影响单晶金刚石刀具研磨质量的因素

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影响单晶金刚石刀具研磨质量的因素
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1 金刚石刀具的研磨方法
单晶金刚石刀具的制造工序一般包括选料、定向、锯割、开坯、装卡、粗磨、精磨 和检验。将选定的金刚石原石经定向后沿最大平面锯割开，可得到两把刀具的坯料，这样既能提高金刚石材料的利用率，又可减少总研磨量。通过开坯可使刀具形状 达到装卡(镶嵌或钎焊)要求。开坯和粗、精磨加工均采用研磨的方法。
金刚石的研磨加工在铸铁研磨盘上进行。研磨盘的直径约为300mm，由材料组 织中孔隙的形状、大小和比例均经过优化的研磨金刚石专用高磷铸铁制成。研磨盘的表面镶嵌有金刚石研磨粉，其颗粒尺寸可从小于1µm直到40µm。粗颗粒的 金刚石粉具有较高的研磨速率，但研磨质量较差，因此粗磨时一般采用粗粉，而精磨时则采用尺寸小于1µm的细粉。研磨前，首先将金刚石粉与橄榄油或其它类似 物质混合成研磨膏，然后涂敷在研磨盘表面，放置一段时间使研磨膏充分渗入研磨盘的铸铁孔隙中，再用一较大的金刚石在研磨盘表面进行来回预研磨，以进一步强 化金刚石粉在铸铁孔隙中的镶嵌作用。研磨时，一般将被研磨的金刚石包埋在锡斗中，只露出需研磨的面。研磨时的研磨盘转速约为2500r/min，研磨压力 约为1kg/mm2。
1 p* v+ @. X2 ~# o金刚石的研磨与其它刀具材料的加工有很大区别，其研磨机理至今尚未得到令人信服的阐释，影响研磨质量的因素也是多方面的。下面就金刚石刀具研磨的一些工艺问题进行讨论。
% J/ W0 W% S4 z( @8 v2 磨削量的影响因素
' w8 \8 b, m  }8 r, y. D. }通过实验发现，磨削量与研磨条件的关系为
, W$ p  A  f. H. {" PV=kvp
式中V——研磨体积
8 F( Q0 c; v# X: i" lk——磨削率
v——磨削速度
0 g0 ]0 f( r! Z% g4 }p——研磨压力
此外，金刚石的磨向、磨料的粒度、磨粒在铸铁孔隙中的镶嵌状况等因素也会改变磨削率的大小，从而影响磨削量。
3 研磨质量的影响因素
金刚石硬度高、脆性大，研磨时虽然刀具表面粗糙度较易保证，但刀刃容易出现崩口，刀刃锯齿度不易降低。超精密加工要求刀具刃口在500倍显微镜下观察无崩口，因此需要从各方面优化研磨过程，以获得平直完美的刀刃。
研磨粉粒度和研磨盘表面状态对研磨质量的影响
可以看出，由于粗粉对刀刃的冲击性较大，研磨后刀刃锯齿度也较大，基本上难以研磨出无崩口的刀刃；而采用细粉时，经过几分钟的研磨后刀刃即变得平直，锯齿度趋向于零。
% M0 g% B) n6 c新制造的研磨盘因加工精度的限制，其盘面不平度较大，对于研磨的稳定性有一定 影响。此外，刚涂敷在盘面上的磨粒本身的等高性也较差。经过一段时间的研磨后，盘面上的高点被研平，磨粒中的较大颗粒也被打碎或铲离盘面，从而使磨粒的等 高性得到改善，刀刃锯齿度稳定减小。所以对于金刚石刀具的开刃或精磨等关键工序，必须在稳定的研磨盘盘面上进行。
" ~3 l5 q" Z. m5 K+ v' K) y1 d2 b由于研磨过程中磨粒会被不断打碎或损失，若不及时加以补充，将导致因盘面磨粒密度不够而使金刚石直接与铸铁接触，不但会影响刀具研磨质量，还会因金刚石的挤刮作用破坏或堵塞盘面上的孔隙，从而降低研磨盘的使用寿命。因此，在研磨过程中需要经常向盘面添加新的研磨膏。
: w) b, ?3 {) a  y, J; K% K. W6 x此外，在涂粉之前对研磨盘盘面的预处理也至关重要，一般需用油石或较粗的 SiC研磨粉对盘面进行推磨，以去除车削沟纹，提高盘面的平整性。通过用各种油石和SiC粉研磨盘面的比较试验，发现用TL280ZY1油石推磨盘面1小 时后再涂以W1细金刚石粉，可获得最理想的研磨盘面，此时盘面达到稳定的时间最短，研磨后的刀刃锯齿度最小。而采用游离的SiC研磨粉则容易堵塞盘面上的 孔隙，使金刚石粉难以大量而牢固地镶嵌于研磨盘上。
  }% A/ o9 @( w* H刃磨角对研磨质量的影响
刃磨角q是研磨的线速度方向与刀刃的夹角。当q>0°时，研磨方向从刀 体指向刀刃，称为顺磨；当q<0°时，研磨方向从刀刃指向刀体，称为逆磨。图2所示为刀刃锯齿度与刃磨角的关系。由于金刚石的抗拉强度极高，顺磨>
盘面端跳和机床振动对研磨质量的影响
研磨盘面的端跳和机床的振动会引起研磨时盘面对刀刃的冲击，从而破坏刀刃的平 直性，其中尤以盘面端跳的影响更为直接，这是因为由端跳引起的冲击方向垂直于盘面。图3和图4分别为刀刃锯齿度与盘面端跳和机床振动的关系。从图中可见， 盘面端跳和机床振动对刀刃锯齿度的影响都分别存在一个临界值，当小于临界值时，刀刃锯齿度趋向于零；而当大于临界值时，刀刃锯齿度急剧上升。
为了减小盘面端跳，在用油石研磨盘面时，应同时检测盘面的端跳情况，并尽可能通过研磨消除端跳。然后还需进行研磨盘的在线动平衡，以减小运转时因机构不平衡而产生的振动。
端跳和振动还与研磨机的精度及减振性能有关。传统的木制顶尖研磨机因顶尖与转 轴之间需要垫以纤维衬垫，同时由于木材刚性的限制，会导致研磨盘在高速旋转时产生0.05～0.1mm的动态跳动；此外，木材和纤维物质的耐热性差，在高 速滑动条件下很容易磨损而使转轴与顶尖之间产生间隙，因此需要经常调整间隙、更换衬垫或木制顶尖。由于使用此类设备时不稳定因素较多，只有在设备状态最佳 的某些不长的时间段内才能研磨出基本合格的天然金刚石刀具，即使是技术熟练的操作人员，也只能达到30%～50%的加工合格率。
静压空气轴承的精度高于0.5&micro;m，旋转平稳，且承托主轴的高压空气具有较强的吸振能力。所以采用静压空气轴承的研磨机即使研磨刀刃楔角只有45°的金刚石刀具，也能获得完美无缺的刀刃。对于一般的民用金刚石刀具，基本上可以达到100%的加工合格率。
5 z' w: Z( V$ I0 Q1 }偏向角对研磨质量的影响
偏向角w是在金刚石的被研磨面上实际研磨方向 与最好磨方向之间的夹角。对于(110)面，当在最好磨方向(w=0°)研磨时，金刚石表面非常光洁，且表面有较大起伏，这是因为在最好磨方向上，研磨盘 面的不平度在金刚石表面得到了充分复映；当w=45°时，金刚石表面仍然相当光洁，但起伏程度变小，并出现细小沟痕；当w=60°时，金刚石表面产生密集 的深沟，研磨速率变得很低；在最难磨方向，金刚石表面充满一个个凹坑，研磨速率基本为零。w<45°的区域均可认为是好磨方向，可以获得光洁的表>
在好磨区域内锯齿度趋向于零，当w>45°后，刀刃上迅速出现较大崩口。对于(100)面同样可得到类似结果。
偏向角对表面质量的影响规律还可用于判断金刚石的最好磨方向，因为在最好磨方向研磨时，金刚石表面光亮且有较大起伏。
! T1 h4 ^2 ]5 B$ v/ |! n- J综上所述，金刚石刀具的研磨质量对各种加工条件都相当敏感，特别在研磨小刀刃 楔角的金刚石刀具(如眼科手术刀、光纤切割刀和生物切片刀等)时尤其如此。因此，在研磨时必须仔细处理研磨盘表面，使用极细的金刚石研磨粉，找到最好磨方 向，并采用精度高、运转平稳且振动小的研磨机床(如空气静压轴承研磨机)，在保证各种加工条件处于较理想状态时，即可研磨出无崩口、刀刃锯齿度小的高质量 金刚石刀具。