，因此PCD 刀具热变形小，加工精度高；PCD 刀具与有色金属非金属材料间亲力很小，加工过程切屑不易粘结刀尖上形成积屑瘤。 1.3 PCD 刀具应用 工业发达国家对 PCD 刀
4、具研究开展较早，其应用已比较成熟。自 1953 年瑞典首次合成人造金刚石以来，对 PCD 刀具切削性能研究获得了大量成果，PCD 刀具应用范围及使用量迅速扩大。目前，国际上著名人造金刚石复合片生产商主要有英国 De Beers 公司、美国 GE 公司、日本住友电工株式会社等。据报道，1995 年一季度仅日本 PCD 刀具产量即达 10.7 万把。PCD 刀具应用范围已由初期车削加工向钻削、铣削加工扩展。由日本一家组织进行关于超硬刀具调查表明：人们选用 PCD 刀具主要考虑因素基于 PCD 刀具加工后表面精度、尺寸精度及刀具寿命等优势。金刚石复合片合成技术也得到了较大发展，DeBeers 公司已
5、推出了直径 74mm、层厚 0.3mm 聚晶金刚石复合片。 国内 PCD 刀具市场随着刀具技术水平发展也不断扩大。目前国第一汽车集团已有一百多个 PCD 车刀使用点，许多人造板企业也采用 PCD 刀具进行木制品加工。PCD 刀具应用也进一步推动了对其设计与制造技术研究。国内清华大学、大连理工大学、华理工大学、吉林工业大学、哈尔滨工业大学等均积极开展这方面研究。国内从事 PCD 刀具研发、生产有上海舒伯哈特、郑州新亚、南京蓝帜、深圳润祥、成都工具研究所等几十家单位。目前，PCD 刀具加工范围已从传统金属切削加工扩展到石材加工、木材加工、金属基复合材料、玻璃、工程陶瓷等材料加工。通过对近年来 PC
6、D 刀具应用分析可见，PCD 刀具主要应用于以下两方面：难加工有色金属材料加工：用普通刀具加工难加工有色金属材料时，往往产生刀具易磨损、加工效率低等缺陷，而 PCD 刀具则可表现出良好加工性能。如用 PCD 刀具可有效加工新型发动机活塞材料过共晶硅铝合金（对该材料加工机理研究已取得突破）。难加工非金属材料加工：PCD 刀具非常适合对石材、硬质碳、碳纤维增强塑料（CFRP）、人造板材等难加工非金属材料加工。如华理工大学 1990 年实现了用 PCD 刀具加工玻璃；目前强化复合地板及其它木基板材（如 MDF）应用日趋广泛，用 PCD 刀具加工这些材料可有效避免刀具易磨损等缺陷。2PCD 刀具制造技
7、术 2.1 PCD 刀具制造过程 PCD 刀具制造过程主要包括两个阶段：PCD 复合片制造：PCD 复合片由天然或人工合成金刚石粉末与结合剂（其含钴、镍等金属）按一定比例高温（10002000）、高压（510 万个大气压）下烧结而成。烧结过程，由于结合剂加入，使金刚石晶体间形成以 TiC、SiC、Fe、Co、Ni 等为主要成分结合桥，金刚石晶体以共价键形式镶嵌于结合桥骨架。通常将复合片制成固定直径厚度圆盘，还需对烧结成复合片进行研磨抛光及其它相应物理、化学处理。PCD 刀片加工：PCD 刀片加工主要包括复合片切割、刀片焊接、刀片刃磨等步骤。 2.2 PCD 复合片切割工艺 由于 PCD 复合片
8、具有很高硬度及耐磨性，因此必须采用特殊加工工艺。目前，加工 PCD 复合片主要采用电火花线切割、激光加工、超声波加工、高压水射流等几种工艺方法。电火花加工高度集脉冲放电能量、强大放电爆炸力使 PCD 材料金属融化，部分金刚石石墨化氧化，部分金刚石脱落，工艺性好、效率高。 超声波加工加工效率低，金刚石微粉消耗大，粉尘污染大。 激光加工 非接触加工，效率高、加工变形小、工艺性差。 上述加工方法，电火花加工效果较佳。PCD 结合桥存使电火花加工复合片成为可能。有工作液条件下，利用脉冲电压使靠近电极金属处工作液形成放电通道，并局部产生放电火花，瞬间高温可使聚晶金刚石熔化、脱落，从而形成所要求三角形、长
9、方形或正方形刀头毛坯。电火花加工 PCD 复合片效率及表面质量受到切削速度、PCD 粒度、层厚电极质量等因素影响，其切削速度合理选择十分关键，实验表明，增大切削速度会降低加工表面质量，而切削速度过低则会产生“拱丝”现象，并降低切割效率。增加 PCD 刀片厚度也会降低切割速度。 2.3 PCD 刀片焊接工艺 PCD 复合片与刀体结合方式除采用机械夹固粘接方法外，大多通过钎焊方式将 PCD 复合片压制硬质合金基体上。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。目前，投资少、成本低高频感应加热钎焊PCD 刀片焊接得到广泛应用。刀片焊接过程，焊接温度、焊剂焊接合金选择将直接影响焊后
10、刀具性能。焊接过程，焊接温度控制十分重要，如焊接温度过低，则焊接强度不够；如焊接温度过高，PCD 容易石墨化，并可能导致“过烧”，影响 PCD 复合片与硬质合金基体结合。实际加工过程，可根据保温时间 PCD 变红深浅程度来控制焊接温度（一般应低于 700）。国外高频焊接多采用自动焊接工艺，焊接效率高、质量好，可实现连续生产；国内则多采用手工焊接，生产效率较低，质量也不够理想。2.4 PCD 刀片刃磨工艺 PCD 高硬度使其材料去除率极低（甚至只有硬质合金去除率万分之一）。目前，PCD 刀具刃磨工艺主要采用树脂结合剂金刚石砂轮进行磨削。由于砂轮磨料与 PCD 之间磨削两种硬度相近材料间相互作用，
11、因此其磨削规律比较复杂。对于高粒度、低转速砂轮，采用水溶性冷却液可提高 PCD 磨削效率磨削精度。砂轮结合剂选择应视磨床类型加工条件而定。由于电火花磨削（EDG）技术几乎不受被磨削工件硬度影响，因此采用 EDG 技术磨削 PCD 具有较大优势。某些复杂形状 PCD 刀具（如木工刀具）磨削也对这种灵活磨削工艺具有巨大需求。随着电火花磨削技术不断发展，EDG 技术将成为 PCD 磨削一个主要发展方向。 3PCD 刀具设计原则 3.1 刀具材料选择 （1）合理选择 PCD 粒度 PCD 粒度选择与刀具加工条件有关，如设计用于精加工或超精加工刀具时，应选用强度高、韧性好、抗冲击性能好、细晶粒 PCD。
12、粗晶粒 PCD 刀具则可用于一般粗加工。PCD 材料粒度对于刀具磨损破损性能影响显著。研究表明：PCD 粒度号越大，刀具抗磨损性能越强。采用 De Beers 公司 SYNDITE 002SYNDITE 025 两种 PCD 材料刀具加工 SiC 基复合材料时刀具磨损试验结果表明，粒度为 2mSYNDITE 002PCD 材料较易磨损。 （2）合理选择 PCD 刀片厚度 通常情况下，PCD 复合片层厚约为 0.31.0mm，加上硬质合金层后总厚度约为 28mm。较薄 PCD 层厚有利于刀片电火花加工。De Beers 公司推出0.3mm 厚 PCD 复合片可降低磨削力，提高电火花切割速度。PC
13、D 复合片与刀体材料焊接时，硬质合金层厚度不能太小，以避免因两种材料结合面间应力差而引起分层。 3.2 刀具几何参数与结构设计 PCD 刀具几何参数取决于工件状况、刀具材料与结构等具体加工条件。由于PCD 刀具常用于工件精加工，切削厚度较小（有时甚至等于刀具刃口半径），属于微量切削，因此其后角及后刀面对加工质量有明显影响，较小后角、较高后刀面质量对于提高 PCD 刀具加工质量可起到重要作用。 PCD 复合片与刀杆连接方式包括机械夹固、焊接、可转位等多种方式。机械夹固由标准刀体及可做成各种集合角度可换刀片组成，具有快换便于重磨优点适用于小型机床。 整体焊接结构紧凑、制作方便，可制成小尺寸刀具专用
14、刀具或难于机夹刀具，适用于小型机床。 机夹焊接刀片焊接于刀头上，可使用标准刀杆，便于刃磨及调整刀头位置适用于自动机床、数控机床。 适用于可转位结构紧凑，夹紧可靠，不需重磨焊接，可节省辅助时间，提高刀具寿命适用于普通通用机床。4PCD 刀具切削参数与失效机理 4.1 PCD 刀具切削参数对切削性能影响 （1）切削速度 PCD 刀具可极高主轴转速下进行切削加工，但切削速度变化对加工质量影响不容忽视。虽然高速切削可提高加工效率，但高速切削状态下，切削温度切削力增加可使刀尖发生破损，并使机床产生振动。加工不同工件材料时，PCD 刀具合理切削速度也有所不同，如铣削 Al2O3 强化地板合理切削速度为11
15、0120m/min；车削 SiC 颗粒增强铝基复合材料及氧化硅基工程陶瓷合理切削速度为 3040m/min。 （2）进给量 如 PCD 刀具进给量过大，将使工件上残余几何面积增加，导致表面粗糙度增大；如进给量过小，则会使切削温度上升，切削寿命降低。 （3）切削深度 增加 PCD 刀具切削深度会使切削力增大、切削热升高，从而加剧刀具磨损，影响刀具寿命。此外，切削深度增加容易引起 PCD 刀具崩刃。 不同粒度等级 PCD 刀具不同加工条件下加工不同工件材料时，表现出切削性能也不尽相同，因此应根据具体加工条件确定 PCD 刀具实际切削参数。 4.2 PCD 刀具失效机理 刀具磨损形式主要有磨料磨损、
16、粘结磨损（冷焊磨损）、扩散磨损、氧化磨损、热电磨损等。PCD 刀具失效形式与传统刀具有所不同，主要表现为聚晶层破损、粘结磨损扩散磨损。研究表明，采用 PCD 刀具加工金属基复合材料时，其失效形式主要为粘结磨损由金刚石晶粒缺陷引起微观晶间裂纹。加工高硬度、高脆性材料时，PCD 刀具粘结磨损并不明显；相反，加工低脆性材料（如碳纤维增强材料）时，刀具磨损增大，此时粘接磨损起主导作用。 5结语 PCD 刀具因其良好加工质量加工经济性非金属材料、有色金属及其合金材料、金属基复合材料等切削加工领域显示出其它刀具难以比拟优势。随着 PCD 刀具理论研究日益深入及其应用技术进一步推广，PCD 刀具超硬刀具领域地位将日益重要，其应用范围也将进一步拓展。
