聚晶金刚石（PCD）刀具的发展历程及概述，你了解多少？

PCD-聚晶金刚石

PCD，即多晶金刚石，源自英文Polycrystalline diamond的缩写，其直译为中文即为聚晶金刚石。这种材料与单晶金刚石形成对比。关于聚晶金刚石（PCD）刀具的发展，我们可以从以下几个方面进行概述：首先，1.1部分将详细介绍。

PCD刀具的发展

金刚石作为一把超硬刀具材料，在切削加工领域已经有着数百年的应用历史。在刀具的发展过程中，从十九世纪末至二十世纪中叶，高速钢成为了刀具材料的主流；1927年，德国率先研发出硬质合金刀具材料，并迅速得到广泛应用；进入二十世纪五十年代，瑞典和美国分别成功合成了人造金刚石，自此，切削刀具进入了以超硬材料为主导的新时代。在二十世纪七十年代，通过高压合成技术，人类成功制造了聚晶金刚石（PCD），这一成就有效解决了天然金刚石数量有限且价格高昂的问题，从而极大地拓宽了金刚石刀具的应用领域，使其在航空、航天、汽车、电子以及石材等行业得到广泛应用。

PCD刀具的性能特点

金刚石刀具以其卓越的硬度、强大的抗压能力、良好的导热性能以及出色的耐磨性而著称，这些优势使得其在高速切削过程中能够实现极高的加工精度和效率。这些特性源于金刚石独特的晶体结构。金刚石晶体内部，碳原子的四个价电子以四面体形式相互连接，每个碳原子都与周围的四个碳原子通过共价键相连接，从而构成了金刚石的独特结构。这种结构的结合力和方向性都非常显著，赋予了金刚石极高的硬度。尽管聚晶金刚石（PCD）是由取向各异的小晶粒金刚石烧结而成，并且加入了结合剂，但其硬度和耐磨性仍然不及单晶金刚石。由于PCD烧结体的性质呈现各向同性，所以它不太可能沿着单一的解理面发生开裂。PCD刀具材料的关键性能参数包括：首先，其硬度可达到8000HV，是硬质合金的80至120倍；其次，其导热系数为700W/mK，是硬质合金的1.5至9倍，甚至超过了PCBN和铜，这使得PCD刀具能够快速传递热量；再者，PCD的摩擦系数通常只有0.1至0.3（硬质合金的摩擦系数为0.4至1），因此能显著降低切削力；此外，PCD的热膨胀系数仅为0.9×10^-6至1.18×10^-6，仅为硬质合金的五分之一，因此PCD刀具的热变形小，加工精度高；最后，PCD刀具与有色金属和非金属材料之间的亲和力极低，在加工时切屑不易粘附在刀尖上形成积屑瘤。 　　1.3

PCD刀具的应用

工业国家在PCD刀具领域的研究起步较早，并且该技术的应用已经相当成熟。自1953年瑞典首次成功合成人造金刚石之后，关于PCD刀具切削性能的研究取得了丰硕的成果，使得PCD刀具的应用领域和需求量得到了迅速的拓展。现在，全球知名的PCD复合片制造商包括英国的De Beers公司、美国的GE公司以及日本的住友电工株式会社等。据相关报道，在1995年的第一季度，日本生产的PCD刀具数量已高达10.7万把。这些PCD刀具的用途已经从最初的车削加工领域，拓展到了钻削和铣削加工领域。一项由日本某组织开展的超硬刀具调查揭示了，人们选择PCD刀具的主要原因是其加工后表面精度高、尺寸精度精确以及刀具使用寿命长等显著优点。金刚石复合片的合成技术取得了显著进步，DeBeers公司已经推出了直径达到74毫米、层厚仅为0.3毫米的聚晶金刚石复合片。与此同时，国内PCD刀具市场也在不断壮大，随着刀具技术的提升。目前，中国第一汽车集团已经拥有超过一百个PCD车刀的使用点，众多人造板企业也开始使用PCD刀具进行木制品的加工。PCD刀具的运用促进了对其设计及制造技术的深入研究。国内多所知名高校，如清华大学、大连理工大学、华中理工大学、吉林工业大学、哈尔滨工业大学等，均在此领域展开了积极的研究工作。同时，国内多家机构致力于PCD刀具的研发与生产，其中包括上海舒伯哈特、郑州新亚、南京蓝帜、深圳润祥、成都工具研究所等，共计数十家单位。目前，PCD刀具的加工领域已经超越了传统的金属切削领域，涵盖了石材、木材、金属基复合材料、玻璃以及工程陶瓷等多种材料的加工。分析近年来PCD刀具的应用情况，我们可以发现，这类刀具主要在以下两个领域得到广泛应用：一是对难加工有色金属材料的加工处理；在采用常规刀具对难加工有色金属材料进行加工时，常常会出现刀具磨损严重、加工效率低下等问题；而PCD刀具则能够展现出其优异的加工性能。使用PCD刀具能够高效地处理新型发动机活塞所用的材料——过共晶硅铝合金，该材料的加工技术已实现重大突破。同时，对于难以加工的非金属材料，如石材、硬质碳、碳纤维增强塑料（CFRP）以及人造板材等，PCD刀具同样表现出优异的加工性能。华中理工大学在1990年成功应用PCD刀具进行玻璃加工；现阶段，强化复合地板以及其他木基板材（例如MDF）的使用范围日益扩大，而采用PCD刀具对这些材料进行加工，能够有效减少刀具磨损等不良问题。

PCD刀具的制造技术

PCD刀具的生产流程涉及两个关键步骤：首先，是PCD复合片的制作，这一步骤涉及将天然或人造金刚石粉末与含有钴、镍等金属的粘合剂按特定比例混合，然后在1000至2000摄氏度的高温和5至10万个大气压的高压条件下进行烧结。在烧结阶段，通过添加结合剂，促使金刚石晶粒之间形成了以TiC、SiC、Fe、Co、Ni等元素为主的结合桥，这些桥接物使得金刚石晶粒以共价键的形式牢固地嵌入到桥接结构的框架内。一般情况下，复合片会制成特定直径和厚度的圆盘状，而对烧结完成的复合片还需进行研磨和抛光等物理、化学处理。PCD刀片的生产流程涵盖了复合材料的切割、刀具的焊接以及刃口的磨削等关键工序。

PCD复合片的切割工艺

PCD复合片因其卓越的硬度和耐磨特性，故需运用特定的加工技术。现阶段，加工此类复合片主要依赖电火花线切割、激光技术、超声波处理以及高压水射流等手段，具体工艺特点的对比可参照表1。表1展示了PCD复合片切割工艺的对比，其中电火花加工以其高度集中的脉冲放电能量和强大的放电爆炸力著称，能令PCD材料中的金属熔化，部分金刚石发生石墨化和氧化，还有部分金刚石脱落，同时工艺性能优良且加工效率高；而超声波加工虽然加工效率较低，但金刚石微粉消耗量大，且粉尘污染严重；激光加工则是一种非接触式加工，虽然效率高、加工变形小，但工艺性相对较差。在这些加工方法中，电火花加工的表现尤为出色。PCD结合桥技术的应用，使得电火花加工复合片成为现实。在存在工作液的条件下，通过脉冲电压的作用，电极附近的金属工作液可形成放电通道，并在局部区域产生放电火花。这种瞬间的高温能够使聚晶金刚石熔化并脱落，进而形成所需的三角形、长方形或正方形的刀头毛坯。电火花加工PCD复合片的效率与表面品质受多种因素制约，包括切削速率、PCD颗粒大小、层厚以及电极品质等。在这些因素中，切削速率的合理选取尤为关键。实验数据揭示，提升切削速率虽能提高加工效率，却可能损害表面品质；反之，切削速率过低则可能导致“拱丝”问题，并显著减少切割效能。此外，增加PCD刀具的厚度同样会减缓切割速度。

PCD刀片的焊接工艺

PCD复合片与刀体连接时，除了机械固定和粘合之外，通常采用钎焊技术，将PCD复合片牢固地嵌入硬质合金基体之中。焊接技术包括激光焊接、真空扩散焊接、真空钎焊以及高频感应钎焊等多种形式。在PCD刀片焊接领域，高频感应加热钎焊因其投资低、成本小而得到了广泛的运用。在刀片焊接阶段，焊接时的温度设定、焊剂类型以及焊接合金的挑选，这些因素都会显著影响焊接完成后的刀具性能。具体来说，焊接温度的精准调控至关重要，若温度过低，焊接的强度将不足；反之，若温度过高，PCD材料可能会发生石墨化现象，甚至可能引发“过烧”问题，进而影响PCD复合片与硬质合金基体的紧密结合。在加工实践中，我们可以通过调整保温时长以及PCD表面变红程度的深浅来调节焊接的温度，通常这个温度应保持在700℃以下。在国际上，高频焊接普遍采用自动化焊接技术，这种技术不仅焊接速度快，质量也上乘，还能实现不间断的生产；而在国内，焊接作业多依赖人工操作，导致生产效率不高，且产品质量不尽如人意。

PCD刀片的刃磨工艺

PCD的硬度非常高，导致其材料去除率极低，甚至仅为硬质合金去除率的万分之一。目前，PCD刀具的刃磨工艺主要依赖树脂结合剂金刚石砂轮进行磨削。由于砂轮磨料与PCD之间的磨削涉及两种硬度相近的材料相互摩擦，因此磨削规律相对复杂。对于高粒度、低转速的砂轮，使用水溶性冷却液能够有效提升PCD的磨削效率和磨削精度。磨床的类型与加工条件是决定砂轮结合剂选用的关键因素。电火花磨削（EDG）技术因其对工件硬度影响极小而备受青睐，在PCD磨削中展现出显著优势。尤其是对于形状复杂的PCD刀具，如木工刀具，对这种磨削工艺的需求尤为强烈。随着电火花磨削技术的持续进步，EDG技术有望成为PCD磨削领域的主要发展方向。PCD刀具设计的基本准则，其中3.1节涉及刀具材质的挑选，（1）首先，需考虑材料本身的特性。

合理选择PCD粒度

刀具加工时对PCD粒度的选择至关重要，特别是在设计用于精细或超精细加工的刀具时，宜挑选那些具有高强度、优良韧性、优异抗冲击性能以及细小晶粒的PCD。而对于常规的粗加工，则可以使用粗晶粒的PCD刀具。PCD材料的粒度对刀具的磨损和破损性能有显著影响。研究显示，随着PCD粒度号的增加，刀具的抗磨损能力也随之增强。进行刀具磨损试验，使用De Beers公司的SYNDITE 002和SYNDITE 025两种PCD材料加工SiC基复合材料，结果显示，在粒度为2μm的条件下，SYNDITE 002 PCD材料更容易出现磨损现象。

合理选择PCD刀片厚度

一般而言，PCD复合片的单层厚度大约在0.3至1.0毫米之间，而覆盖上硬质合金层后，整体厚度将达到2至8毫米。较薄的PCD层有助于提升刀片在电火花加工过程中的效率。De Beers公司所生产的厚度为0.3毫米的PCD复合片，能够有效减少磨削所需的力度，并加快电火花的切割速率。在进行PCD复合片与刀体材料的焊接作业中，必须确保硬质合金层的厚度适中，防止因两种材料接触面产生的应力差异过大而导致材料分层现象的发生。

刀具几何参数与结构设计

PCD刀具的几何特性受到工件的具体情况、刀具的材质和构造等多种加工条件的制约。鉴于PCD刀具在工件精细加工领域的广泛应用，其切削深度相对较浅，有时甚至与刀具刃口半径相当，这属于微切削范畴。因此，PCD刀具的后角和后刀面对于加工品质具有显著影响，较小的后角和高质量的后刀面对于提升PCD刀具的加工品质具有至关重要的作用。PCD复合片与刀杆的接合手段涵盖了机械夹紧、电焊以及可更换等多种形式，具体的特点和适用领域详见表2。表2展示了PCD复合片与刀杆连接方式的特点及其应用领域。机械夹固型连接方式，由标准刀体和可形成多种角度的可更换刀片构成，具备快速更换和便于重新磨削的优势，适用于中小型机床。整体焊接型连接方式，结构紧凑，制造简便，能制作出小尺寸刀具，适用于专用刀具或难以机械夹固的刀具，尤其用于小型机床。机夹焊接型连接方式，刀片焊接在刀头上，可使用标准刀杆，便于刃磨和调整刀头位置，适用于自动机床和数控机床。可转位型连接方式，结构紧凑，夹紧可靠，无需重磨和焊接，能够节省辅助时间，延长刀具使用寿命，适用于普通通用机床。

PCD刀具的切削参数与失效机理

4.1 PCD刀具的切削性能受切削参数影响显著，其中切削速度尤为关键。这类刀具能够在极高的主轴转速下完成切削作业，然而，切削速度的波动对加工品质的优劣不容小觑。尽管高速切削能够提升生产效率，但在高速切削过程中，切削温度和切削力的上升可能导致刀尖受损，同时引发机床振动。在加工不同类型的工件材料时，PCD刀具的适宜切削速度也会有所变化，例如，对于铣削Al2O3强化地板，其适宜的切削速度范围在110至120米每分钟之间；而在车削SiC颗粒增强铝基复合材料以及氧化硅基工程陶瓷时，其适宜的切削速度则应在30至40米每分钟之间。进给量方面，若PCD刀具的进给量偏大，会导致工件上残留的几何面积扩大，进而使得表面粗糙度提升；反之，若进给量过小，切削温度会升高，切削寿命也会相应降低。切削深度方面，提高PCD刀具的切削深度会使得切削力增强、切削热上升，这会加剧刀具的磨损，对刀具的使用寿命产生不利影响。另外，切削深度的增加还可能引发PCD刀具的崩刃问题。在加工不同工件材料时，不同粒度等级的PCD刀具在各式各样的加工条件下，其切削性能各有差异，所以必须依据具体的加工条件来设定PCD刀具的实际切削参数。

PCD刀具的失效机理

刀具的磨损方式涵盖了磨料磨损、粘结磨损（亦称冷焊磨损）、扩散磨损、氧化磨损以及热电磨损等多种类型。与常规刀具相比，PCD刀具的损坏模式存在差异，主要特征是聚晶层的损坏、粘结磨损以及扩散磨损。研究指出，在加工金属基复合材料时，PCD刀具的失效主要表现为粘结磨损，以及由金刚石晶粒内部缺陷引发的微观晶间裂缝。在处理硬度大、脆性高的材料时，PCD刀具的粘结磨损并不显著；然而，面对低脆性材料（例如碳纤维增强材料）的加工，刀具的磨损程度则会加剧，此时粘接磨损成为了主要的磨损形式。

结语

PCD刀具凭借其优异的加工性能和经济效益，在非金属、有色金属及其合金、金属基复合材料等切削加工领域展现出独特的优势，这种优势是其他刀具难以企及的。随着对PCD刀具理论研究的不断深化以及应用技术的广泛推广，其在超硬刀具领域的地位将愈发显著，其应用领域也将得到进一步的扩大。