PCD/PCBN切削刀具的特點與應用

聚晶金剛石(PCD)刀具加工鋁制工件具有刀具壽命長、金屬切除率高等優點，其缺點是刀具價格昂貴，加工成本高。這一點在機械制造業已形成共識。但近年來PCD刀具的發展與應用情況已發生了許多變化。如今的鋁材料在性能上已今非昔比，在加工各種新開發的鋁合金材料(尤其是高硅含量復合材料)時，為了實現生產率及加工質量的Z優化，必須認真選擇PCD刀具的牌號及幾何參數，以適應不同的加工要求。PCD刀具的另一個變化是加工成本不斷降低，在市場競爭壓力和刀具制造工藝改進的共同作用下，PCD刀具的價格已大幅下降50%以上。上述變化趨勢導致PCD刀具在鋁材料加工中的應用日益增多，而刀具的適用性則受到不同被加工材料的制約。

       PCD機床刀具的基本特點 

       具有極高硬度和獨特機械性能的PCD復合片是由金剛石顆粒和催化劑的混合物在高溫高壓下燒結而成，在合成過程中產生了金剛石顆粒共生物，并在金剛石顆粒之間建立起連接“橋”，從而獲得具有催化劑島狀結構、類似于整體金剛石的PCD材料。PCD材料的結構與PCBN(聚晶立方氮化硼)材料不同。在PCBN材料中，CBN粒子之間并無實際粘結物；而PCD材料中則存在共生物，金剛石顆粒之間通過晶格“橋”相互連接。

       PCD刀具牌號是以金剛石顆粒的粒度進行分類。根據制造商的標準，細顆粒、中等顆粒和粗顆粒PCD牌號所對應的金剛石粒度大致分別為2μm、10μm和25μm。粗顆粒PCD牌號比細顆粒PCD牌號強度更高，耐磨性更好，在粗加工中具有更長的工作壽命，但粗顆粒PCD刀具的切削刃難以達到細顆粒PCD刀具表面的光滑程度。因此，細顆粒PCD刀具可獲得更好的加工表面光潔度，但磨損速度較快。

       PCD刀具的價格變化 

       過去，價格昂貴一直是影響用戶廣泛接受PCD刀具的一個主要障礙，但現在情況發生了很大變化。業界估計，在過去的兩三年中，PCD刀具的價格已下降了40%～60%。出現PCD刀具價格“跳水”的原因之一是市場供大于求。在20世紀90年代初，PCD刀具的發展勢頭開始超過傳統的硬質合金刀具，在隨后的十年中，對PCD刀具的市場需求不斷增加。但是，隨著PCD刀具制造技術的成熟，其銷售增長勢頭開始減緩，目前整個制造業的不景氣對PCD刀具市場也有一定影響。此外，新進入PCD刀具制造業的競爭者也動搖了原有的市場價格體系。PCD刀具價格下降的另一個原因是刀具制造成本不斷降低，刀具制造工藝(如用于金剛石毛坯粗加工的EDM工藝、切削刃精密加工工藝等)不斷改進。此外，與十年前相比，加工PCD刀具用的金剛石砂輪質量顯著提高，成本則大大下降。

       汽車制造業推動了PCD刀具發展 

       美國汽車制造商為了迎合美國消費者偏愛寬大轎車的習慣，同時又要考慮經濟不景氣的影響以及適應CAFE節能標準的要求，因此一直在致力于提高汽車燃料的利用效率。美國航空業制造商也面臨類似的壓力。這就導致輕型材料(如塑料、復合材料、鋁合金材料等)在汽車、飛機制造上的應用大量增加。為了在減輕材料重量的同時增加其強度，人們在新型鋁合金材料中加入了硅元素。硅鋁合金的重量與鋁合金相同(或更輕)，但其硬度、強度和耐磨性顯著提高，同時還具有更好的熱膨脹性能。在合金中添加硅元素的百分比含量取決于材料的使用性能與加工性能。鋁合金中的硅元素濃度達到完全飽和點時稱為共晶態；當鋁合金處于過共晶態(硅元素含量超過12.6%)時，硅元素將以固體粒子的形式從鋁基體中析出；當鋁合金中的硅元素含量低于約12%時稱為亞共晶態，此時硅元素與鋁元素處于混合狀態而沒有析出物。過共晶態鋁合金具有Z好的耐磨性、剛性和抗疲勞強度，但其機械性能的改善意味著其切削加工性能的惡化。過共晶態鋁合金，尤其是T-6合金、經過熱處理的390合金(用于制造發動機活塞)等，難于切削加工的主要原因在于這種合金中所含的硬質硅顆粒(俗稱“石頭”)，只有采用具有鋒利切削刃的金剛石刀具才能進行有效加工并獲得良好的加工表面質量。如果PCD刀具的切削刃鈍化，切削時會將硅顆粒從基體中撕離，從而破壞加工表面光潔度。硬度較軟的低硅鋁合金也并不一定易于切削加工(尤其當工件表面質量要求較高時)，加工此類合金時遇到的主要問題是卷屑不良和容易產生積屑瘤，影響加工表面光潔度，特別是硅含量低于9%的粘性鋁合金，加工難度相當大。