聚晶金剛石刀具的刃磨工藝

1 引言

　　聚晶金剛石（PCD）是將粒度為微米級(jí)的金剛石微粉與少量金屬粉末（如CO）混合后在高溫（1400℃）、高壓（6000MPa）下燒結(jié)而成的聚晶體。與其它刀具材料相比，聚晶金剛石具有如下性能特點(diǎn)：
　　①極高的硬度和耐磨性；
　　②高導(dǎo)熱性和低熱膨脹系數(shù)，切削時(shí)散熱快，切削溫度低，熱變形小；
　　③摩擦系數(shù)小，可降低加工表面粗糙度。但由于聚晶金剛石與鐵族元素有很強(qiáng)親和力，因此不適合加工黑色金屬及其合金。已實(shí)現(xiàn)商品化供貨的PCD復(fù)合片是將0.5～0.7mm厚的PCD層燒結(jié)在硬質(zhì)合金基體上制備而成，因此兼具了PCD的高硬度、高耐磨性和硬質(zhì)合金的良好強(qiáng)度與韌性。
　　PCD刀具在有色金屬及其合金、非金屬材料的高速切削中體現(xiàn)出優(yōu)良的切削性能，因此已廣泛應(yīng)用于汽車、航空、航天、建材等工業(yè)領(lǐng)域。但是，PCD的高硬度、高耐磨性使刀具的刃磨相當(dāng)困難，主要體現(xiàn)在材料磨除率小、砂輪損耗大、刃磨效率低、刃口呈鋸齒狀。PCD刀具的刃磨工藝性已成為其推廣應(yīng)用的障礙之一。為了突破這一工藝瓶頸，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究開(kāi)發(fā)工作。

　　2 PCD刀具刃磨技術(shù)

　　PCD刀具的主要刃磨工藝有放電刃磨、金剛石砂輪機(jī)械刃磨、電解刃磨等，其中放電刃磨和金剛石砂輪機(jī)械刃磨在技術(shù)上已較為成熟，下面對(duì)這兩種刃磨方法作一綜合分析。
　　2.1 放電刃磨（EDG）
　　電火花放電加工技術(shù)（EDM）（特別是電火花線切割和放電磨削）已廣泛應(yīng)用于刀具制造。電火花放電加工技術(shù)用于刃磨PCD刀具稱為放電刃磨（EDG）。
　　（1）刃磨機(jī)理
　　放電刃磨原理與傳統(tǒng)的磨料磨削原理有根本區(qū)別，也不同于電解刃磨原理（既有磨料機(jī)械作用又有電化學(xué)作用）。放電刃磨是通過(guò)在電介質(zhì)分離的砂輪電極與刀具電極間放電產(chǎn)生瞬時(shí)高溫，將刀具材料熔化和氣化。刃磨PCD刀具時(shí)，由于金剛石不導(dǎo)電，所以刀具電極即為PCD中的金屬相構(gòu)成的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，由此可見(jiàn)，放電刃磨是一種熱蝕加工過(guò)程。由于電火花放電的溫度可高達(dá)8000～12000℃，因此PCD刀具刃磨時(shí)可能引起熱損和石墨化，尤其在PCD與硬質(zhì)合金基底的界面處侵蝕速度更快，可在表面形成深約0.05mm的微裂紋，這是放電刃磨加工方法的主要缺陷。由于放電刃磨是一種非接觸刃磨過(guò)程，磨削力小到可忽略不計(jì)，故刃磨效率很高。R.Wyss等人在一定實(shí)驗(yàn)條件下得到的磨除率達(dá)4mm3/min，磨耗比為0.2mm3/mm3；而V.Baar等人在實(shí)驗(yàn)中則得到了1.0mm3/mm3的磨耗比。
　　（2）刃磨設(shè)備
　　放電刃磨時(shí)，通常采用碳?xì)浠�合物（如石蠟）作為砂輪電極與工具電極間的電介質(zhì)，工作電壓一般為直流80～200V，砂輪電極采用銅、鎢、石墨等導(dǎo)電材料。根據(jù)刀具刃磨時(shí)的位置，放電刃磨可分為圓周放電刃磨和端面放電刃磨。刃磨過(guò)程中，砂輪作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，使其能均勻磨損。在端面放電刃磨中，砂輪還需左右擺動(dòng)。脈沖電源是影響刃磨效率和刃磨質(zhì)量的關(guān)鍵設(shè)備，因此脈沖電源的設(shè)計(jì)已成為放電刃磨的研究熱點(diǎn)。
　　（3）研究成果
　　國(guó)外學(xué)者對(duì)PCD刀具的放電刃磨技術(shù)開(kāi)展了大量試驗(yàn)研究，其中英國(guó)伯明翰大學(xué)的T.B.Thoe等人的研究成果較具代表性。
　　他們的試驗(yàn)在伯明翰大學(xué)機(jī)械學(xué)院研制的EDG機(jī)床上進(jìn)行。用于刃磨的PCD樣品牌號(hào)為Syndite CTB002、010、025和Compax 1500、1600。通過(guò)試驗(yàn)得出如下結(jié)論：
　　①對(duì)于細(xì)晶粒PCD樣品，端面放電刃磨可獲得較好刃口質(zhì)量；對(duì)于粗晶粒PCD樣品，圓周放電刃磨可獲得較好刃口質(zhì)量。
　　②增大電流、電壓或脈沖寬度，可增大磨除率，提高刃磨效率，但同時(shí)會(huì)導(dǎo)致PCD刀具表面產(chǎn)生更深、更寬的裂紋。
　　③細(xì)晶粒PCD樣品容易引起放電，砂輪電極磨損量小，放電中脫落的晶粒平均尺寸等于晶粒本身的尺寸，因此可獲得較好的刃磨質(zhì)量。
　　④粗晶粒PCD樣品與硬質(zhì)合金交界面的侵蝕程度較大。
　　脈沖電源及刃磨工藝步驟對(duì)PCD放電刃磨的質(zhì)量有較大影響。德國(guó)學(xué)者E.Beck等人對(duì)此作了大量試驗(yàn)研究。他們?cè)赩ollmer QR 20P專用火花放電工具磨床上分別采用普通型和改進(jìn)型兩種脈沖電源對(duì)PCD放電刃磨質(zhì)量進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)研究，試驗(yàn)采用硅基合成油作為電介質(zhì)，以石墨作為砂輪電極（負(fù)極），主軸轉(zhuǎn)速為500r/min，樣品材料去除量為0.5mm。此外，在Microspark 200通用火花放電磨床上進(jìn)行了刃磨工藝步驟對(duì)PCD刃磨質(zhì)量影響的試驗(yàn)研究，試驗(yàn)采用刃磨PCD專用脈沖電源，并根據(jù)磨除量及刃磨后的刃口粗糙度將脈沖電源設(shè)置為5級(jí)；試驗(yàn)樣品牌號(hào)為Syndite CTC002、CTB002、CTB010、CTB025，每種粒度PCD各取4件樣品，試驗(yàn)中采用不同脈沖電源設(shè)置組合（即不同工藝步驟）進(jìn)行刃磨，然后測(cè)量刃口及刀面粗糙度。通過(guò)試驗(yàn)得出如下結(jié)論：①脈沖電源的設(shè)計(jì)及可控性對(duì)刃磨質(zhì)量可起到?jīng)Q定性作用，對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果表明，配備改進(jìn)型脈沖電源的工具磨床刃磨出的PCD樣品的刃口及刀面粗糙度均接近金剛石砂輪機(jī)械刃磨的質(zhì)量。②通過(guò)調(diào)節(jié)脈沖電源的設(shè)置進(jìn)行多級(jí)刃磨，并合理分配每級(jí)磨除量比例及刃磨時(shí)間，可獲得較高的刃磨質(zhì)量。
　　2.2 金剛石砂輪機(jī)械刃磨
　　金剛石砂輪機(jī)械刃磨是目前使用最廣泛的PCD刀具刃磨方法，與放電刃磨相比，其刃磨效率較低（磨除率約為1.5mm3/min）、加工成本較高（磨耗比約為0.02min3/min3），但可獲得良好的刀具刃口質(zhì)量和完整光潔的前、后刀面。
　　（1）刃磨機(jī)理
　　金剛石砂輪機(jī)械刃磨PCD刀具的機(jī)理比較復(fù)雜，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了大量研究，目前主要存在以下幾種觀點(diǎn)：
　　①德國(guó)學(xué)者M(jìn).Kenter認(rèn)為，金剛石砂輪磨削PCD刀具的過(guò)程中發(fā)生了刻劃作用和滑動(dòng)作用，材料的去除方式主要為粘結(jié)、刻劃、摩擦化學(xué)反應(yīng)和表面斷裂。用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察3種被刃磨工件PCD-1（粒度2μm）、PCD-2（粒度10μm）和PCD-3（粒度25μm）的表面微觀形貌時(shí)，在PCD-1上可觀察到犁溝，而在其它兩種PCD工件上觀察不到犁溝。因此Kenter 認(rèn)為：在絕大多數(shù)情況下，PCD材料的去除是以摩擦化學(xué)反應(yīng)和表面斷裂為主。隨著磨削的進(jìn)行，金剛石磨粒逐漸鈍化，即使在PCD-1上也不易觀察到犁溝。由于PCD材料脆性大，在金剛石磨粒的擠壓下容易誘發(fā)裂紋，裂紋在機(jī)械和熱應(yīng)力作用下擴(kuò)展，最終導(dǎo)致小片PCD材料剝落，同時(shí)摩擦熱會(huì)使PCD發(fā)生石墨化和其它摩擦化學(xué)反應(yīng)。
　　②GE公司的K.J.Dunn 等人用掃描電子顯微鏡對(duì)刃磨后的PCD復(fù)合片的表面微觀形貌進(jìn)行觀察后認(rèn)為，PCD材料的破壞機(jī)理主要為微觀脆性破碎和疲勞破損。
　　③我國(guó)艾興院士等人用開(kāi)槽的金剛石砂輪磨削PCD，同時(shí)用超聲波振動(dòng)和激光照射來(lái)模擬磨削時(shí)的機(jī)械沖擊和熱沖擊，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，將PCD材料的去除方式歸納如下：當(dāng)砂輪與PCD接觸的瞬間，磨削力突然增大，劇烈的機(jī)械沖擊使PCD表面產(chǎn)生裂紋，甚至有碎片產(chǎn)生。在穩(wěn)定磨削期，砂輪磨粒在PCD表面上進(jìn)行擠壓和摩擦，當(dāng)壓力達(dá)到一定程度，PCD表面上會(huì)形成裂紋；當(dāng)摩擦溫度達(dá)到一定程度，PCD會(huì)發(fā)生石墨化和其它化學(xué)反應(yīng)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，用開(kāi)槽的金剛石砂輪進(jìn)行磨削時(shí)，由于磨削力不連續(xù)，加之冷卻液的周期冷卻作用，有利于裂紋擴(kuò)展，從而使開(kāi)槽砂輪比非開(kāi)槽砂輪的磨削效率高1～2倍。
　　（2）刃磨設(shè)備
　　PCD材料的特性決定了對(duì)PCD刀具刃磨機(jī)床的要求不同于普通工具磨床，即：
　　①要求砂輪主軸及機(jī)床整體具有很高的剛性和穩(wěn)定性，以保持刃磨時(shí)砂輪對(duì)PCD材料的恒定壓力。
　　②砂輪架可作橫向擺動(dòng)，以保證砂輪端面磨損均勻；砂輪架的擺動(dòng)頻率和擺動(dòng)幅度可調(diào)。
　　③機(jī)床上應(yīng)配置光學(xué)投影裝置和高精度回轉(zhuǎn)工作臺(tái)。
　　④應(yīng)采用專用金剛石砂輪。
　　（3）研究成果
　　德國(guó)學(xué)者M(jìn).Kenter通過(guò)試驗(yàn)，研究了金剛石砂輪機(jī)械刃磨PCD的工藝參數(shù)對(duì)磨除率、磨耗比的影響。由于PCD刀具刃磨為恒定壓力磨削，因此M.Kenter采用磨除率和磨耗比作為試驗(yàn)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果得出如下結(jié)論：
　　①為使杯狀金剛石砂輪徑向磨損均勻，應(yīng)使砂輪與刀具的重合度≥1，通過(guò)調(diào)節(jié)刃磨機(jī)床砂輪擺動(dòng)架的擺幅和頻率可達(dá)到這一要求。
　　②分別增大砂輪旋轉(zhuǎn)速度VC、恒定壓力FA和PCD粒度，磨除率和磨耗比均隨之增大。由于這三個(gè)工藝參數(shù)對(duì)磨除率和磨耗比影響程度最大，因此可通過(guò)改變其大小來(lái)提高刃磨效率，降低刃磨成本。
　　③砂輪粒度、金剛石濃度、結(jié)合劑種類、冷卻液濃度等均對(duì)磨除率和磨耗比有一定影響。

　　3 研究方向
　　PCD刀具的放電刃磨和金剛石砂輪機(jī)械刃磨技術(shù)目前仍不完善，今后的主要研究方向有以下幾點(diǎn)：
　　①刃磨后的PCD 刀具刃口質(zhì)量及表面質(zhì)量較差是放電刃磨工藝存在的突出問(wèn)題；而金剛石砂輪機(jī)械刃磨工藝的主要缺點(diǎn)則是PCD 刀具刃磨效率低、刃磨成本高。為解決這些關(guān)鍵問(wèn)題，需要對(duì)影響刃磨質(zhì)量、刃磨效率、刃磨成本的關(guān)鍵參數(shù)建立數(shù)學(xué)模型，深入研究工藝要素的作用機(jī)理及相互關(guān)系，通過(guò)對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行綜合優(yōu)化，改善刃磨工藝系統(tǒng)的性能。
　　②針對(duì)主要PCD產(chǎn)品的刃磨工藝進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)。
　　③從理論上進(jìn)一步深入研究PCD刃磨機(jī)理，以指導(dǎo)實(shí)用刃磨工藝的開(kāi)發(fā)與完善。根據(jù)PCD材料的特性，對(duì)現(xiàn)有刃磨工藝方法進(jìn)行復(fù)合研究，探索行之有效的新型刃磨工藝。
　　隨著PCD刀具應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展，對(duì)PCD刀具刃磨工藝的研究顯得日益重要，而此項(xiàng)研究的成果也必將有力推動(dòng)PCD刀具的發(fā)展和推廣應(yīng)用。