聚晶金刚石刀具的刃磨工艺

优胜编程龚老师

聚晶金刚石刀具的刃磨工艺：



1 引言

聚晶金刚石（PCD）是将粒度为微米级的金刚石微粉与少量金属粉末（如CO）混合后在高温（1400℃）、高压（6000MPa）下烧结而成的聚晶体。与其它刀具材料相比，聚晶金刚石具有如下性能特点：①极高的硬度和耐磨性；②高导热性和低热膨胀系数，切削时散热快，切削温度低，热变形小；③摩擦系数小，可降低加工表面粗糙度。但由于聚晶金刚石与铁族元素有很强亲和力，因此不适合加工黑色金属及其合金。已实现商品化供货的PCD复合片是将0.5～0.7mm厚的PCD层烧结在硬质合金基体上制备而成，因此兼具了PCD的高硬度、高耐磨性和硬质合金的良好强度与韧性。

PCD刀具在有色金属及其合金、非金属材料的高速切削中体现出优良的切削性能，因此已广泛应用于汽车、航空、航天、建材等工业领域。但是，PCD的高硬度、高耐磨性使刀具的刃磨相当困难，主要体现在材料磨除率小、砂轮损耗大、刃磨效率低、刃口呈锯齿状。PCD刀具的刃磨工艺性已成为其推广应用的障碍之一。为了突破这一工艺瓶颈，国内外学者进行了大量研究开发工作。

2 PCD刀具刃磨技术

PCD刀具的主要刃磨工艺有放电刃磨、金刚石砂轮机械刃磨、电解刃磨等，其中放电刃磨和金刚石砂轮机械刃磨在技术上已较为成熟，下面对这两种刃磨方法作一综合分析。

2.1 放电刃磨（EDG）

电火花放电加工技术（EDM）（特别是电火花线切割和放电磨削）已广泛应用于刀具制造。电火花放电加工技术用于刃磨PCD刀具称为放电刃磨（EDG）。

（1）刃磨机理

放电刃磨原理与传统的磨料磨削原理有根本区别，也不同于电解刃磨原理（既有磨料机械作用又有电化学作用）。放电刃磨是通过在电介质分离的砂轮电极与刀具电极间放电产生瞬时高温，将刀具材料熔化和气化。刃磨PCD刀具时，由于金刚石不导电，所以刀具电极即为PCD中的金属相构成的导电网络，由此可见，放电刃磨是一种热蚀加工过程。由于电火花放电的温度可高达8000～12000℃，因此PCD刀具刃磨时可能引起热损和石墨化，尤其在PCD与硬质合金基底的界面处侵蚀速度更快，可在表面形成深约0.05mm的微裂纹，这是放电刃磨加工方法的主要缺陷。由于放电刃磨是一种非接触刃磨过程，磨削力小到可忽略不计，故刃磨效率很高。R.Wyss等人在一定实验条件下得到的磨除率达4mm3/min，磨耗比为0.2mm3/mm3；而V.Baar等人在实验中则得到了1.0mm3/mm3的磨耗比。

（2）刃磨设备

放电刃磨时，通常采用碳氢化合物（如石蜡）作为砂轮电极与工具电极间的电介质，工作电压一般为直流80～200V，砂轮电极采用铜、钨、石墨等导电材料。根据刀具刃磨时的位置，放电刃磨可分为圆周放电刃磨和端面放电刃磨。刃磨过程中，砂轮作旋转运动，使其能均匀磨损。在端面放电刃磨中，砂轮还需左右摆动。脉冲电源是影响刃磨效率和刃磨质量的关键设备，因此脉冲电源的设计已成为放电刃磨的研究热点。

（3）研究成果

国外学者对PCD刀具的放电刃磨技术开展了大量试验研究，其中英国伯明翰大学的T.B.Thoe等人的研究成果较具代表性。他们的试验在伯明翰大学机械学院研制的EDG机床上进行，试验工艺参数见表1。
表1 试验工艺参数

一般工艺条件        粗加工        半精加工        精加工
砂轮转速        250m/min        电流        3A        电流        2A        电流        1A
旋转方向        逆时针        脉冲宽度        100µs        脉冲宽度        50µs        脉冲宽度        10～13µs
电压        150V        脉冲间隔        10µs        脉冲间隔        10µs        脉冲间隔        10～13µs
极性        工件为负极         -         -         -
摆动速度        11.5mm/min
用于刃磨的PCD样品牌号为Syndite CTB002、010、025和Compax 1500、1600。通过试验得出如下结论：
①对于细晶粒PCD样品，端面放电刃磨可获得较好刃口质量；对于粗晶粒PCD样品，圆周放电刃磨可获得较好刃口质量。
②增大电流、电压或脉冲宽度，可增大磨除率，提高刃磨效率，但同时会导致PCD刀具表面产生更深、更宽的裂纹。
③细晶粒PCD样品容易引起放电，砂轮电极磨损量小，放电中脱落的晶粒平均尺寸等于晶粒本身的尺寸，因此可获得较好的刃磨质量。