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| PCD和CBN刀具制造及應用相關技術總結介紹 |
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PCD刀具是金剛石復合片,CBN刀具是立方氮化硼復合片，PCD和CBN刀具是在上世紀七十年代發展起來的新型超硬復合材料加工刀具。金剛石復合片和立方氮化硼復合片因都采用硬質合金作襯底材料，有效降低了人造金剛石或立方氮化硼的使用量，具有可焊接性，兼具高硬度和高抗彎強度(金剛石的抗彎強度為210～490MPa，而PCD的抗彎強度可達1，500MPa)，能承受一定的沖擊載荷，因而在日益追求高速切削、高精度切削的今天，必然地得到越來越多的刀具用戶和刀具生產廠家的青睞。在切削加工方面正發揮著越來越多的重要作用。目前已有基本替代金剛石聚晶、立方氮化硼聚晶刀具的趨勢。
金剛石復合片(PCD)、立方氮化硼復合片(PCBN)是在超高壓高溫下，利用少量粘結劑，把細粒度超硬材料聚結成無氣孔、密實的多晶層;同時，使得超硬材料和硬質合金兩層材料既致密又牢牢地“復合”、粘結為整體的超硬復合材料。在“復合”、粘結的過程中，利用了多晶層粘結劑元素、超硬材料元素(C或N、B，其中B擴散性較小)、硬質合金襯底中成分(主要為Co，W元素擴散性較小)的互換性，產生了粘結、反應、“扎釘”、機械鑲嵌等作用。在這個過程中，受冷收縮系數要相互接近，硬質合金要二次液相燒結，元素要擴散，造成適宜的成份各材料相或其組分團的梯度。
PCD和PCBN刀具制造，要經過對片基的切割、刀頭磨削、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
用于刀具制造的金剛石復合片、立方氮化硼復合片一般是由圓片基材切割加工而成的，當然也可以直接燒結合成出來，尤其是長、寬尺寸差別不大的長方形、圓形等。刀具用復合片形狀有圓形、半圓形、扇形(450、600、900即1/4圓形)、以及長方形等。
經切割加工或直接合成出的復合片刀(頭)坯，在固定到刀體之前之前需要適當磨削加工，主要是針對襯底底面(為使焊接時接觸平整、粘結牢固)和非刀刃面(主要是為了美觀)，一般可手工研磨，也可用金剛石砂輪粗磨。
應該指出，對用于刀具的復合片，還需要結合刀具加工條件和要求在合成時從超硬材料粒度方面進行合理選擇：20～50?m的中粗粒度，合成出的PCD(金剛石復合片)和PCBN(立方氮化硼復合片)耐磨性好、熱導性好，但抗彎強度和耐沖擊性稍差，使用時易產生微小崩刃，因粒度較粗也制約了刀刃鋒利度的提高，故不適合高精切削，此類刀頭可用于半精加工;5～20?m的中細粒，合成出的PCD(金剛石復合片)和PCBN(立方氮化硼復合片)耐磨性和耐沖擊性均適中，可用于粗、半精加工;0.5～5?m的細微粒，合成出的PCD(金剛石復合片)和PCBN(立方氮化硼復合片)耐磨性較低，但抗彎強度和耐沖擊性高，刃口鋒銳度好，不易崩刃，可用于高精加工或半精加工。
另外，由于各個廠家技術水平及使用設備(六面頂或兩面頂)不同，所生產的PCD和PCBN質量也不同。某些廠家生產的的PCD和PCBN上下面平行度誤差大，刀具生產廠家在選擇復合片供應商時，也會慮及。
2.PCD、PCBN刀頭與刀體的聯接固定及焊接
加工好金剛石復合片或立方氮化硼復合片刀頭后，就可以開始與刀體聯接固定。常用工程化的固定方法有焊接法(廣泛應用高頻焊接)和機械加固法。機械加固法即是將復合片刀頭底面和加壓面磨平，用壓板加壓固定在刀體上。為使用時的臨時加固方法，如同使用修整塊修正砂輪時的夾固。只針對圓片狀、長方形、三角形、且規格較大的復合片刀頭。近年隨著高強度、耐高溫金屬粘結劑的工程應用，也可以嘗試用“粘結法”固定刀頭。除機夾刀片外，其它固定法的刀頭一般還需要單獨研磨以達到規定的形狀、尺寸、刃面粗糙度和幾何角度。
焊接之前，要檢查復合片有無裂紋、凹陷、多晶層剝離等缺陷(對目前越來越多的大尺寸復合片基材，在使用前還要抽查其片基不同位置的硬度與組織的一致性)，然后進行除油等清理工作，同時對刀桿或刀墊焊接部位進行清理，馬上焊接。目前國內外對復合片刀頭的焊接使用較多的是熔點低、流動性好、焊接強度高的銀含量較高的釬焊焊料，如Ag45Cu18Zn19Cd18。復合片的焊接可采用事先裁好的與刀頭形狀、尺寸相近的片狀焊料，也可采用粉狀焊料;焊片或粉狀焊料熔點要求7000C以下，焊接時的溫度不能高于8000C,以防止復合片兩層間因大的熱應力差而剝離，或是因結合劑或襯底層中的鈷侵蝕金剛石;焊接要采用助焊劑來助熔和清除贓物;一般采用普通高頻焊機輔以合適的工裝來焊接刀具;焊接過程中要保持好PCD和PCBN刀頭的位置(可采用合適的釬焊定位胎具實現精確定位);焊好的刀具需要緩慢冷卻，對高精度刀具建議采用專門的焊后保溫裝置。焊接時的溫度取決于釬焊材料的熔點，一般在6500～6600C之間，需要精確控溫精細操作。真空釬焊雖然有少用或不用釬助劑等優點，在PCD和PCBN刀具焊接方面，卻并不合適。究其原因，在于當大批量放置PCD和PCBN刀頭時，一來焊接溫度不均勻，二來刀頭位置容易移動，質量不易得到保證。
 3.PCD、PCBN刀具焊接后的磨削
焊好的金剛石復合片或立方氮化硼復合片刀具(包括帶刀桿的或是焊在刀墊上的)以及準備直接機卡用的刀頭需要磨削。磨削分粗磨、半精磨、精磨和研磨四個過程。粗磨可用陶瓷碳化硅砂輪或樹脂金剛石砂輪，粒度可用120～200目或更細些;半精磨或精磨可用樹脂金剛石砂輪或金屬結合劑電解磨輪(需電解磨削)，粒度用到200目～W14;研磨常用金剛石研磨膏，可采用W10～W3.5?m。近年來，有不少廠家采用陶瓷結合劑金剛石砂輪或CBN砂輪來作為制造超硬材料刀具的磨削砂輪，效果也很不錯。
磨削之前，需要確認刀具和磨削砂輪的安裝牢固程度;在磨床上進行批量生產時還要注意設計制作定位精確的專用刀具刃磨夾具;需采用濕磨，可采用加有防銹劑的冷卻液或為弱堿性乳化液(電解磨需用專門的電解磨削液);磨削時要讓磨削砂輪沿刀具切削刃擺動以使砂輪邊緣磨損均勻，保證切削刃形狀、精度以及鋒銳度，同時也可以提高磨削效率;粗磨時進刀量宜控制為0.01mm/雙行程，半精磨和精磨宜用0.005mm/雙行程進刀量;研磨可在鑄鐵研磨盤(具)上進行(近年有人采用專門制作的高分子材料和陶瓷復合材質研磨具，也取得了良好效果)，要求操作人員技藝熟練，要勤檢查刀具的各種幾何參數及刃面粗糙度。
表1.某單位實測磨加工用磨料粒度與刀具刃面粗糙度關系
經過多次磨削后，金剛石復合片或立方氮化硼復合片刀具的形狀、尺寸、刃面粗糙度以及幾何角度需要達到技術要求。金剛石復合片或立方氮化硼復合片刀具若用于加工HRc60以上的零件，粗車削時前角取-5～-100，精車取00左右，而加工零件硬度稍低則應用較小的負前角;主偏角一般用75～450。精車或加工細長工件時主偏角宜選的大些，若是粗車很硬的的零件時，主偏角還可減少為200，以保持刀具的強度和沖擊性;后角選擇時需結合零件的硬度，零件硬脆應取8～120，被加工零件硬度較軟，后角應取10～120。但一般說來，若刀具抗沖擊性和強度允許，則盡量選用較大的后角。刃傾角的選擇：粗車削時宜選用較大的刃傾角2～50，以增加刀刃的強度，而精車時則應用較小的刃傾角0～20，以減少徑向切削力;對圓弧狀刀尖圓弧半徑的選擇：粗車時選0.5～1.0mm以提高刀具耐用度;若零件硬度高且凸凹不平則應選擇更大些如rε=1.5～2.5mm，這樣可以防止崩刃;精車時刀尖圓弧半徑應選0.5mm左右。最終還可用整體圓片刀具進行修光。
4.PCD、PCBN刀具的應用
近年來，切削機床技術的發展使其主軸轉速和進給量不斷提高，從而能以更高的切削速度、更大的材料切除率、更高的精度實現快速的切削加工，這對PCD、PCBN類超硬材料刀具提出了更多需求。僅僅在幾年前，一些機床的主軸轉速還只有6，000r/min，而如今已經達到30，000～40，000r/min，軸的運動加速度可達到2G。這種機床在強大的計算機能力支持下，能夠實現加工所需的運動功能。為了能在作用點將這種速度優勢轉換為加工優勢，就需要采用相應的刀具材料。然而，如果采用硬質合金刀具，其切削速度只能達到400m/min;而PCD刀具其切削速度可高達3，000m/min。除了更高的加工速度以外，PCD、PCBN刀具的主要優勢還包括更長的刀具壽命，以及在大多數情況下更好的表面質量和減少換刀次數、降低非機動工時等優點。以下是PCD、PCBN刀具的某些由其高硬度、高耐磨性帶來的應用領域：
表2.PCD刀具及PCBN刀具應用領域
(1)汽車發動機缸體加工PCD、PCBN刀具
近年來，隨著我國汽車工業的不斷發展，汽車行業已成為國民經濟的支柱。各汽車廠在不斷提高質量和性能的同時，更加關注部件加工的效率和成本。缸體是發動機的關鍵部件，其關鍵的加工部位有：曲軸孔、缸孔、頂面、止口等。
(2)汽車發動機缸蓋加工PCD、PCBN刀具
從缸蓋各部位的尺寸精度、位置精度、形狀精度及粗糙度等要求來看，通常要用到銑、鏜、鉸等方面的刀具，其中尤為重要的是閥座底孔、導管底孔、閥座錐面、導管孔的加工。
(3)汽車變速箱加工PCD刀具
在變速箱的加工中，以孔加工為主。
(4)活塞、連桿加工PCD、PCBN刀具
活塞和連桿的主要作用是將混合氣體燃燒所產生的爆炸力通過活塞銷傳給連桿，來推動曲軸的曲柄使曲軸旋轉。由于活塞、連桿工作條件苛刻，在高溫、高壓、高耐磨的環境下，要求活塞具有高精度、高耐磨性特點。
(5)凸輪軸、曲軸加工PCBN刀具
(6)軋輥和剎車盤加工PCBN整體焊接式刀具
(7)齒輪加工PCBN刀具
齒輪廣泛應用于機床、汽車、船舶及精密儀器等制造行業中。齒輪材料的耐磨性好、制造精度高、抗沖擊性好。采用PCBN刀具，可實現以車代磨。
(8)軸承加工PCBN刀具
采用PCBN刀具精車淬硬軸承鋼(HRc>60)，切削過程比較平穩，而且刀具使用壽命長，可實現以車代磨。
(9)空調壓縮機部件加工PCBN刀具
壓縮機是空調的核心部件，采用高耐磨性的PCBN刀具。
(10)汽車復合PCD系列刀具
現代汽車零部件越來越多地采用壓鑄鋁合金制造，形狀結構復雜，為了滿足高效和高精度加工多階梯成型孔的要求，利用高精度進口磨床和成型磨削技術開發出的PCD成型階梯鉸刀發揮著優越的作用。
(11)飛機復合材料加工PCD刀具
飛機機翼的碳纖維復合材料，具有韌性大、耐磨性強、質量輕等特點，采用普通刀具不能達到加工要求，PCD刀具可體現其硬度高、耐磨性為硬質合金100多倍的特點。
(12)醫療器械--人體骨關節加工PCD刀具
人體骨關節形狀復雜，輪廓精度和表面粗糙度要求極高，PCD刀具在針對生陶瓷材質的加工中，具有精度高、耐磨性強等特點，廣泛應用于醫療器械中。
(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刀具比較合適，可保證極大量工件加工下的尺寸一致性。
(14)重載切削用PCBN刀具
切削余量大(粗加工可達10mm)、切削路程長(1，000m～1，500m)的加工場合，PCBN刀具仍是不錯的選擇。
(16)砂輪模具用PCBN刀具
砂輪磨粒硬度極高，要求模具表面硬度高(模具鋼淬硬至HRc60～64)、耐磨性好。采用PCBN刀具精車大型砂輪模具來代替磨削，加工周期短，加工效率高，易操作。
目前，PCD和PCBN刀具的加工技術尚未被相關企業廣泛采用的主要原因是：企業人員接受新技術的“感知”程度不夠，企業對用PCD和PCBN刀具切削的加工機理、刀具性能及使用技術等方面還沒有完全理解和掌握，此外切削過程中的一些不穩定因素以及相對昂貴的刀具成本也制約了PCD和PCBN刀具的使用和推廣。但在機械加工方面的高速切削、高精度切削、以車代磨、綠色制造是大勢所趨、不可阻擋的。隨著許多工作領域在有志于進行PCD刀具及PCBN刀具制造和使用工作的青年人去開拓的情況下，相信國家的超硬材料事業會有一個更美好的明天、PCD和PCBN刀具會在切削加工方面會走的更遠更強。 |
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