聚晶金刚石刀具研磨质量及去除机理研究

2022-08-17王加威

金刚石与磨料磨具工程 2022年4期

王森，董海，谷雨，王明，王加威

（大连理工大学机械工程学院, 辽宁大连 116086）

PCD兼备金刚石的高硬度、高耐磨性与硬质合金的韧性，是一种较为理想的刀具材料[1]。目前，PCD刀具用于切削铜、铝等有色金属及其合金，主要应用在航空航天、汽车制造以及精密医疗器械等领域[2]。然而，由于金刚石的高硬脆性，PCD刀具在研磨过程中容易产生刃口崩缺、表面缺陷等问题，很难获得高研磨质量的刀具[3]。因此，为提高PCD刀具的研磨质量，国内外学者对其研磨工艺与去除机理进行了研究[4]。

邓福铭等[5]分别利用电火花加工工艺与金刚石砂轮研磨工艺对PCD刀具进行加工，确定金刚石砂轮研磨是PCD刀具加工较为合适的工艺。ZHANG等[6-7]探究了不同粒度、浓度、结合剂的金刚石砂轮对PCD刀具后刀面形貌的影响规律，并降低了后刀面粗糙度。贾乾忠[8]对研磨后的PCD刀具切削刃形貌进行扫描电子显微镜（SEM）观测，分析了切削液、砂轮转速、工作台调定压力和进给量对切削刃研磨质量的影响规律，并优选了研磨工艺参数。师润平等[9-10]探究了各工艺参数对刃口崩缺与刃口钝圆半径的影响规律，且提高了切削刃质量。李嫚等[11-12]基于PCD研磨后的表面形貌，提出了PCD的脆性与非脆性去除机理，并给出了相应的发生条件。上述研究大多以单一指标进行优化或者仅利用SEM照片进行定性分析，很难全面反映PCD刀具的整体研磨质量。

针对PCD刀具研磨的质量问题，开展PCD刀具研磨工艺试验，探究不同水平的工艺参数对刃口钝圆半径、刃口缺陷度（刃口崩缺的最大值）与后刀面粗糙度的影响规律，并对PCD刀具研磨工艺进行优化。此外，分析不同水平工艺参数下的PCD研磨去除机理，确定可获得高研磨质量的PCD加工方式。

1 恒压力研磨工艺及设备

采用恒压力研磨工艺开展PCD刀具研磨试验。恒压力研磨运动可分为4部分：①砂轮转动；②砂轮往复横向摆动；③工作台旋转；④工作台进给。恒压力研磨工艺如图1所示。

图1 恒压力研磨示意图Fig.1 Schematic diagram of constant pressure grinding

在FC–200D高精度工具磨床上进行试验，磨床结构如图2所示。该磨床在满足以上运动的同时，还配备有高清监测系统（可对刀尖进行实时监测）。

图2 FC–200D高精度工具磨床Fig.2 FC–200D high-precision tool grinder

2 PCD刀具研磨工艺试验

以DCMT11T304标准机夹刀片的研磨工艺为对象，选择刃口钝圆半径、刃口缺陷度与后刀面粗糙度为研磨质量的评价指标，进行正交试验，探究不同的金刚石砂轮、砂轮转速与工作台调定压力对研磨质量的影响规律，并优化工艺参数。

试验采用Element Six公司生产的CTB010复合片（平均粒度为10 μm）。试验所用的金刚石砂轮形状均为杯形，尺寸均为φ150 mm × 40 mm × 15 mm ×5 mm，金刚石浓度均为125%，研磨时摆动的频率为40次/min，摆幅为10 mm。试验利用TSM–1水溶液进行冷却。

采用拟水平正交试验，具体试验工艺参数及水平如表1所示。

表1 PCD刀具研磨工艺正交试验Tab.1 Orthogonal test of PCD tool grinding process

利用VHX–600E超景深显微镜对刃口钝圆半径与刃口缺陷度进行测量，刃口钝圆半径测量如图3所示；利用ZYGO9000光学表面轮廓仪对后刀面粗糙度进行测量，如图4所示，图中Sa即为后刀面粗糙度。每组试验制作5把PCD刀具，取各指标均值作为试验结果。

图3 刃口钝圆半径的测量Fig.3 Measurement of blunt circle radius of cutting edge

图4 后刀面粗糙度的测量Fig.4 Measurement of flank roughness

3 工艺参数优化及分析

PCD刀具研磨工艺试验结果如表2所示。采用极差法对试验数据进行处理，结果如表3所示。

表2 PCD刀具研磨工艺正交试验结果Tab.2 Orthogonal test results of PCD tool grinding process

表3 极差分析结果Tab.3 Range analysis results

刃口钝圆半径的均值随着试验因素水平的变化如图5所示。由图5可知：使用4/5陶瓷基金刚石砂轮可以获得较小的刃口钝圆半径；随砂轮转速的升高，刃口钝圆半径减小；随工作台调定压力的升高，刃口钝圆半径先减小后增大。

图5 刃口钝圆半径正交试验结果Fig.5 Orthogonal test results of blunt circle radius of cutting edge

刃口缺陷度的均值随着试验因素水平的变化如图6所示。由图6可知：使用4/5陶瓷基金刚石砂轮可以获得较小的刃口缺陷度；随砂轮转速的升高，刃口缺陷度先减小后增大；随工作台调定压力的升高，刃口缺陷度先减小后增大。

图6 刃口缺陷度正交试验结果Fig.6 Orthogonal test results of edge defect

后刀面粗糙度的均值随着试验因素水平的变化如图7所示。由图7知：使用4/5陶瓷基金刚石砂轮可以获得较小的后刀面粗糙度；随着砂轮转速的升高，后刀面粗糙度先减小后增大；随工作台调定压力的升高，后刀面粗糙度增大。

图7 后刀面粗糙度正交试验结果Fig.7 Orthogonal test results of flank roughness

利用极差分析判断试验因素对各优化指标的影响程度。因素对刃口钝圆半径的影响程度为：工作台调定压力＞金刚石砂轮种类＞砂轮转速；对于刃口缺陷度的影响程度为：金刚石砂轮种类＞工作台调定压力＞砂轮转速；对于后刀面表面粗糙度的影响程度为：砂轮转速影响最大，金刚石砂轮种类与工作台调定压力影响相当。根据影响程度综合分析，试验范围内的最优研磨工艺参数组合是：4/5陶瓷基金刚石砂轮，砂轮转速为1 000 r/min，工作台调定压力为170 N。

4 PCD研磨去除机理分析

对不同水平研磨工艺参数下的PCD刀具后刀面进行SEM与ZYGO光学表面轮廓仪观测，结果如图8～图12所示。

图8中，金刚石表面由微细破碎形成的细小平面堆叠而成。微细破碎通常发生在金刚石的（111）解理面，当磨粒对金刚石的接触应力超过解理面的强度极限时，就会引起金刚石的解理。PCD在烧结过程中产生的位错与孪晶使解理方向发生转变，导致金刚石只能以微小颗粒的形式破碎，不会产生大块的脱落[13]。

图8 刀具1（6/8金属基，800 r/min，170 N）Fig.8 Tool 1 (6/8 metal base, 800 r/min, 170 N)

砂轮转速提升到1 000 r/min时（图9），金刚石表面仍留有微细破碎的痕迹，但是较刀具3平整。这说明：微细破碎受砂轮转速的影响，适当提高砂轮转速可使剥落的金刚石颗粒减小，表面也更平整。

图9 刀具2（6/8金属基，1 000 r/min，170 N）Fig.9 Tool 2 (6/8 metal base, 1 000 r/min, 170 N)

砂轮转速提升到1 200 r/min时（图10），晶界处形成更多的白色物质，并且金刚石表面出现较深的剥落坑。这是由于随着砂轮转速的升高，磨削温度升高导致黏结剂Co发生了氧化反应。PCD中的Co及其氧化物通常以微晶或不完整的晶型出现，在表面张力下呈球状凸出表面[14]。经砂轮的研磨，Co及其氧化物在晶界处截面积更大，若整体脱落就形成剥落坑。

图10 刀具3（6/8金属基，1 200 r/min，170 N）Fig.10 Tool 3 (6/8 metal base, 1 200 r/min, 170 N)

当工作台调定压力为70 N时，PCD表面覆盖大量Co的氧化物，但金刚石表面较为平滑（图11a）。这是因为工作台调定压力较小，磨粒对PCD产生的局部应力不足以使金刚石破碎，只能通过反复划擦将金刚石去除。从表面轮廓仪上可以明显观察到磨粒留下的划痕（图11b）。划擦作用可以获得平滑的金刚石表面，产生的磨削热也使得Co发生氧化反应产生大量氧化物。

图11 刀具4（6/8金属基，1 000 r/min，70 N）Fig.11 Tool 4 (6/8 metal base, 1 000 r/min, 70 N)

工作台调定压力提高到270 N时（图12），金刚石表面出现了大量的裂纹。这些裂纹大多发生在晶界处，然后向内部蔓延，导致微细破碎更容易在晶界处发生。有2方面原因：①晶界因烧结过程中产生的缺陷强度降低，在较大的压力冲击下首先产生裂纹，而后向金刚石内部蔓延，导致金刚石破碎；②由于晶界处的Co与金刚石的热膨胀系数差异较大，晶界在磨削热作用下产生内应力。当内应力足够大时，金刚石边界处就会产生裂纹，进而发生金刚石的破碎。

图12 刀具5（6/8金属基，1 000 r/min，270 N）Fig.12 Tool 5 (6/8 metal base, 1 000 r/min, 270 N)

根据以上分析，随着工作台调定压力的增大，PCD的主要去除方式从划擦作用转变为微细破碎，且在270 N压力下的沿晶裂纹加剧了PCD的微细破碎。随砂轮转速的升高，微细破碎剥落的颗粒逐渐减小；当砂轮速度为1 200 r/min时，Co及其氧化物整体脱落导致PCD表面产生较多剥落坑。综上所述，1 000 r/min砂轮转速、170 N工作台调定压力在保证较小刃口钝圆半径与刃口缺陷度的同时，可以获得相对平整的PCD表面。