PCD刀具的刃口加工方法及技术①

苏慧涛

（北京天地东方超硬材料有限公司，北京 100018）

PCD刀具的刃口加工方法及技术①

苏慧涛

（北京天地东方超硬材料有限公司，北京 100018）

PCD刀具是20世纪70年代以后发展起来的一种新型刀具，其优良的使用性能在现代加工工业中发挥着重要的作用，文章阐述了PCD刀具常用的刃口加工方法，即电火花加工、金刚石砂轮加工和金刚石研磨加工，具体分析了其加工方法的加工原理、影响因素、加工的状况及应用情况，说明通过合理选择PCD刀具刃口加工方法来获得良好的刃口质量，可以提高被加工工件的加工质量，延长刀具使用寿命。

PCD刀具；加工方法；加工原理；影响因素

1 PCD的性能及应用

聚晶金刚石（PCD）［1］是将粒度为微米级的金刚石微粉与少量金属粉末（如Co）混合后在高温（1400℃）高压（6000MPa）下烧结而成的聚晶体。与其它刀具材料相比，聚晶金刚石具有如下特点：①极高的硬度和耐磨性；②高导热性和低热膨胀系数，切削时散热快，切削温度低，热变形小；③摩擦系数小，可降低加工表面粗糙度。但由于聚晶金刚石与铁族元素有很强的亲和力，因此不适合加工黑色金属及其合金。

PCD刀具在有色金属及其合金、非金属材料及复合材料的切削中体现出优良的切削性能，可用于制作车刀、镗刀、铣刀和钻头、铰刀、锪刀、锯刀、镂刀、剃刀及复合孔加工刀具（如图1），广泛用于航空航天、精密电子、医疗器械、汽车制造、风力发电等精密加工，现已成为如汽车零部件的切削加工，各种电动工具、电机加工及非金属材料加工行业等必备的加工刀具。

图1 常见的PCD刀具Fig.1 Common PCD cutting tools

2 PCD刀具的刃口对生产加工的影响

刀具具有锋利的刃口对生产加工具有重要的影响，一方面在相同条件下锋利的刀具刃口可以使加工变的轻便，从而降低切削力，提高加工效率，降低生产成本，另一方面锋利的刀具刃口可以提高被加工工件的表面质量和尺寸精度，进而提高工件的耐磨性、耐腐蚀性、耐疲劳性以及改善零部件的装配精度和质量，在PCD刀具的刃磨加工中，刃口处理对于提高刀具使用寿命十分重要。以加工发动机气门孔用PCD刀具为例［2］，进口刀具的正常使用寿命为3万件，但未经刃口处理的自制刀具仅加工300件后零件尺寸即偏小超差，其主要原因是刀具初始磨损阶段的磨损量超过了刀具公差，当刀具磨损进入尺寸稳定阶段时，加工零件尺寸已超差，虽然刀具刃口状况良好，但不得不报废。刃口处理的目的就是刃磨时预留初始磨损量，当刀具磨损进入尺寸稳定阶段时其加工尺寸正好处于公差范围内，以延长刀具使用寿命。

3 PCD刀具的电火花加工

3.1 电火花磨削加工PCD刀具

3.1.1 电火花磨削加工PCD的原理［4］

在极小的间隙下（如图2），工件与工作电极之间的脉冲电压使得介质电离形成放电通道，电流流过放电通道时瞬间可产生高于10 000℃的高温，使PCD材料局部融化甚至汽化，同时，介质（煤油）在瞬间高温的作用下汽化或者迅速膨胀，气泡爆炸或气体膨胀时产生的冲击力把熔融的PCD表层金刚石抛出，从而蚀除PCD材料，加工出刀具刃口。放电过程中包括了PCD表层金刚石的汽化、金刚石的氧化以及表层金刚石向石墨和非晶碳的转化、电火花放电产生的抛出力作用、热应力在金刚石表层产生的微裂纹以及金刚石晶粒的断裂破碎等，其中金刚石的石墨化在电火花抛光PCD金刚石表层的过程中起关键作用，即起导电作用，维持导电通道的存在，使金刚石表层凸出尖峰顶部得以汽化，使得金刚石表层不断的蚀除。工作电压一般为直流80～200V，主轴转速为500r／min。

图2 电火花磨削加工PCD的原理图Fig.2 Electrical discharge grinding processing PCD principle diagram

3.1.2 影响电火花磨削加工的因素

（1）脉冲电源的设计及可控性对刃磨质量可起决定性作用，配备改进型脉冲电源的工具磨床刃磨出的PCD样品的刃口及刀面粗糙度均接近金刚石砂轮机械刃磨的质量。（2）通过调节脉冲电源的设置进行多级刃磨，并合理分配每级磨除量比例及刃磨时间，可获得较高的刃磨质量，即在实际生产中采用先大的开路电压和峰值电流进行粗加工，再用较小的开路电压和峰值电流进行精加工。

3.1.3 电火花磨削加工PCD刀具刃口状况及应用

电火花磨削加工所得的刀具刃口粗糙度要优于线切割电火花加工，其磨削加工的平均表面粗糙度能达到0.1～0.25μm。但电火花磨削加工相对金刚石砂轮加工获得的刃口较差，主要用于机加工刀具、竹木刀具、石墨刀具等领域的粗加工或半精加工。

3.2 慢走丝线切割加工PCD刀具

3.2.1 慢走丝线切割的原理

慢走丝线切割设备以铜丝作为电极丝，以纯凈水为绝缘介质。在铜丝与被加工材料之间施加60～300V的脉冲电压，保持5～50μm间隙，间隙中充满纯凈水，铜丝以低于0.2m／s的速度作单向运动，使电极与被加工物之间发生火花放电，并彼此被消耗、腐蚀。在慢走丝线切割放电加工PCD材料的过程中，脉冲电路部分给工作台加以直流脉冲高电平，给铜丝加以直流脉冲低电平，在高电平和低电平之间形成电场，在加工的过程中以纯凈水作为工作介质，以纯凈水为冷却液，在水中存在大量的电子和少量的离子，电子在电场力的作用下作高速运动，电子高速运动使它不停地撞击PCD材料，PCD材料在高速运动的电子撞击下产生很大的热能，局部温度可达到1000℃～10000℃，从而把PCD材料局部熔掉，实现加工的目的。

3.2.2 影响慢走丝加工的因素［3］

（1）放电能量的大小 放电脉宽时间和主电源电压影响放电能量的大小，放电能量增大，可以增大PCD材料的去除率，从而提高加工效率。但是同时放电能量的增大会使放电过程中的热膨胀和局部微爆炸作用增强，从而使得刀具刃口质量变差，这样会增大被加工工件表面的粗糙度，降低加工表面质量。而且由于较高的放电能量会导致电极丝损耗加快甚至可能断丝。为保证加工过程的稳定进行，主电源电压需要保持恒定。一般不对主电源电压进行调整。

（2）伺服速度和伺服基准电压方面 增大伺服速度值可以提高加工刀具的精度，但也降低加工效率。一般对伺服速度的调整不应过大，而且还要考虑防止产生振动。调高伺服基准电压值会提高加工精度但降低加工速度，且对加工速度的影响更为明显。

（3）电极丝方面 在电极丝承受范围内提高张力可以提高加工刀具的精度。因为通过增大电极丝的张力可以有效减缓水压和放电时产生的爆炸力对电极丝的滞后作用，此外还可以有效地抑制电极丝的振动。但同时加工效率会有所下降。提高电极丝速度也可以提高加工刀具的精度。因为提高电极丝速度有利于把工作液带入工件放电间隙，加快电蚀产物的排出，且能加强对电极丝的冷却。但电极丝速度过高会造成电极丝在运行时的振动，使得加工精度变差甚至会引起断丝。

（4）PCD刀片的影响 PCD刀片中金刚石的含量越低，粒度越细的相对容易加工。

3.2.3 慢走丝加工PCD刀具刃口状况及应用

我国的线切割加工精度大都为0.01～0.02mm，加工表面粗糙度一般为Ra1.25～2.5μm，加工刀具刃口相对较差，主要用于粗加工和半精加工，在用来制作机加工刀具、地质钻头、拉丝模、木工刀及成型刀具等形状复杂的刀具加工，可以取得良好的经济效益。

4 金刚石砂轮加工PCD刀具

4.1 金刚石砂轮加工的原理［4］

磨削加工机理是在PCD刀具磨床（如图3）上，通过金刚石砂轮对PCD材料的不断冲击而形成的微破碎、磨损、脱落、解理等机械作用和氧化、石墨化热化学作用混合的结果。

4.2 金刚石砂轮加工的影响因素［5］

（1）机床的影响

①由于PCD材料硬度很高，刃磨时磨削力大（一般达100～500N）因此磨床主轴系统和刀具装夹系统必须有较高的抗变形能力。

②磨床主轴精度要好，一般砂轮端面跳动应≤0.02mm。砂轮端面跳动过大，磨削时砂轮断续冲击切削刃，容易使切削刃发生崩口，难以获得高精度切削刃。

③由于PCD磨削比极低，根据PCD的磨削加工机理采用短程摆动机构有利于提高磨削效率，改善刀具刃口质量。一般摆动距离0～50mm，摆动速度20～60次／分。

图3 常规PCD刀具磨床Fig.3 Conventional PCD cutting tool grinding machine

④由于PCD材料硬脆而耐磨，通常将其刀尖设计为圆弧状，以减小刀具和工件相对振动的幅值。为了实现刀尖圆弧的加工，机床的刀夹应具有高精度回转功能和刀尖圆弧半径尺寸与质量在线检测装置。这样可避免多次装夹带来的定位误差，同时可成倍提高加工效率。

（2）砂轮的影响

①砂轮结合剂的选择 刃磨砂轮应优先选用陶瓷结合剂金刚石砂轮。因为在磨削过程中陶瓷结合剂易发生微裂使磨粒得到更新自锐，使磨削过程平稳，有利于提高加工表面的精度和效率；次之可选用耐热性较高的树脂结合剂金刚石砂轮。

②砂轮回转方向 务必从刀具前刀面向后刀面回转。从磨削时PCD刀具切削刃的受力可知，当砂轮从刀具前刀面向后刀面回转时，其磨削力（切向与法向力之和）作用于切削刃向内，即刀具受压应力，不易崩刀；反之则为拉应力，切削刃易崩口。若因刀具结构原因必须反转刃磨时，则选用树脂结合剂砂轮优于金属和陶瓷结合剂砂轮。

③砂轮粒度的选择 切削刀具刃磨的目的之一是获取性价比高的切削刃口质量，而质量好坏的关键在于刃磨砂轮粒度的选择。砂轮粒度越细，切削刃崩口越小，而磨削效率越低。为此可根据刀具切削刃的精度、用途及其失效程度，将PCD切削刀具刃磨工艺分为粗、精两个加工阶段。根据具体情况选择合理砂轮粒度及工艺不仅可以提高加工效率，而且可以达到节约成本的效果（如表1）。

④砂轮开刃 由于用金刚石砂轮加工PCD刀具时，砂轮会发生堵塞、钝化、高温和快速磨损，导致加工速度降低和振纹、噪音、烧伤的产生。因此要适时注意砂轮开刃，且开刃油石粒度要合适。通常选择比所用砂轮粒度细1～2号的软碳化硅油石作为开刃油石。

表1 砂轮粒度选择及工艺Table 1 Wheel size selection and process

⑤砂轮冷却 PCD刃磨冷却液应优选水基磨削液。由于PCD材料硬度高且耐热性差，水基磨削液冷却效果优于油基磨削液，可提高加工效率和刃口质量。另外磨削过程中冷却要充分，不能断流，避免因磨削液量小或断续供给造成金刚石（砂轮、刀具）的大量消耗（氧化、石墨化）和刀具的刃口破损。

4.3 金刚石砂轮加工PCD刀具刃口状况及应用

金刚石砂轮加工主要用于机械加工领域常规刀具的加工，可用于加工车刀、镗刀、铣刀、钻头、刨刀、槽刀、螺纹刀等，由于可对PCD刀片粒度、刃磨砂轮的粒度及加工要素进行调整，因此金刚石砂轮加工PCD刀具可广泛应用于粗加工、半精加工及精加工。

5 金刚石研磨加工PCD刀具

5.1 研磨原理［6］

PCD刀具在一定的压力下与高速旋转的高速钢盘之间发生摩擦，产生摩擦热，使研磨面的温度升高，研磨面上产生的高温，有利于PCD中研磨面的金刚石晶粒产生氧化、石墨化、扩散、粘结以及热应力破损等，从而达到研磨的目的。

5.2 研磨影响因素

研磨的影响因素有研磨盘的平面度、动平衡、端面跳动、研磨线速度、研磨膏的粒度，以我厂的空气轴承高精磨床进行试验：①研磨盘的端面跳动越小加工刃口相对越好，一般在10μm以内为宜，研磨盘动平衡越小相对越好，一般控制在0.3g.mm／kg以内为宜。②经实验研磨盘线速度稳定在20～30m／s加工刃口最好。③研磨膏越细相对刃口越好，但太细又会影响加工效率，一般粗研用5μm的金刚石研磨膏，精研用小于1μm的金刚石研磨膏研磨可达到良好的刃口质量。

5.3 金刚砂研磨加工PCD刀具刃口状况及应用

采用金刚石研磨膏进行刃磨加工的刀具主要应用于超精密加工领域，加工表面粗糙度可达到Ra0.04μm，达到12级的表面粗糙度。

6 结论

随着PCD刀具应用的日益广泛，客户对PCD刀具的要求也越来越苛刻，选择合理的刃口加工方法不仅可以取得良好的生产效益，而且可以让客户获得理想的刀具和合格的被加工产品质量，进而让客户公司取得良好的效益，从而充分发挥PCD刀具在现代工业中的优势，然而，由于PCD刀具的特殊性能，使其刃口加工比较困难，在一定程度上妨碍了它的推广，因此PCD刀具的刃口加工方法还有待进一步的深入研究。

［1］ 庄心辅.新型金属切削刀具设计制造与新材料选用及检测标准汇编［M］.北京：中国电子科技出版社，575－577.

［2］ 刘涛，许立福，周丽.聚晶金刚石加工技术的研究现状［J］.工具技术，2011（1）.

［3］ 曹凤国，等.电火花加工技术［M］.北京：化学工业出版社，2005.

［4］ 刘顺福，吕战竹，赵福令.聚晶金刚石的电火花磨削［M］.北京：机械工业出版社，2001：68-72.

［5］ 许志忠.高精度焊接式双刃PCD刀具刃磨技术［J］.工具技术，2003（1）.

［6］ 王加春，刘志平，杨育林，郭辉.CVD金刚石厚膜刀具刃口半径研磨的实验研究［J］.金刚石与磨料磨具工程，2008（3）31-34.

Processing method and technology of PCD cutting tool edge

SU Hui-tao
（Beijing Tiandi Orient Super-hard Materials Co.，Ltd.，Beijing100018）

The PCD cutting tool is a new type of tool developing since the 70＇s，its good performances has played an important role in modern processing industry.This paper describes the PCD cutting tool commonly used parts processing method，i.e.，electrical discharge machining，diamond grinding wheel processing and diamond grinding processing，analyzes the processing principle，influence factors，processing condition and application situation etc..By choosing the reasonable PCD cutting tool edge processing method to obtain good edge，it can improve the quality of processed workpiece and prolong the service life of cutting tools.

PCD cutting tool；edge processing method

TQ164

A

1673－1433（2013）02－0031－05

2013－02－25

苏慧涛（1982－），男，毕业于河南工业大学材料科学与工程学院，助理工程师，主要从事超硬材料刀具的设计与生产工作。