聚晶金剛石高速研磨實驗研究*

許立福 劉 濤 黃樹濤 周 麗

（沈陽理工大學機械工程學院，遼寧沈陽 110159）

聚晶金剛石（Polycrystalline Diamond簡稱PCD）是20世紀70年代以來發展起來的一種新型材料。具有接近天然金剛石的硬度、耐磨性、化學性能穩定以及與硬質合金相當的抗沖擊性［1］。在現代工業、國防和高新技術等領域得到日益廣泛的應用［2］，其中用于制造各種切削刀具是聚晶金剛石最具潛力的應用領域［3－5］。這些應用都需要對PCD表面進行光整加工，而研磨是獲得高質量PCD表面的加工方法之一。傳統的研磨分為干研和濕研，干研時，研磨區溫度高，工件表面易產生硬度軟化層;濕研時，冷卻液直接作用在研磨區，對研磨表面產生侵蝕，不易獲得鏡面，而且研磨速度低，耗時長，效率低。

本文針對PCD研磨加工過程中存在的問題，自制了高速研磨實驗臺及冷卻套夾具對其進行研磨和冷卻，避免冷卻液對研磨區的直接作用。研究冷卻和不冷卻兩種情況下，研磨工藝參數對PCD片材料去除率和研磨表面質量的影響，為進一步提高PCD的加工效率奠定了實驗基礎，對促進PCD的廣泛應用具有重要意義。

1 實驗條件

（1）高速研磨實驗臺:自行研制的金剛石膜超高速研磨實驗臺，電主軸驅動，100～24 000 r/min無級變速，配有堅固的防護罩;砂輪為B型樹脂結合劑金剛石，粒度325#，直徑255 mm，最高轉速5 000 r/min（研磨線速度57.57 m/s）。

（2）試樣材料:φ13 mm×2 mm的PCD圓片，PCD層及硬質合金層厚度各1 mm。

（3）聚晶金剛石材料去除率的測量方法采用稱重法，稱重儀器:梅特勒－托利多AB104－L分析天平，可讀性0.1 mg，最大稱重110 g。

（4）表面粗糙度測量:TR200粗糙度儀。

2 實驗方案

由于初始PCD圓片的表面中心有凹陷，先在高精度平面磨床（MG7132）上使用粒度為100#的金剛石砂輪對其進行粗加工取平，粗加工后試樣表面粗糙度為Ra0.13 μm左右。為避免直接冷卻時因急冷產生的較大熱應力和冷卻液直接接觸研磨區對工件及砂輪的腐蝕，自制了冷卻套式研磨夾具，套內通入循環水對PCD片的冷卻。高速研磨及冷卻原理如圖1所示。

采用單因素實驗法，研究冷卻和不冷卻兩種情況下，研磨時間、研磨線速度和研磨壓力對聚晶金剛石材料去除率及研磨表面質量的影響。實驗過程中，通過改變砂輪轉速來改變研磨線速度，通過調整彈簧上方的壓力調整螺釘來改變研磨壓力，實驗參數見表1。

表1 實驗參數

每組實驗之前首先對砂輪進行修整，使其達到最佳研磨狀態。PCD片的材料去除量和表面粗糙度分別在研磨3 min、5 min時各測量一次，之后每隔10 min測量一次。

3 實驗結果分析

3．1 研磨時間對材料去除率及表面粗糙度的影響

當研磨壓力37．5 N，砂輪轉速5 000 r/min時，材料去除率隨時間的變化曲線如圖2所示。可以看出，不冷卻時，研磨開始階段材料的去除率較大，隨后迅速下降，20 min左右時，材料去除率開始趨于平穩。冷卻時，材料去除率隨時間的增加逐漸增大，增大趨勢較平穩，20 min左右時，材料去除率達到最大值，然后有所下降，并在一定的時間范圍內趨于平穩狀態。圖3所示為表面粗糙度隨時間的變化曲線，在冷卻和不冷卻兩種情況下，表面粗糙度值均隨著研磨時間的增加，先迅速減小，然后趨于平穩。兩者的主要區別在于研磨的前15 min左右，不冷卻時的表面粗糙度減小趨勢比冷卻時大。不冷卻時，試件表面粗糙度在5 min左右就能達到鏡面（Ra≤0.05 μm）;冷卻時，約在10 min左右能達到鏡面（Ra≤0.05 μm）。在研磨15 min之后，冷卻情況下的表面粗糙度值小于不冷卻的情況，且兩者的變化趨勢基本一致。

出現上述現象的原因主要是，研磨開始階段砂輪比較鋒利，而且不冷卻時的研磨區溫度較高，高溫一方面有利于提高材料去除率，同時也會加速砂輪的磨損，故材料去除率在研磨開始后很短的時間內達到比較大的值，表面粗糙度值也減小較快，然后趨于平穩。冷卻情況下開始時比較鋒利的砂輪使得材料去除率較高，表面粗糙度值也減小較快，隨著砂輪進入正常磨削階段，材料去除率及表面粗糙度值趨于穩定。

3．2 研磨速度對材料去除率及表面粗糙度的影響

圖4為材料去除率與研磨速度的關系曲線（研磨壓力44 N，采樣時間間隔10 min）。可以看出，在冷卻和不冷卻兩種情況下，材料去除率均隨研磨速度的提高而增加，冷卻時的增大幅度更明顯。當研磨線速度低于46.05 m/s（即砂輪轉速低于4 000 r/min）時，不冷卻時的材料去除率較高。而當研磨線速度高于46.05 m/s時，冷卻時的材料去除率較高。圖5為表面粗糙度與研磨速度的關系曲線（研磨壓力44 N，采樣時間間隔10 min），在冷卻和不冷卻兩種情況下，表面粗糙度值均隨研磨線速度的提高而減小。在研磨線速度為34.54 m/s（轉速為3 000 r/min），不冷卻時的表面粗糙度值減小趨勢較快，隨著研磨線速度的提高，冷卻時的表面粗糙度值明顯小于不冷卻時的情況。

這主要是因為在研磨線速度較低時，不冷卻時的研磨區溫度較高，有利于材料去除，而且開始時砂輪比較鋒利，故材料去除率較高，表面粗糙度值減小也較快。隨著研磨線速度的提高，研磨區溫度進一步升高，高溫在提高材料去除率的同時也加劇了砂輪的磨損，砂輪磨損對去除率的抑制作用減弱了研磨線速度提高對去除率的促進作用，隨著研磨線速度的提高，材料去除率的增大趨勢減小。在冷卻情況下，研磨線速度較低時，研磨區溫度較低，材料去除率較小，表面粗糙度值減小較慢，但砂輪的磨損小，能長時間保持鋒利狀態，隨著研磨線速度的提高，材料去除率明顯增大，表面粗糙度值也明顯小于不冷卻的情況。

3．3研磨壓力對材料去除率及表面粗糙度的影響

圖6所示為PCD材料去除率隨研磨壓力的變化曲線（砂輪轉速5 000 r/min，采樣時間間隔10 min）。從圖6可以看出，冷卻和不冷卻兩種情況下，材料去除率均隨著研磨壓力的增大而增加。冷卻時的材料去除率隨研磨壓力的增大幅度比不冷卻時大。當研磨壓力小于40 N時，不冷卻時的材料去除率較高。而當研磨壓力大于40 N時，冷卻情況下的材料去除率較高。圖7所示為表面粗糙度隨研磨壓力的變化曲線（砂輪轉速5 000 r/min，采樣時間間隔10 min）。從圖7可以看出，冷卻和不冷卻兩種情況下，表面粗糙度值均隨研磨壓力的增大而減小。在研磨壓力為31 N時，不冷卻時的表面粗糙度值減小較快。當研磨壓力大于31 N時，冷卻情況下的表面粗糙度值明顯較小。

出現上述情況的主要原因是當研磨壓力較小時，不冷卻時的研磨區溫度較高，有利于材料去除，材料去除率較高，表面粗糙度值減小較快。隨著研磨壓力的增加，研磨區的溫度進一步升高，高溫加速了砂輪的磨損，在一定程度上抑制了材料去除率的增大，也使得表面粗糙度值減小變慢。冷卻情況下研磨區的大部分熱量被冷卻液帶走，研磨區的溫度不會過高，砂輪磨損慢，能較長時間保持鋒利狀態。當研磨壓力較小時溫度對材料去除率的影響較小，材料去除率較低，表面粗糙度值減小較慢，隨著研磨壓力的增加，其材料去除率明顯提高，表面粗糙度值明顯減小。

4 結語

通過實驗研究了采用金剛石砂輪研磨聚晶金剛石時，研磨時間、研磨速度、研磨壓力對材料去除率和表面粗糙度影響，得到如下結論:

（1）PCD片的材料去除率隨著研磨時間增加是先增大，后趨于平穩，研磨一定時間后又有所下降;隨著研磨線速度和研磨壓力的增大而增大。當研磨線速度和研磨壓力較小時，冷卻時的材料去除率比不冷卻時小;當研磨線速度和研磨壓力較大時，冷卻時的材料去除率比不冷卻時大。

（2）PCD片研磨表面的粗糙度值隨著研磨時間的增加、研磨線速度和研磨壓力的增大而減小。在研磨初始階段及研磨線速度和載荷壓力較小時，不冷卻時的表面粗糙度值減小較快，隨著研磨時間的增加及研磨線速度和研磨壓力增加，冷卻時的表面粗糙度值減小較快。

（3）采用冷卻套冷卻時的表面粗糙度值明顯小于不冷卻時的情況，說明設計的冷卻套裝置有利于聚晶金剛石的高速研磨加工。

［1］李穎，龍旭輝．金剛石聚晶的性能［J］．鄭州工業學校學報，2001（4）．

［2］王光祖．聚晶金剛石（PCD）在工業中應用［J］．超硬材料與工程，1996（3）．

［3］鄧福銘，陳啟武．PCD超硬復合刀具材料及其應用［M］．北京:化學工業出版社，2003．

［4］白清順，姚英學．Gracezhang，等．聚晶金剛石加工刀具在中國的研究與發展［J］．機械工程師，2001（11）．

［5］劉進，胡娟．金剛石聚晶的性能特征及應用［J］．磨料磨具通訊，2006（8）．