PCD刀具加工精度
PCD刀具是通过把PCD复合片焊接到硬质合金或者钢的刀体上制成的。由于PCD复合片将单晶金刚石的高硬度、耐磨性、低摩擦系数和碳化钨硬质合金的高抗弯强度进行了结合，因此PCD复合片不仅增加了抗弯强度，同时硬质合金层易于焊接，使制作成品刀具变得容易。
近年来随着汽车制造业大量采用轻型材料，如铝合金、复合材料等，PCD刀具的应用也大量增加。如在变速箱壳体的某些工序加工中，将原来采用的硬质合金镗刀改为金刚石刀具，刀具寿命可提高到数万件，其经济效益是非常明显的。采用PCD刀具加工铝合金时，由于金刚石硬度高，表面与金属亲和力小；且刀具前刀面都抛光成镜面，不易产生积屑瘤；加工尺寸稳定性以及表面质量都很好。在Ra0．02～0．32i．zm的条件下，可获得5～7级精度。采用PCD刀具加工各种规格铝合金零件，表面粗糙度Ra≤0．I m，刀具寿命可达几千到几万件，尤其适合汽车零件的大规模生产。在中国汽车制造业中，应用PCD刀具主要切削铝合金发动机缸体、缸盖、变速器的壳体、阀体、槽体、侧盖等零件。
由于PCD刀具的使用场合越来越广泛，对PCD刀具制备工艺的研究也越来越重要，本文主要介绍了PCD刀具的焊接、线切割和研磨等关键工序。
1 制备PCD刀具的关键工序
1．1 PCD刀具的分类
PCD刀具从结构上主要分为整体式PCD刀具和焊接PCD刀片。近年来焊接式带柄PCD刀具在汽车及其零部件行业发展迅速。主要有PCD铣刀、PCD镗刀、PCD铰刀或者以上两种甚至三种以上刀具的组合
PCD刀具，刀柄形式主要为圆柱柄、BT柄(BT40和BT50)、SK柄(SK40和SK50)、HSK柄(HSK63和
HSK100)等。
焊接HSK柄PCD刀具在我国汽车发动机和变速箱行业如上海大众动力总成有限公司、大众变速器(上海)有限公司、奇瑞汽车、江淮发动机、大众一汽发动机(大连)有限公司等广泛使用。这种刀具(尤其是多齿刀具)的特点是切削刃对刀柄的跳动小(如三倍直径处HSK柄PCD刀具跳动仅为0．003mm)。尤其适合对各种有色金属零件的成型面、孔、阶梯孔等进行大批量高速加工。例如，采用铝基体刀盘的PCD高速铣刀(6刃，直径100mm)，最高转速可达20000r／min以上，切削速度可达7000m／min，适合于汽车零部件的成型面加工。
1．2 制备PCD刀具的关键工序
对于PCD刀具，特别是各种高精度(尺寸公差最高21xm)非标组合PCD刀具的制备，PCD刀具的焊接、
切割和研磨(外圆和倒角等)工序最为关键。焊接不仅影响到PCD刀片的焊接强度，而且也会影响到PCD
切削刃的切削性能。对于形状复杂，无法研磨的切削刃可以在五轴五联动数控慢走丝加工机床上经过粗切
和精切得以实现。对于需要研磨精加工的切削刃可由高精度的切割留下微小的研磨余量，一次精研达到要
求。
1．2．1 PCD刀具的焊接
对于PCD刀具，PCD复合片与硬质合金或钢基体的焊接非常重要，PCD的焊接方法主要有以下几种：
激光焊接，真空扩散焊，真空钎焊，高频感应钎焊等。PCD复合片的钎焊工艺是制约PCD刀具应用的关键技术之一。众所周知，硬质合金的钎焊多采用高温钎焊工艺(钎焊温度约1000℃)，而PCD复合片必须采用低温钎焊，否则就对PCD复合片造成热损伤，影响其切削性能。而低温钎焊的接头强度往往较低，在刀具加工过程中很容易造成脱焊。目前，国内众多刀具生产厂家都受到PCD刀具热损伤和脱焊矛盾的困扰。王适等在研究聚晶金刚石复合片高频感应钎焊时指出，高频感应钎焊PCD复合片时，焊接温度对焊接强度的影响最大，董海等通过对聚晶金刚石(PCD)复合片的热稳定性研究，总结出其钎焊的安全温度：在空气气氛下，钎焊SYNDITE PCD复合片时，CTB002的钎焊安全温度应低于650％，CTB010应低于670℃，CTB025应低于720％。另外在钎焊PCD复合片时应首选含co量高的WC基硬质合金即K类硬质合金，这样有利于提高钎焊强度。目前国内外生产PCD刀具的厂家大部分都选用高频焊。高频焊接工艺最重要的是焊接温度、焊接时间、保温环境和保温时间。一方面，焊接温度直接影响PCD切削刃的内部组织，如果焊接温度过高，PCD切削刃会碳化，从而影响其切削性能；另一方面，如果焊接温度过低，则会造成焊接不牢固。焊接时间指保持焊接温度的时间，如果保温时间不够，则焊剂不能充分、均匀熔化，也会造成焊接不牢固。如果保温时间过长，PCD也会由于长时间处在高温下而影响其切削性能。如果焊接后的刀具放在空气中冷却，则会由于PCD和刀体之间的热应力过大造成焊接不牢固，严重的会出现PCD产生裂纹。焊接后的刀具最好是迅速放人一定温度的真空或惰性气体的介质中保温一定时间，缓慢冷却。
1．2．2 PCD刀具的切割
对于PCD刀具，特别是各种高精度非标组合PCD刀具的切割，需要数控五轴联动的慢走丝线切割机床
来加工。此类机床以德国VOLLMER公司的QWD系列机床为代表。该机床采用电火花线切割加工PCD
刀具，由于采用先进的数控系统，加工出的多刃刀具的跳动可控制在0．001inln，刀具表面粗糙度可达
Ra0．4 m。特别适合带柄阶梯钻、铣刀、锯片等多刃刀具的加工。一次输入程序即可切割出阶梯刀具、曲线刀具的刃、背、内折线等几何形状，自动化程度及加工精度均很高。不足之处就是切割表面粗糙度不如磨削表面，价格昂贵。薛建新等则指出电蚀刃磨法的尺寸精度一般在0．01mm，表面粗糙度在Ra0．25左右，其原理是将PCD刀具和电钼丝形成正负电极，通过正负电极间放电达到去除PCD的效果。电蚀刃磨法的PCD去除效果取决于钼丝与PCD刃口间的间隙、走刀进给速度以及电压高低、电流大小等。德国VOLLMER公司的QWD760是五轴联动数控机床，用于各种曲线形刃口的PCD刀具电蚀刃磨。
目前国内生产PCD刀具的厂家很多，如上海玛珀、南京蓝帜、郑州钻石、默克常州、上海威士上海山田等。但目前有数控五轴联动的慢走丝线切割机床不多，很多企业由于没有这台关键设备造成很多高附加值的组合复杂PCD刀具无法加工，即使勉强加工出来，精度上也得不到保证。另外，对于有该种关键设备的公司，也应不断优化切割工艺，尽量避免同时切割钢基体和PCD复合片，只有这样，才能确保PCD切削刃的质量。
1．2．3 PCD刀具的研磨
PCD刀具的研磨分为外圆研磨和倒角研磨，研磨机床分别为外圆磨床和多轴手动工具磨床。外圆磨床
以瑞士STUDER系列磨床为代表，多轴手动工具磨床以瑞士EWAG公司的RS系列磨刀机为代表，采用陶瓷结合剂金刚石砂轮。陶瓷结合剂金刚石砂轮比树脂结合剂和金属结合剂金刚石砂轮在磨削PCD刀具时磨削效率高、耐用度高和加工成本低等特点。金刚石砂轮的粒度、浓度、结合剂等对PCD刀具的刃磨质量及效率影响都很大，细粒度的砂轮能得到较低的磨削表面粗糙度。砂轮转速对表面粗糙度的影响规律是高转速和低转速下的粗糙度值都较大，中间水平较好。也就是说在试验条件下，存在一个最佳值。磨削压力对表面粗糙度的影响规律与砂轮转速的影响规律正相反，是中间水平下的粗糙度最大，磨削压力为5．5Pa
与2．5Pa对应的粗糙度几乎元差别，这也和传统的磨削规律不同。一般在满足加工质量要求的前提下，尽量选择粒度大的砂轮，粗磨时的粒度为221xm，半精磨时粒度为15txm，精磨时可选用9lxm。目前比较好的金刚石砂轮是TYROLIT，因为它的金刚石排列是有序的，其磨除率(每分钟PCD的磨除体积)为无序排列的2O一3O倍，刃磨的效率高，但其成本高。除了对金刚石砂轮有严格要求以外，对磨削压力、冷却液也有严格的要求。其刃磨的最佳转速应为2500r／rain(砂轮的直径为150mm)。冷却液的浓度为4％，磨削压力为150N，磨出的PCD刀具表面粗糙度能达到RaO．0121xm。
由于瑞士STUDER外圆磨床(如s2O)和瑞士EWAGRS系列多轴手动工具磨床(如RS15)价格昂贵(单
台价格都在人民币200万左右)，很多PCD刀具生产企业特别是内资企业没有此类关键设备。即使有些企
业购买了此种设备，也需要有技术熟练、态度认真的操作工加上专用的金刚石砂轮和正确的磨削参数才有
可能制造出微米级( 级)精度的PCD刀具。
2 结论
目前我国刀具技术与国外的主要差距之一在刀具制备工艺技术上。对于PCD刀具，由于可以直接购
买国外高品质的PCD复合片，所以PCD刀具的制备工艺技术则显得尤为重要。而对于PCD刀具，制备过程中最关键的工序为PCD复合片与刀体的焊接、PCD刀具的线切割和PCD刀具的研磨等，这些关键工序在很大程度上决定了PCD刀具使用过程中的加工精度和刀具寿命。