超硬刀具基础普及之一：PCD与PCBN制造技术

       超硬刀具材料是指比陶瓷材料更硬的刀具材料。包括：单晶金刚石、聚晶金刚石( PCD)、聚晶立方氮化硼(PCBN)和CVD金刚石。其中PCD和PCBN刀具已广泛应用于机械加工的各个行业，极大地促进了高速切削加工及先进制造技术的飞速发展，权威机构甚至用这种刀具的应用比例来衡量一个国家加工技术的先
进程度。PCD与PCBN具有很高的硬度和耐磨性，其刀具制造过程与传统的硬质合金刀具有很大的区别，为促进刀具的推广和使用，研究其刀具的制造技术就显得十分必要。
        大多数情况下，PCD与PCBN都烧结在硬质合金基体上，统称为复合片。它们的刀具制造过程也基本一样，包括材料切割一抛光一焊接一刃磨一检验等，本
文分工序讨论了其刀具的制造过程。

        1、材料切割
        商品的复合片一般为直径50～75mm的大圆片，需要通过切割得到所需要的形状，精确的切割还可以减少磨削量，由于磨削复合片时砂轮损耗极大，减少磨削量对于降低制造成本非常有意义。切割设备一般采用普通电火花线切割机，高精度切割时，采用慢走丝线切割机床。有些立方氮化硼材料(如De Beers的
AMB90)由于不导电，还需采用激光切割。
　　2、抛光
        抛光的目的是把刀片的上表面（即刀具的前刀面）抛光成镜面，一般要求达到Ra0. 02um以下。刀具前刀面抛光后可以减少切屑与前刀面的摩擦与粘结，延长刀具寿命；同时还可以改善刀刃的平整度与锋利性，提高切削加工的精度。抛光一般加工过程为一方面砂轮高速旋转做主运动，同时被抛光的刀片低速转动。一般抛光一块片子的时间为1.5～2h。为了增加效率，抛光机上有多个保持盘，每个保持盘可夹持多个刀片，从而实现几十片刀片同时抛光。
　　3、焊接
        复合片的衬底是硬质合金，刀片焊接实际上是焊接硬质合金。但需要注意的是，金刚石在高温下会氧化和变质，焊接温度要控制在700℃以下，一般选用银基焊料和与之相适应的焊剂。典型的焊接过程为：表面处理一清洗一焊接一刀具清理。表面处理采用喷砂或SiC砂纸、金刚石砂轮打磨等方法，清除刀杆和复合片被焊表面由于前期加工所形成的各种残留污物。清洗剂一般为去离子水或无水酒精，采用声波清洗器可获得最好的清洗效果。清洗后的零件应该用干净的镊子夹持，绝不能用手指触摸，以防止二次污染。最简单的焊接方法是焊枪钎焊，但为保证钎焊的质量和提高焊接过程的易操作性，多数情况下采用高频感应焊或电阻焊。焊接时先在被焊表面和焊料上涂好焊剂，加热至焊料熔化，断电后用陶瓷棒将刀坯按压在刀杆的适当位置，直至焊料固化。刀具钎焊好后，用热水清洗残留的多余焊剂，用喷砂或磨削方法清除表面氧化层。
　　4、刃磨技术
        PCD与PCBN有很高的硬度，刃磨极为困难。磨削时砂轮上的金刚石磨粒与刀具之间的作用实际上是两种硬度、性质相近的物质之间的相互作用，与通常的
磨削过程（磨粒硬度远大于工件硬度）具有本质差别，因而其刃磨机理与刃磨工艺有其独特的规律。

        a．刃磨设备，PCD与PCBN刀具的刃磨一般采用专门刃磨设备，设备生产厂家有英国COBORN公司，台湾KAR-MAN公司，瑞士EWAG公司和北京迪安公司。机床需具备的功能包括：直刃磨削和圆弧磨削，圆弧磨削又包括圆锥后刀面和圆柱形后刀面的形成以及圆锥与圆柱后刀面的组合等。为了实现上述功能，刃磨机的运动机构包括：
        刃架自身回转，配合显微镜或投影仪精确对准回转中心，得到不同的刀尖圆弧半径。
        刀架整体倾斜，得到圆柱后刀面。啊沙轮主轴倾斜，得到圆锥后刀面。
        主轴横向往复摆动，用于磨削直刃，同时起到抛光的作用，消除磨削沟纹，并可均恒砂轮的磨损，防止砂轮局部出现深沟。
        刀架高低可调，用于调节刀具与砂轮的相对位置，以适应不同尺寸的刀杆。
        恒定磨削压力装置。
        分度与回转夹头，用于复杂形状刀具的磨削。

        b．砂轮
        刃磨所用砂轮为金刚石砂轮，但砂轮结合剂有所不同。最常用的有：金属结合剂、陶瓷结合剂和树脂结合剂砂轮。砂轮随金刚石磨粒的尺寸不问，可分为粗磨，细磨，精磨，超精磨等。粒度范围为M2～4至M40～60。
        c．冷却润滑液
    超硬刀具磨削时的压力非常大，可达到400N，会产生大量的磨削热，所以冷却润滑液的主要作用是冷却。最简单的配方是水加适量的防锈剂。也可采用成
品的精磨液。

        d．刃磨工艺
　　PCD与PCBN刀具的刃磨工艺，具有如下的特点和规律。
        砂轮粒度较大时，磨削率高，表面粗糙度值较大；砂轮粒度较小时，表面粗糙度值较小，刀具质量更好。
        刃县刃磨宜选用较低的磨削速度，砂轮速度较高时，磨除率低，且易使机床产生振动，影响加工精度和表面质量。刮奢削压力较大时，磨削率高，但表面粗糙度值也较大。粗磨时，宜选用较大的工作压力，而精磨时，需把磨削压力调整到最小。
        刃磨过程中，不时地用细油石修整砂轮，可以提高磨削效率，减少振动，防止刀具表面由于过分挤压而烧伤。
        对于刀刃质量要求较高的刀具，最后还需进行研磨处理。最简单的研磨方法是采用单晶金刚石的研磨工艺，把粒度为3～6um或更细的金刚石微粉与橄
榄油混合后涂敷在铸铁盘上，研磨刀具前刀面。研磨可以大大提高刀具刀口质量。
        PCBN刀具一般需要0.3～0. 8mm、10。的负倒棱与0. 05～0.13mm的刃口钝囡，以增加刀刃强度和减少崩刃，改善刀具的抗冲击能力。负倒棱可以采用专用夹具在刃磨机床上得到，钝圆可以用金刚石油石手工完成。
　　5、检验
　　对于PCD与PCBN刀具，在采用上述设备和工艺的条件下，刀具几何角度、尺寸和表面粗糙度要求，一般都能精确保证。检测主要是观察刀刃的质量。可以
采用放大倍数为30～50倍的工具显微镜。普通刀具的刀刃锯齿度可控制在0. 02mm之内，对于精度更高的刀具，刀刃锯齿度应小于1—5um。

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