聚晶金刚石刀具

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。