PCD刀具的性能特點

　　金剛石刀具具有硬度高、抗壓強度高、導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，碳原子的四個價電子按四面體結構成鍵，每個碳原子與四個相鄰原子形成共價鍵，進而組成金剛石結構，該結構的結合力和方向性很強，從而使金剛石具有極高硬度。由于聚晶金剛石（PCD）的結構是取向不一的細晶粒金剛石燒結體，雖然加入了結合劑，其硬度及耐磨性仍低于單晶金剛石。但由于PCD燒結體表現(xiàn)為各向同性，因此不易沿單一解理面裂開。

PCD刀具材料的主要性能指標

　?、貾CD的硬度可達8000HV，為硬質合金的80～120倍；

　?、赑CD的導熱系數(shù)為700W/mK，為硬質合金的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；

　　④PCD的熱膨脹系數(shù)僅為0.9×10^-6～1.18×10^-6，僅相當于硬質合金的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，在加工過程中切屑不易粘結在刀尖上形成積屑瘤。

PCD刀具的應用

　　工業(yè)發(fā)達國家對PCD刀具的研究開展較早，其應用已比較成熟。自1953年在瑞典首次合成人造金剛石以來，對PCD刀具切削性能的研究獲得了大量成果，PCD刀具的應用范圍及使用量迅速擴大。目前，國際上著名的人造金剛石復合片生產(chǎn)商主要有英國DeBeers公司、美國GE公司、日本住友電工株式會社等。據(jù)報道，1995年一季度僅日本的PCD刀具產(chǎn)量即達10.7萬把。PCD刀具的應用范圍已由初期的車削加工向鉆削、銑削加工擴展。由日本一家組織進行的關于超硬刀具的調查表明：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。金剛石復合片合成技術也得到了較大發(fā)展，DeBeers公司已推出了直徑74mm、層厚0.3mm的聚晶金剛石復合片。

　　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。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。通過對近年來PCD刀具應用的分析可見，PCD刀具主要應用于以下兩方面：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，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)動機活塞材料——過共晶硅鋁合金（對該材料加工機理的研究已取得突破）。②難加工非金屬材料的加工：PCD刀具非常適合對石材、硬質碳、碳纖維增強塑料（CFRP）、人造板材等難加工非金屬材料的加工。如華中理工大學1990年實現(xiàn)了用PCD刀具加工玻璃；目前強化復合地板及其它木基板材（如MDF）的應用日趨廣泛，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，化學鍵類型相同，因而CBN具有接近金剛石的硬度和抗壓強度，又因為其是由N、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，PCBN復合片的硬度一般為HV3000～5000。因此用于加工高硬度材料時具有比硬質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，尤其適用于自動化程度高的設備中，可以減少換刀調刀輔助時間，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1400～1500℃，在800℃時的硬度為Al2O3/TiC陶瓷的常溫硬度，因此，當切削溫度較高時，會使被加工材料軟化，與刀具間硬度差增大，有利于切削加工進行，而對刀具壽命影響不大。

具有較高的化學穩(wěn)定性

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

具有良好的導熱性

　　CBN材料的導熱系數(shù)低于金剛石但大大高于硬質合金，并且隨著切削溫度的提高，PCBN刀具的導熱系數(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)良的抗粘結能力，使CBN刀具切削時不易形成滯留層或積屑瘤，有利于加工表面質量的提高。

PCBN刀具應用于先進切削加工工藝

適用于高速及超高速切削加工技術

　　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刀具后刀面磨損與切削距離的關系可以看出：當切削速度超過一定限度后，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，這一特點尤其適合現(xiàn)代高速切削加工。

硬態(tài)切削加工技術的最佳刀具材料

　　對淬硬件(硬度HRC55以上)的精加工，通常采用磨削加工方法來完成，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)切削代替磨削來完成零件的最終加工已成為一個新的精加工途徑，這種以車代磨的工藝方法有以下優(yōu)點：

　　（1）可提高加工柔性，突破了砂輪磨削的限制，通過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)保問題日益嚴峻，磨削加工產(chǎn)生的廢液和廢棄物越來越難以處理和清除，而且對人體有害，而硬態(tài)切削無須加冷卻液，意義重大；

　?。?）切削效率高，加工時間短，設備投資費用小，可降低加工成本；

　　（4）切除相同體積所消耗的能量僅為磨削的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磨削工藝的1/3～1/2。

進行干切削加工工藝的理想刀具材料

　　由于經(jīng)濟與環(huán)保方面的原因，近幾年干切削加工方法已成為機械制造領域中的重點研究課題。我們首先來看一下濕切工藝由于使用切削液帶來的問題：

　?。?）長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，影響加工表面質量；

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

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

　?。?）切削液的傳輸、回收、過濾等裝置及其維護費用較高，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)達國家有了相當?shù)膽?。由美國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)附近材料達到紅熱狀態(tài)，屈服強度下降，進而達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，被切材料強度有明顯下降，變得易切削，而刀具材料的強度在同樣狀態(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性。

　　適用于干切工藝的刀具材料有陶瓷、金屬陶瓷、涂層硬質合金及PCBN刀具材料等等，但就紅硬性和熱穩(wěn)定性來說，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，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。

適應于自動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時間地加工出高精度零件（尺寸分散性?。?，大大減少換刀次數(shù)和刀具磨損補償停機所花費的時間。因此，很適合于數(shù)控機床及自動化程度較高的加工設備，并且能使設備的高效能得到充分發(fā)揮。

　　在難加工材料應用方面，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，在石油電站設備中使用的高合金耐磨鑄鐵，采用PCBN刀具較硬質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的1/5。另外在硬質合金等燒結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的化學惰性，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齒輪(20CrMnTi，硬度為HRC58～62)時，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，是硬質合金刀具的8倍。

　?。?）加工熱噴涂(噴焊)材料，表面噴焊件無法用磨削加工，而用硬質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)省加工費用50%以上。PCBN刀具還可用于有色金屬的精密切削及燒結金屬的切削加工等等。