1 引言
隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，由聚晶金剛石（PCD）、聚晶立方氮化硼（PCBN）等超硬材料制成的刀具品種越來越豐富，其性能也得到不斷發(fā)展和提高。刀片磨料粒徑從數(shù)十微米、幾微米到納米級(jí)；金剛石、立方氮化硼的含量分為低含量、中等含量和高含量；結(jié)合劑既有金屬、非金屬也有混合材料；PCD層厚度從毫米級(jí)到微米級(jí)；PCD層與硬質(zhì)合金襯底的結(jié)合方式有平面、波紋面；PCD層有高耐磨、高韌性、高耐熱等不同特性。目前PCD、PCBN刀具的應(yīng)用范圍擴(kuò)大到汽車、航天航空、精密機(jī)械、家電、木材、電子電氣等行業(yè)，用于制作車刀、鏜刀、銑刀和鉆頭、鉸刀、锪刀、鋸刀、鏤刀、剃刀等。
盡管PCD、PCBN刀具發(fā)展如此之快，但因其高硬度導(dǎo)致的刀具刃磨困難一直困擾著大多數(shù)用戶，刀片的重磨也主要由原刀具生產(chǎn)廠家來完成。不僅刀具價(jià)格高，交貨期長(zhǎng)，而且占用企業(yè)流動(dòng)資金。因此，很有必要認(rèn)真研究PCD的磨削特點(diǎn)及PCD刀具的刃磨技術(shù)。
2 PCD刀具的制造工藝
PCD切削刀具的生產(chǎn)工藝流程一般包括拋光、切割、固接、刃磨、質(zhì)檢等。PCD超硬材料毛坯直徑通常有1/2、1、2、3、4英寸，其表面一般較粗糙（Ra2～10μm），不能直接用于制作刀具，需經(jīng)研磨拋光使其表面達(dá)到鏡面（Ra≤0.01μm），然后通過激光切割或電火花線切割加工成一定幾何形狀和尺寸要求的刀片，再進(jìn)一步對(duì)刀片和基體待固接面進(jìn)行機(jī)械和化學(xué)處理，然后采用銀基硬釬焊將刀片固接于基體上，最后經(jīng)金剛石砂輪刃磨。
PCD切削刀具制造技術(shù)的關(guān)鍵之一是切削刃的刃磨質(zhì)量。優(yōu)質(zhì)刀頭材料缺乏理想的刃磨工藝和技術(shù)將會(huì)造成資源浪費(fèi)，采用好的刃磨工藝則會(huì)提升刀具的產(chǎn)品質(zhì)量，降低刀具使用成本。
3 PCD材料的磨削加工特點(diǎn)
PCD是由特殊處理的金剛石與少量粘結(jié)劑在高溫超高壓下燒結(jié)而成。無序排列的金剛石晶粒使PCD具有均勻的、極高的硬度和耐磨性。PCD可用于切削刀具、砂輪修整、地質(zhì)鉆探、量具測(cè)頭、拉絲摸具、噴砂摸具等。但是PCD的高硬度和高耐磨性也給其加工帶來了很大困難。
國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)PCD材料的高硬度和高耐磨性所帶來的加工難題進(jìn)行了大量的研究和試驗(yàn)，其中包括電火花加工、超聲波加工、電化學(xué)加工、激光加工等，并取得了一定效果。但綜合分析發(fā)現(xiàn)，這些加工技術(shù)目前多適用于PCD材料的粗加工場(chǎng)合。要想獲得好的PCD切削刃口質(zhì)量，最理想的加工方法仍是用金剛石砂輪磨削或研磨。
PCD的磨削加工主要是機(jī)械和熱化學(xué)兩方面混合作用的結(jié)果。機(jī)械作用是通過金剛石砂輪磨粒對(duì)PCD材料的不斷沖擊而形成的金剛石的微破碎、磨損、脫落或解理；熱化學(xué)作用則是金剛石砂輪磨削PCD形成的高溫使金剛石發(fā)生氧化或石墨化。二者混合作用的結(jié)果致使PCD材料被去除。其磨削加工特點(diǎn)主要為：
（1）磨削力很大
金剛石是已知礦物中硬度最高的物質(zhì)，與各種金屬、非金屬材料配對(duì)摩擦的磨損量?jī)H為硬質(zhì)合金的1/50～1/800；PCD的硬度（HV）為80～120KN/mm2，僅次于單晶金剛石，遠(yuǎn)高于硬質(zhì)合金。采用金剛石砂輪磨削PCD時(shí)，起始切削強(qiáng)度很高，約為硬質(zhì)合金（0.4MPa）的10倍以上；比磨削能達(dá)1.2×104～1.4×105J/mm3；因此磨削力遠(yuǎn)高于磨削硬質(zhì)合金。
（2）磨削比很小
由于PCD的硬度和耐磨性很高（相對(duì)耐磨性為硬質(zhì)合金的16～199倍），磨削PCD時(shí)其磨削比僅為0.005～0.033，約為硬質(zhì)合金的1/1000～1/100000；磨削效率僅0.4～4.8mm3/min。因此，為了保證切削刀具的刃口質(zhì)量和去除量，磨削時(shí)間很長(zhǎng)、加工效率很低。此外，當(dāng)PCD的硬度、含量、粒度不同時(shí)，其磨削時(shí)間也相差懸殊。
（3）粒度影響很大
PCD材料用于切削刀具按粒度主要分為三類：粗粒度（20～50μm）、中粒度（10μm左右）和細(xì)粒度（～5μm），其磨削力、磨削比相差幾倍至數(shù)十倍。粗粒度PCD磨削比最高，磨削也最困難，且磨削后刃口鋸齒狀最嚴(yán)重、質(zhì)量最差，但耐磨性最強(qiáng)；細(xì)粒度PCD磨削比相對(duì)最低，磨削較易、磨削后刃口質(zhì)量最好。
4 PCD切削刀具刃磨對(duì)工裝的要求
基于PCD的上述磨削特點(diǎn)，用金剛石砂輪磨削加工PCD時(shí)對(duì)刃磨設(shè)備的要求比一般工具磨床高得多。主要有：
（1）機(jī)床具有良好的工藝系統(tǒng)剛性
由于PCD材料硬度很高，因此磨床必須有較高的抗變形能力，特別是主軸系統(tǒng)和刀具裝夾系統(tǒng)。PCD切削刀具刃磨時(shí)磨削力一般達(dá)100～500N。因此要求機(jī)床的軸徑大、軸承的軸向剛性和強(qiáng)度要高。
（2）機(jī)床具有行程可調(diào)和速度可調(diào)的短程擺動(dòng)機(jī)構(gòu)
PCD磨削比極低，PCD的磨削加工機(jī)理主要是通過金剛石砂輪對(duì)PCD材料的不斷沖擊而形成的微破碎、磨損、脫落、解理等機(jī)械作用和氧化、石墨化熱化學(xué)作用混合的結(jié)果。因此采用短程擺動(dòng)機(jī)構(gòu)有利于提高磨削效率，改善刀具刃口質(zhì)量。一般擺動(dòng)距離0～50mm，擺動(dòng)速度20～60次/分。
（3）機(jī)床的刀夾具有高精度回轉(zhuǎn)功能和在線檢測(cè)裝置
由于PCD材料硬脆而耐磨，通常將其刀尖設(shè)計(jì)為圓弧狀，以減小刀具和工件相對(duì)振動(dòng)的幅值。為了實(shí)現(xiàn)刀尖圓弧的加工，機(jī)床的刀夾應(yīng)具有高精度回轉(zhuǎn)功能和刀尖圓弧半徑尺寸與質(zhì)量在線檢測(cè)裝置。這樣可避免多次裝夾帶來的定位誤差，同時(shí)可成倍提高加工效率。
5 PCD、PCBN刀具的刃磨工藝
5.1 刃磨工藝的選擇
切削刀具刃磨的目的之一是獲取性價(jià)比高的切削刃口質(zhì)量，而質(zhì)量好壞的關(guān)鍵在于刃磨砂輪粒度的選擇。砂輪粒度越細(xì)，切削刃崩口越小，而磨削效率越低。為此可根據(jù)刀具切削刃的精度、用途（見表1）或其失效程度（見表2），將PCD切削刀具刃磨工藝分為粗、精、細(xì)三個(gè)加工階段。根據(jù)具體情況制訂合理刃磨工藝可大幅度提高加工效率。
表1 按切削刃的精度、用途分類
序號(hào)—切刃精度—可選刃磨砂輪粒度—用途
a粗—0.05mm—230/270#～320/400#—粗加工
b精—0.02mm—M20～M40—半精加工
c細(xì)—0.005mm—M5～M10—精加工
表2 按刀刃失效程度分類（重磨刀具）
序號(hào)—失效程度—可選刃磨砂輪粒度—備注
a粗—切刃破損0.5mm—230/270#～320/400#—或電加工
b精—切刃崩口0.3mm—M20～M40
c細(xì)—切刃磨損0.1mm—M5～M10
粗加工對(duì)刃口要求不高，可選電加工或磨削加工。電加工效率高，宜用于加工復(fù)雜刀具，如印刷電路板用鉆頭、切削強(qiáng)化木地板用成型銑刀等。磨削加工時(shí)可選粗粒度砂輪，刃磨時(shí)接觸面積大、磨削力高（300～400N），可快速去除多余的加工余量；細(xì)加工時(shí)選用細(xì)粒度砂輪，刃磨時(shí)接觸面積小、磨削力低（100～200N）、磨削發(fā)熱量少，但材料去除率低。此階段主要是通過研磨和拋光，進(jìn)一步改善切削刃口質(zhì)量。精加工居于二者之中。
5.2 刃磨工藝要點(diǎn)
（1）主軸精度要好，一般砂輪端面跳動(dòng)應(yīng)≤0.02mm。砂輪端面跳動(dòng)過大，磨削時(shí)砂輪斷續(xù)沖擊切削刃，容易使切削刃發(fā)生崩口，難以獲得高精度切削刃。
（2）砂輪應(yīng)具有良好的動(dòng)平衡。砂輪的不平衡將導(dǎo)致機(jī)床的振動(dòng)，進(jìn)而影響被加工刀具的刃口質(zhì)量和加工精度。
（3）刃磨砂輪應(yīng)優(yōu)先選用陶瓷結(jié)合劑金剛石砂輪。因?yàn)樵谀ハ鬟^程中陶瓷結(jié)合劑易發(fā)生微裂使磨粒得到更新自銳，使磨削過程平穩(wěn)，有利于提高加工表面的精度和效率；次之可選耐熱性較高的樹脂結(jié)合劑金剛石砂輪。
（4）適時(shí)注意砂輪開刃，且開刃油石粒度要合適。用金剛石砂輪加工PCD刀具時(shí)，砂輪會(huì)發(fā)生堵塞、鈍化、高溫和快速磨損，導(dǎo)致加工速度降低和振紋、噪音、燒傷的產(chǎn)生。通常選擇比所用砂輪粒度細(xì)1～2號(hào)的軟碳化硅油石作為開刃油石。
（5）因金剛石易與鐵系合金發(fā)生化學(xué)擴(kuò)散，加速砂輪磨損，因此應(yīng)盡可能避免同時(shí)磨削金屬與PCD。
（6）砂輪回轉(zhuǎn)方向務(wù)必從刀具前刀面向后刀面回轉(zhuǎn)。從磨削時(shí)PCD 刀具切削刃的受力可知，當(dāng)砂輪從刀具前刀面向后刀面回轉(zhuǎn)時(shí)，其磨削力（切向與法向力之和）作用于切削刃向內(nèi)，即刀具受壓應(yīng)力，不易崩刀；反之則為拉應(yīng)力，切削刃易崩口。若因刀具結(jié)構(gòu)原因必須反轉(zhuǎn)刃磨時(shí)，則選用樹脂結(jié)合劑砂輪優(yōu)于金屬和陶瓷結(jié)合劑砂輪。
（7）為了保證切削刃質(zhì)量同時(shí)提高刃磨效率，可將刀具的后角分為大后角和小后角。用粗粒度砂輪先磨大后角，因接觸面大磨削力大，刃磨效率高；然后用細(xì)粒度砂輪刃磨小后角，將小后角的刃帶寬度控制在0.1～0.3mm左右，接觸面小刃磨質(zhì)量好。
（8）盡可能在一次裝夾中完成對(duì)刀具切削刃的加工。
（9）PCD刃磨冷卻液應(yīng)優(yōu)選水基磨削液。由于PCD材料硬度高且耐熱性差，水基磨削液冷卻效果優(yōu)于油基磨削液，可提高加工效率和刃口質(zhì)量。另外磨削過程中冷卻要充分，不能斷流，避免因磨削液量小或斷續(xù)供給造成金剛石（砂輪、刀具）的大量消耗（氧化、石墨化）和刀具的刃口破損。 |
