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劉峰斌 大連理工大學超硬材料工具研究所
1 引言
聚晶金剛石（PCD）是將粒度為微米級的金剛石微粉與少量金屬粉末（如CO）混合後在高溫（1400℃）、高壓（6000MPa）下燒結而成的 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：①極高的硬度和耐磨性；②高導熱性和低熱膨脹係數，切削時散熱快，切削溫度低，熱變形小；③摩 擦係數小，可降低加工表面粗糙度。但由於聚晶金剛石與鐵族元素有很強親和力，因此不適合加工黑色金屬及其合金。已實現商品化供貨的PCD復合片是將 0.5～0.7mm厚的PCD層燒結在硬質合金基體上制備而成，因此兼具了PCD的高硬度、高耐磨性和硬質合金的良好強度與韌性。
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出優良的切削性能，因此已廣泛應用於汽車、航空、航天、建材等工業領域。但是， PCD的高硬度、高耐磨性使刀具的刃磨相當困難，主要體現在材料磨除率小、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 用的障礙之一。為了突破這一工藝瓶頸，國內外學者進行了大量研究開發工作。
2 PCD刀具刃磨技術
PCD刀具的主要刃磨工藝有放電刃磨、金剛石砂輪機械刃磨、電解刃磨等，其中放電刃磨和金剛石砂輪機械刃磨在技術上已較為成熟，下面對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（EDM）（特別是電火花線切割和放電磨削）已廣泛應用於刀具製造。電火花放電加工技術用於刃磨PCD刀具稱為放電刃磨（EDG）。
（1）刃磨機理
放電刃磨原理與傳統的磨料磨削原理有根本區別，也不同於電解刃磨原理（既有磨料機械作用又有電化學作用）。放電刃磨是通過在電介質分離的砂輪電 極與刀具電極間放電產生瞬時高溫，將刀具材料熔化和氣化。刃磨PCD刀具時，由於金剛石不導電，所以刀具電極即為PCD中的金屬相構成的導電網絡，由此可 見，放電刃磨是一種熱蝕加工過程。由於電火花放電的溫度可高達8000～12000℃，因此PCD刀具刃磨時可能引起熱損和石墨化，尤其在PCD與硬質合 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。由於放電刃磨是一種非接觸刃磨過程，磨削力小到可 忽略不計，故刃磨效率很高。R.Wyss等人在一定實驗條件下得到的磨除率達4mm3/min，磨耗比為0.2mm3/mm3；而V.Baar等人在實驗 中則得到了1.0mm3/mm3的磨耗比。
（2）刃磨設備
放電刃磨時，通常採用碳氫化合物（如石蠟）作為砂輪電 極與工具電極間的電介質，工作電壓一般為直流80～200V，砂輪電極採用銅、鎢、石墨等 導電材料。根據刀具刃磨時的位置，放電刃磨可分為圓周放電刃磨和端面放電刃磨。刃磨過程中，砂輪作旋轉運動，使其能均勻磨損。在端面放電刃磨中，砂輪還需 左右擺動。脈衝電源是影響刃磨效率和刃磨質量的關鍵設備，因此脈衝電源的設計已成為放電刃磨的研究熱點。
（3）研究成果
國外學者對PCD刀具的放電刃磨技術開展了大量試驗研究，其中英國伯明翰大學的T.B.Thoe等人的研究成果較具代表性。他們的試驗在伯明翰 大學機械學院研製的EDG機床上進行。用於刃磨的PCD樣品牌號為Syndite CTB002、010、025和Compax 1500、1600。通 過試驗得出如下結論：①對於細晶粒PCD樣品，端面放電刃磨可獲得較好刃口質量；對於粗晶粒PCD樣品，圓周放電刃磨可獲得較好刃口質量。②增大電流、電 壓或脈衝寬度，可增大磨除率，提高刃磨效率，但同時會導致PCD刀具表面產生更深、更寬的裂紋。③細晶粒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於晶粒本身的尺寸，因此可獲得較好的刃磨質量。④粗晶粒PCD樣品與硬質合金交界面的侵蝕程度較大。
脈衝電源 及刃磨工藝步驟對PCD放電刃磨的質量有較大影響。德國學者E.Beck等人對此作了大量試驗研究。他們在 Vollmer QR 20P專用火花放電工具磨床上分別採用普通型和改進型兩種脈衝電源對PCD放電刃磨質量進行了對比試驗研究，試驗採用硅基合成油作 為電介質，以石墨作為砂輪電極（負極），主軸轉速為500r/min，樣品材料去除量為0.5mm。此外，在Microspark 200通用火花放電磨 床上進行了刃磨工藝步驟對PCD刃磨質量影響的試驗研究，試驗採用刃磨PCD專用脈衝電源，並根據磨除量及刃磨後的刃口粗糙度將脈衝電源設置為5級；試驗 樣品牌號為Syndite CTC002、CTB002、CTB010、CTB025，每種粒度PCD各取4件樣品，試驗中採用不同脈衝電源設置組合（即 不同工藝步驟）進行刃磨，然後測量刃口及刀面粗糙度。通過試驗得出如下結論：①脈衝電源的設計及可控性對刃磨質量可起到決定性作用，對比試驗結果表明，配 備改進型脈衝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械刃磨的質量。②通過調節脈衝電源的設置進行多級刃磨，併合理分配每 級磨除量比例及刃磨時間，可獲得較高的刃磨質量。 中國石材網
2.2 金剛石砂輪機械刃磨
金剛石砂輪機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量和完整光潔的前、後刀面。
（1）刃磨機理
金剛石砂輪機械刃磨PCD刀具的機理比較複雜，國內外學者對此進行了大量研究，目前主要存在以下幾種觀點：①德國學者M.Kenter認為，金 剛石砂輪磨削PCD刀具的過程中發生了刻劃作用和滑動作用，材料的去除方式主要為粘結、刻劃、摩擦化學反應和表面斷裂。用掃瞄電子顯微鏡（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，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 認為：在絕大多數情況下，PCD材料的去除是以摩擦化學反應和表面斷裂為主。隨著磨削的進行，金剛石 磨粒逐漸鈍化，即使在PCD-1上也不易觀察到犁溝。由於PCD材料脆性大，在金剛石磨粒的擠壓下容易誘發裂紋，裂紋在機械和熱應力作用下擴展，最終導致 小片PCD材料剝落，同時摩擦熱會使PCD發生石墨化和其它摩擦化學反應。②GE公司的K.J.Dunn 等人用掃瞄電子顯微鏡對刃磨後的PCD復合片的 表面微觀形貌進行觀察後認為，PCD材料的破壞機理主要為微觀脆性破碎和疲勞破損。③我國艾興院士等人用開槽的金剛石砂輪磨削PCD，同時用超聲波振動和 激光照射來模擬磨削時的機械衝擊和熱衝擊，根據試驗結果，將PCD材料的去除方式歸納如下：當砂輪與PCD接觸的瞬間，磨削力突然增大，劇烈的機械衝擊使 PCD表面產生裂紋，甚至有碎片產生。在穩定磨削期，砂輪磨粒在PCD表面上進行擠壓和摩擦，當壓力達到一定程度，PCD表面上會形成裂紋；當摩擦溫度達 到一定程度，PCD會發生石墨化和其它化學反應。通過實驗發現，用開槽的金剛石砂輪進行磨削時，由於磨削力不連續，加之冷卻液的週期冷卻作用，有利於裂紋 擴展，從而使開槽砂輪比非開槽砂輪的磨削效率高1～2倍。
（2）刃磨設備
PCD材料的特性決定了對PCD刀具刃 磨機床的要求不同於普通工具磨床，即：①要求砂輪主軸及機床整體具有很高的剛性和穩定性，以保持刃磨時砂 輪對PCD材料的恆定壓力。②砂輪架可作橫向擺動，以保證砂輪端面磨損均勻；砂輪架的擺動頻率和擺動幅度可調。③機床上應配置光學投影裝置和高精度回轉工 作台。④應採用專用金剛石砂輪。
（3）研究成果
德國學者M.Kenter通過試驗，研究了金剛 石砂輪機械刃磨PCD的工藝參數對磨除率、磨耗比的影響。由於PCD刀具刃磨為恆定壓力磨削，因此M.Kenter採用磨除率和磨耗比作為試驗評價標準。 根據試驗結果得出如下結論：①為使杯狀金剛石砂輪徑向磨損均勻，應使砂輪與刀具的重合度1，通過調節刃磨機床砂輪擺動架的擺幅和頻率可達到這一要求。② 分別增大砂輪旋轉速度VC、恆定壓力FA和PCD粒度，磨除率和磨耗比均隨之增大。由於這三個工藝參數對磨除率和磨耗比影響程度最大，因此可通過改變其大 小來提高刃磨效率，降低刃磨成本。③砂輪粒度、金剛石濃度、結合劑種類、冷卻液濃度等均對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械刃磨技術目前仍不完善，今後的主要研究方向有以下幾點：①刃磨後的 PCD 刀具刃口質量及表面質量較差是放電刃磨工藝存在的突出問題；而金剛石砂輪機械刃磨工藝的主要缺點則是PCD 刀具刃磨效率低、刃磨成本高。為解決 這些關鍵問題，需要對影響刃磨質量、刃磨效率、刃磨成本的關鍵參數建立數學模型，深入研究工藝要素的作用機理及相互關係，通過對工藝參數進行綜合優化，改 善刃磨工藝系統的性能。②針對主要PCD產品的刃磨工藝進行計算機輔助設計。③從理論上進一步深入研究PCD刃磨機理，以指導實用刃磨工藝的開發與完善。 根據PCD材料的特性，對現有刃磨工藝方法進行復合研究，探索行之有效的新型刃磨工藝。
隨著PCD刀具應用領域的不斷擴展，對PCD刀具刃磨工藝的研究顯得日益重要，而此項研究的成果也必將有力推動PCD刀具的發展和推廣應用。
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