聚晶金刚石刀具的刃磨工艺

1 引言

　　聚晶金刚石（PCD）是将粒度为微米级的金刚石微粉与少量金属粉末（如CO）混合后在高温（1400℃）、高压（6000MPa）下烧结而成的聚晶体。与其它刀具材料相比，聚晶金刚石具有如下性能特点：
　　①极高的硬度和耐磨性；
　　②高导热性和低热膨胀系数，切削时散热快，切削温度低，热变形小；
　　③摩擦系数小，可降低加工表面粗糙度。但由于聚晶金刚石与铁族元素有很强亲和力，因此不适合加工黑色金属及其合金。已实现商品化供货的PCD复合片是将0.5～0.7mm厚的PCD层烧结在硬质合金基体上制备而成，因此兼具了PCD的高硬度、高耐磨性和硬质合金的良好强度与韧性。
　　PCD刀具在有色金属及其合金、非金属材料的高速切削中体现出优良的切削性能，因此已广泛应用于汽车、航空、航天、建材等工业领域。但是，PCD的高硬度、高耐磨性使刀具的刃磨相当困难，主要体现在材料磨除率小、砂轮损耗大、刃磨效率低、刃口呈锯齿状。PCD刀具的刃磨工艺性已成为其推广应用的障碍之一。为了突破这一工艺瓶颈，国内外学者进行了大量研究开发工作。

　　2 PCD刀具刃磨技术

　　PCD刀具的主要刃磨工艺有放电刃磨、金刚石砂轮机械刃磨、电解刃磨等，其中放电刃磨和金刚石砂轮机械刃磨在技术上已较为成熟，下面对这两种刃磨方法作一综合分析。
　　2.1 放电刃磨（EDG）
　　电火花放电加工技术（EDM）（特别是电火花线切割和放电磨削）已广泛应用于刀具制造。电火花放电加工技术用于刃磨PCD刀具称为放电刃磨（EDG）。
　　（1）刃磨机理
　　放电刃磨原理与传统的磨料磨削原理有根本区别，也不同于电解刃磨原理（既有磨料机械作用又有电化学作用）。放电刃磨是通过在电介质分离的砂轮电极与刀具电极间放电产生瞬时高温，将刀具材料熔化和气化。刃磨PCD刀具时，由于金刚石不导电，所以刀具电极即为PCD中的金属相构成的导电网络，由此可见，放电刃磨是一种热蚀加工过程。由于电火花放电的温度可高达8000～12000℃，因此PCD刀具刃磨时可能引起热损和石墨化，尤其在PCD与硬质合金基底的界面处侵蚀速度更快，可在表面形成深约0.05mm的微裂纹，这是放电刃磨加工方法的主要缺陷。由于放电刃磨是一种非接触刃磨过程，磨削力小到可忽略不计，故刃磨效率很高。R.Wyss等人在一定实验条件下得到的磨除率达4mm3/min，磨耗比为0.2mm3/mm3；而V.Baar等人在实验中则得到了1.0mm3/mm3的磨耗比。
　　（2）刃磨设备
　　放电刃磨时，通常采用碳氢化合物（如石蜡）作为砂轮电极与工具电极间的电介质，工作电压一般为直流80～200V，砂轮电极采用铜、钨、石墨等导电材料。根据刀具刃磨时的位置，放电刃磨可分为圆周放电刃磨和端面放电刃磨。刃磨过程中，砂轮作旋转运动，使其能均匀磨损。在端面放电刃磨中，砂轮还需左右摆动。脉冲电源是影响刃磨效率和刃磨质量的关键设备，因此脉冲电源的设计已成为放电刃磨的研究热点。
　　（3）研究成果
　　国外学者对PCD刀具的放电刃磨技术开展了大量试验研究，其中英国伯明翰大学的T.B.Thoe等人的研究成果较具代表性。
　　他们的试验在伯明翰大学机械学院研制的EDG机床上进行。用于刃磨的PCD样品牌号为Syndite CTB002、010、025和Compax 1500、1600。通过试验得出如下结论：
　　①对于细晶粒PCD样品，端面放电刃磨可获得较好刃口质量；对于粗晶粒PCD样品，圆周放电刃磨可获得较好刃口质量。
　　②增大电流、电压或脉冲宽度，可增大磨除率，提高刃磨效率，但同时会导致PCD刀具表面产生更深、更宽的裂纹。
　　③细晶粒PCD样品容易引起放电，砂轮电极磨损量小，放电中脱落的晶粒平均尺寸等于晶粒本身的尺寸，因此可获得较好的刃磨质量。
　　④粗晶粒PCD样品与硬质合金交界面的侵蚀程度较大。
　　脉冲电源及刃磨工艺步骤对PCD放电刃磨的质量有较大影响。德国学者E.Beck等人对此作了大量试验研究。他们在Vollmer QR 20P专用火花放电工具磨床上分别采用普通型和改进型两种脉冲电源对PCD放电刃磨质量进行了对比试验研究，试验采用硅基合成油作为电介质，以石墨作为砂轮电极（负极），主轴转速为500r/min，样品材料去除量为0.5mm。此外，在Microspark 200通用火花放电磨床上进行了刃磨工艺步骤对PCD刃磨质量影响的试验研究，试验采用刃磨PCD专用脉冲电源，并根据磨除量及刃磨后的刃口粗糙度将脉冲电源设置为5级；试验样品牌号为Syndite CTC002、CTB002、CTB010、CTB025，每种粒度PCD各取4件样品，试验中采用不同脉冲电源设置组合（即不同工艺步骤）进行刃磨，然后测量刃口及刀面粗糙度。通过试验得出如下结论：①脉冲电源的设计及可控性对刃磨质量可起到决定性作用，对比试验结果表明，配备改进型脉冲电源的工具磨床刃磨出的PCD样品的刃口及刀面粗糙度均接近金刚石砂轮机械刃磨的质量。②通过调节脉冲电源的设置进行多级刃磨，并合理分配每级磨除量比例及刃磨时间，可获得较高的刃磨质量。
　　2.2 金刚石砂轮机械刃磨
　　金刚石砂轮机械刃磨是目前使用最广泛的PCD刀具刃磨方法，与放电刃磨相比，其刃磨效率较低（磨除率约为1.5mm3/min）、加工成本较高（磨耗比约为0.02min3/min3），但可获得良好的刀具刃口质量和完整光洁的前、后刀面。
　　（1）刃磨机理
　　金刚石砂轮机械刃磨PCD刀具的机理比较复杂，国内外学者对此进行了大量研究，目前主要存在以下几种观点：
　　①德国学者M.Kenter认为，金刚石砂轮磨削PCD刀具的过程中发生了刻划作用和滑动作用，材料的去除方式主要为粘结、刻划、摩擦化学反应和表面断裂。用扫描电子显微镜（SEM）观察3种被刃磨工件PCD-1（粒度2μm）、PCD-2（粒度10μm）和PCD-3（粒度25μm）的表面微观形貌时，在PCD-1上可观察到犁沟，而在其它两种PCD工件上观察不到犁沟。因此Kenter 认为：在绝大多数情况下，PCD材料的去除是以摩擦化学反应和表面断裂为主。随着磨削的进行，金刚石磨粒逐渐钝化，即使在PCD-1上也不易观察到犁沟。由于PCD材料脆性大，在金刚石磨粒的挤压下容易诱发裂纹，裂纹在机械和热应力作用下扩展，最终导致小片PCD材料剥落，同时摩擦热会使PCD发生石墨化和其它摩擦化学反应。
　　②GE公司的K.J.Dunn 等人用扫描电子显微镜对刃磨后的PCD复合片的表面微观形貌进行观察后认为，PCD材料的破坏机理主要为微观脆性破碎和疲劳破损。
　　③我国艾兴院士等人用开槽的金刚石砂轮磨削PCD，同时用超声波振动和激光照射来模拟磨削时的机械冲击和热冲击，根据试验结果，将PCD材料的去除方式归纳如下：当砂轮与PCD接触的瞬间，磨削力突然增大，剧烈的机械冲击使PCD表面产生裂纹，甚至有碎片产生。在稳定磨削期，砂轮磨粒在PCD表面上进行挤压和摩擦，当压力达到一定程度，PCD表面上会形成裂纹；当摩擦温度达到一定程度，PCD会发生石墨化和其它化学反应。通过实验发现，用开槽的金刚石砂轮进行磨削时，由于磨削力不连续，加之冷却液的周期冷却作用，有利于裂纹扩展，从而使开槽砂轮比非开槽砂轮的磨削效率高1～2倍。
　　（2）刃磨设备
　　PCD材料的特性决定了对PCD刀具刃磨机床的要求不同于普通工具磨床，即：
　　①要求砂轮主轴及机床整体具有很高的刚性和稳定性，以保持刃磨时砂轮对PCD材料的恒定压力。
　　②砂轮架可作横向摆动，以保证砂轮端面磨损均匀；砂轮架的摆动频率和摆动幅度可调。
　　③机床上应配置光学投影装置和高精度回转工作台。
　　④应采用专用金刚石砂轮。
　　（3）研究成果
　　德国学者M.Kenter通过试验，研究了金刚石砂轮机械刃磨PCD的工艺参数对磨除率、磨耗比的影响。由于PCD刀具刃磨为恒定压力磨削，因此M.Kenter采用磨除率和磨耗比作为试验评价标准。根据试验结果得出如下结论：
　　①为使杯状金刚石砂轮径向磨损均匀，应使砂轮与刀具的重合度≥1，通过调节刃磨机床砂轮摆动架的摆幅和频率可达到这一要求。
　　②分别增大砂轮旋转速度VC、恒定压力FA和PCD粒度，磨除率和磨耗比均随之增大。由于这三个工艺参数对磨除率和磨耗比影响程度最大，因此可通过改变其大小来提高刃磨效率，降低刃磨成本。
　　③砂轮粒度、金刚石浓度、结合剂种类、冷却液浓度等均对磨除率和磨耗比有一定影响。

　　3 研究方向
　　PCD刀具的放电刃磨和金刚石砂轮机械刃磨技术目前仍不完善，今后的主要研究方向有以下几点：
　　①刃磨后的PCD 刀具刃口质量及表面质量较差是放电刃磨工艺存在的突出问题；而金刚石砂轮机械刃磨工艺的主要缺点则是PCD 刀具刃磨效率低、刃磨成本高。为解决这些关键问题，需要对影响刃磨质量、刃磨效率、刃磨成本的关键参数建立数学模型，深入研究工艺要素的作用机理及相互关系，通过对工艺参数进行综合优化，改善刃磨工艺系统的性能。
　　②针对主要PCD产品的刃磨工艺进行计算机辅助设计。
　　③从理论上进一步深入研究PCD刃磨机理，以指导实用刃磨工艺的开发与完善。根据PCD材料的特性，对现有刃磨工艺方法进行复合研究，探索行之有效的新型刃磨工艺。
　　随着PCD刀具应用领域的不断扩展，对PCD刀具刃磨工艺的研究显得日益重要，而此项研究的成果也必将有力推动PCD刀具的发展和推广应用。