高壓整體燒結PCD鑽頭

高壓整體燒結PCD鑽頭刃槽長度方向開槽並將聚晶金剛石（PCD）粉在槽中通過高溫高壓燒結成型獲得的整體燒結VCD鑽頭又重新受到人們的重視，它的套用範圍也得到廣泛拓展。

如今，這種沿鑽頭刃槽長度方向開槽並將聚晶金剛石（PCD）粉在槽中通過高溫高壓燒結成型獲得的整體燒結VCD鑽頭又重新受到人們的重視，它的套用範圍也得到廣泛拓展。高壓整體燒結PCD鑽頭最初只是零星套用於航空零件和電子器件的加工，如今它已成為航空、電子、汽車、醫療器械等行業切削加工難加工材料的常規刀具，且套用範圍還在不斷擴大。
金剛石具有最高的硬度和最小的摩擦係數，是製備切削刀具的理想材料。Precorp公司製造DiaEdge聚晶金剛石鑽頭的主要工藝步驟為：①製備整體硬質合金鑽尖毛坯；②在鑽坯上開出窄槽；③將PCD金剛石粉與粘結劑混合後注入槽中；④將鑽坯置於專用燒結壓機中，在1480℃、61320kg/cm2的高溫高壓下燒結壓製成型；⑤得到嵌有PCD刃帶的鑽尖毛坯；⑥將鑽尖毛坯焊接到整體硬質合金鑽桿毛坯上；⑦磨製出需要的鑽頭幾何刃形。採用該工藝可製備出具有複雜鑽尖形狀的整體燒結PCD鑽頭，鑽頭直徑可小至φ0.4mm。這種鑽頭非常適合用於高速、高效鑽削加工。
鑽尖與鑽桿焊接接頭距切削刃的長度取決於鑽頭直徑的大小，該距離應使焊接接頭在加工時不會受到切削區發熱的影響，以保證接頭與刀體的整體性。由於焊接接頭與刀體的整體性是金剛石刀具的薄弱環節，因此有必要認真研究高壓整體燒結PCD鑽頭不同於常規焊接式PCD鑽頭的使用特點。
常規PCD鑽頭的製備方法通常是在鑽尖部位加工一個凹槽，利用線切割將在硬質合金基片上沉積的PCD薄膜切割成形，然後將其焊接在鑽尖凹槽中。在20世紀80年代後期，世界上只有少數廠家（包括Precorp公司）能成功製備PCD鑽頭。90年代初期，焊接式PCD鑽頭被用於鑽削加工汽車發動機活塞上的定位器孔，該活塞為過共晶鋁合金鑄件（矽含量12%以上），必須使用PCD鑽頭加工才能達到要求的刀具壽命，鑽頭刃磨一次通常可加工3500副孔（實際上可能達到加工10000副孔）。但是，焊接式PCD鑽頭的加工時間較長，每件加工成本較高。此外，鑽頭切削刃在高溫作用下經常發生焊接失效現象，從而導致整個鑽頭破損。使用整體燒結PCD鑽頭則可較好解決上述問題。
Precorp公司的DiaEdge整體燒結PCD鑽頭最早被設計用於電子工業和航空製造業，通過進一步的加工試驗，該技術的套用領域逐漸擴大。目前，該鑽頭可用於加工綠色硬質合金、鋁基複合材料、增強型複合陶瓷、各種牌號的鋁材等，加工對象包括汽車發動機殼體、傳動箱體、新型噴氣戰鬥機的翼梁等。戰鬥機翼梁採用韌性極好的複合樹脂材料製成，鑽孔加工量很大，如F-22噴氣戰機機翼的每一個表面需鑽削3500個孔，每副機翼的上下表面共需鑽削14000個孔。過去採用硬質合金鑽頭加工20m翼梁需耗時16小時，現在採用整體燒結PCD鑽頭加工則只需4.5小時。降低每孔加工成本和加工時間是影響加工總成本的主要因素，也是使用整體燒結PCD鑽頭的優勢所在。目前，美國航空業已計畫將整體燒結PCD鑽頭套用於B-2、A-6、777等機型的生產加工。
由於金剛石鑽頭的價格是常規硬質合金鑽頭的許多倍，因此，為降低每孔加工成本，必須通過延長刀具使用壽命、縮短工具機加工時間來平衡加工成本支出。整體燒結PCD鑽頭與常規焊接式PCD鑽頭相比，以上使用原則也同樣適用。如果使用整體燒結PCD鑽頭可使刀具失效的可能性大幅度下降，則這種鑽頭對難加工材料鑽削工藝可起到明顯改善作用。由於加工技術的發展最終是由用戶需求驅動的，因此很難確定是使用整體燒結PCD鑽頭還是使用常規焊接式PCD鑽頭最划算。因此，選用刀具時對被加工材料及工藝完整性進行認真研究是非常重要的，加工部門與刀具製造商的密切合作是滿足用戶需求的最佳途徑。例如，位於美國俄亥俄州的本田傳動器製造廠已將Precorp公司的整體燒結PCD鑽頭/鉸刀（商標名稱為OneShot）成功套用於汽車傳動器的加工，從而使原來的三步工序縮減為一步工序，提高了生產率。根據最新統計，本田傳動器廠已使用該刀具加工了超過30萬個孔，降低了生產成本，提高了產品質量，縮短了生產周期。
Precorp公司製造的整體燒結PCD鑽頭的傳統套用領域主要是航空製造業，用於加工碳纖維增強塑膠工件。加工這種材料時，鑽刃的鋒利程度至關重要，如鑽刃較鈍，加工時可能會撕裂材料中的碳纖維，從而破壞孔口的完整性。使用鑽刃鋒利的整體燒結PCD鑽頭可減輕鑽頭衝擊，且切削刃可對孔口處的碳纖維起到修整作用。通過大量實際加工，可獲得整體燒結PCD鑽頭加工碳纖維增強塑膠的推薦切削速度及進給量。為防止被加工材料發生分層而採用的小進給量（約0.025～0.05mm/r）以及過大的切削速度（100～200m/min以上）將產生較大切削熱，從而引起材料中的樹脂融化，為此加工時需要使用冷卻液。在使用先進的切屑真空抽吸系統的情況下進行乾式鑽削也可收到良好的加工效果。加工實踐表明，整體燒結PCD鑽頭的鑽孔數是標準（118°）焊接式PCD鑽頭鑽孔數的3倍、鑲PCD刀片鑽頭鑽孔數的6倍、硬質合金鑽頭鑽孔數的100倍。
隨著高速加工技術的不斷發展，整體燒結PCD鑽頭及其它鏇轉刀具必將得到更廣泛的套用，這是因為工具機主軸轉速超過10000r/min的高速加工對於高剛性工具機上使用的金剛石刀具影響很小。如今，整體燒結PCD鑽頭已被套用於汽車製造業加工碳纖維增強塑膠零件，如位於美國密西根州的通用汽車Powertrain分廠使用一種稱為“freedrill”的整體燒結PCD鑽頭加工汽車傳動箱體上的橫向孔。原來使用硬質合金鑽頭加工時，鑽頭容易磨鈍，並引起鑽孔毛刺，因此需要每天更換鑽頭。改用整體燒結PCD鑽頭後，雖然鑽頭本身的成本比原來增加了5倍，但刀具加工壽命大大延長，一年只需要換一次刀。製造碳-碳材料飛機剎車的RobertE.MorrisTurbineGroup公司最近也成功完成了使用整體燒結PCD鑽頭加工剎車材料的工藝試驗。事實上，鑽削加工金屬基複合剎車材料正成為整體燒結PCD鑽頭在汽車製造業的一個主要套用領域。一家主要的金屬基複合材料（MMCs）製造商Alcan公司已將Percorp公司的整體燒結PCD鑽頭列入加工MMC材料的工藝指南。在MMC材料中添加碳化矽、氧化鋁顆粒雖然可顯著改善複合材料的機械性能，但材料中的硬質相也會加劇加工時的刀具磨損。迄今為止，金剛石刀具仍是加工MMC材料最有效的刀具，整體燒結PCD鑽頭的獨特結構使其具有優異的耐磨性，並可獲得很高的加工尺寸精度和表面質量，在某些情況下完全可以省略後續鉸孔工序。
可以預見，整體燒結PCD刀具今後將在各類機加工車間得到越來越廣泛的套用。