（机械工程专业论文）聚晶金刚石刀具刃磨机理及其刃磨工艺研究.pdf

捅费 聚晶金刚石( p 0 1 y c r y s t a l l i n ed i a m o n d 简称p c d ) 刀具具有优越的 切削性能，广泛应用于高速、高硬度、高精度的有色金属和非金属材料 加工，但它的高硬度使其成为最难刃磨的刀具这一难题成为推广p c d 刀具应用的障碍。为解决此问题，本文从p c d 刀具刃磨工艺、刃磨机理 进行了深入系统的研究。 首先研究了p c d 刀具刃磨工艺和刃磨机理。通过对p c d 刀具及其刃 磨砂轮的分析，得知p c d 刀具金刚石层是金刚石微粒间以金刚石的c c 键的形式结合成为强固结构体，几乎没有塑变，残留溶媒金属c o 等分 布于p c d 刀坯中金刚石微粒问的金刚石桥附近，不起粘结作用：而金刚 石砂轮却相对于p c d 刀具具有一定的塑性。进而建立了一套优良的p c d 刀具刃磨工艺，其关键为刃磨恒定压力f a 值的设定。在以上两方面研 究的基础上，建立了p c d 刀具刃磨机理及相应的刃磨模型，刃磨机理( 去 除机理) 为：粗磨过程中，占主导作用的去除机理是砂轮中金刚石磨粒对 p c d 刀具金刚石层的机械切除( 磨除) ；精磨过程中，占主导作用的去除 机理是砂轮中金刚石磨粒对p c d 刀具金刚石的摩擦作用去除。 其次，在p c d 刀具刃磨工艺和刃磨机理研究的基础上，进行了p c d 刀具刃磨砂轮制造工艺的研究。内容包括：金属结合剂金刚石砂轮所用 金刚石磨粒性能、磨料层制造工艺和砂轮制造工艺研究通过正交实验 设计建立了三者中最重要的磨料层结合剂制造工艺：精砂轮结合剂 c u 9 0 s n l0 和粗砂轮结合剂c u 4 0 s n 6 0 的制造工艺。 最后，对p c d 刀具刃磨工艺、刃磨机理及其刃磨砂轮三者进行了系 统研究。进而分析了国产p c d 刀具刃磨砂轮的磨损快且不均匀和磨削效 率不高的原因，并论述了砂轮所用金刚石磨粒表面金属化是解决上述问 题的一个很好的方法。 关键词：聚晶金刚石刀具刃磨工艺刃磨机理金刚石砂轮 a b s t r a c t t h ea d v a n t a g e so fp o l y e r y s t a l l i n ed i a m o n d ( e c d ) c u t t i n gt o o l s m p a r e dt o0 t h e 墙s u c ha sc a r b i d ea n dc e r a m i c2 c eb a s e do nt h e c o m b i n a t i o no fh i g hh a r d n e s sa n dw e a rr e s i s t a n c ef t sw e l la sg o o d t h e r m a lc o n d u c t i v i t ya n dc h e m i c a li n e r 细e s s b e c a u s eo fi t sp h y s i c a l p r o p e r t i e s , p c dc u t t i n g t o o l sc a u s ec o n s i d e r a b l ed i f f i c u l t i e sa s w o r k p i e e e si nf a b r i c a t i o ni n t oc u t t i n gt o o l sb ym e c h a n i c a lg r i n d i n g t o s o l v et h ep r o b l e m , t h i sp a p e rm a i n l ys t u d i e sg r i n d i n gp r o c e s s , g r i n d i n g m e c h a n i s ma n d 鲥n d i u gw h e e l sf o rp c d c u t t i n gt o o l s f i r s t , t h i sp a p e rs t u d i e sg r i n d i n gp r o c e s sa n dg r m m n gm e c h a n i s m o fp c dc u t t i n gt o o l s p c dc u t u h x gt o o l sa n dg r a d i n gw h e e l sf o rp c d c u t i i 叫gt o o l sa r ee x a m i n e di nd e t a i l t h ep c dc o m p a c to fp c dc u t t i n g t o o l si sm a d eo f d i a m o n dp o w d e r sb o n d e db yc - cb o n do f t h ed i a m o n d s op c dc u g g i l x gt o o l si ss u p e rb r i t t l e t h eg r i n d i n gp r e c i sf o rp c d c u t i m gt o o l si sm a d em o r ee c o n o m i c a la n dt o t a lc o s t sf o r t h eu s eo fp c d r e d u c e d a n dt h ec o n t a c tf o r c ef ai st h eb e s ti m p o r t a n tf a c ti nt h e g r i n d i n gp r o c e s s c o r r e s p o n d i n gw j t ht h eg r i n d i n gp r o c e s s , g r i n d i n g m e c h a n b mf o rp c dc u t t i n gt o o l s 缸m a d eo fp r e - 掣r m d i n ga n df i n e 咖m gm e c h a n i s m s e c o n db a s e do nt h eg r i n d i n gp r o c e s sa n dg r i n d i n gm e c h a n i s m , m a n u f a c t u r i n gp r o c e s so fg r i n d m gw h e e l sf o rp c dc u t t i n gt o o l s i s d i s c u s s e d t h ep r o p e r t i e so fd i a m o n da b r a s i v e s , m a n u f a c t u r i n gp r o p e r o ft h eb a n da n dt h ew h o l eg r i n d i n gw h e e l sa na n a l y z e di np r o p e r s e q u e n c e b a s e do rt h ee x p e r i m e n t s , t h em a n u f a c t u r i n gp r o c e s so f p r e - g r i n d i n gw h e e l s b o n d ( c u 4 0 s n 6 0 ) a n df i n eg r i n d j n gw h e e l s b o n d ( c u 9 0 s n l 们c a n b ec o n c l u d e d l a s t , 咖珊皿gp r o c e s s ，g r i n d i n gm e c h a n i s ma n dg r i n d i n gw h e e l sf o r p c d c u t t i n gt o o l sa g es y s t e m t i c a l l yd i s c u s s e d b a s e do nt h er e s u l t s , t h e r l 嗡s o no ft h ed i s a d v a n t a g e so fg r i n d i n gw h e e l sm a d ei nc h i n ai sd e a r t h em e t a lc l a d d i n go fd i a m o n da b r a s i v e si st h e k e yt os o l v e t h a t p r o b l e m 蚴o r d s ：p o l y c r y s t a l l i n ed i a m o n dc u t t i n gt o o l s ，g r i n d i n gm e c h a n i s m g r i n d i n gp r o c e s s ，d i a m o n dg r i n d i n gw h e e l s 长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，聚晶金刚石刀具刃磨机 理及其刃磨工艺研究是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作 所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他 个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律结果由本人承担。 作者签名：2 坦噬型z 年兰月j z - e 1 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士学位论文 版权使用规定”，同意长春理工大学保留并向国家有关部门或机构送交 学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：f 兰丞咝堑呸年兰月三日 指导导师签名： 年一月一日 第一章绪论 1 1 本课题研究意义 随着现代社会科技的发展，我国汽车和飞机制造等行业都进行着， 大量的自主研发工作，对于高速、高硬度、高精度刀具也朝着国产化的 方向发展。聚晶金剐石( p o l y c r y s t a l l i n ed i a m o n d 简称p c d ) 刀具具有 高硬度、高耐磨性、低摩擦系数、高导热性、低热膨胀系数以及可获得 锋利刃口和光洁前后刀面的优越性能，特别是其硬度仅次于天然金刚石 刀具正是p c d 刀具的优越性能使其在高速，高硬度、高精度有色金属 和非金属材料加工方面有着最为广泛的应用。因此，和p c d 刀具相关的 研究越来越受到人们重视。 但也正是p c d 刀具极高的硬度使其成为目前最难刃磨的刀具材料， 其刃磨工艺、刃磨机理及其刃磨砂轮制造的研究成为世界发达国家推广 p c d 刀具应用的关键环节。目前，我国p c d 刀具刃磨工艺和刃磨机理还 不成熟，用于刃磨p c d 刀具的金刚石砂轮主要依赖进口，这两方面同样 也成为我国推广p c d 刀具应用的瓶颈。而本文正是针对上述问题从以下 两方面着手研究：一是研究p c d 刀具刃磨工艺和刃磨机理：二是研究用 于刃磨p c d 刀具的金刚石砂轮的制造工艺。期望能最终解决p c d 刀具 推广应用的瓶颈问题。 1 2 国内外聚晶金刚石刀具刃磨及其刃磨砂轮研究现状 用金刚石砂轮刃磨p c d 刀具是往之有效的方法，许多发达国家率先 进行了这方面的研究工作，主要研究内容包括p c d 刀具刃磨工艺、刃磨 机理及其刃磨砂轮制造工艺。 1 、聚晶金刚石刀具刃磨工艺研究 p c d 是硬脆性材料，几乎不发生塑性变形，因此p c d 刀具的刃磨应 遵循脆性材料磨削工艺恒定压力磨削工艺( 其对应于恒定进给磨削 工艺) 。而在评价恒定压力磨削p c d 刀具工艺的优劣时，刃磨效率占有 重要的作用。刃磨效率可用磨除率岛和磨除比率g 来衡量。磨除率岛 是单位时间内有多少p c d 材料被去除，提供的是磨削时问方面的信息： 磨除比率g 是工件去除量与砂轮磨损量之比，反映的是工件和砂轮相互 第1 页 磨除量的大小。k e n t e r 叫嘲瑚正是以磨除率q 和磨除比率g 为评价标准， 针对p c d 的恒定压力磨削工艺，得出以下磨削参数。 ( 1 ) k e n t e r 的实验条件 k e n t e r 的实验条件如表1 - 1 所示 表1 - 1 实验条件 s y n d i t e 0 0 2 - p c d l 工件s y n d i t e 0 1 0 p c d 2 s y n d i t e 0 2 5 ，p c d 3 工件尺寸 2 5 9 3 m ( l w h ) p c d 层的厚度h = o 7 5 t m ( 通常为0 7 m 0 金刚石砂轮型号 6 a 21 2 5 2 0 4d 4 6 m 7 5 砂轮转速2 0 m s 恒定压力f = 2 5 0 n 恒定压强f ，- 3 7 5 n m 1 2 单件磨削时间 1 5 s 砂轮修锐时问 1 0 s 砂轮总刃磨时间 1 8 0 s 摆动幅值s 。= 1 2 m 摆动频率f = 4 3 m i n l 高压冷却液 冷却液压强 p 产1 0b a r ( 2 ) 刃磨机床砂轮头的摆动值 刃磨机床砂轮头的摆动值决定工件在砂轮上留下的磨痕状态，而磨 痕状态又直接关系到杯状金刚石砂轮径向磨损是否均匀。图1 - 1 示出了 第2 页 三种磨痕状态，图中s 为砂轮转一周的摆动位移，w 为p c d 工件宽度。 为使金刚石砂轮磨损均匀，应满足图中( b ) 和( c ) 的条件( 重合度u 大于 等于1 ) ： 一 形跆 ， u 产x ( , 缸- b s ) v o s z 之2 ( 公式卜1 ) 其中v c 为砂轮转速，d s 为砂轮直径( 外径) ，b s 为砂轮金刚石层宽度， v * 为摆动速度( 其决定于摆动幅值和摆动频率) 。由公式1 - 1 可知通过 适当调整摆动幅值和摆动频率就能满足金刚石砂轮磨损均匀的要求。 ( q ) ( b )( c ) 层 图1 - 1 工件在砂轮上留下的磨痕 ( 3 ) 金刚石砂轮的转速 金刚石砂轮转速v c 与磨除率q - ，和磨除比率g 的关系如图卜2 所示， 被磨削工件为p c d 一3 ，其它实验条件与表卜1 相同，结论为：随着金刚 石砂轮转速v c 的增大，磨除率q - 和磨除比率g 均减小。 ( 4 ) 恒定压力f 和聚晶金刚石复合片粒度 恒定压力分别为f 。= 1 5 0 n 和f 艋= 3 5 0 n ，其它实验条件与表i - i 相 同，结论为：随着恒定压力f 的增大，磨除率q - 和磨除比率g 均增大： 随着p c d 复合片粒度的增大，磨除率“和磨除比率g 均减小。与磨除率 岛和磨除比率g 的关系如图i - 3 所示， 第3 页 宝 e 。 e e 苫 哥 篮 恤 2 5 2 0 1 , 5 1 0 0 5 0 月 、 、 、 g 0 0 2 5 被磨r g - r 件为 o 0 2 0 p 一3 ，其它 至 实验条件与表 o 0 1 5 喜 l _ 1 相同 0 0 1 0e 万 0 5 褂 丑 篮 趣 砂轮转速5 1 01 52 02 s3 0 图1 - 2 砂轮转速与磨除率q - 和磨除比率g 的关系 000 l00 己0 0 30 0 磨除比率6 囫f a l f a 2 其它实验条件 与表1 1 相同 图l - 3 恒定压力和聚晶金刚石复合片粒度与磨除率q 和磨除比率g 关系 ( 5 ) 金刚石砂轮 金刚石砂轮对p c d 磨削工艺的影响主要表现在以下四个方面：金刚 石砂轮中磨粒粒度、结合剂种类、金刚石浓度和砂轮磨损。 1 ) 金刚石砂轮中磨粒的粒度 金刚石砂轮中磨粒粒度与刀刃粗糙度r 押的关系如图1 - 4 所示，刃 磨砂轮分别为6 a 21 2 5 2 0 4d 2 0 m 7 5 和6 a 21 2 5 2 0 x 4d 4 6 m 7 5 ，其 它实验条俘与表1 - 1 相同，结论为：随着金刚石砂轮中磨粒粒度的增大 ( d 4 6 d 2 0 ) ，刀刃粗糙度r t - 增大 第4 页 结 为 表 结 结 图i - 5 结合剂与磨除率“和磨除比率g 的关系 3 ) 砂轮中金刚石磨粒浓度 常用的金刚石砂轮浓度通常有三种；7 5 ，1 0 0 和1 2 5 ( 浓度1 0 0 9 6 表示金刚石磨粒体积占总体积i 4 ) ，金刚石砂轮浓度与磨除率“和磨 除比率g 的关系如图卜6 所示，其中金刚石砂轮的浓度分别为7 5 ，1 0 0 和1 2 5 ，其它实验条件与表卜i 相同，结论为：随着金刚石砂轮浓度的 增大，磨除率儡和磨除比率g 均增大。 第5 页 一 一 件同 懈 一一一一一 一 一 一一一 一一一一一一一一一一心翮丑一一蟠欤 霹 逝 恤 o 030 0 025 ，一 o o2o 薅匡刁磨除比率t 茁 o o1 5 誓_ 磨除率q w 0 o10 工件为pcd3 其 0 00 5 它实验条件与 n表1 1 相同 图l _ 6 金刚石浓度与磨除率嗡和磨除比率g 的关系 4 ) 金刚石砂轮的磨损 用金刚石砂轮磨削p c d 材料是两种硬度相近的金强g 石对磨，砂轮磨 损较快，砂轮磨钝后，被刃磨p c d 表面粗糙度降低即刃磨质量提高，但 磨除率“降低。 ( 6 ) 冷却液浓度 冷却液浓度与磨除率q 和磨除比率g 的关系如图卜7 所示，其中被 磨削工件为p c 旷3 ，其它实验条件与表1 - 1 相同，结论为：随着冷却液 浓度的增大，磨除率q - 和磨除比率g 均减小。 2 5 2 0 r 1 5 e 喜l o 甜0 5 鬟o 5 g p a 1 2 0 旷c 高孤高医反应 5 5 g p a 1 2 。c 图2 - 2 用液相烧结法的金刚石烧结体制造工艺 1 ) 人造金刚石微粒粒度 制造p c d 烧结体所用金刚石微粒粒度一般在1 0 0pm 以下，在工业 中大量使用的烧结工具，其粒度在5 1 0 l l i l l 之间。另外使用不同粒度 的金刚石微粒混合，即“合批”可获得致密的烧结体。 2 ) 溶媒金属 只在金刚石微粒参与下进行烧结时，烧结反应后在金刚石与金刚石 之间有石墨生成，这降低了烧结体的强度。为了解决这一问题，可以加 入适量溶媒金属( c 。或n i ) ，其作用为：在烧结高温、高压下，使金刚石 与金刚石微粒间存在的石墨溶解，再析出金刚石将金刚石微粒结合，使 p c d 复合片成为强固结构( 以金刚石c - c 键的形式结合) 。 3 ) 添加剂 在烧结体中加入碳化物、氮化物和硼化物等添加剂可使烧结体微粒 细化以提高烧结体强度。 第1 2 页 由以上p c d 复合片烧结制造工艺及原理可知，它是以金刚石的c _ c 键形式结合的强固结构体。 ( 2 ) 聚晶金刚石刀坯规格及其特点 美国g e 公司生产的p c d 刀坯，其微观结构分别如图2 - 3 叫、图2 4 “” 和图2 5 “”所示，由图可看出三个系列的特点为： 1 )1 3 0 0 系列粒度由极细到微细晶粒构成，比1 6 0 0 系列粒度分布 范围要广，1 3 0 0 系列用于短切刃之切削工具，主要用来切削耐磨耗性 高的非铁系材料以及非金属材料； 2 )1 5 0 0 系列是粒度分布最广的刀具材料，由微小和中间粒度晶 粒组合而成； 3 )1 6 0 0 系列是由粒度极细、非常均匀的微粒构造，粒度范围极 为集中，可制出锐利无比的切削刃，良好的刀具前刀面和后刀面，适用 于精密精加工及长切削刃的刀具使用。 尽管美国g e 公司p c d 刀坯规格齐全，但在实际的p c d 刀具制造时， 通常购买圆盘型p c d 刀坯，切割成所需规格。 ( 3 ) 1 6 0 0 系列聚晶金刚石刀坯微观结构 用s 酬观察1 6 0 0 系列p c d 刀坯微观形貌得如图2 6 所示结构，图 中清晰可见p c d 刀坯中金刚石微粒间的强固结构( 以金刚石c _ c 键的形 式结合) ，进而用背散射电子成像分析1 6 0 0 系列p c d 刀坯微观结构，得 图2 7 所示结构，可知1 6 0 0 系列p c d 刀坯中残留溶媒金属c o 等分布于 p c d 刀坯中金刚石微粒间的金刚石桥附近，不起粘结作用。 第1 3 页 ( a ) 1 3 0 0 系列粒度构造( b ) 1 3 0 0 系列p c d 刀具前刀面 ( c ) 1 3 0 0 系列p c d 刀具后刀面 图2 q1 3 0 0 系列p 刀具微观结构 第1 4 页 ( a ) 1 5 0 0 系列粒度构造( b ) 1 5 0 0 系列p c d 刀具前刀面 ( c ) 1 5 0 0 系列p c d 刀具后刀面 图2 - 41 5 0 0 系列p 回刀具微观结构 第1 s 页 ( a ) 1 6 0 0 系列粒度构造 ( c ) 1 6 0 0 系列p c d 刀具后刀面 ( b ) 1 6 0 0 系列p c d 刀具前刀面 图2 - 51 6 0 0 系列p c d 刀具微观结构 第1 6 页 盘囊石蛐 矬曩皇咐 图2 - 6p c d 刀坯微观形貌图2 - 7 背散射电子成像分析p c d ( 1 0 。0 0 0 x ) 刀坯表面微观结构 3 、聚晶金刚石刀具制作工艺 p c d 刀具的制作流程如图2 - 8 所示，在图中所示工艺中，有三道工 序极为关键；线切割工序、高频焊接工序和刃磨刃1 - 3 3 1 序( 刃磨刃h t 序在下一章中有详细论述) 。 p c d 复合片 租磨刃口丹堕些型! 厂1 罗 图2 - 8 聚晶金刚石刀具制作工艺 在线切割工序中，由于p c d 导电性不好，切割机理与切割金属时不 同，切割p c d 刀坯时应加单相高频脉冲，并且进给速度要缓慢。 高频焊接工序的核心为焊剂选择与焊接温度参数的确定。焊剂选择 就是确定焊剂成分及组织，通过能谱及x 射线衍射分析现有优质p c d 刀 具焊接处即可达到要求，再用x 射线衍射及金相分析现有优质p c d 刀具 焊接处的微观组织，并结合合金平衡相图又可确定焊接温度参数，进而 第1 7 页 通过具体实验来最终确定焊剂及焊接温度参数。 通过对各工序进行严格控制便可制作出性能优越的p c d 刀具。图 2 - 9 为一套p c d 刀具的结构图简图，图中给出了p c d 车刀的部分尺寸， 其中标注了两个p c d 刀具刀尖圆弧尺寸r 1 和r o 5 。当刀尖圆弧为r l 时表示租车刀结构简图：当刀尖圆弧为r o 5 时表示精车刀结构简图。 图2 - 9p c d 车刀( 图中r 1 为精车刀，r o 5 为粗车刀) 2 2 聚晶金刚石刀具的性能“4 由前文可知p c d 刀具具有高硬度、高耐磨性、低摩擦系数、高导热 性、低热膨胀系数以及可获得锋利刃口和光洁前后刀面的优越性能，现 详述如下 1 、聚晶金剐石复合片硬度和耐磨性 p c d 复合片的硬度仅次于天然金刚石，但其各项同性以及韧性高于 天然金刚石，使其相对耐磨性最高，硬度也极高，如表2 1 所示，其中 相对耐磨性是指在车削渗有二氮化硅的硬质橡胶时，刀具后刀面磨损宽 度达0 2 5 m m 所需的切削时间。 第1 8 页 表2 - 1 天然金刚石，p 复合片与硬质合金刀具硬度和耐磨性比较 刀具材料k n o o p 硬度k g f m m 2相对耐磨性 天然金刚石8 0 0 0 1 2 0 0 09 6 2 4 5 c o m p a x 聚晶 6 5 0 0 8 0 0 02 5 0 硬质合金1 8 0 0 , , , 2 2 0 02 磨削时，金刚石的研磨能力是很强的，如以天然金刚石的研磨能力 为1 o ，则p c d 复合片为0 7 5 o 7 7 ，氮化硅为0 2 5 o 4 5 ，刚玉为 0 1 2 0 2 6 2 、聚晶金刚石复合片具有很高的导热性 p c d 复合片的导热性是石英的2 0 倍，氮化硅的6 0 倍，在矿物中仅 次于天然金刚石，而且p c d 复合片的导熟率是铜的6 倍，与y g 8 硬质合 金、碳化硅的热导率分别为2 5 ：1 和9 ：1 0 。p c d 复合片热扩散率较其它 材料高得多，因而切削热和磨削热容易散出有利于加工。 3 、聚晶金刚石复合片具有较低的热膨胀系数 p c d 复合片具有较低的热膨胀系数，再加其热扩散率也高，使其工 作区温度较低，这两点对尺寸糟度要求很高的精加工刀具来说是非常重 要的 4 、聚晶金刚石复合片具有高的弹性模量 p c d 复合片的弹性模量比硬质合金大得多，故其刀刃在切削过程中 不易产生变形，能在很大程度上保持刀刃的原始几何参数，长期保持刃 口锋利。 5 、聚晶金刚石复合片具有较低的摩擦系数 p c d 复合片与一些有色金属的摩擦系数比其它刀具材料都低，约为 硬质合金的一半左右。 6 、聚晶金刚石刀具可获得非常锋利的刃口和粗糙度很小的刃面 2 3 聚晶金刚石刀具的应用 由前文所述可知p c d 刀具的金刚石层是由金刚石微粒之问以金刚 石的c - c 键的形式结合而成，其具有优越的刀具材料性能，广泛应用于 非铁系金属和非金属等难加工材料的半精加工及精加工，特别是在汽 车、航空航天、军事工业中有着广泛的应用，其加工效率极高。 第1 9 页 2 4 本章小结 本章论述了p c d 刀具制造工艺流程、p c d 刀具性能和p c d 刀具应用， 并结合实验结果运用理论分析论证了p c d 刀具金刚石层微观结构。主要 结论为：p c d 刀具金刚石层是金刚石微粒间以金刚石的c 吒键的形式结 合成为强周结构体，硬度极高，残留溶媒金属c o 等分布于p c d 刀坯中 金刚石微粒间的金刚石桥附近，不起粘结作用。 但高的p c d 刀具的刃磨成本己成为推广p c d 刀具应用的严重障碍， 所以建立适当的p c d 刀具刃磨工艺成为解决这一难题的关键因素之一。 第2 0 页 第三章聚晶金刚石刀具刃磨工艺研究 p c d 刀具具有强固的微观结构。这一微观结构导致其刃磨有别于其 它刀具，是两种金刚石微粒之间的对磨。正是p c d 刀具这种极难刃磨的 特点，迫切需要建立适当的p c d 刀具刃磨工艺和刃磨机理。 k e n t e r 实验所用的工件是p c d 复合片试块而不是p c d 刀具，其与 实际的p c d 刀具刃磨工艺差别较大，况且k e n t e r 确定的p c d 刃磨工艺 参数之间关系不很明确，有待进一步论证。 为此，研究实际的p c d 刀具刃磨工艺，并运用理论分析以完善p c d 刀具刃磨工艺，确定p c d 刃磨工艺参数之间关系。 3 1 聚晶金刚石刀具刃磨工艺的发展 早期，p c d 刀具刃磨受天然金刚石刀具刃磨方法的影响，一般采用 研磨，效率极低。近年来，在国外发起了用高性能的磨床实现p c d 刀具 的高效高精度刃磨。 3 2 聚晶金刚石刀具刃磨设备 用于p c d 刀具刃磨的设备主要有三大品牌的磨床：d e v l i e g m i c r o p o i n t ，e w a gr s1 2 和o s a k ac p u - 2 0 0 0 磨床以及与这三大品牌 相应发展的用于p c d 刀具刃磨的数控机床。本文所研究的刃磨工艺是在 e w a gr s1 2 磨床上实现的。 1 、聚晶金刚石刀具刃磨设备结构 脚a gr s1 2 结构如图3 1 析示，技术参数为 ( 1 ) 砂轮头 电机功率：2 2 1 c - 主轴速度：5 0 c y3 4 0 0m i n - 1 6 0 c y4 0 0 0m i 1 专用无级变速：1 0 0 0 8 0 0 0 m i n - ( 2 ) 主轴倾斜( 矗轴) ：- 1 0 。+ 2 7 。 主轴倾斜精度：1m i n ( 3 ) 高度调整( y 轴) ：1 3 0m ( 4 ) 行程范围( x 轴) ：2 2 0i l l l n 第2 1 页 ( 5 ) 摆动幅值，工作时可无级调整：o 3 0 m 摆动频率：3 0 6 0m i n l ( 6 ) 半径设置( z 轴) ：o 0 1 4 9 呻 z 轴设置精度：0 0 1i b m ( 7 ) 从磨削位置滑到测量位置的距离：m a x 4 9 m m ( 8 ) 十字型夹持面 尺寸：1 5 5x2 0 51 1 1 1 1 行程：e a c h6 0 衄 ( 9 ) 最大角度调整范围( b 轴) ：2 6 0 。 ( 1 0 ) 控制台 可选电压：3 x 2 2 0 v ，$ o c y ；3 x3 8 0 v ，5 0c y ：3 x 4 4 0 v ，5 0c y ； 3 x 2 2 0 v ，6 0c y ：3 x 4 4 0 v ，6 0c y 所需功率：5 k v a ( 1 1 ) 可调磨削压力：3 0 4 0 0 n ( 1 2 ) 用于侧量的投影仪 ( 1 3 ) 垂直行程：2 0 0m m 横向行程：5m i l l 纵向行程：6 0 m m 可选放大倍数：1 0 ，2 0 ，3 0 ，5 0 ( 1 4 ) 数字显示仪 第2 2 页 图3 - 1 e w a gr s l 2 磨床结构 聚晶金刚石刀具刃磨 p c d 刀具刃磨时，应如图3 2 所示 第2 3 页 圈3 - 2p c d 刀具刃厝 3 3 聚晶金刚石刀具刃磨工艺 由于p c d 刀具前刀面在刀具生产过程中就已被抛光，故在刃磨过程 中不再进行前刀面的刃磨，而只对其后刀面进行刃磨，因此p c d 刀具的 刃磨工艺也就是p c d 刀具后刀面及刃口的刃磨工艺。 1 、聚晶金剐石刀具基体的打磨 在刃磨p c d 刀具之前，必须对p c d 刀具后刀面一侧的基体进行打磨， 使基体不防碍p c d 刀具的金刚石层的刃磨：由于基体一部分打磨出弧 度，有利于工作中切屑的排除 2 、聚晶金刚石刀具刃磨时的运动关系 p c d 刀具刃磨时的运动关系如图3 3 所示，分为以下三部分： ( 1 ) 砂轮逆时针旋转。砂轮旋转方向的确定标准是使刀尖承受压应 第群页 力而不是拉应力，尤其是在刃磨硬脆材料刀具时，如图3 4 所示。 刃 图3 3p c i ) 刀具刃磨时的运动关系 具前刀面 前刀面 ( q ) 正确的砂轮旋钻方向 ( b ) 错误的砂轮旋钻方向 图3 - 4 砂轮旋转方向的确定 ( 2 ) 砂轮摆动。砂轮摆动使磨削轨迹变化，有利于排屑并使砂轮磨 损均匀，其摆动范围和摆动频率均可在机床固有技术参数之内变动。 ( 3 ) 刃磨p c d 刀具刀尖圆弧半径r 时，刀具应以刀尖圆弧中心为原 点、刀尖半径r 为半径，作圆弧摆动。刃磨p c d 刀具刀尖圆弧半径r 比 刃磨直线刃刀具难，原因就在有此项运动( e w a gr s1 2 磨床可满足此项 运动) 3 、聚晶金刚石刀具刃磨分为两道工序 p c d 刀具刃磨工序分为粗磨和精磨两道工序，两道工序所用刃磨砂 轮分别为粗粒度和细粒度金刚石砂轮。刃磨后刀面的角度和长度均为： 第2 5 页 粗磨大于精磨，如图3 - 5 所示。p c d 刀具刃磨之所以分为粗磨和精磨， 是因为粗砂轮刃磨效率高但刃磨后刀具后刀面表面粗糙度大，而精砂轮 则刚好相反，采用粗精磨两道工序能以最低的砂轮成本获得最好的刀具 后刀面粗糙度。实验中刃磨的p c d 刀具后刀面精磨带微观形貌如图3 - 6 所示。 图3 - 5p c d 刀具精粗磨关系 图3 - 6p 后刀面精磨带 ( 1 0 0 0 x ) 4 、聚晶金刚石刀具刃磨工艺要素 本节通过实验和运用理论分析，来确定p c d 刀具刃磨工艺要素，主 要包括p c d 刀具粒度、金刚石砂轮、刃磨恒定压力、砂轮转速等要素的 确定。 ( 1 ) 聚晶金刚石刀具刃磨恒定压力f p c d 刀具的刃磨遵循恒定压力磨削工艺。顾名思义，刃磨恒定压力 f 是最为关键的因素，在其它条件不变的情况下，恒定压力f 值越大， 砂轮中金刚石磨粒切入p c d 刀具的深度越大，磨除率“也越大为了消 除被磨p c d 刀具接触区域几何尺寸对恒定压力f 。值大小的影响， 令：￥4 i p k ? k 其中以为恒定压强，f 为恒定压力， 为刃磨时p c d 刀具接触区域 面积。则对各种几何形状的p c d 刀具，恒定压强f ， 值越大，砂轮中金 冈石磨粒切入p c d 刀具的深度越大，磨除率q i 也越大。因此用恒定压强 f ， 取代恒定压力f 来表征p c d 刀具刃磨工艺则更为客观。 第撕页 根据以上原则，在刃磨p c d 刀具直线刃处接触区面积远大于刃磨刀 尖圆弧r 处，因此，在刃磨直线刃处恒定压力f 值要大于刃磨刀尖圆弧 r 处。 ( 2 ) 金刚石砂轮转速v c 金刚石砂轮转速v 。对刃磨p c d 刀具的影响主要表现在对砂轮中金刚 石磨粒作用于p c d 刀具上的实际压力r 和切力f t 的影响，实际压力f - 和切力f ，与刃磨恒定压力f 和恒定压强f 相关但不相同，恒定压力f 和恒定压强n 是通过刃磨机床可设置的量，而实际压力f ；和切力f ；是 在刃磨机床设置了恒定压力f 和恒定压强以后，金刚石砂轮实际作用 于p c d 刀具上的力。实际压力r 与压强吒的关系同恒定，压力f 和恒 定压强以的关系类似，因此用实际压强f h 来表征p c d 刀具刃磨工艺又 比恒定压强f ， 客观，但在实际工作中由于恒定压力f 的测量和控制更 为简单易行，通常设置恒定压力f 来控制p c d 刀具刃磨工艺，而实际压 强以更具有理论分析价值。 前文中叙述随着金刚石砂轮转速v c 的增大，磨除率岛减小。此结 论可解释为：在其它刃磨条件不变，当金刚石砂轮转速v c 增大时，根据 流体理论分析可知，砂轮中金剐石磨粒所受压力随着砂轮转速v c 的增大 而增大，此力与实际压力r 方向相反，故使实际压力f 减小，导致金 刚石磨粒切入p c d 刀具的深度变小；当金刚石砂轮的转速v 。增大时，单 位时间内参与刃磨的砂轮金刚石磨粒数量增大，而恒定压力f j 实际上代 表单位时间内压力的平均值，其值在v c 增大时没有增大。且砂轮中单个 金刚石磨粒实际压力与参与刃磨的金刚石磨粒数量成反比，与f 成正 比，因此砂轮中单个金刚石磨粒的实际压力减小了，进而导致金刚石磨 粒切入p c d 刀具的深度变小。显而易见，砂轮金刚石磨粒切入p c d 刀具 的深度与磨除率q 成正比，因此，上述两条原因均使金刚石砂轮转速的 增大，磨除率儡减小的结果成立。 ( 3 ) 刃磨机床砂轮头摆动值 为使金刚石砂轮磨损均匀，由前文的公式卜1 可知。可调整以下三 个量：金刚石砂轮转速v c 、摆动幅值和摆动频率。但由前文中所述金刚 石砂轮转速v c 影响着磨除率q - 此处不宜调整其值。因此只可调整摆动 幅值和摆动频率来满足砂轮磨损均匀的要求。 第2 7 页 ( 4 ) 金刚石砂轮类型 分别用树脂结合剂和金属结合剂金刚石砂轮刃磨p c d 刀具，其刃磨 后p c d 刀具刃口质量如图3 7 所示，由图可知金属结合剂砂轮刃磨出的 p c d 刀具刃口质量优于树脂结合剂砂轮。 另外，粗精磨砂轮工作表面微观形貌分别如图3 _ 8 和3 - 9 所示，从 图中可知，精磨砂轮金属结合剂有蝌蚪状支撑，而粗磨砂轮没有，从而 可知粗磨砂轮的金属结合剂比精磨砂轮的结合剂硬度高。 ( a ) 树脂结合剂砂轮刃磨后的( b ) 金属结合剂砂轮刃磨后的 肋刀具刃口 p c d 刀具刃口 图3 7 用树脂和金属结合剂金刚石沙轮 图3 - 8 粗磨砂轮工作表面 微观形貌( 5 0 0 x ) 图3 - 9 精磨砂轮工作表面 微观形貌( s o o x ) ( 5 ) 金刚石砂轮粒度 随着金刚石砂轮粒度的增大，磨除率q - 和磨除比率g 均增大，并且 第2 b 页 刃口粗糙度也增大。 ( 6 ) 金刚石砂轮修整 用金刚石砂轮刃磨p c d 刀具是两种硬度相近的金刚石对磨，砂轮磨 损较快。金刚石砂轮必须及时进行修整，修整分为修平和修锐。修平通 常采用s i c 砂轮，修平后的砂轮宏观极为平整。修锐通常采用刚玉油石， 修锐后的砂轮非常锋利，因此，金刚石砂轮修整后，磨除率q - 和磨除比 率g 均增大，但刃口粗糙度也增大。 ( 7 ) 聚晶金刚石刀具粒度 随着p c d 复合片粒度的增大，磨除率q 和磨除比率g 均减小，并且 刃口粗糙度增大。 8 ) 冷却液浓度 随着冷却液浓度的增大，摩擦系数减小，金刚石砂轮与p c d 刀具的 摩擦作用减弱，导致磨除率岛减小。 综上所述，本节从f c d 刀具刃磨时的运动关系、租磨和精磨两道刃 磨工序和p c d 刀具刃磨工艺要素之间关系的角度，对刃磨工艺进行了系 统研究。 3 4 刃磨后的聚晶金刚石刀具质量 采用以上所述刃磨工艺，能以较低的刃磨成本，刃磨出高质量的 p c d 刀具，该工艺具有刃磨后刀具刃口锋利、后刀面粗糙度小和刃磨效 率高的特点。 3 5 本章小结 本章研究了实际的p c d 刀具刃磨工艺，并运用理论分析完善了p c i ) 刀具刃磨工艺，确定了p c d 刃磨工艺参数之间关系。主要结论如下： ( 1 ) p c d 刀具刃磨时的运动，分为三个部分：砂轮逆时针旋转、砂轮摆 动和刃磨p c d 刀具刀尖圆弧半径r 的圆弧摆动。 ( 2 ) p c d 刀具刃磨工序分为粗磨和精磨两道工序，这样即可以降低砂轮 成本又可获得好的p c d 刀具刃磨质量 ( 3 ) 在恒定压力磨削工艺中，刃磨恒定压力f 是最关键的因素，其决定 金刚石磨粒切入p c d 刀具的深度，刃磨恒定压力f 越大，金刚石磨 粒切入p c d 刀具的深度越深，磨除率q 越大。 ( 4 ) 在其它刃磨条件不变，当金刚石砂轮转速v c 增大时，由于实际压力 第2 9 页 f 。减小和砂轮中单个金刚石磨粒的实际压力f i 减小，均使金刚砂 磨粒切入p c d 刀具的深度变小，最终导致磨除率q - 减小。 ( 5 ) 用金属结合剂金刚石砂轮刃磨p c d 刀具性能优于树脂结合剂，粗砂 轮结合剂硬度比精砂轮高；金刚石砂轮粒度的增大和p c d 刀具粒度 减小，均使磨除率嗡增大；修整后的金刚石砂轮。使磨除率q 增大： 冷却液浓度的增大，磨除率q - 减小。 ( 6 ) 刃磨好的p c d 刀具在实践中的使用表明，本文建立的刃磨工艺是极 为实用的。 第3 0 页 第四章聚晶金刚石刀具刃磨机理研究 刃磨好的p c d 刀具在实践中表现出的优越性能证明了本文建立的 刃磨工艺的合理性，但为了更好地指导p c d 刀具刃磨工艺，急需建立合 理的p c d 刀具刃磨机理。而现存的p c d 刀具刃磨机理，没有足够的说服 力，不能很好地指导实际的刃磨工艺，而且各种刃磨机理又不统一鉴 于此因，本文结合p c d 刀具刃磨工艺，通过扫描电子显微镜( s e m ) 观察 刃磨后的p c d 刀具后刀面微观结构，运用理论分析，建立p c d 刀具的刃 磨机理及相应的刃磨模型，并加以论证。 4 1 聚晶金刚石刀具刃磨机理 l 、聚晶金刚石刀具刃磨机理 金刚石砂轮刃磨p c d 刀具的刃磨机理为：在p c d 刀具粗磨过程中， 占主导作用的去除机理是砂轮中金刚石磨粒对p c d 刀具金刚石层的机 械切除( 磨除) ；在p c d 刀具精磨过程中，占主导作用的去除机理是砂轮 中金刚石磨粒对p c d 刀具金刚石层的摩擦作用去除。 2 、聚晶金刚石刀具刃磨模型 对应于p c d 刀具刃磨过程中两种去除机理，分别建立两种刃磨模 型：粗磨模型和精磨模型，如图4 一l 所示( 图中氏和艮分别是作用在 砂轮中单个金刚石磨粒上的压力和切力) 。在粗磨模型p c d 刀具中金刚 石微粒是被整体去除的( 磨除) ；在精磨模型中p c d 刀具中金刚石微粒不 是被整体去除的。而是因p c d 刀具中金刚石微粒受摩擦作用被部分去 除。 ( a ) 粗磨模型( b ) 精磨模型 图4 - 1p c d 刀具刃磨模型 第3 1 页 4 2 聚晶金刚石刀具刃磨机理论证 1 、聚晶金刚石刀具刃磨机理分析 尽管砂轮中金刚石磨粒与p c d 复合片的金刚石层硬度相近，但两者 的微观结构迥然不同。前者是靠具有一定塑性的结合剂对金刚石磨粒进 行把持，使砂轮刃磨层整体具有一定塑性，较耐冲击；而后者是以金刚 石的c _ c 键强固结构形式将金刚石微粒固接在一起，p c d 复合片的金刚 石层整体硬度极高，几乎没有塑性，极不耐冲击。 根据以上金刚石砂轮与p c d 刀具的特点，并结合p c d 刀具刃磨模型， 对上述的p c d 刀具刃磨机理详细论述如下： ( 1 ) 在f c d 刀具粗磨过程中，占主导作用的去除机理是砂轮中金刚石 磨粒对p c d 刀具金剐石层的机械切除( 磨除) 。机械切除根据金网b 石磨粒 对p c d 刀具金刚石层所旌加的实际压强f ，n ( 实际压强f 压力f 砂轮 与工件实际接触面积) 的大小，分为两种去除方式： 当压强n 足够大，使金刚石磨粒对p c d 刀具金刚石层有一定的切入 深度，这时p c d 刀具金刚石层中将要被切除的金刚石微粒与周围的微粒 发生脆性断裂。形成切痕( 可称为犁沟) ； 当压强雕较大，但不足以产生金刚石磨粒对p c d 刀具金刚石层所需 的切入深度，开始阶段，金刚石磨粒对p c d 刀具金刚石层产生强烈的机 械交变冲击作用，由于砂轮刃磨层整体具有一定塑性，相对于p c d 刀具 的金刚石层较耐冲击，导致p c d 刀具的金刚石层的刃磨面上金刚石微粒 的结合强度因机械交变冲击产生的裂纹而降低，从而使金刚石磨粒对 p c d 刀具金月4 石层达到一定的切入深度，也可形成切痕( 犁沟) 。 ( 2 ) 在p c d 刀具精磨过程中，占主导作用的去除机理是砂轮中金刚石磨 粒对p c d 刀具金刚石层的摩擦作用去除。当实际压强n 较小，金刚石 磨粒与p c d 刀具金刚石层之间相互挤压和滑动，并产生粘结、刻划、摩 擦化学反应和表面断裂等作用以使被刃磨材料得以去除。 2 、聚晶金刚