聚晶金剛石刀具研磨質量及去除機理研究

王 森，董 海，谷 雨，王 明，王加威

（大連理工大學 機械工程學院, 遼寧 大連 116086）

PCD兼備金剛石的高硬度、高耐磨性與硬質合金的韌性，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，主要應用在航空航天、汽車制造以及精密醫療器械等領域[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生刃口崩缺、表面缺陷等問題，很難獲得高研磨質量的刀具[3]。因此，為提高PCD刀具的研磨質量，國內外學者對其研磨工藝與去除機理進行了研究[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、結合劑的金剛石砂輪對PCD刀具后刀面形貌的影響規律，并降低了后刀面粗糙度。賈乾忠[8]對研磨后的PCD刀具切削刃形貌進行掃描電子顯微鏡（SEM）觀測，分析了切削液、砂輪轉速、工作臺調定壓力和進給量對切削刃研磨質量的影響規律，并優選了研磨工藝參數。師潤平等[9-10]探究了各工藝參數對刃口崩缺與刃口鈍圓半徑的影響規律，且提高了切削刃質量。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理，并給出了相應的發生條件。上述研究大多以單一指標進行優化或者僅利用SEM照片進行定性分析，很難全面反映PCD刀具的整體研磨質量。

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

1 恒壓力研磨工藝及設備

采用恒壓力研磨工藝開展PCD刀具研磨試驗。恒壓力研磨運動可分為4部分：①砂輪轉動；②砂輪往復橫向擺動；③工作臺旋轉；④工作臺進給。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行試驗，磨床結構如圖2所示。該磨床在滿足以上運動的同時，還配備有高清監測系統（可對刀尖進行實時監測）。

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

以DCMT11T304標準機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量的評價指標，進行正交試驗，探究不同的金剛石砂輪、砂輪轉速與工作臺調定壓力對研磨質量的影響規律，并優化工藝參數。

試驗采用Element Six公司生產的CTB010復合片（平均粒度為10 μm）。試驗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。試驗利用TSM–1水溶液進行冷卻。

采用擬水平正交試驗，具體試驗工藝參數及水平如表1所示。

表1 PCD刀具研磨工藝正交試驗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行測量，刃口鈍圓半徑測量如圖3所示；利用ZYGO9000光學表面輪廓儀對后刀面粗糙度進行測量，如圖4所示，圖中Sa即為后刀面粗糙度。每組試驗制作5把PCD刀具，取各指標均值作為試驗結果。

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 工藝參數優化及分析

PCD刀具研磨工藝試驗結果如表2所示。采用極差法對試驗數據進行處理，結果如表3所示。

表2 PCD刀具研磨工藝正交試驗結果Tab.2 Orthogonal test results of PCD tool grinding process

表3 極差分析結果Tab.3 Range analysis results

刃口鈍圓半徑的均值隨著試驗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；隨砂輪轉速的升高，刃口鈍圓半徑減??；隨工作臺調定壓力的升高，刃口鈍圓半徑先減小后增大。

圖5 刃口鈍圓半徑正交試驗結果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；隨砂輪轉速的升高，刃口缺陷度先減小后增大；隨工作臺調定壓力的升高，刃口缺陷度先減小后增大。

圖6 刃口缺陷度正交試驗結果Fig.6 Orthogonal test results of edge defect

后刀面粗糙度的均值隨著試驗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；隨著砂輪轉速的升高，后刀面粗糙度先減小后增大；隨工作臺調定壓力的升高，后刀面粗糙度增大。

圖7 后刀面粗糙度正交試驗結果Fig.7 Orthogonal test results of flank roughness

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

4 PCD研磨去除機理分析

對不同水平研磨工藝參數下的PCD刀具后刀面進行SEM與ZYGO光學表面輪廓儀觀測，結果如圖8～圖12所示。

圖8中，金剛石表面由微細破碎形成的細小平面堆疊而成。微細破碎通常發生在金剛石的（111）解理面，當磨粒對金剛石的接觸應力超過解理面的強度極限時，就會引起金剛石的解理。PCD在燒結過程中產生的位錯與孿晶使解理方向發生轉變，導致金剛石只能以微小顆粒的形式破碎，不會產生大塊的脫落[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)

砂輪轉速提升到1 000 r/min時（圖9），金剛石表面仍留有微細破碎的痕跡，但是較刀具3平整。這說明：微細破碎受砂輪轉速的影響，適當提高砂輪轉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)

砂輪轉速提升到1 200 r/min時（圖10），晶界處形成更多的白色物質，并且金剛石表面出現較深的剝落坑。這是由于隨著砂輪轉速的升高，磨削溫度升高導致黏結劑Co發生了氧化反應。PCD中的Co及其氧化物通常以微晶或不完整的晶型出現，在表面張力下呈球狀凸出表面[14]。經砂輪的研磨，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)

當工作臺調定壓力為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）。這是因為工作臺調定壓力較小，磨粒對PCD產生的局部應力不足以使金剛石破碎，只能通過反復劃擦將金剛石去除。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，產生的磨削熱也使得Co發生氧化反應產生大量氧化物。

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)

工作臺調定壓力提高到270 N時（圖12），金剛石表面出現了大量的裂紋。這些裂紋大多發生在晶界處，然后向內部蔓延，導致微細破碎更容易在晶界處發生。有2方面原因：①晶界因燒結過程中產生的缺陷強度降低，在較大的壓力沖擊下首先產生裂紋，而后向金剛石內部蔓延，導致金剛石破碎；②由于晶界處的Co與金剛石的熱膨脹系數差異較大，晶界在磨削熱作用下產生內應力。當內應力足夠大時，金剛石邊界處就會產生裂紋，進而發生金剛石的破碎。

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)

根據以上分析，隨著工作臺調定壓力的增大，PCD的主要去除方式從劃擦作用轉變為微細破碎，且在270 N壓力下的沿晶裂紋加劇了PCD的微細破碎。隨砂輪轉速的升高，微細破碎剝落的顆粒逐漸減?。划斏拜喫俣葹? 200 r/min時，Co及其氧化物整體脫落導致PCD表面產生較多剝落坑。綜上所述，1 000 r/min砂輪轉速、170 N工作臺調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 結論

（1）工作臺調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砂輪轉速、170 N工作臺調定壓力可以獲得研磨質量較好的PCD刀具。

（3）試驗條件下PCD的去除方式主要有劃擦作用與微細破碎。在1 000 r/min砂輪轉速、170 N工作臺調定壓力下的微細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。