在當今制造業，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)材料技術正日趨成熟，但高速銑削的加工要求對PCD供應商改進刀具材料性能提出了新的挑戰。中等晶粒PCD材料因其能在優異的耐磨性(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用。銑削刀片的典型失效模式是切削刃鋒利度的下降導致工件表面形成毛刺。制造商面臨的挑戰是盡可能減少這種毛刺的形成，同時提高工件表面光潔度。通過精心設計金剛石的粒度分布，并利用先進的工藝技術實現這種設計，就能改進PCD材料的某些特定性能(如抗彎強度和韌性)，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到一起制成的復合材料。與此同時，PCD材料層被熔接到硬質合金襯底上，形成一體化的復合片。金剛石顆粒的燒結依賴于金屬鈷的擴散作用，這些來自硬質合金襯底的鈷元素會促使金剛石顆粒在晶間長大，形成強有力的金剛石－金剛石結合。金剛石晶粒之間的殘留孔隙中充滿金屬鈷，在整個金剛石基體中形成金屬池。由此產生的PCD產品將極高的硬度、高熱導率、金剛石的耐磨性與接近硬質合金的韌性集于一身。

傳統的PCD牌號分類

       傳統上，用于金屬切削行業的PCD產品被分為四大類。確定PCD牌號的主要支配因素是金剛石顆粒的相對粒度。因此，我們以金剛石的相對粒度為參考標準，將PCD產品分為超細晶粒、細晶粒、中等晶粒和粗晶粒四類牌號。人們公認，PCD牌號的晶粒越粗大，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，但卻會削弱其他一些重要特性(如刀具的刃口質量、切削刃韌性和工件表面粗糙度)。

用于高速銑削的PCD新牌號

       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。然而，隨著現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，使刀具壽命保持在可以接受的范圍內。遺憾的是，金剛石粒度的增大會導致工件表面光潔度惡化，通常認為，這在采用大切削參數的汽車零部件加工中是不可接受的。為了滿足對中等晶粒牌號PCD刀具更高的性能要求，MegaDiamond公司開發了一種技術先進的新型中等晶粒PCD牌號——AMX。該牌號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。這些工藝技術與獨特的燒結技術相結合，生產出了一種金剛石晶間結合力顯著增大、多晶顯微結構更均勻一致的PCD材料。這種先進的PCD結構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、刃口質量和切削刃韌性)。

先進的PCD材料制備技術

       為了生產出一種既能提高切削刃韌性，同時又能保持(甚至提高)其耐磨性的PCD材料，就必須改變其多晶顯微結構。為了達到這一目，采用了兩種方法。一是精心挑選和混合金剛石粉料，通過去除可提供優異耐磨性，但同時會降低刀具切削刃質量的大顆粒金剛石，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，提高燒結前金剛石顆粒的壓緊密度和表面活性，改進和提高金剛石晶粒的晶間結合力，從而使多晶顯微結構的晶粒間隙比傳統的中等晶粒PCD牌號大幅減小。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，就會成為其固有弱點，削弱PCD刀具所需的性能(如耐磨性、化學穩定性和熱穩定性)。

       這種獨特的專有制造工藝在提供相鄰金剛石顆粒高密度結構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(HSC)技術，這些金剛石顆粒被緊密壓實，使彼此之間的表面接觸最大化，使燒結時能在金剛石顆粒之間實現更理想的材料轉移，最大限度地減少形成金屬池的數量。其結果是實現了分布均勻一致的金屬擴散，增大了金剛石晶粒之間的結合力，使PCD刀具兼具優異的耐磨性和切削刃韌性。該工藝還能改善對PCD刀具的整體性能同樣重要的化學穩定性和熱穩定性。

       為了說明PCD顯微結構的改善程度和金屬第二相的均勻彌散，通過對典型中等晶粒牌號PCD與AMX牌號PCD的顯微結構進行了對比。如前所述，研發目標是獲得更均勻一致、具有更小、分散性更好的金屬池的PCD顯微結構。這種結構可以降低第二相水平，優化金剛石晶粒之間的結合力。

       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PCD刀具的常見失效模式是切削刃通過磨損而出現鈍化或破損。這就意味著，兩個相鄰金剛石顆粒之間的晶界(通常充滿第二相結合劑材料)在切削加工時被削弱，最終導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，使晶間結合力大大增強，有效減少了在切削時會變得脆弱的晶界。其結果是改進了PCD刀具的刃口保持性，從而使刀具壽命大幅提高。

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

新技術的優勢

       如今，幾乎所有中等晶粒牌號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電金屬相在整個金剛石基體中分布均勻性的函數。條件可控的切削試驗表明，與其他中等晶粒牌號PCD相比，AMX牌號PCD能更有效地實現線切割加工，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PCD刀具可獲得較好的刃口刃磨質量，而這對于延長刀具壽命和提高工件表面光潔度至關重要。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PCD可達到的刃口質量比傳統的中等晶粒牌號PCD明顯提高。AMX牌號與其他類似牌號PCD刀片精磨刃口放大圖像的對比表明，AMX牌號PCD刀具的刃口鋒利度明顯提高。
條件可控的現場切削試驗表明，在高速銑削汽車零件時，AMX牌號PCD刀具的壽命可提高一倍左右。

       其中，加工V6跑車汽缸蓋時采用的主軸轉速為6000r/min，中等晶粒PCD刀具的切削速度為2500m/min。由于AMX牌號PCD刀具的刃口質量優于中等晶粒牌號PCD刀具，因此減少了毛刺的產生。

       另外，獨立進行的車削加工鋁合金輪轂和銑削加工發動機缸體的現場切削試驗結果也表明，與典型的中等晶粒牌號PCD刀具相比，AMX牌號PCD刀具的加工性能可提高3倍。

       通過混合嚴格控制粒度分布的金剛石粉料，并采用適當的粉料制備技術，最大限度地提高金剛石顆粒的壓緊密度，就有可能生產出其物理和機械性能優于中等晶粒PCD標準牌號的PCD刀具材料。這種新一代的中等晶粒PCD牌號不僅具有優異的耐磨性，而且還能提供更好的刀具刃口質量、切削刃韌性和可加工性。