在當(dāng)今制造業(yè)，高速銑削加工正變得日益流行。雖然總的來看，聚晶金剛石(PCD)材料技術(shù)正日趨成熟，但高速銑削的加工要求對(duì)PCD供應(yīng)商改進(jìn)刀具材料性能提出了新的挑戰(zhàn)。中等晶粒PCD材料因其能在優(yōu)異的耐磨性(刀具壽命)與良好的工件表面光潔度之間保持平衡的能力而獲得了廣泛應(yīng)用。銑削刀片的典型失效模式是切削刃鋒利度的下降導(dǎo)致工件表面形成毛刺。制造商面臨的挑戰(zhàn)是盡可能減少這種毛刺的形成，同時(shí)提高工件表面光潔度。通過精心設(shè)計(jì)金剛石的粒度分布，并利用先進(jìn)的工藝技術(shù)實(shí)現(xiàn)這種設(shè)計(jì)，就能改進(jìn)PCD材料的某些特定性能(如抗彎強(qiáng)度和韌性)，從而制備出切削性能更佳的PCD刀具材料。這種材料在不犧牲其耐磨性的前提下，具有更好的刃口保持性，并能獲得更好的工件表面光潔度，從而能在高速銑削加工中獲得最佳性能收益。

       PCD是在超高壓和高溫(HP/HT)條件下將大量金剛石顆粒燒結(jié)到一起制成的復(fù)合材料。與此同時(shí)，PCD材料層被熔接到硬質(zhì)合金襯底上，形成一體化的復(fù)合片。金剛石顆粒的燒結(jié)依賴于金屬鈷的擴(kuò)散作用，這些來自硬質(zhì)合金襯底的鈷元素會(huì)促使金剛石顆粒在晶間長大，形成強(qiáng)有力的金剛石－金剛石結(jié)合。金剛石晶粒之間的殘留孔隙中充滿金屬鈷，在整個(gè)金剛石基體中形成金屬池。由此產(chǎn)生的PCD產(chǎn)品將極高的硬度、高熱導(dǎo)率、金剛石的耐磨性與接近硬質(zhì)合金的韌性集于一身。

傳統(tǒng)的PCD牌號(hào)分類

       傳統(tǒng)上，用于金屬切削行業(yè)的PCD產(chǎn)品被分為四大類。確定PCD牌號(hào)的主要支配因素是金剛石顆粒的相對(duì)粒度。因此，我們以金剛石的相對(duì)粒度為參考標(biāo)準(zhǔn)，將PCD產(chǎn)品分為超細(xì)晶粒、細(xì)晶粒、中等晶粒和粗晶粒四類牌號(hào)。人們公認(rèn)，PCD牌號(hào)的晶粒越粗大，其耐磨性就越好。雖然簡單地增大金剛石粒度可以獲得更好的耐磨性，但卻會(huì)削弱其他一些重要特性(如刀具的刃口質(zhì)量、切削刃韌性和工件表面粗糙度)。

用于高速銑削的PCD新牌號(hào)

       汽車零部件材料(如硅鋁合金)的銑削和車削加工通常需要能兼顧刀具壽命和工件表面光潔度的中等晶粒PCD牌號(hào)。然而，隨著現(xiàn)代加工要求采用的切削速度越來越快，PCD刀具鋒利性的快速喪失導(dǎo)致其切削性能下降，并在工件表面形成毛刺。為了克服這種缺陷，一些刀具制造商曾試圖推出粗晶粒PCD牌號(hào)，使刀具壽命保持在可以接受的范圍內(nèi)。遺憾的是，金剛石粒度的增大會(huì)導(dǎo)致工件表面光潔度惡化，通常認(rèn)為，這在采用大切削參數(shù)的汽車零部件加工中是不可接受的。為了滿足對(duì)中等晶粒牌號(hào)PCD刀具更高的性能要求，MegaDiamond公司開發(fā)了一種技術(shù)先進(jìn)的新型中等晶粒PCD牌號(hào)——AMX。該牌號(hào)采用精選的金剛石混合粉料，再加上專有的粉料制備方法和添加增韌劑，大大提高了PCD刀具的耐用度。這些工藝技術(shù)與獨(dú)特的燒結(jié)技術(shù)相結(jié)合，生產(chǎn)出了一種金剛石晶間結(jié)合力顯著增大、多晶顯微結(jié)構(gòu)更均勻一致的PCD材料。這種先進(jìn)的PCD結(jié)構(gòu)不僅可以提高刀具耐磨性，而且還能改善PCD刀具的其他一些基本特性(如電火花線切割的可加工性、刃口質(zhì)量和切削刃韌性)。

先進(jìn)的PCD材料制備技術(shù)

       為了生產(chǎn)出一種既能提高切削刃韌性，同時(shí)又能保持(甚至提高)其耐磨性的PCD材料，就必須改變其多晶顯微結(jié)構(gòu)。為了達(dá)到這一目，采用了兩種方法。一是精心挑選和混合金剛石粉料，通過去除可提供優(yōu)異耐磨性，但同時(shí)會(huì)降低刀具切削刃質(zhì)量的大顆粒金剛石，使PCD材料的平均粒度總體下降。二是采用一種新的粉料制備工藝，提高燒結(jié)前金剛石顆粒的壓緊密度和表面活性，改進(jìn)和提高金剛石晶粒的晶間結(jié)合力，從而使多晶顯微結(jié)構(gòu)的晶粒間隙比傳統(tǒng)的中等晶粒PCD牌號(hào)大幅減小。金屬第二相可以提供增韌效果，但必須均勻分布，才能提供均衡一致的材料性能。如果金剛石晶粒之間的金屬池過多或間隙過大，就會(huì)成為其固有弱點(diǎn)，削弱PCD刀具所需的性能(如耐磨性、化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性)。

       這種獨(dú)特的專有制造工藝在提供相鄰金剛石顆粒高密度結(jié)構(gòu)的能力上取得了重大突破。通過這種已獲專利的高剪切壓實(shí)(HSC)技術(shù)，這些金剛石顆粒被緊密壓實(shí)，使彼此之間的表面接觸最大化，使燒結(jié)時(shí)能在金剛石顆粒之間實(shí)現(xiàn)更理想的材料轉(zhuǎn)移，最大限度地減少形成金屬池的數(shù)量。其結(jié)果是實(shí)現(xiàn)了分布均勻一致的金屬擴(kuò)散，增大了金剛石晶粒之間的結(jié)合力，使PCD刀具兼具優(yōu)異的耐磨性和切削刃韌性。該工藝還能改善對(duì)PCD刀具的整體性能同樣重要的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性。

       為了說明PCD顯微結(jié)構(gòu)的改善程度和金屬第二相的均勻彌散，通過對(duì)典型中等晶粒牌號(hào)PCD與AMX牌號(hào)PCD的顯微結(jié)構(gòu)進(jìn)行了對(duì)比。如前所述，研發(fā)目標(biāo)是獲得更均勻一致、具有更小、分散性更好的金屬池的PCD顯微結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)可以降低第二相水平，優(yōu)化金剛石晶粒之間的結(jié)合力。

       在典型的高磨蝕性非鐵金屬材料的銑削加工中，中等晶粒牌號(hào)PCD刀具的常見失效模式是切削刃通過磨損而出現(xiàn)鈍化或破損。這就意味著，兩個(gè)相鄰金剛石顆粒之間的晶界(通常充滿第二相結(jié)合劑材料)在切削加工時(shí)被削弱，最終導(dǎo)致金剛石顆粒被拔出，引起切削刃崩刃，并在工件上形成毛刺。通過采用這種新的PCD制造工藝，使晶間結(jié)合力大大增強(qiáng)，有效減少了在切削時(shí)會(huì)變得脆弱的晶界。其結(jié)果是改進(jìn)了PCD刀具的刃口保持性，從而使刀具壽命大幅提高。

       AMX牌號(hào)PCD與典型的中等晶粒牌號(hào)PCD抗彎強(qiáng)度(TRS)值的對(duì)比。顯而易見，AMX牌號(hào)的抗彎強(qiáng)度顯著提高，從而減小了加工中刀具崩刃的幾率，延長了刀具壽命。

新技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

       如今，幾乎所有中等晶粒牌號(hào)PCD刀具通常都采用電火花線切割加工，其加工難易程度各不相同。線切割的可加工性是導(dǎo)電金屬相在整個(gè)金剛石基體中分布均勻性的函數(shù)。條件可控的切削試驗(yàn)表明，與其他中等晶粒牌號(hào)PCD相比，AMX牌號(hào)PCD能更有效地實(shí)現(xiàn)線切割加工，其線切割可加工性比典型的中等晶粒PCD提高了15%。

       如前所述，典型的中等晶粒牌號(hào)PCD刀具可獲得較好的刃口刃磨質(zhì)量，而這對(duì)于延長刀具壽命和提高工件表面光潔度至關(guān)重要。通過量身定制金剛石粒度分布，提高金剛石顆粒的壓緊密度，AMX牌號(hào)PCD可達(dá)到的刃口質(zhì)量比傳統(tǒng)的中等晶粒牌號(hào)PCD明顯提高。AMX牌號(hào)與其他類似牌號(hào)PCD刀片精磨刃口放大圖像的對(duì)比表明，AMX牌號(hào)PCD刀具的刃口鋒利度明顯提高。
條件可控的現(xiàn)場切削試驗(yàn)表明，在高速銑削汽車零件時(shí)，AMX牌號(hào)PCD刀具的壽命可提高一倍左右。

       其中，加工V6跑車汽缸蓋時(shí)采用的主軸轉(zhuǎn)速為6000r/min，中等晶粒PCD刀具的切削速度為2500m/min。由于AMX牌號(hào)PCD刀具的刃口質(zhì)量優(yōu)于中等晶粒牌號(hào)PCD刀具，因此減少了毛刺的產(chǎn)生。

       另外，獨(dú)立進(jìn)行的車削加工鋁合金輪轂和銑削加工發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的現(xiàn)場切削試驗(yàn)結(jié)果也表明，與典型的中等晶粒牌號(hào)PCD刀具相比，AMX牌號(hào)PCD刀具的加工性能可提高3倍。

       通過混合嚴(yán)格控制粒度分布的金剛石粉料，并采用適當(dāng)?shù)姆哿现苽浼夹g(shù)，最大限度地提高金剛石顆粒的壓緊密度，就有可能生產(chǎn)出其物理和機(jī)械性能優(yōu)于中等晶粒PCD標(biāo)準(zhǔn)牌號(hào)的PCD刀具材料。這種新一代的中等晶粒PCD牌號(hào)不僅具有優(yōu)異的耐磨性，而且還能提供更好的刀具刃口質(zhì)量、切削刃韌性和可加工性。