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聚晶金刚石刀具做刃磨工艺的特性和方向

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、金刚石砂轮刃磨、电解刃磨等，其中放电刃磨和金刚石砂轮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学院研制的EDG机床上进行。用于刃磨的PCD样品牌号为SynditeCTB002、010、025和Compax1500、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。④粗晶粒PCD样品与硬质合金交界面的侵蚀程度较大。
    脉冲电源及刃磨工艺步骤对PCD放电刃磨的质量有较大影响。德国学者E.Beck等人对此作了大量试验研究。他们在VollmerQR20P专用火花放电工具磨床上分别采用普通型和改进型两种脉冲电源对PCD放电刃磨质量进行了对比试验研究，试验采用硅基合成油作为电介质，以石墨作为砂轮电极（负极），主轴转速为500r/min，样品材料去除量为0.5mm。此外，在Microspark200通用火花放电磨床上进行了刃磨工艺步骤对PCD刃磨质量影响的试验研究，试验采用刃磨PCD专用脉冲电源，并根据磨除量及刃磨后的刃口粗糙度将脉冲电源设置为5级；试验样品牌号为SynditeCTC002、CTB002、CTB010、CTB025，每种粒度PCD各取4件样品，试验中采用不同脉冲电源设置组合（即不同工艺步骤）进行刃磨，然后测量刃口及刀面粗糙度。通过试验得出如下结论：①脉冲电源的设计及可控性对刃磨质量可起到决定性作用，对比试验结果表明，配备改进型脉冲电源的工具磨床刃磨出的PCD样品的刃口及刀面粗糙度均接近金刚石砂轮刃磨的质量。②通过调节脉冲电源的设置进行多级刃磨，并合理分配每级磨除量比例及刃磨时间，可获得较高的刃磨质量。