人工合成金刚石替代天然金刚石制作刀具

　　单晶金刚石、PCD（或PCD/CC）、以及CVD金刚石均成功用作车刀、镗刀、钻头、铰刀、铣刀、成形刀和切齿刀具等切削部分的制作材料。

　　金刚石材料的品种必须根据所加工材料的性质和加工要求来选择，除满足技术要求外，还应满足经济和环保性能的要求。

　　PCD和PCD/CC材料

　　PCD和PCD/CC是生产中最常用的金刚石材料，它不仅适用通常机械加工领域，还广泛地应用在汽车、摩托车、高速列车、石油、化工、建筑、木材加工以及航空航天等工业部门。在汽车和摩托车领域中，PCD和PCD/CC适用于加工发动机铝合金活塞的裙部、销孔、汽缸体、变速箱、化油器等耐磨零部件。而这些零部件大多是含矽量较高（Si>12%）的铝基复合材料，其内高硬度的硬质颗粒（如SiC的硬度高达3000~3500HV）分布在铝合金基体中，犹如砂轮中的磨粒一样会对刀具的切削刃起刮磨和冲击作用，而使切削刃很快磨损。硬质颗粒的硬度越高、颗粒的尺寸越大、颗粒的数量越多，则刀具磨损越快。因此，用传统的硬质合金刀具很难进行加工，刀具寿命很低或根本无法使用。金刚石是世界上已知的最硬物质，实际使用证明，它是加工铝基复合材料的最佳刀具材料。

　　用PCD金刚石加工铝基复合材料，其切削速度可达800~1000m/min，刀具寿命可比硬质合金高几倍甚至几十倍，加工表面粗糙度值可达Ra0.025~0.012μm。图2所示为用PCD刀具钻加工20%SiCυ的铝基复合材料螺旋泵壳的应用实例。

　　用PCD（或PCD/CC）刀具加工碳纤维和玻璃纤维增强塑料（FRP）时，切屑成粉状，切削温度低，且切削长度为K类硬质合金刀具的10倍，而磨损却不到硬质合金刀具的1/3。

　　PCD（或PCD/CC）刀具也适用于加工预烧後的硬质合金和耐磨的非金属材料，如陶瓷、橡胶、石墨、玻璃和各种耐磨木材等。

　　PCD刀具的性能主要取决于它的应用场合和所涉及的加工过程，但选择适当的牌号和颗粒尺寸也会对其产生影响。不同品种的PCD刀片，由于其组成成份不同，切削性能有很大的差异，选用时须加以注意。

　　目前PCD刀片不像硬质合金那样在国际上有统一的分类，各生产厂都有各自的品种与牌号，使用时须参照厂家样品来选择。

　　DeBeers公司生产的PCD刀片有002、010和025几种，晶粒的平均尺寸分别为2μm（细晶粒）、10μm（中晶粒）和25μm（粗晶粒）。晶粒尺寸越大则磨性越好，刀具寿命越高，但切削刃较粗糙，刃口质量差，难以制成高精度刀具；中晶粒一般作为机械加工的通用牌号；细晶粒刀具的切削刃的刃口钝圆半径小，易加工出良好的表面质量。因而目前聚晶的晶粒不断细化，并已有1μm甚至有0.5μm以下的细晶，需根据粗、精加工等不同工序要求，选用不同大小的晶粒。

　　单晶金刚石刀具材料

　　单晶金刚石与PCD（或PCD/CC）以及PCD（或PCD/CC）与CVD金刚石之间能很好地相互补充，也存在着一些相互交叉的应用领域。

　　单晶金刚石切出的工件表面呈连续状，而用PCD切出的工件表面呈现出微米量级的不连续状态，因此PCD只适用于普通的机械加工领域，对于一些有特殊要求的抛光工艺，如制备Al2O3镜面时，只有使用天然单晶金刚石才能达到所要求的表面粗糙度和尺寸公差。

　　天然金刚石中较少见大尺寸金刚石，但人工合成大尺寸金刚石目前已经成为可能。用其加工高耐磨的层状木板时，其性能要优于PCD金刚石，不会引起刃口过早钝化。在加工铝基复合材料时，既可采用PCD也可使用TFD(CVD厚膜)。图3所示为用PCD与TFD两种金刚石加工40%SiCυA356MMC材料时的刀具磨损曲綫。图3试验时采用的切削条件为：切削速度400m/min，进给量为0.05mm/r，背吃刀量（切削深度)0.5mm，加切削液。由实验可知，加工40%SiCυ铝基复合材料，使用厚膜金刚石TFD的效果最好，PCD025次之，PCD002刀具的使用寿命最低。

　　由于各类金刚石在适应面上的互补性，金刚石刀具可加工范围有所扩展，人工合成金刚石替代天然金刚石，CVD金刚石替代PCD金刚石的趋势也日渐明显。切削加工也由此而进入了一个可实现高效、经济加工的新时期，其替代程度决定于技术和经济两方面因素，尤其是刀片的成型、刃磨和焊的难易程度将直接影响金刚石刀具的价格和性能。

　　通常PCD刀具适合于粗加工和要求刀具有较高断裂韧性的生产中，CVD厚膜和单晶金刚石刀具多用於高速精加工和半精加工。

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