聚晶金剛石刀具研磨質(zhì)量及去除機(jī)理研究

王 森，董 海，谷 雨，王 明，王加威

（大連理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 遼寧 大連 116086）

PCD兼?zhèn)浣饎偸母哂捕?、高耐磨性與硬質(zhì)合金的韌性，是一種較為理想的刀具材料[1]。目前，PCD刀具用于切削銅、鋁等有色金屬及其合金，主要應(yīng)用在航空航天、汽車制造以及精密醫(yī)療器械等領(lǐng)域[2]。然而，由于金剛石的高硬脆性，PCD刀具在研磨過程中容易產(chǎn)生刃口崩缺、表面缺陷等問題，很難獲得高研磨質(zhì)量的刀具[3]。因此，為提高PCD刀具的研磨質(zhì)量，國內(nèi)外學(xué)者對其研磨工藝與去除機(jī)理進(jìn)行了研究[4]。

鄧福銘等[5]分別利用電火花加工工藝與金剛石砂輪研磨工藝對PCD刀具進(jìn)行加工，確定金剛石砂輪研磨是PCD刀具加工較為合適的工藝。ZHANG等[6-7]探究了不同粒度、濃度、結(jié)合劑的金剛石砂輪對PCD刀具后刀面形貌的影響規(guī)律，并降低了后刀面粗糙度。賈乾忠[8]對研磨后的PCD刀具切削刃形貌進(jìn)行掃描電子顯微鏡（SEM）觀測，分析了切削液、砂輪轉(zhuǎn)速、工作臺調(diào)定壓力和進(jìn)給量對切削刃研磨質(zhì)量的影響規(guī)律，并優(yōu)選了研磨工藝參數(shù)。師潤平等[9-10]探究了各工藝參數(shù)對刃口崩缺與刃口鈍圓半徑的影響規(guī)律，且提高了切削刃質(zhì)量。李嫚等[11-12]基于PCD研磨后的表面形貌，提出了PCD的脆性與非脆性去除機(jī)理，并給出了相應(yīng)的發(fā)生條件。上述研究大多以單一指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化或者僅利用SEM照片進(jìn)行定性分析，很難全面反映PCD刀具的整體研磨質(zhì)量。

針對PCD刀具研磨的質(zhì)量問題，開展PCD刀具研磨工藝試驗(yàn)，探究不同水平的工藝參數(shù)對刃口鈍圓半徑、刃口缺陷度（刃口崩缺的最大值）與后刀面粗糙度的影響規(guī)律，并對PCD刀具研磨工藝進(jìn)行優(yōu)化。此外，分析不同水平工藝參數(shù)下的PCD研磨去除機(jī)理，確定可獲得高研磨質(zhì)量的PCD加工方式。

1 恒壓力研磨工藝及設(shè)備

采用恒壓力研磨工藝開展PCD刀具研磨試驗(yàn)。恒壓力研磨運(yùn)動可分為4部分：①砂輪轉(zhuǎn)動；②砂輪往復(fù)橫向擺動；③工作臺旋轉(zhuǎn)；④工作臺進(jìn)給。恒壓力研磨工藝如圖1所示。

圖1 恒壓力研磨示意圖Fig.1 Schematic diagram of constant pressure grinding

在FC–200D高精度工具磨床上進(jìn)行試驗(yàn)，磨床結(jié)構(gòu)如圖2所示。該磨床在滿足以上運(yùn)動的同時，還配備有高清監(jiān)測系統(tǒng)（可對刀尖進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測）。

圖2 FC–200D高精度工具磨床Fig.2 FC–200D high-precision tool grinder

2 PCD刀具研磨工藝試驗(yàn)

以DCMT11T304標(biāo)準(zhǔn)機(jī)夾刀片的研磨工藝為對象，選擇刃口鈍圓半徑、刃口缺陷度與后刀面粗糙度為研磨質(zhì)量的評價指標(biāo)，進(jìn)行正交試驗(yàn)，探究不同的金剛石砂輪、砂輪轉(zhuǎn)速與工作臺調(diào)定壓力對研磨質(zhì)量的影響規(guī)律，并優(yōu)化工藝參數(shù)。

試驗(yàn)采用Element Six公司生產(chǎn)的CTB010復(fù)合片（平均粒度為10 μm）。試驗(yàn)所用的金剛石砂輪形狀均為杯形，尺寸均為φ150 mm × 40 mm × 15 mm ×5 mm，金剛石濃度均為125%，研磨時擺動的頻率為40次/min，擺幅為10 mm。試驗(yàn)利用TSM–1水溶液進(jìn)行冷卻。

采用擬水平正交試驗(yàn)，具體試驗(yàn)工藝參數(shù)及水平如表1所示。

表1 PCD刀具研磨工藝正交試驗(yàn)Tab.1 Orthogonal test of PCD tool grinding process

利用VHX–600E超景深顯微鏡對刃口鈍圓半徑與刃口缺陷度進(jìn)行測量，刃口鈍圓半徑測量如圖3所示；利用ZYGO9000光學(xué)表面輪廓儀對后刀面粗糙度進(jìn)行測量，如圖4所示，圖中Sa即為后刀面粗糙度。每組試驗(yàn)制作5把PCD刀具，取各指標(biāo)均值作為試驗(yàn)結(jié)果。

圖3 刃口鈍圓半徑的測量Fig.3 Measurement of blunt circle radius of cutting edge

圖4 后刀面粗糙度的測量Fig.4 Measurement of flank roughness

3 工藝參數(shù)優(yōu)化及分析

PCD刀具研磨工藝試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。采用極差法對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，結(jié)果如表3所示。

表2 PCD刀具研磨工藝正交試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Orthogonal test results of PCD tool grinding process

表3 極差分析結(jié)果Tab.3 Range analysis results

刃口鈍圓半徑的均值隨著試驗(yàn)因素水平的變化如圖5所示。由圖5可知：使用4/5陶瓷基金剛石砂輪可以獲得較小的刃口鈍圓半徑；隨砂輪轉(zhuǎn)速的升高，刃口鈍圓半徑減??；隨工作臺調(diào)定壓力的升高，刃口鈍圓半徑先減小后增大。

圖5 刃口鈍圓半徑正交試驗(yàn)結(jié)果Fig.5 Orthogonal test results of blunt circle radius of cutting edge

刃口缺陷度的均值隨著試驗(yàn)因素水平的變化如圖6所示。由圖6可知：使用4/5陶瓷基金剛石砂輪可以獲得較小的刃口缺陷度；隨砂輪轉(zhuǎn)速的升高，刃口缺陷度先減小后增大；隨工作臺調(diào)定壓力的升高，刃口缺陷度先減小后增大。

圖6 刃口缺陷度正交試驗(yàn)結(jié)果Fig.6 Orthogonal test results of edge defect

后刀面粗糙度的均值隨著試驗(yàn)因素水平的變化如圖7所示。由圖7知：使用4/5陶瓷基金剛石砂輪可以獲得較小的后刀面粗糙度；隨著砂輪轉(zhuǎn)速的升高，后刀面粗糙度先減小后增大；隨工作臺調(diào)定壓力的升高，后刀面粗糙度增大。

圖7 后刀面粗糙度正交試驗(yàn)結(jié)果Fig.7 Orthogonal test results of flank roughness

利用極差分析判斷試驗(yàn)因素對各優(yōu)化指標(biāo)的影響程度。因素對刃口鈍圓半徑的影響程度為：工作臺調(diào)定壓力 ＞ 金剛石砂輪種類 ＞ 砂輪轉(zhuǎn)速；對于刃口缺陷度的影響程度為：金剛石砂輪種類 ＞ 工作臺調(diào)定壓力 ＞砂輪轉(zhuǎn)速；對于后刀面表面粗糙度的影響程度為：砂輪轉(zhuǎn)速影響最大，金剛石砂輪種類與工作臺調(diào)定壓力影響相當(dāng)。根據(jù)影響程度綜合分析，試驗(yàn)范圍內(nèi)的最優(yōu)研磨工藝參數(shù)組合是：4/5陶瓷基金剛石砂輪，砂輪轉(zhuǎn)速為1 000 r/min，工作臺調(diào)定壓力為170 N。

4 PCD研磨去除機(jī)理分析

對不同水平研磨工藝參數(shù)下的PCD刀具后刀面進(jìn)行SEM與ZYGO光學(xué)表面輪廓儀觀測，結(jié)果如圖8～圖12所示。

圖8中，金剛石表面由微細(xì)破碎形成的細(xì)小平面堆疊而成。微細(xì)破碎通常發(fā)生在金剛石的（111）解理面，當(dāng)磨粒對金剛石的接觸應(yīng)力超過解理面的強(qiáng)度極限時，就會引起金剛石的解理。PCD在燒結(jié)過程中產(chǎn)生的位錯與孿晶使解理方向發(fā)生轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致金剛石只能以微小顆粒的形式破碎，不會產(chǎn)生大塊的脫落[13]。

圖8 刀具1（6/8金屬基，800 r/min，170 N）Fig.8 Tool 1 (6/8 metal base, 800 r/min, 170 N)

砂輪轉(zhuǎn)速提升到1 000 r/min時（圖9），金剛石表面仍留有微細(xì)破碎的痕跡，但是較刀具3平整。這說明：微細(xì)破碎受砂輪轉(zhuǎn)速的影響，適當(dāng)提高砂輪轉(zhuǎn)速可使剝落的金剛石顆粒減小，表面也更平整。

圖9 刀具2（6/8金屬基，1 000 r/min，170 N）Fig.9 Tool 2 (6/8 metal base, 1 000 r/min, 170 N)

砂輪轉(zhuǎn)速提升到1 200 r/min時（圖10），晶界處形成更多的白色物質(zhì)，并且金剛石表面出現(xiàn)較深的剝落坑。這是由于隨著砂輪轉(zhuǎn)速的升高，磨削溫度升高導(dǎo)致黏結(jié)劑Co發(fā)生了氧化反應(yīng)。PCD中的Co及其氧化物通常以微晶或不完整的晶型出現(xiàn)，在表面張力下呈球狀凸出表面[14]。經(jīng)砂輪的研磨，Co及其氧化物在晶界處截面積更大，若整體脫落就形成剝落坑。

圖10 刀具3（6/8金屬基，1 200 r/min，170 N）Fig.10 Tool 3 (6/8 metal base, 1 200 r/min, 170 N)

當(dāng)工作臺調(diào)定壓力為70 N時，PCD表面覆蓋大量Co的氧化物，但金剛石表面較為平滑（圖11a）。這是因?yàn)楣ぷ髋_調(diào)定壓力較小，磨粒對PCD產(chǎn)生的局部應(yīng)力不足以使金剛石破碎，只能通過反復(fù)劃擦將金剛石去除。從表面輪廓儀上可以明顯觀察到磨粒留下的劃痕（圖11b）。劃擦作用可以獲得平滑的金剛石表面，產(chǎn)生的磨削熱也使得Co發(fā)生氧化反應(yīng)產(chǎn)生大量氧化物。

圖11 刀具4（6/8金屬基，1 000 r/min，70 N）Fig.11 Tool 4 (6/8 metal base, 1 000 r/min, 70 N)

工作臺調(diào)定壓力提高到270 N時（圖12），金剛石表面出現(xiàn)了大量的裂紋。這些裂紋大多發(fā)生在晶界處，然后向內(nèi)部蔓延，導(dǎo)致微細(xì)破碎更容易在晶界處發(fā)生。有2方面原因：①晶界因燒結(jié)過程中產(chǎn)生的缺陷強(qiáng)度降低，在較大的壓力沖擊下首先產(chǎn)生裂紋，而后向金剛石內(nèi)部蔓延，導(dǎo)致金剛石破碎；②由于晶界處的Co與金剛石的熱膨脹系數(shù)差異較大，晶界在磨削熱作用下產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。當(dāng)內(nèi)應(yīng)力足夠大時，金剛石邊界處就會產(chǎn)生裂紋，進(jìn)而發(fā)生金剛石的破碎。

圖12 刀具5（6/8金屬基，1 000 r/min，270 N）Fig.12 Tool 5 (6/8 metal base, 1 000 r/min, 270 N)

根據(jù)以上分析，隨著工作臺調(diào)定壓力的增大，PCD的主要去除方式從劃擦作用轉(zhuǎn)變?yōu)槲⒓?xì)破碎，且在270 N壓力下的沿晶裂紋加劇了PCD的微細(xì)破碎。隨砂輪轉(zhuǎn)速的升高，微細(xì)破碎剝落的顆粒逐漸減小；當(dāng)砂輪速度為1 200 r/min時，Co及其氧化物整體脫落導(dǎo)致PCD表面產(chǎn)生較多剝落坑。綜上所述，1 000 r/min砂輪轉(zhuǎn)速、170 N工作臺調(diào)定壓力在保證較小刃口鈍圓半徑與刃口缺陷度的同時，可以獲得相對平整的PCD表面。

5 結(jié)論

（1）工作臺調(diào)定壓力對刃口鈍圓半徑影響最為顯著；金剛石砂輪種類對刃口缺陷度影響最為顯著；砂輪轉(zhuǎn)速對后刀面粗糙度影響最為顯著。

（2）使用4/5陶瓷基金剛石砂輪、1 000 r/min砂輪轉(zhuǎn)速、170 N工作臺調(diào)定壓力可以獲得研磨質(zhì)量較好的PCD刀具。

（3）試驗(yàn)條件下PCD的去除方式主要有劃擦作用與微細(xì)破碎。在1 000 r/min砂輪轉(zhuǎn)速、170 N工作臺調(diào)定壓力下的微細(xì)破碎在保證較小刃口鈍圓半徑與刃口缺陷度的同時，可以獲得較為平整的PCD表面。