1引言
聚晶金剛石（polycrystallinediamond，簡稱pcd）是將金剛石微粉（粒度為微米級）與少量的金屬粉末（如co）混合后在高溫（1400℃）高壓（幾個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）以及非金屬材料時體現(xiàn)了良好的切削加工性能，被廣泛用于汽車、航空、航天、建材等工業(yè)領(lǐng)域。
與此同時，pcd刀具具有的高硬度及高耐磨性也給刃磨帶來了*的困難。刃磨時磨除效率低、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)實意義。合理選擇工藝參數(shù)是解決pcd刃磨問題的一個重要環(huán)節(jié)，而工藝參數(shù)中對刃磨影響zui大的因素之一是工作臺調(diào)定壓力。因此，需要系統(tǒng)研究磨床工作臺調(diào)定壓力對pcd刃磨的影響。
2刃磨試驗
試驗設(shè)計
試驗條件：采用fc2200d型pcd&pcbn刀具磨床，金剛石砂輪型號為6a2150×40×15×5w20m100；試樣為英國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)：取砂輪線速度為180m/min，進給量為2?m/擺，砂輪架擺動速度為40次/分鐘；除調(diào)定壓力在130n時出現(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；試驗中分別取工作臺調(diào)定壓力fa為130n、260n、325n、390n、455n和520n。
測量:記錄試驗時每次修磨砂輪后的磨削力，并測量對應(yīng)每組調(diào)定壓力下的pcd磨除率q（單位時間內(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），這兩個量分別反應(yīng)了刃磨效率和刃磨成本。
試驗結(jié)果
通過試驗得到工作臺調(diào)定壓力與磨削力的關(guān)系曲線（見圖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）
在試驗中觀察到，當調(diào)定壓力為130n時，會很快出現(xiàn)退刀的情況，此時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)的增加均無太大變化。需要特別指出的是：與調(diào)定壓力為130n時相比，調(diào)定壓力為260n時的法向磨削力和切向磨削力反而變小。
試驗所得工作臺調(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一開始隨之增大；當調(diào)定壓力為325n時，q值達到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；當調(diào)定壓力為325n時，g值達到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:當調(diào)定壓力為325n時，磨除率和磨耗比均出現(xiàn)峰值。
3結(jié)果分析
pcd刃磨機理
在刃磨聚晶金剛石刀具時，砂輪與pcd材料之間通過極其復(fù)雜的摩擦、變形（甚至斷裂）并伴隨著力和熱的作用實現(xiàn)pcd材料的去除。單個磨粒會在磨削過程中產(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)時間很短，且在溫度很低時，由于pcd的高硬度，磨削中不會出現(xiàn)塑性變形。隨著磨削的進行，當磨削力超過某個臨界載荷時，磨粒周圍的pcd表層將出現(xiàn)縱向和橫向的脆性裂紋并不斷擴展，出現(xiàn)局部材料碎裂、剝落，進入脆性斷裂階段。磨削繼續(xù)進行，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材料表層位錯運動加強，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)類似切削塑性金屬材料時的隆起現(xiàn)象，在pcd表面形成犁溝。另外，聚晶金剛石經(jīng)過高溫高壓的燒結(jié)過程后，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。當磨削過程中產(chǎn)生的沖擊載荷作用在pcd上時，這些缺陷對材料的破裂起著重要的作用。從熱的方面來說，磨削過程中，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：滑動物體間摩擦力的產(chǎn)生實質(zhì)上是一種能量消耗，而摩擦力是導(dǎo)致滑動界面上熱效應(yīng)的主要原因。由于金剛石的熱穩(wěn)定性差，當磨削區(qū)溫度達到700℃時，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，也會誘發(fā)裂紋的產(chǎn)生和擴展。
試驗結(jié)果分析
根據(jù)上述pcd磨削機理對試驗結(jié)果作如下分析。
調(diào)定壓力實際上反映了工作臺刀架的剛性。調(diào)定壓力為130n時，由于工作臺刀架剛性差，參與切削的有效磨粒數(shù)量少、實際的切入深度小，砂輪和pcd材料的接觸為少量點接觸，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，此時的法向磨削力和切向磨削力都很小，每次pcd的進給量并沒有被*磨除掉。隨著磨削的進行，進給量不斷積累，磨粒實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。當法向磨削力增大到超過工作臺調(diào)定壓力時，工作臺出現(xiàn)了退刀現(xiàn)象，此時pcd的磨削狀態(tài)處于無進給的“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。由于試驗中每次從磨削開始到出現(xiàn)“退刀”的過程基本一致，所以每次出現(xiàn)“退刀”時測到的法向磨削力和切向磨削力基本無變化，法向磨削力fn維持在大于調(diào)定壓力的某一數(shù)值附近。當調(diào)定壓力大于130n時，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，同時磨粒的實際切入深度增大，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。在這個過程中，雖然也有進給量的積累現(xiàn)象，但隨著調(diào)定壓力的增大，每次剩余的進給量越來越小，進給量積累速度變慢，在開始修磨砂輪時積累的進給量不會產(chǎn)生能使工作臺出現(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時相比，當調(diào)定壓力為260n時對應(yīng)的法向磨削力和切向磨削力變小，這是因為在調(diào)定壓力為130n時進給量積累很大并且積累速度很快，到出現(xiàn)工作臺退讓現(xiàn)象時，實際的進給量已經(jīng)很大；而調(diào)定壓力為260n時，進給量積累較少，積累速度也較慢，到修磨砂輪時，實際進給量比在130n調(diào)定壓力下要小得多，從而使磨粒實際切入深度較小，導(dǎo)致法向磨削力、切向磨削力比130n調(diào)定壓力時要小。
另外，當調(diào)定壓力很小時，砂輪與pcd的實際接觸為少量的點接觸，磨粒的實際切入深度很小，此時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，磨粒的實際切入深度增大，引起法向磨削力fn增大；當法向磨削力超過臨界載荷時，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的接觸點增多，在施加冷卻液的情況下，這些點為局部高溫點，容易石墨化和氧化，故由熱引起的局部點蝕加強。同時，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，另一方面使pcd表層原子位錯運動加強，增大的磨削力引起拉應(yīng)力增大，使橫向裂紋擴張，當裂紋出現(xiàn)搭接時，產(chǎn)生pcd表層局部剝落。高溫時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，容易使晶界處的殘留裂紋擴展，當裂紋擴展到一定程度，也會產(chǎn)生晶粒脫落。上述力和熱綜合作用的加強使磨除率q增大。在這個過程中，砂輪也經(jīng)受著機械和熱作用下引起的磨損和破損:機械作用主要表現(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)定壓力過大（>325n）時，pcd復(fù)合片表面金剛石晶粒對砂輪表層工作磨粒的反切削作用加強，法向磨削力超過金剛石砂輪的硬度或磨粒的斷裂強度時會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，磨除率q和磨耗比g都達到峰值，在這個調(diào)定壓力下進行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)以上磨削試驗及結(jié)果分析，可得到如下結(jié)論：
工作臺調(diào)定壓力對pcd的刃磨有很大影響；當調(diào)定壓力為325n時，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，此時由熱作用引起的pcd的去除以及砂輪的損耗變大，當砂輪變鈍后，pcd的去除和砂輪的損耗主要由磨削熱引起。
通過試驗研究得到的磨床工作臺調(diào)定壓力*值為綜合研究各工藝參數(shù)對pcd磨削的影響以及優(yōu)化工藝參數(shù)打下了基礎(chǔ)。