聚晶金剛石刀具的刃磨工藝

　　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，國內(nèi)外學(xué)者對此進(jìn)行了大量研究，目前主要存在以下幾種觀點(diǎn)：①德國學(xué)者M(jìn).Kenter認(rèn)為，金剛石砂輪磨削PCD刀具的過程中發(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我國艾興院士等人用開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)。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，用開槽的金剛石砂輪進(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，從而使開槽砂輪比非開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

德國學(xué)者M(jìn).Kenter通過試驗(yàn)，研究了金剛石砂輪機(jī)械刃磨PCD的工藝參數(shù)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(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(jié)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(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)鍵問題，需要對影響刃磨質(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，通過對工藝參數(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)用刃磨工藝的開發(fā)與完善。根據(jù)PCD材料的特性，對現(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。