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(lái)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(chē)、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(chē)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(lái)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(guò)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(wú)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(lái)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(lái)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(guò)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。  #p#分頁(yè)標(biāo)題#e#

（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(guò)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(lái)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(jiàn)表1）或其失效程度（見(jiàn)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(guò)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(guò)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^(guò)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(guò)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(shù)脂結(jié)合劑金剛石砂輪。  #p#分頁(yè)標(biāo)題#e#

（4）適時(shí)注意砂輪開(kāi)刃，且開(kāi)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(kāi)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(shù)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(guò)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。