1、PCD 刀具的特點(diǎn)

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聚晶金剛石 (PCD)是將粒度為微米級(jí)的金剛石微粉與少量金屬粉末 (如Co) 混合后在高溫(1400℃)、高壓(6000M Pa)下燒結(jié)而成的聚晶體。與其它刀具材料相比，PCD具有極高的硬度和耐磨性、高導(dǎo)熱性、低熱膨脹系數(shù)、摩擦系數(shù)小、切削散熱快、切削溫度低、熱變形小、可降低加工表面粗糙度等性能特點(diǎn)。但由于PCD與鐵族元素有很強(qiáng)親和力，因此不適合加工黑色金屬及其合金。

已實(shí)現(xiàn)商品化供貨的PCD復(fù)合片是將0.5 ～0.7mm 厚的PCD層燒結(jié)在硬質(zhì)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(zhì)合金的良好強(qiáng)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(xiàn)出優(yōu)良的切削性能，已廣泛應(yīng)用于汽車、航空、航天、建材等工業(yè)領(lǐng)域。但是，PCD 的高硬度、高耐磨性使刀具刃磨相當(dāng)困難，主要體現(xiàn)在材料磨除率小 、砂輪損耗大 、刃磨效率低 、刃口呈鋸齒狀等。PCD刀具的刃磨工藝性已成為其推廣應(yīng)用的障礙之一，為了突破這一工藝瓶頸，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究開發(fā)工作。

2、PCD刀具的金剛石砂輪刃磨工藝

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常用的PCD刀具刃磨工藝有金剛石砂輪機(jī)械刃磨 、放電刃磨 、電解刃磨等 ，其中以金剛石砂輪機(jī)械刃磨在技術(shù)上最為成熟，在目前使用也最為廣泛。該方法雖然刃磨效率較低 、加工成本較高 ，但可獲得良好的刀具刃口質(zhì)量和完整 、光潔的前后刀面。

2.1刃磨加工機(jī)理

金剛石砂輪機(jī)械刃磨 PCD刀具的材料去除機(jī)理比較復(fù)雜，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)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(guó)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。他認(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。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)。

(2)GE公司的 K ．J．Dunn 等人用掃描電子顯微鏡對(duì)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(guó)艾興院士等人認(rèn)為PCD材料的去除方式為：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)生裂紋甚至破碎。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)到一定程度時(shí)，PCD表面會(huì)形成裂紋；當(dāng)摩擦溫度達(dá)到一定程度時(shí)，PCD會(huì)發(fā)生石墨化和其它化學(xué)反應(yīng)。

2.2刃磨機(jī)床條件

PCD材料的特性決定了對(duì)PCD刀具刃磨機(jī)床的要求：不能等同于普通工具磨床，即必須滿足以下條件 ：

(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(duì) PCD 材料的恒定壓力。

(2)砂輪架可橫向擺動(dòng)，以保證砂輪端面磨損均勻，砂輪架的擺動(dòng)頻率和幅度可調(diào)。

(3)配置光學(xué)投影裝置和高精度回轉(zhuǎn)工作臺(tái)。

(4)采用專用金剛石砂輪。

2.3 刃磨工藝流程

(1)刃磨機(jī)床的選用

由于 PCD 刀具具有很高的硬度和耐磨性，刃磨要求較高，一般機(jī)床很難達(dá)到刃磨精度要求。針對(duì)PCD刀的特點(diǎn)和機(jī)械刃磨必備條件，我們選用了瑞士生產(chǎn)的 EWAG RS15超硬刀具磨床 (見圖 1)。該機(jī)床是目前世界上較先進(jìn)的超硬刀具磨床之一，具有以下特點(diǎn)：

①機(jī)床整體剛性高，穩(wěn)定性好；

②磨削主軸可實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速(1000--8000rpm )；

③磨削壓力可調(diào)(0～400N )且穩(wěn)定性好，并能往復(fù)擺動(dòng)，擺動(dòng)幅度

(0 ～70mm )和頻率(30～60 次／分 )可調(diào)；

④配備高精度光學(xué)投影儀和回轉(zhuǎn)工作臺(tái)，一次裝夾即可完成定位一磨削一測(cè)量全過程；

⑤配有數(shù)顯裝置，尺寸精度達(dá) 0.001ram 。

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(2)砂輪的選用

PCD刀具的機(jī)械刃磨主要是依靠與金剛石砂輪的摩擦化學(xué)反應(yīng)和表面斷裂來切除多余材料，金剛石砂輪的粒度 、濃度和結(jié)合劑等對(duì)PCD刀具刃磨的質(zhì)量和效率影響很大。因此，正確選用砂輪十分重要。經(jīng)過比較，我們選用了歐洲產(chǎn)的泰利萊 ( TY—R0LIT)砂輪，該砂輪的金剛石磨粒一粒粒植入砂輪，有序排列，每分鐘磨除率是普通金剛石砂輪的20～30倍。經(jīng)驗(yàn)表明，在可以滿足加工質(zhì)量要求的前提下,應(yīng)盡量選用粒度較大的砂輪。我們選用的金剛石磨粒粒度為：粗磨 粒度 22um ；半精磨粒度15um ；精磨粒度 9um 。

(3)砂輪的平衡

選定砂輪后，需對(duì)砂輪進(jìn)行平衡。首先將砂輪平衡儀放置于鏡面臺(tái)上進(jìn)行校準(zhǔn)，通過調(diào)整平衡儀底部的3個(gè)平衡螺母，使平衡儀內(nèi)的平衡水泡位于正中央即可。然后將砂輪滑人砂輪調(diào)整棒中，調(diào)整砂輪側(cè)面的3個(gè)平衡螺釘使其均布(相互夾63角約為120)，直至平衡儀內(nèi)的平衡水泡再次位于正中央，砂輪即實(shí)現(xiàn)了平衡。

(4)回轉(zhuǎn)中心與光學(xué)中心對(duì)中對(duì)PCD刀具進(jìn)行裝夾和調(diào)整

首先需將十字工作臺(tái)的回轉(zhuǎn)中心與光學(xué)投影儀的中心對(duì)中重合，通過調(diào)整光學(xué)投影儀的緊定螺釘，使刀尖最高點(diǎn)分別與投影儀內(nèi)的外側(cè)某一大 圓弧在270°、0°、90°處相切；然后根據(jù) 圖紙要求，把裝夾好的 PCD刀具通過十字工作臺(tái)調(diào)整到光學(xué)投影儀的基準(zhǔn)線上 ，該位置就是刃磨加工位置。為保證 PCD刀具的加工精度要求，所有刃磨尺寸應(yīng)在一次裝夾中完成，修磨 PCD刀具時(shí)，應(yīng)將所有磨損量全部切除。

(5)選擇砂輪擺幅

由于金剛石砂輪較昂貴，為充分利用砂輪的磨削能力和防止出現(xiàn)溝痕，應(yīng)根據(jù) PCD 刀具尺寸合理選擇砂輪擺動(dòng)幅值。

(6)確定刃磨速度 、頻率及其它參數(shù)

通過大量試驗(yàn)，確定刃磨 PCD刀具的轉(zhuǎn)速為2300 ～2500r/min ( 150ram砂輪 )，砂輪正向旋轉(zhuǎn)。通常刃磨頻率越高，磨除率也越大，PCD刀具刃磨頻率選取 60 次／min。其它參數(shù)：水基冷卻液濃度 4％，磨削壓力 2.5Bar(約167N)。

(7)砂輪的清潔

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砂輪磨削加工一段時(shí)問后 ，磨粒之間的縫隙會(huì)被磨屑填滿，導(dǎo)致磨削面變鈍，加工效率降低(此時(shí)砂輪磨削時(shí)往往發(fā)出吱吱尖嘯聲)。為保持砂輪的切削能力，需要經(jīng)常對(duì)砂輪切削面進(jìn)行清潔，方法是將碳化硅(SIC)磨石壓在砂輪磨削面上旋轉(zhuǎn)打磨。

(8)刃磨前后刀片的處理

刃磨PCD刀具之前,應(yīng)觀察前后刀面是否有鋁屑，如有，用金剛石油石將其擦除。刃磨完成后，用金剛石研磨膏研磨前端面。經(jīng)粗磨 、半精磨 、精磨 、研磨處理的 PCD刀具才能真正達(dá)到使用要求。

(9)刀具的檢測(cè)

刃磨完成后 ，可在機(jī)床的投影儀上直接檢測(cè)PCD刀具的尺寸精度和刃口平直度 ，不允許有凹凸不平或鋸齒形等明顯缺陷。刃口平直度也可在100倍以上顯微鏡下檢查。