PCD和PCBN超硬刀具應(yīng)用與研究現(xiàn)狀淺析＊

郭永剛，呂 志

（1.河南工業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，河南 鄭州 450001；2.汽車復(fù)合材料河南省工程實驗室，河南 鄭州 450001；3.河南省碳纖維復(fù)合材料國際聯(lián)合實驗室，河南 鄭州 450001）

1 超硬刀具概述

超硬刀具主要指金剛石和立方氮化硼（CBN）刀具，其中又以人造聚晶金剛石（Polycrystalline Diamond，PCD）和聚晶立方氮化硼（Polycrystalline Cubic Boron Nitride，PCBN）刀具的應(yīng)用最為廣泛。超硬刀具具有極高的硬度和耐磨性，并且熱穩(wěn)定性高，常用于加工一些難以切削的工程材料。制造超硬刀具的材料主要包括天然和人造單晶金剛石、人造聚晶金剛石、CVD金剛石及聚晶立方氮化硼[1]。在現(xiàn)代高端制造業(yè)中，超硬刀具因其無可比擬的硬度、熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性，越來越被人們所重視，各個國家更是不遺余力地進行研究和發(fā)展。超硬刀具的研究和發(fā)展水平正逐步成為衡量一個國家制造業(yè)發(fā)展水平的一項重要指標(biāo)。

1.1 聚晶金剛石刀具（PCD）

PCD刀具是由聚晶金剛石刀尖和硬質(zhì)合金基體經(jīng)高溫高壓燒結(jié)而成。這既能發(fā)揮金剛石高硬度、高導(dǎo)熱系數(shù)、低摩擦系數(shù)、低熱膨脹系數(shù)、與金屬和非金屬親和力小、彈性模量高、無解理面、各向同性等眾多優(yōu)點，又兼顧了硬質(zhì)合金的高強度[2]。PCD刀具的性能和使用壽命取決于制造工藝、粘結(jié)劑的選擇和分類、晶粒的選擇與控制以及后期化學(xué)處理等制造過程的控制與選擇。PCD刀具主要應(yīng)用于航空航天和汽車行業(yè)領(lǐng)域，涵蓋了這2個領(lǐng)域的大部分零件的生產(chǎn)與制造。隨著PCD刀具制造技術(shù)的發(fā)展與變革，其應(yīng)用范圍和領(lǐng)域正逐步擴大。

1.2 聚晶立方氮化硼刀具（PCBN）

PCBN刀具是1960年代中期研制出來的新型超硬刀具材料，具有硬度高、耐磨性好、熱穩(wěn)定性好、摩擦系數(shù)小、化學(xué)惰性大、不易粘刀、被加工件表面光潔等特點[3]。PCBN刀具有多種，主要包括有結(jié)合劑的PCBN、純PCBN、表面鍍覆PCBN等。對于不同種類的PCBN刀具，其制造工藝和刀具性質(zhì)大不相同。比如有結(jié)合劑的PCBN耐高溫性能好，但存在抗沖擊性能較差的缺點，容易出現(xiàn)崩刀、破損現(xiàn)象；純PCBN刀具雖然比普通PCBN刀具有更高的硬度和熱穩(wěn)定性，但是其耐磨性能差；表面鍍覆PCBN在硬化鋼的切削過程中具有較高的使用壽命和高耐磨性，但由于鍍層的厚度很難把握，不易制造。PCBN刀具適用于高速及超高速切削加工技術(shù)，也是硬態(tài)切削加工技術(shù)的最佳刀具材料，同時也是干切削加工工藝的理想刀具材料，適用于自動化加工及難加工材料加工。

2 超硬刀具的應(yīng)用領(lǐng)域

超硬刀具不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對硬度較高的現(xiàn)代工程材料的切削加工，還在高速和超高速切削、干切削、硬態(tài)切削領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用。高速切削指在比常規(guī)切削速度高出很多的速度下進行的切削加工，因此有時也稱為超高速切削[4]。超硬刀具因其自身的優(yōu)良性能，在超高速切削中得到廣泛使用，大大提高了生產(chǎn)效率，給企業(yè)帶來豐厚的利潤。而傳統(tǒng)刀具材料如碳素工具鋼、硬質(zhì)合金鋼等不能滿足高速和超高速切削時機械性能、熱穩(wěn)定性、耐磨性和抗沖擊性等方面的要求，因此很難在高速和超高速切削中得到有效使用。

干切削加工指在切削加工中不使用或微量使用切削液的加工技術(shù)。干切削加工技術(shù)能在幾乎不使用切削液的條件下完成切削工作，這將大大減少切削過程中與切削液有關(guān)的環(huán)境污染和加工成本，是一種綠色的切削加工方法。但是，干切削加工對刀具材料的紅硬性、耐磨性、強度等有較高的要求，雖然傳統(tǒng)刀具材料如陶瓷刀具也能適用于干切削，但是超硬刀具的硬度和韌性使其在干切削加工中表現(xiàn)更優(yōu)秀。

硬態(tài)切削是指對高硬度（大于54HRC）材料直接進行精密切削加工。硬態(tài)切削工件材料包括淬硬鋼、冷硬鑄鐵、粉末冶金材料及其他特殊材料[5]。與磨削相比，硬態(tài)切削加工更為靈活，具有很好的經(jīng)濟性和環(huán)保性。因此，當(dāng)前工業(yè)生產(chǎn)過程中以硬態(tài)切削代替磨削得到了越來越廣泛的應(yīng)用。目前應(yīng)用于硬態(tài)切削加工的刀具材料主要是PCBN刀具和陶瓷刀具。在汽車制造業(yè)和其他領(lǐng)域，如淬硬鋼、高硬度鑄鐵等硬度較高的材料的加工中，高成本且耗時的磨削工序正逐步被硬態(tài)切削取代。

3 超硬刀具的研究現(xiàn)狀

經(jīng)過40多年的發(fā)展，超硬刀具的切削技術(shù)已被廣泛使用，超硬刀具逐漸取代了傳統(tǒng)的硬質(zhì)合金和陶瓷切削刀具，特別是在高速數(shù)控機床、自動加工中心和微型機械制造領(lǐng)域已經(jīng)形成了成熟的應(yīng)用市場。應(yīng)用領(lǐng)域涵蓋了汽車、航天、家具、軍工等許多高科技領(lǐng)域。現(xiàn)代刀具切削速度不斷提高和先進的集成制造系統(tǒng)的發(fā)展對現(xiàn)代刀具的性能提出了更高的要求。刀具材料質(zhì)量、性能和可靠性直接影響生產(chǎn)效率和加工質(zhì)量，也直接影響整個制造行業(yè)的生產(chǎn)技術(shù)水平和經(jīng)濟效益，開發(fā)高穩(wěn)定性和良好耐磨性的超硬刀具是當(dāng)今的發(fā)展趨勢[6]。目前，中國超硬刀具在制造設(shè)計及推廣應(yīng)用等領(lǐng)域，與國外仍存在一定的差距。因此，如何打破國外的技術(shù)壟斷，實現(xiàn)中國超硬刀具的自主創(chuàng)新和快速發(fā)展，是目前一個亟待解決的重要問題。

3.1 PCD刀具的研究現(xiàn)狀

PCD刀具的性能與其制備過程中的條件控制密切相關(guān)，研究人員通過不同的方向改進制造工藝，或者尋找新的加工工藝，向著生產(chǎn)出能滿足現(xiàn)代制造需求的超硬刀具的目標(biāo)奮斗。

鄭艷彬等[7]比較不同因素對陶瓷基聚晶金剛石和無結(jié)合劑納米金剛石硬度和斷裂韌性的影響，實驗表明以Co為粘結(jié)劑的PCD刀具硬度比較高，且韌性、耐磨性好，但是其熱穩(wěn)定性能差，在對熱穩(wěn)定性能要求相對較低的情形下，此類PCD是最佳選擇。他們還比較了不同類型聚晶金剛石的熱穩(wěn)定性，結(jié)果表明以過渡金屬硼化物和碳化硅為粘結(jié)劑的PCD刀具有較好的熱穩(wěn)定性，優(yōu)于以鈷為粘結(jié)劑的PCD刀具。對于創(chuàng)新型PCD（聚晶金剛石復(fù)合片）材料的研究也得到了科研人員的重視，YAHIAOUI等[8]通過XRD和有限元模擬進行相位分析以解釋物理化學(xué)參數(shù)對計算的品質(zhì)因數(shù)值的作用。對PDC材料的4個主要特性進行了研究，以解釋研究中獲得的質(zhì)量結(jié)果，表征硬度/斷裂韌性折衷的樣品中的鈷含量、碳化鎢弱化金剛石結(jié)構(gòu)的不希望相、金剛石晶粒尺寸和影響耐磨性的殘余應(yīng)力分布。YONGSHENG等[9]通過激光表面紋理化在PCD刀具的表面上制成了具有不同幾何特征的微溝槽和微孔（如圖1所示），并研究了加工參數(shù)對微觀結(jié)構(gòu)尺寸的影響，得到了通過優(yōu)化加工參數(shù)可以有效控制微紋理尺寸并提高PCD刀具的表面質(zhì)量的結(jié)論。

圖1 激光在PCD刀具的表面上制成了具有不同幾何特征的微溝槽和微孔

切削實驗對于檢驗PCD刀具質(zhì)量尤為重要，在切削的過程中設(shè)置對比實驗?zāi)軌蚋菀装l(fā)現(xiàn)超硬刀具在現(xiàn)代切削加工中的明顯優(yōu)勢。另外，在金屬切削的過程中可以找到超硬刀具目前切削性能上存在的缺陷，提高PCD刀具的質(zhì)量。YONGGUO等[10]實驗研究了PCD鉸刀在干式和濕式切削條件下擴孔鋁鑄造合金ZL102的切削力和孔質(zhì)量的特性。結(jié)果表明在干燥和潮濕條件下，切削轉(zhuǎn)矩和推力都隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加而具有不同的特性；在干切削條件下完成的孔通常比在濕切削條件下完成的孔大；在濕切削條件下，表面粗糙度值沒有隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加而發(fā)生明顯變化。

KAZUTOSHI等[11]使用PCD微銑削刀具對高純度SiC進行超精密加工，結(jié)果表明當(dāng)去除的切屑足夠薄，以實現(xiàn)延性模加工時，可以獲得高質(zhì)量的SiC表面，用PCD刀具成功加工了具有納米級表面粗糙度的微米級的孔結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 SEM圖像

PCD刀具常用于碳纖維增強塑料（CFRP）的加工中，以可接受的刀具壽命和生產(chǎn)率滿足孔加工的質(zhì)量條件。KARPAT等[12]在實驗中采用推力、扭矩和孔出口質(zhì)量等測量值對3種不同PCD鉆頭的性能進行了實驗研究。結(jié)果表明，在選擇工藝參數(shù)時，應(yīng)綜合考慮工作材料的特性、鉆孔條件和鉆頭參數(shù)設(shè)計的影響。PCD刀具極耐打磨和拋光，可以輕松研磨單晶金剛石刀具，但是由于晶粒是隨機取向的，因此研磨PCD刀具會存在嚴重的困難。RAMESH等[13]通過大量的實驗，用可控的法向力對PCD工具進行微研磨，使其表面以細槽的形式產(chǎn)生了延性和部分延性斷裂。同時，他們得出在PCD刀具上使用樹脂結(jié)合的金剛石砂輪施加66.75～100 N的受控力時，可以獲得0.05～0.11 μm的表面光潔度（Ra）的實驗結(jié)論。

此外，PCD切削實驗還主要集中于鈦合金等一些現(xiàn)代常用工程材料的切削加工?？傮w而言，科研人員通過大量的重復(fù)實驗，試圖通過以下2種途徑來提高PCD刀具的加工質(zhì)量和效率：通過改進刀具的生產(chǎn)加工工藝，提高刀具的性能；通過切削過程中存在的缺陷，提出最優(yōu)化的切削方案。

3.2 PCBN刀具的研究現(xiàn)狀

PCBN刀具由于其高硬度、高耐磨性和高熱穩(wěn)定性而成為硬車削的主要刀具材料。然而，制造具有復(fù)雜幾何形狀的PCBN刀片，具有靈活性不高和成本高昂等突出問題，這是實施基于CBN的硬車削刀具材料所需要考慮的一些問題。ABHIJEET等[14]使用方差分析（ANOVA）技術(shù)對切削速度和進給速率對cBN-TiN涂層硬質(zhì)合金刀具的刀具磨損、表面粗糙度和切削力的影響進行了試驗和分析，并分析了切削條件的最大值評估工具壽命。在相似的切削條件下，比較了CBN-TiN涂層和市售PCBN尖頭刀片的刀具磨損、表面粗糙度和切削力，如圖3所示。觀察洼磨損，得到了CBN-TiN涂層上的TiN覆蓋層具有潤滑性，因此CBN-TiN涂層刀片的月牙洼磨損比PCBN刀片小的結(jié)論。

圖3 BN-TiN涂層刀片和PCBN之間刀具磨損的比較刀片（V=125 m/min，F(xiàn)=0.15 mm/r，DoC=0.25 mm）

PCBN刀具在黑色金屬材料和高耐熱材料的車削或銑削中具有很高的潛力。盡管具有較低的硬度，但由于PCBN的熱穩(wěn)定性高，因此使用壽命比PCD長。通常，用金剛石砂輪進行切入式端面磨削是PCBN插入式生產(chǎn)過程中的最終步驟。PCBN刀片在開始磨削時，第一次接觸會導(dǎo)致砂輪大量磨損。通常，磨損的磨削層與材料去除之間的比率小于1。為了提高生產(chǎn)率，必須獲得砂輪特性、工藝參數(shù)和PCBN刀片規(guī)格之間的關(guān)系，需要確定影響砂輪磨損和磨削機理的主要因素。DENKENA等[15]的實驗結(jié)果表明，可以根據(jù)期望得到的PCBN刀片來獨立調(diào)節(jié)磨削過程的生產(chǎn)率，通過使用較小的磨料顆?？梢陨a(chǎn)出高品質(zhì)的刀片。

通過PCBN刀具與硬質(zhì)合金刀具、陶瓷刀具等傳統(tǒng)刀具的對比實驗，科研人員提出了一系列優(yōu)化刀具的方案。還有一些研究人員對一些比較特殊的材料進行切削實驗，試圖尋找最優(yōu)的加工方案，以提高切削加工的效率。CORA等[16]通過大量的PCBN刀具切削連續(xù)淬火鋼實驗，解釋了造成PCBN刀具磨損和故障的機理，并提出了一些優(yōu)化刀具性能的方案。

ZHENGWEN等[17]使用PCBN刀具對硬化的AISI A2工具鋼進行切削實驗，發(fā)現(xiàn)PCBN刀具可加工出無損傷的、具有更好的表面光潔度和更少工作硬化的工件。BRAGHINI等[18]做了硬質(zhì)合金刀具和PCBN刀具切割3種不同硬化鋼的對比實驗，使用掃描電子顯微鏡（SEM）研究了磨損機理。實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，磨損主要發(fā)生在刀具的側(cè)面，另外與硬質(zhì)合金刀具相比，PCBN刀具的磨損量明顯較小。

鎳基超級合金（例如Inconel 783）具有獨特的特性，例如出色的耐腐蝕性以及抗高溫的物理和化學(xué)強度，在渦輪機制造、石油和石化公司、航空航天和造船業(yè)中應(yīng)用很廣泛。AHMADREZA等[19]研究了PCBN刀具和涂層硬質(zhì)合金刀具車削inconel 783合金以及與可生物降解植物切削液壓縮空氣噴射方式相結(jié)合對切削力、表面光潔度和刀尖溫度的影響。實驗結(jié)果表明，與涂層硬質(zhì)合金刀具相比，PCBN刀具可顯著降低切削液的消耗率從而使顯著增加加工輸入?yún)?shù)成為可能。

4 結(jié)束語

超硬刀具的發(fā)展與應(yīng)用已成為一個國家高水平生產(chǎn)制造的標(biāo)志，漸漸成為衡量一個國家制造業(yè)水平的一個重要因素。以聚晶金剛石刀具（PCD）和聚晶立方氮化硼刀具（PCBN）為代表的超硬刀具有著非超硬刀具（如陶瓷刀具）無可比擬的優(yōu)異性能，在干切削技術(shù)，高速、超高速切削技術(shù)，硬態(tài)切削技術(shù)以及精密和超精密加工有著中無可取代的地位。

在刀具研發(fā)方面，模擬仿真是一項重要的研發(fā)手段，可以減少試驗次數(shù)，有效控制成本，并且更容易觀測實驗數(shù)據(jù)。但相對理想化的模擬條件限制了其仿真精度，所以在仿真后還需要實驗驗證其真實性。為了更加精確地仿真切削，為刀具研發(fā)節(jié)省時間和成本，需要注意3點：建立完善的切削仿真數(shù)據(jù)庫，建立完善的刀具材料本構(gòu)方程和模型數(shù)據(jù)庫，開發(fā)符合實際需求的仿真軟件。

雖然中國在超硬材料制備上技術(shù)已趨于成熟，并大量出口超硬材料，但是對于超硬刀具的研發(fā)和設(shè)計制造與發(fā)達國家相比還存在相當(dāng)大的差距。要加快人才的培養(yǎng)，成功制備出系列化、性能良好穩(wěn)定的超硬刀具，將目前出口超硬材料轉(zhuǎn)變?yōu)槌隹诩舛讼冗M超硬刀具。要吸取國外研發(fā)經(jīng)驗，突破制造瓶頸，提高超硬材料質(zhì)量和成品的尺寸精度，優(yōu)化刀具結(jié)構(gòu)，為“中國制造2025”添磚加瓦。