摘要： 人造聚晶金剛石復(fù)合片刀具(PCD)，是20 世紀(jì)60 年代發(fā)展起來的一種超硬刀具。它具有僅次于天然金剛石的硬度和耐磨性、低的摩擦系數(shù)、高的導(dǎo)熱性、低的線膨脹系數(shù)和高的復(fù)合抗彎強(qiáng)度， 而應(yīng)用于高速切削各種有色金屬、非金屬。其刀具耐用度是硬質(zhì)合金的幾十至幾百倍。
我國(guó)在60 年代就成功的研制出人造金剛石。又在此基礎(chǔ)上， 用高溫、高壓技術(shù)在硬質(zhì)合金基體上燒結(jié)一層聚晶金剛石， 兩者形成一體的刀坯。這樣就將金剛石的高硬度高耐磨性和硬質(zhì)合金的韌性結(jié)合在一起。這種刀片稱人造聚晶金剛石復(fù)合片，簡(jiǎn)稱為PCD。
二、人造聚晶金剛石復(fù)合片的性能與切削特點(diǎn)：
1．硬度為HV7500 ～ 9000，僅次于天然金剛石，而且它的硬度和耐磨性在各方向一致，不需選向。它的強(qiáng)度由于有韌性較高的硬質(zhì)合金支撐，其復(fù)合抗彎強(qiáng)度σbb可達(dá)1500Mpa 。
2．具有很高的耐磨性，其耐磨性一般為硬質(zhì)合金的60～ 80 倍。在切削硬度較高的(HV>1500)非金屬材料時(shí)，其刀具耐用度極高。
3．具有較低的摩擦系數(shù)，金剛石與有色金屬的摩擦系數(shù)為0.1～ 0.3，而硬質(zhì)合金與有色金屬的摩擦系數(shù)是0.3～ 0.6，這樣用PCD 刀具時(shí)，可降低切削力和切削溫度約1/2～ 1/3 。
4．具有很高的導(dǎo)熱性，金剛石的導(dǎo)熱系數(shù)為146W/m.k ，是硬質(zhì)合金的1.5～ 7 倍，可以大大的降低切削區(qū)的溫度，提高刀具耐用度。
5．金剛石的線膨脹系數(shù)很小(0.9 ～ 1.18 ×10-6mm/mm. ℃ )，約為一般鋼(11 ×10-6mm/mm. ℃ )的1/10。而且由于刀刃鋒利，已加工表面冷硬現(xiàn)象小(6 μm左右)，為硬質(zhì)合金刀具的1/3 左右，所以加工精度好。
6．由于聚晶層晶粒直徑一般約為2～ 0.5 μm，它的刃口鋒利程度不如天然金剛石刀具， 所以加工精度低于天然金剛石刀具，只能達(dá)到表面粗糙度Ra0.2～ 0.05 μm．但它還可以制成尺寸較大的刀片，用于成形加工。
三、PCD 的應(yīng)用
PCD 刀具主要用于高效切削有色金屬和非金屬。如鋁和鋁合金、銅和銅合金、硬質(zhì)合金、工程陶瓷、石墨、塑料、橡膠、層板、硅橡膠、巴氏合金、各種復(fù)合材料、玻璃鋼等。特別在汽車制造業(yè)、航天、航空、造船、發(fā)動(dòng)機(jī)制造行業(yè)，可得到廣泛的應(yīng)用。
1．在硅鋁合金切削加工中的應(yīng)用： 美、英、德等國(guó)， 采用PCD 刀具加工硅鋁合金(含硅量9～ 18％ )的汽車活塞、傳動(dòng)箱、氣缸、船用發(fā)動(dòng)機(jī)等零件，切削速度Vc=173 ～ 1098m/min ，其刀具壽命為硬質(zhì)合金刀具壽命的50～ 450 倍；是單晶金剛石刀具的2～ 5 倍。刀具成本為硬質(zhì)合金的1/5 ～1/6。
2．在銅合金切削加工中的應(yīng)用：用PCD 刀具加工整流子、連桿套、泵體、滑動(dòng)軸承和閥體等零件，切削速度Vc=200 ～ 750m/min ,刀具壽命是單晶金剛石刀的1.5～ 60 倍，是硬質(zhì)合金刀具的300 倍。可省去大量的磨刀和換刀時(shí)間。
3．在復(fù)合材料加工中的應(yīng)用： 采用PCD 刀具切削玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料， 其刀具耐用度是硬質(zhì)合金刀具的1/20 ，并且加工精度比硬質(zhì)合金高。
4．在鈦合金切削中的應(yīng)用：用它切削鈦合金的效果非常顯著，其刀具耐用度為硬質(zhì)合金刀具的1000 多倍。而且它與鈦合金的相互擴(kuò)散最小。
5．在切削硬質(zhì)合金中的應(yīng)用：用PCD 刀具采用Vc=28 ～56m/min ，ap=0.5mm ， f=0.1 ～ 0.3mm/r車削模具用硬質(zhì)合金(YG15 、YG20) ，效率比磨削高許多倍。
6．在切削砂輪中的應(yīng)用： 用PCD 刀具車削硬度為HV1800 ～ 2450 剛玉類各種結(jié)合劑的砂輪幾百個(gè)，其刀具磨耗體積與砂輪切除體積比例為1/1350 萬。較傳統(tǒng)的刀碗車削效率高幾十倍，且噪音沒有，粉塵也小。
7．在砂輪整修中的應(yīng)用：用PCD 刀片制作成如圖所示的休整工具，來修整磨刀機(jī)上的砂輪，具有修整效率高，砂輪修除量小，被修整砂輪表面跳動(dòng)小而平整，受到社會(huì)上的歡迎。
PCD 刀具的性能特點(diǎn)
金剛石刀具具有硬度高、抗壓強(qiáng)度高、導(dǎo)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(gè)價(jià)電子按四面體結(jié)構(gòu)成鍵，每個(gè)碳原子與四個(gè)相鄰原子形成共價(jià)鍵，進(jìn)而組成金剛石結(jié)構(gòu)， 該結(jié)構(gòu)的結(jié)合力和方向性很強(qiáng)， 從而使金剛石具有極高硬度。由于聚晶金剛石（ PCD ）的結(jié)構(gòu)是取向不一的細(xì)晶粒金剛石燒結(jié)體，雖然加入了結(jié)合劑，其硬度及耐磨性仍低于單晶金剛石。但由于PCD 燒結(jié)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(biāo)：
① PCD 的硬度可達(dá)8000HV ，為硬質(zhì)合金的80 ～120倍；
② PCD 的導(dǎo)熱系數(shù)為700W/mK ，為硬質(zhì)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；
③ PCD 的摩擦系數(shù)一般僅為0.1 ～ 0.3（硬質(zhì)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；
④ PCD 的熱膨脹系數(shù)僅為0.9 ×10 -6 ～1.18 ×10-6，僅相當(dāng)于硬質(zhì)合金的1/5 ，因此PCD 刀具熱變形小，加工精度高；
⑤ PCD 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(jié)在刀尖上形成積屑瘤.
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