刘 锟

(北京安泰钢研超硬材料制品有限责任公司，北京 102200)

1 引言

PDC是聚晶金刚石复合片的英文缩写，又称PCD复合片，主要有刀具片和钻探片，另外还有拉丝模片等等。刀具用复合片的硬质合金衬底厚度较薄，一般1.0～3.2mm；钻探用复合片的硬质合金衬底较厚，一般3～18mm；一般含钴结合剂的复合片导电可电加工，含硅的复合片不导电不可电加工。PDC工具包括PDC锯片(刀具)、PDC磨轮、PDC钻头等，主要加工难加工的有色金属和非金属材料，具体见表1，一般不加工黑色金属材料。PDC工具具有加工表面质量好、尺寸精度高、换刀时间短及比硬质合金工具寿命长等优势，国内外市场前景极为广阔(表1)。

表1 PDC工具的加工对象

PDC工具的制作一般分四步：PDC的选材、加工、焊接、刃磨[3]。选材是指如何确定复合片的优劣，包括聚晶金刚石的强度、硬质合金衬底的强度以及两者结合强度、合金焊接面是否磨平磨光等四个方面；加工一般采用线切割和激光切割；焊接一般采用高频感应钎焊，但也有激光焊接、真空钎焊等；刃磨方法主要有电火花(瑞士伊瓦格)、陶瓷砂轮(台湾远山、北京凝华)等。本文主要研究如何简易选材和如何减少刃磨时间。

2 PDC的选材

2.1 原材料

(1)PDC：选用进口/国产的刀具片、钻探片各20粒，焊接面积6～142mm2不等。

(2)45钢焊接实验块。

2.2 设备

高频感应焊机、万能试验机、扫描电镜。

2.3 万能试验机强度测试

PDC不进行预处理，采用高频感应焊机，将其硬质合金衬底面焊接到磨平的45钢[4]实验块上，其中银焊片含银量49%，焊接温度690℃[5]、焊接时间16s[6]。冷却后强度检测安装在万能试验机上进行焊缝抗剪强度测试。

图1 国外三家知名公司的PDC抗剪强度测试(3种焊接面积)Fig.1 PDC shear strength test of three well-known foreign companies (three welding areas)

图2 国内五家公司的PDC抗剪强度测试(3种焊接面积)Fig.2 PDC shear strength test of five domestic companies (three welding areas)

表2 八家公司的PDC抗剪试验现象

分析：

(1)图1中的A、B、C为国外著名品牌，图2中的D、E、F、G、H为国内某五家公司。从表中数据分析可看出，作为国外顶级代表的A、B、C三家公司PDC的结合强度很好，但其价格贵不易推广。而国内刀具片E公司和钻探片H公司产品≥120MPa足以承受一般难加工有色金属或非金属材料的破坏性冲击，因此刀具不妨选用国产E公司，钻探片不妨选国产H公司。

(2)G公司样品在测试强度未达到120MPa聚晶已裂，可能生产工艺有问题，如温度压力不够，导致生成的聚晶强度不够。

(3)D公司样品在测试强度未达到120MPa合金已裂，可能采用的硬质合金较为劣质，需要更换硬质合金衬底。

(4)F公司在测试强度未达到120MPa焊缝已开，说明PDC后续加工时，合金面未进行磨平磨光或喷砂处理。

(5)采用本方法测试的静抗剪强度与焊接面积在一定范围内(如6-140mm2)并无太大关系。

(6)焊接面的预处理对焊接强度的影响很大，如焊接面有激光切割烧伤层、氧化皮等灰渣，则强度极低。

2.4 聚晶断面的扫描电镜物相分析

由图3中的A、E、G公司PDC扫描电镜分析，可看出，国外知名A公司和国内E公司的金刚石与金属结合剂分布均匀；而国内G公司的显微图像中有黑块聚集，表示金刚石微粒分布不均，可能金属结合剂渗透不均匀，从而造成PDC强度降低，这与前面的抗剪强度测试结果相符。

图3 A、E、G公司PDC扫描电镜分析Fig.3 PDC SEM analysis of companies A, E and G

3 多工位电火花刃磨

用作刀具片的PDC的电火花刃磨[7]，一般采用圆柱铜电极[8]，这是电火花磨床厂家出厂配送的电极，它的优点是结构简单并可电加工多种零件，缺点是所有锯齿/被加工件都会腐蚀铜电极的同一部分，导致其间隙和误差越来越大，而多次车削电极并对刀更是浪费大量工时。

本文研究如何减少在线修电极工时，方法为用石墨电极替代铜电极，首先是因为石墨的可加工性和耐电腐蚀性比铜电极要好；其次在电极上加工尽可能多的全新工位，并使锯齿/被加工件的数量是工位数量的整数倍，这样每个工位只加工了1个或几个锯齿/被加工件，从而大大减小了加工误差，同时也降低了人工成本或加工工时，电极设计形式见图4。

图4 多工位石墨电极形状示意[9]Fig.4 Schematic diagram of multi-station graphite electrode shape

采用Φ80铜电极与20工位石墨电极加工某60齿梯平齿锯片(石墨电极也设计成梯平齿交替一次成型)，采用锯片径跳仪测量精度对比见表3。

表3 单工位铜电极与多工位石墨电极的加工精度和工时对比Table 3 Comparison of machining accuracy and working hours between single station copper electrode and multi-station graphite electrode

放电磨床加工工件精度及工时分析：

从表3中看出：

(1)与铜电极不修整相比，多工位石墨电极加工的锯片耗费工时相当，但成品径跳更小。

(2)与铜电极每4齿修整一次相比，多工位电极加工精度相当，但耗费工时更短。

4 结论

(1)在焊接面积≥6mm2时，PDC的硬质合金衬底与钢基体的焊接强度与焊接面积无关，并不随焊接面积增大而增大。

(2)PDC的测试强度在0-396MPa之间，不妨设定界定值120MPa判定是否合格；

(3)在选材测试试验中，强度指标是一个综合强度，包括制造工艺生成的聚晶自身强度、硬质合金自身的强度、聚晶和硬质合金界面的结合强度、硬质合金通过银焊片与45钢实验块的焊接强度等，需要所有强度均≥界定值。

(4)多工位电极可以减少在线磨刀时间，从而减少总工时，但未从根本上提高放电加工效率。