PCD和PCBN超硬刀具應用與研究現狀淺析＊

郭永剛，呂 志

（1.河南工業大學機電工程學院，河南 鄭州 450001；2.汽車復合材料河南省工程實驗室，河南 鄭州 450001；3.河南省碳纖維復合材料國際聯合實驗室，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）刀具的應用最為廣泛。超硬刀具具有極高的硬度和耐磨性，并且熱穩定性高，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]。在現代高端制造業中，超硬刀具因其無可比擬的硬度、熱穩定性和化學穩定性，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展。超硬刀具的研究和發展水平正逐步成為衡量一個國家制造業發展水平的一項重要指標。

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合金基體經高溫高壓燒結而成。這既能發揮金剛石高硬度、高導熱系數、低摩擦系數、低熱膨脹系數、與金屬和非金屬親和力小、彈性模量高、無解理面、各向同性等眾多優點，又兼顧了硬質合金的高強度[2]。PCD刀具的性能和使用壽命取決于制造工藝、粘結劑的選擇和分類、晶粒的選擇與控制以及后期化學處理等制造過程的控制與選擇。PCD刀具主要應用于航空航天和汽車行業領域，涵蓋了這2個領域的大部分零件的生產與制造。隨著PCD刀具制造技術的發展與變革，其應用范圍和領域正逐步擴大。

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、熱穩定性好、摩擦系數小、化學惰性大、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大不相同。比如有結合劑的PCBN耐高溫性能好，但存在抗沖擊性能較差的缺點，容易出現崩刀、破損現象；純PCBN刀具雖然比普通PCBN刀具有更高的硬度和熱穩定性，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，也是硬態切削加工技術的最佳刀具材料，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 超硬刀具的應用領域

超硬刀具不僅能夠實現對硬度較高的現代工程材料的切削加工，還在高速和超高速切削、干切削、硬態切削領域中得到廣泛的應用。高速切削指在比常規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良性能，在超高速切削中得到廣泛使用，大大提高了生產效率，給企業帶來豐厚的利潤。而傳統刀具材料如碳素工具鋼、硬質合金鋼等不能滿足高速和超高速切削時機械性能、熱穩定性、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。干切削加工技術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的環境污染和加工成本，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更優秀。

硬態切削是指對高硬度（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，硬態切削加工更為靈活，具有很好的經濟性和環保性。因此，當前工業生產過程中以硬態切削代替磨削得到了越來越廣泛的應用。目前應用于硬態切削加工的刀具材料主要是PCBN刀具和陶瓷刀具。在汽車制造業和其他領域，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切削取代。

3 超硬刀具的研究現狀

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

3.1 PCD刀具的研究現狀

PCD刀具的性能與其制備過程中的條件控制密切相關，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，向著生產出能滿足現代制造需求的超硬刀具的目標奮斗。

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為粘結劑的PCD刀具硬度比較高，且韌性、耐磨性好，但是其熱穩定性能差，在對熱穩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定性，結果表明以過渡金屬硼化物和碳化硅為粘結劑的PCD刀具有較好的熱穩定性，優于以鈷為粘結劑的PCD刀具。對于創新型PCD（聚晶金剛石復合片）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參數對計算的品質因數值的作用。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量結果，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構的不希望相、金剛石晶粒尺寸和影響耐磨性的殘余應力分布。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），并研究了加工參數對微觀結構尺寸的影響，得到了通過優化加工參數可以有效控制微紋理尺寸并提高PCD刀具的表面質量的結論。

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刀具質量尤為重要，在切削的過程中設置對比實驗能夠更容易發現超硬刀具在現代切削加工中的明顯優勢。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的切削力和孔質量的特性。結果表明在干燥和潮濕條件下，切削轉矩和推力都隨著主軸轉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速的增加而發生明顯變化。

KAZUTOSHI等[11]使用PCD微銑削刀具對高純度SiC進行超精密加工，結果表明當去除的切屑足夠薄，以實現延性模加工時，可以獲得高質量的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構，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率滿足孔加工的質量條件。KARPAT等[12]在實驗中采用推力、扭矩和孔出口質量等測量值對3種不同PCD鉆頭的性能進行了實驗研究。結果表明，在選擇工藝參數時，應綜合考慮工作材料的特性、鉆孔條件和鉆頭參數設計的影響。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）的實驗結論。

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

3.2 PCBN刀具的研究現狀

PCBN刀具由于其高硬度、高耐磨性和高熱穩定性而成為硬車削的主要刀具材料。然而，制造具有復雜幾何形狀的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）技術對切削速度和進給速率對cBN-TiN涂層硬質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=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插入式生產過程中的最終步驟。PCBN刀片在開始磨削時，第一次接觸會導致砂輪大量磨損。通常，磨損的磨削層與材料去除之間的比率小于1。為了提高生產率，必須獲得砂輪特性、工藝參數和PCBN刀片規格之間的關系，需要確定影響砂輪磨損和磨削機理的主要因素。DENKENA等[15]的實驗結果表明，可以根據期望得到的PCBN刀片來獨立調節磨削過程的生產率，通過使用較小的磨料顆粒可以生產出高品質的刀片。

通過PCBN刀具與硬質合金刀具、陶瓷刀具等傳統刀具的對比實驗，科研人員提出了一系列優化刀具的方案。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，發現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。實驗結果發現，磨損主要發生在刀具的側面，另外與硬質合金刀具相比，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強度，在渦輪機制造、石油和石化公司、航空航天和造船業中應用很廣泛。AHMADREZA等[19]研究了PCBN刀具和涂層硬質合金刀具車削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合對切削力、表面光潔度和刀尖溫度的影響。實驗結果表明，與涂層硬質合金刀具相比，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參數成為可能。

4 結束語

超硬刀具的發展與應用已成為一個國家高水平生產制造的標志，漸漸成為衡量一個國家制造業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）無可比擬的優異性能，在干切削技術，高速、超高速切削技術，硬態切削技術以及精密和超精密加工有著中無可取代的地位。

在刀具研發方面，模擬仿真是一項重要的研發手段，可以減少試驗次數，有效控制成本，并且更容易觀測實驗數據。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，為刀具研發節省時間和成本，需要注意3點：建立完善的切削仿真數據庫，建立完善的刀具材料本構方程和模型數據庫，開發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和設計制造與發達國家相比還存在相當大的差距。要加快人才的培養，成功制備出系列化、性能良好穩定的超硬刀具，將目前出口超硬材料轉變為出口尖端先進超硬刀具。要吸取國外研發經驗，突破制造瓶頸，提高超硬材料質量和成品的尺寸精度，優化刀具結構，為“中國制造2025”添磚加瓦。