随着行业的发展以及各种难加工材料的涌现，PCD刀具在切削加工中发挥的作用日益显著，其刃磨及使用技术越来越受到关注。如何保证和提高刀具的使用寿命和刃磨精度成为PCD刀具制造的难题，本文针对不同砂轮刃磨PCD刀具的工艺进行了深入探讨。

在机加工领域中，刀具的材质及修磨质量直接影响着加工效率的高低和加工质量的好坏。随着以铝合金为代表的有色金属的广泛应用，聚晶金刚石（PCD）刀具作为高切削速度、高耐用度及低加工成本的超硬材料刀具，已经深入到机械加工的各个领域，发挥着越来越重要的作用。PCD材料具有极高的硬度和极好的耐磨性，同时也给PCD刀具的刃磨加工带来了很大的困难，主要表现为PCD刀具的刃磨质量难以保证、刃磨效率较低等。基于上述原因，本文对使用不同结合剂（金属、树脂和陶瓷）的金刚石砂轮刃磨PCD刀具，给刃磨质量及刃磨效率带来的影响进行了试验研究和比较分析。

图1  PCD刀具及其微观结构

材料结构及性能

PCD是将金刚石微粉（粒度为微米级）与少量的金属粉末（如Co、Ni等）混合后，在高温（1400℃）和高压（几个吉帕）下烧结而成的聚晶体。如图1所示，在PCD的烧结过程中金刚石颗粒及结合剂间产生了共生物，并在金刚石颗粒之间建立起了连接“桥”，从而获得具有催化剂的岛状结构，形成了类似于整体金刚石的聚晶体材料。

PCD材料具有优良性能，如：极高的硬度（约为硬质合金的100倍）；很好的导热性（约为硬质合金的12倍）和较低的热膨胀因数（约为硬质合金的1/5）；较高的弹性模量，可以长期保持其锋利性；与有色金属及非金属材料亲和力很小，不易在刀尖上形成积屑瘤。

图2  刀具在砂轮上的磨痕

制造工艺及装备

PCD刀具的制造工艺决定着其切削性能和使用寿命，是PCD刀具发展应用的关键，主要包括两方面： PCD复合片的制造，通常是制成固定直径和厚度的圆盘，并进行研磨抛光及其他相应的物理、化学处理； PCD刀片的加工，包括复合片的切割、刀片的焊接及刃磨等步骤。

由于PCD刀具具有很高的硬度和耐磨性，刃磨要求很高。要想提高刃磨效率，降低刀具成本，刃磨出理想的刃口，这就对刃磨设备提出了较高的要求：

1. 足够的刚性及稳定性，以达到一定的压力将PCD刀具材料磨除。

2. 独特的砂轮摆动机构。应采用精密轴承、导轨等，以避免微小抖动而影响刃口质量。

3. 根据被加工刀具和所用砂轮的不同，磨削压力应可以实现恒压力可调。

4. 高精度回转工作台系统及光学投影装置，以实现一次装卡既能磨出刃口又能磨出两刃间的刀具圆弧，又能直接进行观测。

目前，国内对PCD刀具的刃磨加工多采用进口磨床。

图3  磨削表面粗糙度

刃磨装置的调整及余量设置

PCD刀具修磨时首先要把工作台的回转中心和光学投影仪的中心调整重合，并把装夹好的刀具通过工作台调整到光学投影仪基准线上。为保证刃磨精度，所有的刃磨尺寸应在一次装夹中完成。若是再修磨品，必须把磨损量都切除。为充分利用砂轮的效率和防止出现沟痕，根据PCD刀具的尺寸，应注意其摆动的幅值，保证砂轮和刀具的重合度u≥1。

重合度的定义如下:

如图2所示，式中，W为PCD复合片宽度，S为砂轮旋转一周砂轮架摆动的位移，VC为砂轮线速度，dS为砂轮外圆直径，bS为砂轮金刚石层宽度，υOSZ为砂轮摆动速度(其大小决定于砂轮摆动幅度SOSZ和砂轮摆动频率FOSZ)。由此公式可以看出，通过调节刃磨机床砂轮摆动架的摆幅和频率，可满足重合度的要求。

由于PCD刀具刃磨困难且成本昂贵，在刃磨时应尽量减小去除量以降低费用。而如何设置最小加工余量可以从如下三部分考虑：一是，切割方式对表层的损伤深度；二是，切割方式对内部组织的损伤深度；三是，加热方式的影响。目前的研究结果是：激光切割的PCD复合片表层损伤严重，表面比较粗糙，对内部组织的影响很小，最小磨削余量约10mm；EMD切割的复合片表层损伤较轻，表面较平整，对内部组织的影响较大，最小磨削余量约为（15～20）mm。

图4  表面粗糙度和砂轮转速的关系

刃磨砂轮的选择

刃磨PCD刀具的砂轮选择应主要从以下几方面进行考虑：

1. 粒度的选择

砂轮粒度越大效率越高，粒度越小表面越平整、表面粗糙度越低。通常一种粒度的砂轮很难达到满意效果，一般要选用2～3种不同粒度的砂轮进行粗、精磨。

2. 结合剂的选择

目前比较常用的结合剂有金属结合剂、树脂结合剂和陶瓷结合剂三种。金属结合剂的特点是型面成形性好、强度高，但自砺性较差。树脂结合剂的特点是强度高、弹性好且结合稳固，但耐热性差，当磨削温度达到200～300℃时，它的结合能力便大大降低。陶瓷结合剂的特点是硬度高、自砺性好且化学性质稳定，但陶瓷结合剂是压制成形的，均匀性难以保证且较脆，在磨削加工中，磨粒和结合剂容易集体脱落。

图5  表面粗糙度与砂轮摆动频率关系

刃磨试验及分析

针对金属结合剂、树脂结合剂和陶瓷结合剂金刚石砂轮进行试验对比分析。

1. 进行干、湿刃磨对比试验(砂轮转速1100r/min ＋摆动频率38次/min)，检测出各自条件下的刃磨表面粗糙度。从图3可以看出，金属结合剂砂轮和陶瓷结合剂砂轮干磨削条件下的刃磨表面粗糙度要比湿磨削时低，而树脂结合剂砂轮情况则相反，其湿磨削时刃磨表面粗糙度较低。另外，总体上看金属结合剂砂轮和陶瓷结合剂砂轮的刃磨表面粗糙度较低，湿磨时在0.03mm左右，而树脂结合剂砂轮的刃磨表面粗糙度相对较高，湿磨时在0.04mm左右。

2. 改变砂轮速度，检测不同速度下刃磨表面粗糙度影响曲线(摆动频率38次/min＋湿式磨削)。从图4可以看出，金属粘合剂砂轮刃磨时表面粗糙度按一定比例因数随着砂轮速度的增大而不断减小。砂轮转速在1000r/min以下时，树脂粘合剂和陶瓷粘合剂砂轮刃磨的表面粗糙度也是按一定的比例因数随砂轮转速的增加而不断减小的。但是在1100r/min以上时，刃磨表面粗糙度改变开始不明显，对于树脂粘合剂砂轮甚至出现了急剧上升的现象。金属粘合剂的刃磨性能较稳定，刃磨表面粗糙度始终较低；在一定的砂轮转速下，陶瓷粘合剂的刃磨表面粗糙度非常低；而树脂粘合剂刃磨表面粗糙度始终较大。

3. 改变砂轮摆动频率，检测不同摆动频率下刃磨表面粗糙度影响曲线(砂轮转速1100r/min ＋湿式磨削)。从图5可以看出，砂轮的径向摆频对刃磨表面粗糙度的影响较小，刃磨表面粗糙度基本都是按一定比例因数随砂轮径向摆动频率的增加而减小。陶瓷粘合剂砂轮刃磨表面粗糙度较低，金属粘合剂砂轮的刃磨效果与其相近，而树脂粘合剂砂轮的刃磨表面粗糙度则较大。

从刃磨表面粗糙度来分析，一般情况下金属型结合剂砂轮刃磨表面粗糙度较好，只有在一定的砂轮速度下陶瓷结合剂砂轮的刃磨表面粗糙度才比金属结合剂砂轮的低。这是因为砂轮在低速旋转状态时，磨削力较大，金属结合剂砂轮的形面较平整且强度高，影响很小；而陶瓷结合剂砂轮和树脂结合剂砂轮上的很多磨粒会脱落，破坏了磨粒的均匀性，造成了刃磨表面粗糙度较高。随着砂轮转速的不断增大，磨削热随之增加，PCD刀具表面产生软化层，磨削力逐渐减小，此时金属结合剂砂轮的高强度已发挥不了优势，而陶瓷结合剂砂轮的磨粒自励性高，一般都保持较锋利的状态，其刃磨表面磨痕会较细且均匀，磨削表面粗糙度较低。

从刃磨效率来分析，陶瓷结合剂砂轮强度适中，自励性好，刃磨效率最高，但刃磨过程中由结合剂和金刚石磨粒组成的脱落体易使PCD表面材料结合剂处留下凹坑，造成PCD刀具寿命很低；金属结合剂砂轮成形性好，强度高，刃磨表面粗糙度低，刃磨效率次之，其加工的PCD刀具寿命有了明显提高；树脂结合剂轮的耐热性差，砂轮磨粒易过早脱落，砂轮表面形貌会受热变形，刃磨表面粗糙度大，刃磨效率最低，但其刃磨的PCD刀具寿命最高。

结语

PCD刀具的加工以机械去除和热化学去除为主，同时存在脆性去除和疲劳去除。要想得到较好的刃磨表面粗糙度，应在考虑不同结合剂砂轮的耐热性、强度等特性的情况下尽量提高砂轮的转速和摆频，以提高刃磨时热化学去除的比例，避免脆性去除和疲劳去除方式，但也不应过高以使表面软化层过大、烧伤严重，降低刀具的使用寿命。

总之，PCD刀具以及其加工使用的刃磨砂轮都较昂贵，并且PCD材质硬度较高，磨削困难，在PCD刀具的制造中必须采取尽量少的原材料及加工余量。在金刚石刃磨砂轮选择上应考虑磨削参数对不同结合剂砂轮的磨削率、磨耗比的影响，根据加工方法和过程进行详细分析再选择采用，以降低刃磨成本，提高刃磨效率。