PCD刀具的刃口加工方法及技術(shù)①

蘇慧濤

（北京天地東方超硬材料有限公司，北京 100018）

PCD刀具的刃口加工方法及技術(shù)①

蘇慧濤

（北京天地東方超硬材料有限公司，北京 100018）

PCD刀具是20世紀70年代以后發(fā)展起來的一種新型刀具，其優(yōu)良的使用性能在現(xiàn)代加工工業(yè)中發(fā)揮著重要的作用，文章闡述了PCD刀具常用的刃口加工方法，即電火花加工、金剛石砂輪加工和金剛石研磨加工，具體分析了其加工方法的加工原理、影響因素、加工的狀況及應(yīng)用情況，說明通過合理選擇PCD刀具刃口加工方法來獲得良好的刃口質(zhì)量，可以提高被加工工件的加工質(zhì)量，延長刀具使用壽命。

PCD刀具；加工方法；加工原理；影響因素

1 PCD的性能及應(yīng)用

聚晶金剛石（PCD）［1］是將粒度為微米級的金剛石微粉與少量金屬粉末（如Co）混合后在高溫（1400℃）高壓（6000MPa）下燒結(jié)而成的聚晶體。與其它刀具材料相比，聚晶金剛石具有如下特點：①極高的硬度和耐磨性；②高導熱性和低熱膨脹系數(shù)，切削時散熱快，切削溫度低，熱變形??；③摩擦系數(shù)小，可降低加工表面粗糙度。但由于聚晶金剛石與鐵族元素有很強的親和力，因此不適合加工黑色金屬及其合金。

PCD刀具在有色金屬及其合金、非金屬材料及復(fù)合材料的切削中體現(xiàn)出優(yōu)良的切削性能，可用于制作車刀、鏜刀、銑刀和鉆頭、鉸刀、锪刀、鋸刀、鏤刀、剃刀及復(fù)合孔加工刀具（如圖1），廣泛用于航空航天、精密電子、醫(yī)療器械、汽車制造、風力發(fā)電等精密加工，現(xiàn)已成為如汽車零部件的切削加工，各種電動工具、電機加工及非金屬材料加工行業(yè)等必備的加工刀具。

圖1 常見的PCD刀具Fig.1 Common PCD cutting tools

2 PCD刀具的刃口對生產(chǎn)加工的影響

刀具具有鋒利的刃口對生產(chǎn)加工具有重要的影響，一方面在相同條件下鋒利的刀具刃口可以使加工變的輕便，從而降低切削力，提高加工效率，降低生產(chǎn)成本，另一方面鋒利的刀具刃口可以提高被加工工件的表面質(zhì)量和尺寸精度，進而提高工件的耐磨性、耐腐蝕性、耐疲勞性以及改善零部件的裝配精度和質(zhì)量，在PCD刀具的刃磨加工中，刃口處理對于提高刀具使用壽命十分重要。以加工發(fā)動機氣門孔用PCD刀具為例［2］，進口刀具的正常使用壽命為3萬件，但未經(jīng)刃口處理的自制刀具僅加工300件后零件尺寸即偏小超差，其主要原因是刀具初始磨損階段的磨損量超過了刀具公差，當?shù)毒吣p進入尺寸穩(wěn)定階段時，加工零件尺寸已超差，雖然刀具刃口狀況良好，但不得不報廢。刃口處理的目的就是刃磨時預(yù)留初始磨損量，當?shù)毒吣p進入尺寸穩(wěn)定階段時其加工尺寸正好處于公差范圍內(nèi)，以延長刀具使用壽命。

3 PCD刀具的電火花加工

3.1 電火花磨削加工PCD刀具

3.1.1 電火花磨削加工PCD的原理［4］

在極小的間隙下（如圖2），工件與工作電極之間的脈沖電壓使得介質(zhì)電離形成放電通道，電流流過放電通道時瞬間可產(chǎn)生高于10 000℃的高溫，使PCD材料局部融化甚至汽化，同時，介質(zhì)（煤油）在瞬間高溫的作用下汽化或者迅速膨脹，氣泡爆炸或氣體膨脹時產(chǎn)生的沖擊力把熔融的PCD表層金剛石拋出，從而蝕除PCD材料，加工出刀具刃口。放電過程中包括了PCD表層金剛石的汽化、金剛石的氧化以及表層金剛石向石墨和非晶碳的轉(zhuǎn)化、電火花放電產(chǎn)生的拋出力作用、熱應(yīng)力在金剛石表層產(chǎn)生的微裂紋以及金剛石晶粒的斷裂破碎等，其中金剛石的石墨化在電火花拋光PCD金剛石表層的過程中起關(guān)鍵作用，即起導電作用，維持導電通道的存在，使金剛石表層凸出尖峰頂部得以汽化，使得金剛石表層不斷的蝕除。工作電壓一般為直流80～200V，主軸轉(zhuǎn)速為500r／min。

圖2 電火花磨削加工PCD的原理圖Fig.2 Electrical discharge grinding processing PCD principle diagram

3.1.2 影響電火花磨削加工的因素

（1）脈沖電源的設(shè)計及可控性對刃磨質(zhì)量可起決定性作用，配備改進型脈沖電源的工具磨床刃磨出的PCD樣品的刃口及刀面粗糙度均接近金剛石砂輪機械刃磨的質(zhì)量。（2）通過調(diào)節(jié)脈沖電源的設(shè)置進行多級刃磨，并合理分配每級磨除量比例及刃磨時間，可獲得較高的刃磨質(zhì)量，即在實際生產(chǎn)中采用先大的開路電壓和峰值電流進行粗加工，再用較小的開路電壓和峰值電流進行精加工。

3.1.3 電火花磨削加工PCD刀具刃口狀況及應(yīng)用

電火花磨削加工所得的刀具刃口粗糙度要優(yōu)于線切割電火花加工，其磨削加工的平均表面粗糙度能達到0.1～0.25μm。但電火花磨削加工相對金剛石砂輪加工獲得的刃口較差，主要用于機加工刀具、竹木刀具、石墨刀具等領(lǐng)域的粗加工或半精加工。

3.2 慢走絲線切割加工PCD刀具

3.2.1 慢走絲線切割的原理

慢走絲線切割設(shè)備以銅絲作為電極絲，以純凈水為絕緣介質(zhì)。在銅絲與被加工材料之間施加60～300V的脈沖電壓，保持5～50μm間隙，間隙中充滿純凈水，銅絲以低于0.2m／s的速度作單向運動，使電極與被加工物之間發(fā)生火花放電，并彼此被消耗、腐蝕。在慢走絲線切割放電加工PCD材料的過程中，脈沖電路部分給工作臺加以直流脈沖高電平，給銅絲加以直流脈沖低電平，在高電平和低電平之間形成電場，在加工的過程中以純凈水作為工作介質(zhì)，以純凈水為冷卻液，在水中存在大量的電子和少量的離子，電子在電場力的作用下作高速運動，電子高速運動使它不停地撞擊PCD材料，PCD材料在高速運動的電子撞擊下產(chǎn)生很大的熱能，局部溫度可達到1000℃～10000℃，從而把PCD材料局部熔掉，實現(xiàn)加工的目的。

3.2.2 影響慢走絲加工的因素［3］

（1）放電能量的大小 放電脈寬時間和主電源電壓影響放電能量的大小，放電能量增大，可以增大PCD材料的去除率，從而提高加工效率。但是同時放電能量的增大會使放電過程中的熱膨脹和局部微爆炸作用增強，從而使得刀具刃口質(zhì)量變差，這樣會增大被加工工件表面的粗糙度，降低加工表面質(zhì)量。而且由于較高的放電能量會導致電極絲損耗加快甚至可能斷絲。為保證加工過程的穩(wěn)定進行，主電源電壓需要保持恒定。一般不對主電源電壓進行調(diào)整。

（2）伺服速度和伺服基準電壓方面 增大伺服速度值可以提高加工刀具的精度，但也降低加工效率。一般對伺服速度的調(diào)整不應(yīng)過大，而且還要考慮防止產(chǎn)生振動。調(diào)高伺服基準電壓值會提高加工精度但降低加工速度，且對加工速度的影響更為明顯。

（3）電極絲方面 在電極絲承受范圍內(nèi)提高張力可以提高加工刀具的精度。因為通過增大電極絲的張力可以有效減緩水壓和放電時產(chǎn)生的爆炸力對電極絲的滯后作用，此外還可以有效地抑制電極絲的振動。但同時加工效率會有所下降。提高電極絲速度也可以提高加工刀具的精度。因為提高電極絲速度有利于把工作液帶入工件放電間隙，加快電蝕產(chǎn)物的排出，且能加強對電極絲的冷卻。但電極絲速度過高會造成電極絲在運行時的振動，使得加工精度變差甚至會引起斷絲。

（4）PCD刀片的影響 PCD刀片中金剛石的含量越低，粒度越細的相對容易加工。

3.2.3 慢走絲加工PCD刀具刃口狀況及應(yīng)用

我國的線切割加工精度大都為0.01～0.02mm，加工表面粗糙度一般為Ra1.25～2.5μm，加工刀具刃口相對較差，主要用于粗加工和半精加工，在用來制作機加工刀具、地質(zhì)鉆頭、拉絲模、木工刀及成型刀具等形狀復(fù)雜的刀具加工，可以取得良好的經(jīng)濟效益。

4 金剛石砂輪加工PCD刀具

4.1 金剛石砂輪加工的原理［4］

磨削加工機理是在PCD刀具磨床（如圖3）上，通過金剛石砂輪對PCD材料的不斷沖擊而形成的微破碎、磨損、脫落、解理等機械作用和氧化、石墨化熱化學作用混合的結(jié)果。

4.2 金剛石砂輪加工的影響因素［5］

（1）機床的影響

①由于PCD材料硬度很高，刃磨時磨削力大（一般達100～500N）因此磨床主軸系統(tǒng)和刀具裝夾系統(tǒng)必須有較高的抗變形能力。

②磨床主軸精度要好，一般砂輪端面跳動應(yīng)≤0.02mm。砂輪端面跳動過大，磨削時砂輪斷續(xù)沖擊切削刃，容易使切削刃發(fā)生崩口，難以獲得高精度切削刃。

③由于PCD磨削比極低，根據(jù)PCD的磨削加工機理采用短程擺動機構(gòu)有利于提高磨削效率，改善刀具刃口質(zhì)量。一般擺動距離0～50mm，擺動速度20～60次／分。

圖3 常規(guī)PCD刀具磨床Fig.3 Conventional PCD cutting tool grinding machine

④由于PCD材料硬脆而耐磨，通常將其刀尖設(shè)計為圓弧狀，以減小刀具和工件相對振動的幅值。為了實現(xiàn)刀尖圓弧的加工，機床的刀夾應(yīng)具有高精度回轉(zhuǎn)功能和刀尖圓弧半徑尺寸與質(zhì)量在線檢測裝置。這樣可避免多次裝夾帶來的定位誤差，同時可成倍提高加工效率。

（2）砂輪的影響

①砂輪結(jié)合劑的選擇 刃磨砂輪應(yīng)優(yōu)先選用陶瓷結(jié)合劑金剛石砂輪。因為在磨削過程中陶瓷結(jié)合劑易發(fā)生微裂使磨粒得到更新自銳，使磨削過程平穩(wěn)，有利于提高加工表面的精度和效率；次之可選用耐熱性較高的樹脂結(jié)合劑金剛石砂輪。

②砂輪回轉(zhuǎn)方向 務(wù)必從刀具前刀面向后刀面回轉(zhuǎn)。從磨削時PCD刀具切削刃的受力可知，當砂輪從刀具前刀面向后刀面回轉(zhuǎn)時，其磨削力（切向與法向力之和）作用于切削刃向內(nèi)，即刀具受壓應(yīng)力，不易崩刀；反之則為拉應(yīng)力，切削刃易崩口。若因刀具結(jié)構(gòu)原因必須反轉(zhuǎn)刃磨時，則選用樹脂結(jié)合劑砂輪優(yōu)于金屬和陶瓷結(jié)合劑砂輪。

③砂輪粒度的選擇 切削刀具刃磨的目的之一是獲取性價比高的切削刃口質(zhì)量，而質(zhì)量好壞的關(guān)鍵在于刃磨砂輪粒度的選擇。砂輪粒度越細，切削刃崩口越小，而磨削效率越低。為此可根據(jù)刀具切削刃的精度、用途及其失效程度，將PCD切削刀具刃磨工藝分為粗、精兩個加工階段。根據(jù)具體情況選擇合理砂輪粒度及工藝不僅可以提高加工效率，而且可以達到節(jié)約成本的效果（如表1）。

④砂輪開刃 由于用金剛石砂輪加工PCD刀具時，砂輪會發(fā)生堵塞、鈍化、高溫和快速磨損，導致加工速度降低和振紋、噪音、燒傷的產(chǎn)生。因此要適時注意砂輪開刃，且開刃油石粒度要合適。通常選擇比所用砂輪粒度細1～2號的軟碳化硅油石作為開刃油石。

表1 砂輪粒度選擇及工藝Table 1 Wheel size selection and process

⑤砂輪冷卻 PCD刃磨冷卻液應(yīng)優(yōu)選水基磨削液。由于PCD材料硬度高且耐熱性差，水基磨削液冷卻效果優(yōu)于油基磨削液，可提高加工效率和刃口質(zhì)量。另外磨削過程中冷卻要充分，不能斷流，避免因磨削液量小或斷續(xù)供給造成金剛石（砂輪、刀具）的大量消耗（氧化、石墨化）和刀具的刃口破損。

4.3 金剛石砂輪加工PCD刀具刃口狀況及應(yīng)用

金剛石砂輪加工主要用于機械加工領(lǐng)域常規(guī)刀具的加工，可用于加工車刀、鏜刀、銑刀、鉆頭、刨刀、槽刀、螺紋刀等，由于可對PCD刀片粒度、刃磨砂輪的粒度及加工要素進行調(diào)整，因此金剛石砂輪加工PCD刀具可廣泛應(yīng)用于粗加工、半精加工及精加工。

5 金剛石研磨加工PCD刀具

5.1 研磨原理［6］

PCD刀具在一定的壓力下與高速旋轉(zhuǎn)的高速鋼盤之間發(fā)生摩擦，產(chǎn)生摩擦熱，使研磨面的溫度升高，研磨面上產(chǎn)生的高溫，有利于PCD中研磨面的金剛石晶粒產(chǎn)生氧化、石墨化、擴散、粘結(jié)以及熱應(yīng)力破損等，從而達到研磨的目的。

5.2 研磨影響因素

研磨的影響因素有研磨盤的平面度、動平衡、端面跳動、研磨線速度、研磨膏的粒度，以我廠的空氣軸承高精磨床進行試驗：①研磨盤的端面跳動越小加工刃口相對越好，一般在10μm以內(nèi)為宜，研磨盤動平衡越小相對越好，一般控制在0.3g.mm／kg以內(nèi)為宜。②經(jīng)實驗研磨盤線速度穩(wěn)定在20～30m／s加工刃口最好。③研磨膏越細相對刃口越好，但太細又會影響加工效率，一般粗研用5μm的金剛石研磨膏，精研用小于1μm的金剛石研磨膏研磨可達到良好的刃口質(zhì)量。

5.3 金剛砂研磨加工PCD刀具刃口狀況及應(yīng)用

采用金剛石研磨膏進行刃磨加工的刀具主要應(yīng)用于超精密加工領(lǐng)域，加工表面粗糙度可達到Ra0.04μm，達到12級的表面粗糙度。

6 結(jié)論

隨著PCD刀具應(yīng)用的日益廣泛，客戶對PCD刀具的要求也越來越苛刻，選擇合理的刃口加工方法不僅可以取得良好的生產(chǎn)效益，而且可以讓客戶獲得理想的刀具和合格的被加工產(chǎn)品質(zhì)量，進而讓客戶公司取得良好的效益，從而充分發(fā)揮PCD刀具在現(xiàn)代工業(yè)中的優(yōu)勢，然而，由于PCD刀具的特殊性能，使其刃口加工比較困難，在一定程度上妨礙了它的推廣，因此PCD刀具的刃口加工方法還有待進一步的深入研究。

［1］ 莊心輔.新型金屬切削刀具設(shè)計制造與新材料選用及檢測標準匯編［M］.北京：中國電子科技出版社，575－577.

［2］ 劉濤，許立福，周麗.聚晶金剛石加工技術(shù)的研究現(xiàn)狀［J］.工具技術(shù)，2011（1）.

［3］ 曹鳳國，等.電火花加工技術(shù)［M］.北京：化學工業(yè)出版社，2005.

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Processing method and technology of PCD cutting tool edge

SU Hui-tao
（Beijing Tiandi Orient Super-hard Materials Co.，Ltd.，Beijing100018）

The PCD cutting tool is a new type of tool developing since the 70＇s，its good performances has played an important role in modern processing industry.This paper describes the PCD cutting tool commonly used parts processing method，i.e.，electrical discharge machining，diamond grinding wheel processing and diamond grinding processing，analyzes the processing principle，influence factors，processing condition and application situation etc..By choosing the reasonable PCD cutting tool edge processing method to obtain good edge，it can improve the quality of processed workpiece and prolong the service life of cutting tools.

PCD cutting tool；edge processing method

TQ164

A

1673－1433（2013）02－0031－05

2013－02－25

蘇慧濤（1982－），男，畢業(yè)于河南工業(yè)大學材料科學與工程學院，助理工程師，主要從事超硬材料刀具的設(shè)計與生產(chǎn)工作。