聚晶金剛石刀具的刃磨工藝

　　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、后刀面。

　　（1）刃磨機理

　　金剛石砂輪機械刃磨PCD刀具的機理比較復雜，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，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。由于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 等人用掃描電子顯微鏡對刃磨后的PCD復合片的表面微觀形貌進行觀察后認為，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沖擊和熱沖擊，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，劇烈的機械沖擊使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，由于磨削力不連續，加之冷卻液的周期冷卻作用，有利于裂紋擴展，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于普通工具磨床，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材料的恒定壓力。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臺。④應采用專用金剛石砂輪。

　　（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、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，今后的主要研究方向有以下幾點：①刃磨后的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系，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。