第一節(jié) 產(chǎn)品技術發(fā)展現(xiàn)狀
為了滿足用戶對PCD刀具切削性能不斷提高的要求，在競爭激烈的PCD刀具市場占有更大份額，刀具制造商正不斷對PCD刀具技術進行改進與提高。
1、國外技術發(fā)展現(xiàn)狀
美國DiamondAbrasive公司通過優(yōu)化PCD燒結工藝，促使金剛石顆粒之間生成的共生物增大，從而提高了粗顆粒PCD刀具的耐磨性。該公司開發(fā)的CTH025牌號的耐磨性比同類型粗顆粒PCD牌號提高了25%~30%，該牌號被設計用于切削具有高耐磨性的鋁金屬基復合材料(MMC)。
DiamondAbrasive公司還推出了一種稱為“multimodal”的新型PCD牌號，這種牌號原來是為對刀具韌性要求極高的采礦業(yè)開發(fā)的，其特點是每片刀片材料中都分布著各種不同粒度尺寸的金剛石顆粒，例如，multimodal牌號CTM302的材料中包含了粒度尺寸從2µm到30µm的金剛石顆粒。這種由大、小粒度混合構成的刀具切削刃性能相當于金剛石粒度為10µm的刀片性能，而刀具的壽命則超過了僅由單一粗顆粒金剛石制成的PCD刀具。
幾年前，美國SumitomoElectricCarbide公司曾推出一種稱為DA2200的亞微細粒度(0.5µm)的PCD牌號，該牌號的PCD刀具可加工出極高的工件表面光潔度，且具有幾乎可與硬質合金媲美的高強度。
為了應對近來PCD刀具大幅降價的壓力，該公司又開發(fā)了價格較低的DA2200牌號刀具以替代價格較貴的原型刀具。由于采用了先進的PCD燒結工藝，從而可制備出PCD金剛石層厚度僅為標準厚度1/3的DA2200復合片，用這種復合片制造的刀具與金剛石層較厚的PCD刀具強度相同，但所消耗的金剛石材料以及刀坯磨削工序中的材料去除量顯著減少，從而降低了刀具的制造成本。
近來，采用PCD刀尖的多功能旋轉刀具的開發(fā)與應用日漸增多。這種刀具可在一次走刀中完成鉆孔、擴孔、倒角、精修等多道孔加工工序，用于汽車制造業(yè)可有效降低加工成本，如一把多功能PCD刀具在需要重磨前可加工多達幾千件汽車傳動箱零件。
ClappDiCO公司新開發(fā)了一種不需重磨的超速(SuperSpeed)PCD銑刀。該銑刀上裝夾了多個不需重磨的小刀尖PCD刀片，刀片上的斷屑槽可實現(xiàn)對切屑的有效控制；銑刀刀體采用輕型不銹鋼制造，可避免耐磨鋁合金切屑和冷卻/沖洗液對刀體的損害。該銑刀上還集成了一個由凸輪驅動的軸向調節(jié)裝置，可對PCD刀片的軸向尺寸進行精確微調，并實現(xiàn)了刀具硬件結構的最小化。
2、國內技術發(fā)展現(xiàn)狀
國內PCD刀具市場隨著刀具技術水平的發(fā)展也不斷擴大。目前中國第一汽車集團已有一百多個PCD車刀使用點，許多人造板企業(yè)也采用PCD刀具進行木制品加工。PCD刀具的應用也進一步推動了對其設計與制造技術的 研究 。國內的清華大學、大連理工大學、華中理工大學、吉林工業(yè)大學、哈爾濱工業(yè)大學等均在積極開展這方面的 研究 。國內從事PCD刀具研發(fā)、生產(chǎn)的有上海舒伯哈特、鄭州新亞、南京藍幟、深圳潤祥、成都工具 研究 所等幾十家單位。
上海工具廠有限公司通過技術改造，引進了PCD刀具(包含PCBN刀具)的先進生產(chǎn)設備，包括瑞士EWAG公司的RS15機床、德國VOLLMER公司的QM110和QWD760機床、德國SCHENCK公司的HSK刀柄動平衡機、ZOLLER公司的CNC刀具專用測量儀等。通過現(xiàn)有生產(chǎn)技術的配套，上工目前已能生產(chǎn)木工 行業(yè) 、印制電路板 行業(yè) 和汽車制造業(yè)所急需的各類PCD銑刀、鏜刀、鉸刀，成為國內目前唯一能配套生產(chǎn)帶HSK刀柄的PCD刀具的企業(yè)。
目前，PCD刀具的加工范圍已從傳統(tǒng)的金屬切削加工擴展到石材加工、木材加工、金屬基復合材料、玻璃、工程陶瓷等材料的加工。隨著PCD刀具切削性能的不斷提高和PCD刀具價格的不斷下降，PCD刀具對于廣大用戶具有了前所未有的吸引力，這將有力推動PCD刀具的普及應用以及PCD刀具技術更快地向前發(fā)展。
第二節(jié) 產(chǎn)品工藝特點或流程
1、PCD刀具的設計原則
1）刀具材料的選擇
（1）合理選擇PCD粒度
PCD粒度的選擇與刀具加工條件有關，如設計用于精加工或超精加工的刀具時，應選用強度高、韌性好、抗沖擊性能好、細晶粒的PCD。粗晶粒PCD刀具則可用于一般的粗加工。PCD材料的粒度對于刀具的磨損和破損性能影響顯著。 研究 表明：PCD粒度號越大，刀具的抗磨損性能越強。采用DeBeers公司SYNDITE002和SYNDITE025兩種PCD材料的刀具加工SiC基復合材料時的刀具磨損試驗結果表明，粒度為2μm的SYNDITE002PCD材料較易磨損。
（2）合理選擇PCD刀片厚度
通常情況下，PCD復合片的層厚約為0.3～1.0mm，加上硬質合金層后的總厚度約為2～8mm。較薄的PCD層厚有利于刀片的電火花加工。DeBeers公司推出的0.3mm厚PCD復合片可降低磨削力，提高電火花的切割速度。PCD復合片與刀體材料焊接時，硬質合金層的厚度不能太小，以避免因兩種材料結合面間的應力差而引起分層。
2）刀具幾何參數(shù)與結構設計
PCD刀具的幾何參數(shù)取決于工件狀況、刀具材料與結構等具體加工條件。由于PCD刀具常用于工件的精加工，切削厚度較?。ㄓ袝r甚至等于刀具的刃口半徑），屬于微量切削，因此其后角及后刀面對加工質量有明顯影響，較小的后角、較高的后刀面質量對于提高PCD刀具的加工質量可起到重要作用。
PCD復合片與刀桿的連接方式包括機械夾固、焊接、可轉位等多種方式，其特點與應用范圍見下表。
PCD復合片與刀桿連接方式的特點與應用
2、PCD刀具的制造過程
PCD刀具的制造過程主要包括兩個階段：
1）PCD復合片的制造
PCD復合片是由天然或人工合成的金剛石粉末與結合劑（其中含鈷、鎳等金屬）按一定比例在高溫（1000～2000℃）、高壓（5～10萬個大氣壓）下燒結而成。在燒結過程中，由于結合劑的加入，使金剛石晶體間形成以TiC、SiC、Fe、Co、Ni等為主要成分的結合橋，金剛石晶體以共價鍵形式鑲嵌于結合橋的骨架中。通常將復合片制成固定直徑和厚度的圓盤，還需對燒結成的復合片進行研磨拋光及其它相應的物理、化學處理。
2）PCD刀片的加工
PCD刀片的加工主要包括復合片的切割、刀片的焊接、刀片刃磨等步驟。
2、PCD復合片的切割工藝
由于PCD復合片具有很高的硬度及耐磨性，因此必須采用特殊的加工工藝。目前，加工PCD復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，其工藝特點的比較見下表。
PCD復合片切割工藝的比較
在上述加工方法中，電火花加工效果較佳。PCD中結合橋的存在使電火花加工復合片成為可能。在有工作液的條件下，利用脈沖電壓使靠近電極金屬處的工作液形成放電通道，并在局部產(chǎn)生放電火花，瞬間高溫可使聚晶金剛石熔化、脫落，從而形成所要求的三角形、長方形或正方形的刀頭毛坯。電火花加工PCD復合片的效率及表面質量受到切削速度、PCD粒度、層厚和電極質量等因素的影響，其中切削速度的合理選擇十分關鍵，實驗表明，增大切削速度會降低加工表面質量，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。
3、PCD刀片的焊接工藝
PCD復合片與刀體的結合方式除采用機械夾固和粘接方法外，大多是通過釬焊方式將PCD復合片壓制在硬質合金基體上。焊接方法主要有激光焊接、真空擴散焊接、真空釬焊、高頻感應釬焊等。目前，投資少、成本低的高頻感應加熱釬焊在PCD刀片焊接中得到廣泛應用。在刀片焊接過程中，焊接溫度、焊劑和焊接合金的選擇將直接影響焊后刀具的性能。在焊接過程中，焊接溫度的控制十分重要，如焊接溫度過低，則焊接強度不夠；如焊接溫度過高，PCD容易石墨化，并可能導致“過燒”，影響PCD復合片與硬質合金基體的結合。在實際加工過程中，可根據(jù)保溫時間和PCD變紅的深淺程度來控制焊接溫度（一般應低于700℃）。國外的高頻焊接多采用自動焊接工藝，焊接效率高、質量好，可實現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)；國內則多采用手工焊接，生產(chǎn)效率較低，質量也不夠理想。
4、PCD刀片的刃磨工藝
PCD的高硬度使其材料去除率極低（甚至只有硬質合金去除率的萬分之一）。目前，PCD刀具刃磨工藝主要采用樹脂結合劑金剛石砂輪進行磨削。由于砂輪磨料與PCD之間的磨削是兩種硬度相近的材料間的相互作用，因此其磨削規(guī)律比較復雜。對于高粒度、低轉速砂輪，采用水溶性冷卻液可提高PCD的磨削效率和磨削精度。砂輪結合劑的選擇應視磨床類型和加工條件而定。由于電火花磨削（EDG）技術幾乎不受被磨削工件硬度的影響，因此采用EDG技術磨削PCD具有較大優(yōu)勢。某些復雜形狀PCD刀具（如木工刀具）的磨削也對這種靈活的磨削工藝具有巨大需求。隨著電火花磨削技術的不斷發(fā)展，EDG技術將成為PCD磨削的一個主要發(fā)展方向。
第三節(jié) 國內外技術未來發(fā)展趨勢 分析
目前 研究 人員針對PCD復合片的特點，開發(fā)了專用的釬料和釬劑，用以改善釬料對焊接金屬的潤濕能力。如DeBeers實驗室開發(fā)的一種含鋼53%、金14.5%、錳29%、鎳3.5%的新焊料，改善了焊接質量；含氯化鈷的釬劑能使銀基或銅基釬料很好的潤濕PCD復合片和硬質合金表面，并能防止它們脫鈷，從而提高焊接強度，降低鉆頭的脫片率；特殊的焊前處理方法能在PCD或硬質合金表面燒滲一層Ni-Co-Pd合金層，填充其表面裂紋等缺陷，防止硬質合金脫鈷，具有良好一致的潤濕性，釬縫剪切強度可達320MPa。
低銀釬料的 研究 一直是一個重要方向，一種低銀無鎘釬料結合與之匹配的釬劑使金剛石工具的剪切強度可達179.5MPa；組成為氟化鉀、氯化鈉、氟硼酸鉀、硼酸、蒸餾水等的銀釬焊膏，在500～700℃內可配合各種銀釬焊料使用，增加潤濕能力。與此同時，旨在降低成本、替代銀基釬料的低銀、無銀釬料的 研究 也很多，且效果很好。因此未來對低銀釬料技術的 研究 依舊是我國PCD刀具生產(chǎn) 行業(yè) 的技術研發(fā)方向。
針對PCD耐熱性差的特點，采用水冷釬焊、惰性氣體保護釬焊等改進方法是為了減少加熱過程對PCD層的熱損傷，以相應地提高焊接溫度，獲得更高的焊接強度。在改進現(xiàn)有技術的同時，新的制作方法也不斷涌現(xiàn)。美國宇航局噴氣推進實驗室開發(fā)了一種焊接碳化鎢和金剛石硬釬焊接點的微波加熱工藝。這種接點能承受硬巖石鉆探溫度達900℃，并能用來制造鉆地熱井所用的金剛石涂層鉆頭。
綜上所述，合理的加熱方式是具有革命性意義的，可以帶來焊接質量的大幅度提高。接頭結構設計和釬料、釬劑的合理選擇以及水冷、保護氣體等輔助措施，均可改進現(xiàn)有技術的不足。
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