1引言

    聚晶金剛石（PolycrystallineDiamond，簡(jiǎn)稱(chēng)PCD）是將金剛石微粉（粒度為微米級(jí)）與少量的金屬粉末（如Co）混合后在高溫（1400℃）高壓（幾個(gè)G帕）下燒結(jié)而成的聚晶體。聚晶金剛石具有其它刀具材料不可比擬的優(yōu)良性能：①*的硬度和耐磨性（比硬質(zhì)合金及切削用陶瓷的硬度高幾倍）；②高的導(dǎo)熱性及低的熱膨脹系數(shù)，使切削熱容易散出，切削溫度低，切削加工時(shí)不易產(chǎn)生很大的熱變形；③較低的摩擦系數(shù)，可減小工件的加工表面粗糙度。而作為商品供應(yīng)的PCD復(fù)合片，就是采用高溫高壓技術(shù)在硬質(zhì)合金基體上燒結(jié)一層PCD，使二者形成一體的刀坯。PCD復(fù)合片兼具了PCD的高硬度、高耐磨性及硬質(zhì)合金良好的強(qiáng)度和韌性，用其制作的PCD刀具在高速切削有色金屬（及其合金）以及非金屬材料時(shí)體現(xiàn)了良好的切削加工性能，被廣泛用于汽車(chē)、航空、航天、建材等工業(yè)領(lǐng)域。

    與此同時(shí)，PCD刀具具有的高硬度及高耐磨性也給刃磨帶來(lái)了*的困難。刃磨時(shí)磨除效率低、刃磨成本高，形成了PCD刀具推廣的瓶頸。解決PCD的刃磨難題，對(duì)于加速PCD刀具的普及、提高切削加工效率、降低生產(chǎn)成本有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。合理選擇工藝參數(shù)是解決PCD刃磨問(wèn)題的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，而工藝參數(shù)中對(duì)刃磨影響zui大的因素之一是工作臺(tái)調(diào)定壓力。因此，需要系統(tǒng)研究磨床工作臺(tái)調(diào)定壓力對(duì)PCD刃磨的影響。

    2刃磨試驗(yàn)

    試驗(yàn)設(shè)計(jì)

    試驗(yàn)條件：采用FC2200D型PCD&PCBN刀具磨床，金剛石砂輪型號(hào)為6A2150×40×15×5W20M100；試樣為英國(guó)DeBeers公司生產(chǎn)的010型PCD復(fù)合片，尺寸為512×015×25mm。

    工藝參數(shù)：取砂輪線(xiàn)速度為180m/min，進(jìn)給量為2?m/擺，砂輪架擺動(dòng)速度為40次/分鐘；除調(diào)定壓力在130N時(shí)出現(xiàn)退刀需修磨砂輪外，其余調(diào)定壓力下每磨除0.05mmPCD復(fù)合片修磨砂輪一次；試件總磨削厚度為0.25mm；試驗(yàn)中分別取工作臺(tái)調(diào)定壓力Fa為130N、260N、325N、390N、455N和520N。

    測(cè)量:記錄試驗(yàn)時(shí)每次修磨砂輪后的磨削力，并測(cè)量對(duì)應(yīng)每組調(diào)定壓力下的PCD磨除率Q（單位時(shí)間內(nèi)磨除PCD的體積）與磨耗比G（PCD磨除體積與砂輪損耗體積之比），這兩個(gè)量分別反應(yīng)了刃磨效率和刃磨成本。

    試驗(yàn)結(jié)果

    通過(guò)試驗(yàn)得到工作臺(tái)調(diào)定壓力與磨削力的關(guān)系曲線(xiàn)（見(jiàn)圖1）。從圖1可知：隨著調(diào)定壓力的增大，法向磨削力Fn和切向磨削力Ft均增大，且法向磨削力比切向磨削力大得多。

    圖1調(diào)定壓力與磨削力的關(guān)系

    圖2砂輪修磨次數(shù)與磨削力的關(guān)系

    （調(diào)定壓力為130N時(shí)）

    在試驗(yàn)中觀察到，當(dāng)調(diào)定壓力為130N時(shí)，會(huì)很快出現(xiàn)退刀的情況，此時(shí)磨削力與砂輪修磨次數(shù)的關(guān)系如圖2所示。隨著刃磨的不斷進(jìn)行，法向磨削力Fn和切向磨削力Ft隨砂輪修磨次數(shù)的增加均無(wú)太大變化。需要特別指出的是：與調(diào)定壓力為130N時(shí)相比，調(diào)定壓力為260N時(shí)的法向磨削力和切向磨削力反而變小。

    試驗(yàn)所得工作臺(tái)調(diào)定壓力與磨除率、磨耗比的關(guān)系分別如圖3a、圖3b所示。由圖3a可知:隨著調(diào)定壓力的增加，PCD復(fù)合片磨除率Q一開(kāi)始隨之增大；當(dāng)調(diào)定壓力為325N時(shí)，Q值達(dá)到zui大；以后隨著調(diào)定壓力的繼續(xù)增加，磨除率Q逐漸減小。由圖3b可知磨耗比與砂輪調(diào)定壓力的關(guān)系是:隨著調(diào)定壓力的增加，磨耗比G先呈逐漸增大趨勢(shì)；當(dāng)調(diào)定壓力為325N時(shí)，G值達(dá)到zui大；而后隨著調(diào)定壓力的繼續(xù)增加，磨耗比G逐漸減小。也就是說(shuō):當(dāng)調(diào)定壓力為325N時(shí)，磨除率和磨耗比均出現(xiàn)峰值。

    3結(jié)果分析

    PCD刃磨機(jī)理

    在刃磨聚晶金剛石刀具時(shí)，砂輪與PCD材料之間通過(guò)極其復(fù)雜的摩擦、變形（甚至斷裂）并伴隨著力和熱的作用實(shí)現(xiàn)PCD材料的去除。單個(gè)磨粒會(huì)在磨削過(guò)程中產(chǎn)生三種作用，即彈性摩擦擠壓、脆性斷裂去除和高溫下的塑性變形。由于PCD材料的高彈性模量，彈性摩擦擠壓階段持續(xù)時(shí)間很短，且在溫度很低時(shí)，由于PCD的高硬度，磨削中不會(huì)出現(xiàn)塑性變形。隨著磨削的進(jìn)行，當(dāng)磨削力超過(guò)某個(gè)臨界載荷時(shí)，磨粒周?chē)腜CD表層將出現(xiàn)縱向和橫向的脆性裂紋并不斷擴(kuò)展，出現(xiàn)局部材料碎裂、剝落，進(jìn)入脆性斷裂階段。磨削繼續(xù)進(jìn)行，消耗的功率不斷增大，產(chǎn)生大量的磨削熱，使切削區(qū)溫度升高，高溫使PCD材料表層位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)，硬度降低，在磨削力的作用下出現(xiàn)塑性變形，表現(xiàn)為在磨粒擠壓和摩擦的作用下，磨粒側(cè)面出現(xiàn)類(lèi)似切削塑性金屬材料時(shí)的隆起現(xiàn)象，在PCD表面形成犁溝。另外，聚晶金剛石經(jīng)過(guò)高溫高壓的燒結(jié)過(guò)程后，由于金剛石與催化劑等元素有著不同的熱膨脹系數(shù)，導(dǎo)致聚晶金剛石體內(nèi)產(chǎn)生殘余應(yīng)力，殘留一些微小裂紋以及不規(guī)則的空穴等缺陷。當(dāng)磨削過(guò)程中產(chǎn)生的沖擊載荷作用在PCD上時(shí)，這些缺陷對(duì)材料的破裂起著重要的作用。從熱的方面來(lái)說(shuō)，磨削過(guò)程中，砂輪磨粒與PCD表面產(chǎn)生劇烈的摩擦，根據(jù)摩擦學(xué)理論：滑動(dòng)物體間摩擦力的產(chǎn)生實(shí)質(zhì)上是一種能量消耗，而摩擦力是導(dǎo)致滑動(dòng)界面上熱效應(yīng)的主要原因。由于金剛石的熱穩(wěn)定性差，當(dāng)磨削區(qū)溫度達(dá)到700℃時(shí)，可導(dǎo)致PCD表面碳化，金剛石表面有石墨生成。另外，金剛石在空氣中燃燒，加速了PCD表面的去除。磨削過(guò)程中，PCD表面受到溫升和冷卻的反復(fù)交替作用，形成很大的熱應(yīng)力，也會(huì)誘發(fā)裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展。

    試驗(yàn)結(jié)果分析

    根據(jù)上述PCD磨削機(jī)理對(duì)試驗(yàn)結(jié)果作如下分析。

    調(diào)定壓力實(shí)際上反映了工作臺(tái)刀架的剛性。調(diào)定壓力為130N時(shí)，由于工作臺(tái)刀架剛性差，參與切削的有效磨粒數(shù)量少、實(shí)際的切入深度小，砂輪和PCD材料的接觸為少量點(diǎn)接觸，磨粒與PCD的相互作用為彈性摩擦擠壓，磨削力主要為摩擦力和彈性變形抗力，此時(shí)的法向磨削力和切向磨削力都很小，每次PCD的進(jìn)給量并沒(méi)有被*磨除掉。隨著磨削的進(jìn)行，進(jìn)給量不斷積累，磨粒實(shí)際切入深度不斷增加，砂輪與PCD接觸面積增大，有效切削磨粒增多，使法向磨削力不斷增大，增大的法向磨削力又使摩擦力（即切向磨削力）不斷增大。當(dāng)法向磨削力增大到超過(guò)工作臺(tái)調(diào)定壓力時(shí)，工作臺(tái)出現(xiàn)了退刀現(xiàn)象，此時(shí)PCD的磨削狀態(tài)處于無(wú)進(jìn)給的“光磨”狀態(tài)，法向磨削力不再增大，摩擦力、切向磨削力也不再增大。由于試驗(yàn)中每次從磨削開(kāi)始到出現(xiàn)“退刀”的過(guò)程基本一致，所以每次出現(xiàn)“退刀”時(shí)測(cè)到的法向磨削力和切向磨削力基本無(wú)變化，法向磨削力Fn維持在大于調(diào)定壓力的某一數(shù)值附近。當(dāng)調(diào)定壓力大于130N時(shí)，隨著調(diào)定壓力的增大，有效磨粒數(shù)增加，砂輪與PCD復(fù)合片的接觸面積不斷加大，同時(shí)磨粒的實(shí)際切入深度增大，導(dǎo)致法向磨削力Fn不斷增大。增大的接觸面積和法向磨削力又使砂輪與PCD復(fù)合片之間的摩擦力、切向磨削力Ft增大。在這個(gè)過(guò)程中，雖然也有進(jìn)給量的積累現(xiàn)象，但隨著調(diào)定壓力的增大，每次剩余的進(jìn)給量越來(lái)越小，進(jìn)給量積累速度變慢，在開(kāi)始修磨砂輪時(shí)積累的進(jìn)給量不會(huì)產(chǎn)生能使工作臺(tái)出現(xiàn)退刀現(xiàn)象所需的法向力，即法向磨削力一直小于調(diào)定壓力（Fna）。

    與調(diào)定壓力為130N時(shí)相比，當(dāng)調(diào)定壓力為260N時(shí)對(duì)應(yīng)的法向磨削力和切向磨削力變小，這是因?yàn)樵谡{(diào)定壓力為130N時(shí)進(jìn)給量積累很大并且積累速度很快，到出現(xiàn)工作臺(tái)退讓現(xiàn)象時(shí)，實(shí)際的進(jìn)給量已經(jīng)很大；而調(diào)定壓力為260N時(shí)，進(jìn)給量積累較少，積累速度也較慢，到修磨砂輪時(shí)，實(shí)際進(jìn)給量比在130N調(diào)定壓力下要小得多，從而使磨粒實(shí)際切入深度較小，導(dǎo)致法向磨削力、切向磨削力比130N調(diào)定壓力時(shí)要小。

    另外，當(dāng)調(diào)定壓力很小時(shí)，砂輪與PCD的實(shí)際接觸為少量的點(diǎn)接觸，磨粒的實(shí)際切入深度很小，此時(shí)PCD的去除只是砂輪在PCD表面上的滑擦去除，磨除率很低。隨著調(diào)定壓力的增大，磨粒的實(shí)際切入深度增大，引起法向磨削力Fn增大；當(dāng)法向磨削力超過(guò)臨界載荷時(shí)，PCD的去除方式變?yōu)榇嘈云屏讶コ?，產(chǎn)生表層局部碎裂和剝落。調(diào)定壓力的增大還使砂輪與PCD的接觸點(diǎn)增多，在施加冷卻液的情況下，這些點(diǎn)為局部高溫點(diǎn)，容易石墨化和氧化，故由熱引起的局部點(diǎn)蝕加強(qiáng)。同時(shí)，在切向磨削力Ft增大、其他條件不變的情況下，使磨削功率增加，這時(shí)用于磨削PCD復(fù)合片的能量增加，導(dǎo)致磨削熱增大，磨削區(qū)溫度升高。這一方面導(dǎo)致PCD表層硬度下降，產(chǎn)生塑性變形、出現(xiàn)犁溝，金剛石石墨化、氧化及熱應(yīng)力作用去除增強(qiáng)，另一方面使PCD表層原子位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)，增大的磨削力引起拉應(yīng)力增大，使橫向裂紋擴(kuò)張，當(dāng)裂紋出現(xiàn)搭接時(shí)，產(chǎn)生PCD表層局部剝落。高溫時(shí)金屬溶媒還加速了金剛石的石墨化轉(zhuǎn)變，并且由于金屬溶媒和金剛石有著大小不同的彈性模量，切向磨削力增大引起沖擊載荷的作用加強(qiáng)，容易使晶界處的殘留裂紋擴(kuò)展，當(dāng)裂紋擴(kuò)展到一定程度，也會(huì)產(chǎn)生晶粒脫落。上述力和熱綜合作用的加強(qiáng)使磨除率Q增大。在這個(gè)過(guò)程中，砂輪也經(jīng)受著機(jī)械和熱作用下引起的磨損和破損:機(jī)械作用主要表現(xiàn)在磨粒的磨損、斷裂甚至整體脫落，熱的作用表現(xiàn)在溫度升高引起砂輪表面金剛石磨粒的氧化和石墨化。因此，砂輪的磨損也隨著調(diào)定壓力的增大而增大。但由于砂輪磨粒在磨削的大部分時(shí)間處于不工作狀態(tài)，砂輪磨損增大速度不如PCD磨除增大速度快，因此磨耗比G也隨調(diào)定壓力的增大而增大。但調(diào)定壓力過(guò)大（>325N）時(shí)，PCD復(fù)合片表面金剛石晶粒對(duì)砂輪表層工作磨粒的反切削作用加強(qiáng)，法向磨削力超過(guò)金剛石砂輪的硬度或磨粒的斷裂強(qiáng)度時(shí)會(huì)加劇砂輪表層有效磨粒的整體脫落或有效磨粒的斷裂，熱引起的砂輪表層溫度不斷升高使有效磨粒石墨化和氧化的加劇，都使砂輪損耗加快，有效磨粒變少，砂輪表層形貌由參差不齊的磨粒分布變?yōu)槟チｂg化后較平整的表面，砂輪與PCD接觸面積增大，法向磨削力與切向磨削力均繼續(xù)增大，而磨粒的切削深度變小，材料的機(jī)械去除只保留在彈性摩擦擠壓狀態(tài)，導(dǎo)致PCD復(fù)合片的磨除率Q和磨耗比G下降。綜上所述，在調(diào)定壓力為325N時(shí)，磨除率Q和磨耗比G都達(dá)到峰值，在這個(gè)調(diào)定壓力下進(jìn)行PCD刀具刃磨，能得到較高的刃磨效率和較低的刃磨成本。

    4結(jié)論

    根據(jù)以上磨削試驗(yàn)及結(jié)果分析，可得到如下結(jié)論：

    工作臺(tái)調(diào)定壓力對(duì)PCD的刃磨有很大影響；當(dāng)調(diào)定壓力為325N時(shí)，能獲得*磨除率和磨耗比，即得到zui高的磨除效率和zui低的刃磨成本。

    工作臺(tái)調(diào)定壓力越大，法向磨削力Fn和切向磨削力Ft越大，磨床消耗的功率越大，磨削熱導(dǎo)致的磨削溫度升高越快，此時(shí)由熱作用引起的PCD的去除以及砂輪的損耗變大，當(dāng)砂輪變鈍后，PCD的去除和砂輪的損耗主要由磨削熱引起。

    通過(guò)試驗(yàn)研究得到的磨床工作臺(tái)調(diào)定壓力*值為綜合研究各工藝參數(shù)對(duì)PCD磨削的影響以及優(yōu)化工藝參數(shù)打下了基礎(chǔ)。