聚晶金刚石刀具的刃磨工艺

　　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。