摘 要 傳統的超硬磨料砂輪的制造方法導致磨粒固結在砂輪表面呈無規則隨機排布。為了合理地解決這些問題，介紹了一種實現按需三維可控優化金剛石微排布的方法。盡管這種新穎的生產磨粒按需排布金剛石砂輪的觀點只是處于初級的試驗階段，但是為發展一度為人所忽略的微細加工指明了方向。

       關鍵詞 單晶金剛石 多晶金剛石 晶體 優化 磨粒群

       在19 世紀50 年代，隨著利用石墨化技術在高溫高壓下合成金剛石技術的發展，合成金剛石已經被廣泛地應用在切削和磨削中。金剛石磨粒具有較高的硬度（Knoop 硬度接近100 GPa）和較高的導熱系數，這使得磨削熱能夠很快地從磨削區中傳遞出去，同時也保證即使在加工難加工材料時也能夠保持較高的材料去除率。另外，金剛石具有較高的耐磨性，能夠滿足砂輪表面較高的尺寸穩定性要求，可以確保加工出的工件高形狀和高精度要求。

       在眾多高附加值的磨削應用中（如航天航空、醫藥、自動化領域），對于機械加工形狀精度及表面質量加之高生產率的需求，需要仔細考慮金剛石砂輪的規格（如磨粒尺寸、結合強度）以滿足生產需要。

       傳統超硬材料（如金剛石）砂輪的制造方法通常是：將選定特性和尺寸的金剛石磨粒與結合劑混合，然后將混合物根據模型做成需要的形狀。這些模型（基體）通常是以金剛石晶體隨機分布和晶體間距不同為特征的。就分布在超硬砂輪表面的磨粒來說，這些磨粒典型的呈散置的或鑲嵌的狀態分布在砂輪表面（即隨機分布），通常采用電鍍或燒結的方法將磨粒固定在砂輪上。現在用于商用的超硬度材料晶體具有各向異性。

       上述所提到的砂輪制造方法的應用會導致磨粒（砂輪）表面產生顯著的形態差異。例如晶格突起和晶向變化。這樣，由于晶格形狀和被測尺寸的不同會導致所有特定金剛石磨粒都存在尺寸和特性的不同。

       解決晶體尺寸測量問題（將三維不規則晶粒尺寸變成統一的測量尺寸），晶體的形狀會影響晶粒的測量尺寸，尤其是在被廣泛應用在磨削行業中的脆性磨粒的生產中，其晶粒形狀會存在很大的不同。包含在超硬度材料生產中，晶粒的測量尺寸分布通常可以看做為Gaussion 分布，任何在分布上都會對每克拉金剛石上的晶粒數產生直接的影響。同時，在尺寸大的金剛石上每克拉晶體的數目是可以控制的，對于在磨削應用中主導地位的較小尺寸金剛石來說，仍然顯得不切合實際。眾所周知，在一個特定的生產過程中，金剛石尺寸越小其晶粒強度越大。

       在精密磨削中，對于如何通過選擇性的定位磨粒位置至關重要，合理選擇磨粒位置可以使工作區存在更多的特性相同的磨粒，并且可以促進切屑的流出。現在使用掩膜和電解技術已經可以成功地實現選擇性的定位磨粒，將磨粒固定在砂輪表面需要的位置；然而，隨著砂輪磨粒尺寸的減小，這些技術表現出浪費時間和不切合實際的趨勢。進一步的研究顯示，選擇具有相似晶面結構的磨粒，可以成功地實現砂輪表面完整性的改善，同時，可以進一步增強整個砂輪的工作效率。通過減少磨粒在工作高度（裸露高度）上的差異，工作負荷能夠更加平均地加載在每一顆磨粒上，進而顯著提高磨削效率。利用各種（替代）技術，通過合理的選擇磨粒位置可以成功的實現工件表面粗糙度的改善，便于排屑，同傳統的表面全部接觸工件的砂輪相比，研究顯示其磨削力會顯著下降。

       伴隨著電火花加工技術的進步，由該方法生產的PCD 刀具已經廣泛地應用在微細加工領域，聚晶金剛石材料應用在高精度加工的刀具上。利用電火花腐蝕PCD 基體，將金剛石晶體結構暴露。制造微細磨削刀具的方法已經處在研究當中。利用激光在PCD 刀具機體上加工孔的技術的實現，改進了微細磨削的性能，微細加工性能的改善可以從根本上減少刀具負擔并幫助排屑。

       CVD 金剛石作為一種高性能的切削刀具材料，已經得到認可并逐步得到廣泛的應用，但是直到現在仍沒有發現一種可以成功應用生產實際的磨削刀具材料。現在的CVD 金剛石合成技術，例如微波等離子體化學氣相沉積MPCVD 和熱絲化學氣相沉積HFCVD 兩種方法都可以用來合成各種圓柱體形狀的單晶和聚晶金剛石，生產的商用CVD 金剛石被用作基體涂層薄膜（< 0.5 mm）或者是具有自支撐結構的厚膜（0.5～2.5 mm），這些結構最初固結在合適的基體材料上并在后續加工中去除。在這種方法中，可以生產直徑超出100 mm 的圓盤。然而，金剛石薄膜已經成功地用作切削刀具的涂層，將薄膜用作砂輪基體涂層的試驗工作也已經有了相關報道。這個觀點證明，通過涂覆在磨具基體上的磨粒特定的排布、占據準確的位置以及明確的工作高度，可以成功實現磨削性能的顯著提高。

       單個的單晶金剛石晶體（合成的或天然的），提供了一種生產刀具的可能，這種刀具可以按需排布晶粒以適應磨削狀況要求。金剛石各向異性的特性導致不同的晶面或在同一個晶體上的不同方向都存在獨特的機械和物理性能（例如耐磨性、強度和摩擦因數）。較硬的和較軟的晶面和它們的方向都可以運用在刀具設計之中。據報道單晶金剛石刀具邊緣的切削性能和磨損特性取決于其晶體方向和負荷（切削力）方向的相互位置關系。同時這種關系還與刀具的磨削和切削性能有關，這種關系也可以應用在磨削之中。

       1 研究范疇

       研究了在利用ND:YAG脈沖激光器制作的有序排列的金剛石CVD 薄膜微排列和測試切削這些材料時的操作參數（例如激光功率密度、進給速度）的影響。 如果排列方法得到優化，在數控五軸磨床上模擬磨削試驗，比較單晶金剛石和多晶金剛石的性能。另外，利用在高增值磨削行業（醫藥、航空）中應用較廣泛的TI-6AL-4V 試驗，測試其各種排列的金剛石的磨損特性。除了一定排列的金剛石的磨損特性，比較磨削試驗中使用單晶金剛石和多晶金剛石刀具所需的磨削力和所達到的表面粗糙度。確保優化排列的觀念具有應用在精密磨削中的潛力。

       2 優化排列磨粒金剛石的主要觀點

       利用激光燒結技術使金剛石磨粒排布優化，提供了一種應用在精密磨削中生產金剛石刀具的新方法。這個方法指明了砂輪表面磨粒和磨粒群可控的優點，具有同樣需要的尺寸，相同的工作高度，精確的磨粒間距。此外，隨著單晶和多晶金剛石刀具的應用，生產具有確定磨粒排列和定向的技術變得可行了。

       磨粒可控排布金剛石的應用提供了一種從根本上解決由傳統制造技術（單個金剛石磨粒的排列）所帶來的問題的新方法。

       由該技術在排列金剛石磨粒時高度的形狀重復度和精確的磨粒間距，人們相信該方法為精密磨削行業中提供了很多優勢。

       金剛石磨粒有序排布技術的觀念的形成是以下述觀點為基礎的：

       (1）在金剛石為基體的刀具上微晶粒是利用磨削的方法產生的。然而，由于金剛石磨粒硬度很大其尺寸很小，這些排布模式的生產方法也許只能是非傳統的技術（例如激光燒結）。

       (2）這些磨粒會有不同的形狀（模擬理想的磨粒排布形式），磨粒粒度（促進散熱或有利于應用切削液）和排布方向（沿金剛石晶粒的優化排布方向進行加工從而促進加工特殊材料的能力）。此外，這些具有優化排布方向的磨粒試樣可以通過單晶金剛石生產出來（經光整處理的試樣的初始平面的100 或110 的晶面上）。此外，磨粒可以對稱或交錯排列從而滿足不同場合的需要。

       (3）利用商用的CVD 金剛石刀具對上述金剛石排布進行試驗，在這個試驗中，激光燒結技術主要是用來控制有效磨粒的排布。以金剛石為基體的排布技術可以通過在固定（0°）或可變的角度（一系列連續的角度0 °、45°、 90°和 135 °）的激光燒結線性填充過程中實現。

       (4）一旦金剛石磨粒排布模式和幾何參數確定，我們就需要去測試它們的切削或磨削能力。這就可以確定與某種機械加工有關的磨粒優化排布的關鍵幾何參數（如工件材料需要的表面紋理）。

       基于上述觀點，本文提出了選擇優化磨粒排布實用方法的選擇結果，在磨削模擬試驗中，評估在不同的磨粒排布下的切削力和幾何特性。

       3 試驗過程

       3.1 金剛石微排列的形成

       ND:YAG 脈沖激光發射器裝配在三軸聯動的耦合激光加工中心，已經應用在通過激光燒結金剛石進行磨粒排布的試驗中。

       第一，金剛石磨粒排布的主要過程如下：進行具有固定或可變角度的激光燒結線性填充。開始，用多晶CVD 金剛石刀具磨削試件（5 mm×10 mm×0.5mm），選擇一系列的線性填充路徑，從而優化激光操作參數，能夠控制下述輸出參數：微溝槽的深度，加工（石墨化后的微粒）的連續性，切邊的尖銳性（影響產生的晶粒的形狀精度）。不斷變化的激光輸出功率（最大功率的30%～90%）、激光頻率（f=30～50 Hz），就可以得到各種不同的溝槽寬度（0.040～0.060 mm）和深度（0.010～0.050 mm）。

       第二，一旦確定了優化的參數，在多晶CVD金剛石上進行多層激光燒結就成為一種快速排列磨粒的很好的方法，利用具有連續掃描角度的多種掃描路徑復制由HPHT 金剛石合成過程中產生的，可以在金剛石晶面上發現的各種形狀特征，如，正方形，三角形和六邊形及其類似形狀，不同形狀的磨粒以特定的方（長0.1～0.6 mm 和 0.1～0.3 mm的磨粒間距）排布在多晶金剛基（5 mm×10 mm×0.5 mm）上。

       第三，利用激光燒結優化排布技術，和ElementSix 公司生產的兩種一定磨粒排布形式金剛石刀具（多晶和單晶金剛石）預切棒料。CVD-MY 具有多晶的圓柱形的晶體結構特征，CVD-MCC 是單晶結構，在試樣的拋光表面上，其結構特征和100或110 晶面結構相似。制造具有不同的晶體(單晶或多晶100 或110)特征的金剛石磨料，評價每個磨粒上的磨削力的大小。在這種排列方式下，磨粒群中有對邊距為0.1 mm 的確定的方形晶體，且每立方米磨粒群80 個磨粒。這最多允許八個磨粒在0.8 mm 的金剛石磨料截面上錯列分布，形成這種排列下所需要的具有確定方向的磨削路徑。

       在激光燒結單晶或多晶金剛石之后，將工件在王水中浸2 h，然后在去離子水中用超聲波清洗15 min，從而去除工件表面的殘留石墨 。

       一旦這種激光燒結技術成功的應用在CVD金剛石中，利用光纖數字顯微鏡檢查排布形狀，然后用CLT1000 表面紋理分析儀進行三維評價。

       3.2 磨削試驗

       利用具有特定優化磨粒排列方式（例如100 或110）的CVD 金剛石原料進行模擬磨削試驗，從而評價不同磨粒排列方式下的切削能力。

       在自支撐排列結構的08 mm×0.8 mm×5 mm 的CVD 金剛石基體上，以下面的切削參數磨削管Ti-6AL-4V 試件：αp= 0.003 mm, v= 20 m/s,vf=300 mm/min, Houghton3380 冷卻劑供應。注意選擇這些切削參數，確保每一個磨粒上的平均壓力不要超過0.25 N,避免早期斷裂和潛在的磨削燒傷。在五軸Makino A55 加工中心上個進行模擬磨削試驗，利用間歇性故障檢驗磨粒排列的完整性（可靠性）（利用光學掃描電子顯微鏡）并記錄其磨損、斷裂特點。

       此外，將三軸測力儀與電荷放大器連接，利用數據采集卡和PC 在采樣率為10 KHz 的條件下采集切削力參數；比較三種磨粒排列形式的金剛石（ CVD-M,CVD-MCC100,CVD-MCC110 ） 主切削力。在每一次模擬磨削試驗后用三維表面粗糙度儀測量Ti-6AL-4V 工件表面的粗糙度。

       4 結果和分析

       4 . 1 激光成型和金剛石磨粒群的測量

       為解決利用激光燒結合成金剛石磨粒和磨粒群的技術難題，需要選擇正確的操作參數。

       激光燒結CVD 金剛石的參數已經被局限在很小的一個范圍內，從而避免下述的表面缺陷。

       (1）金剛石激光燒結的邊緣效應。這些缺陷包括，激光束溶蝕金剛石基體導致的刀刃無急劇變化的棱邊。在對其表面進行加工時，這些軟缺陷通常在激光密度功率（P=4.75～9.95 W CM－2×106）設定的過低、光束速度(V=500～600 mm/s)設定太高以及沒有局部溫度太低時產生。

       (2）激光燒結表面燒傷。這種缺陷由圓形的高度石墨化的燒結表面組成，這些缺陷導致晶粒角度明確性降低。然而，在更惡劣的環境下，由于過度石墨化的影響，磨粒尺寸會顯著下降。這種燒傷在激光功率密度過低和光束掃描速度過低是會更容易出現。

       (3）不穩定的熔深深度。由于熔深深度不穩定會導致金剛石磨粒群工作高度的不一致，進而降低金剛石刀具的工作效率，因此應避免這種缺陷的出現。這種缺陷在激光束移動速度過快、功率密度過大以及頻率太低時會更容易出現。引起這種缺陷的原因與進給方向上沒有或只有很少的磨粒疊加有關。

       如果激光燒結優化磨粒排布的操作參數得到優化，就可以利用多通道連續變化掃描角度，在多晶金剛石基體上生成多邊形、長方形和三角形圖案的各種磨粒群。

       能夠成功地在CVD 金剛石基體上排布磨粒和磨粒群后，利用光學表面紋理分析儀對磨粒和磨粒群的尺寸和幾何精度進行分析。

       從上面的結果，我們可以注意到，不同形狀的磨粒在各種不同模式的金剛石磨粒群上并沒有明顯的尺寸和幾何精度差異。這種激光燒結排布金剛石磨粒的方法需要進一步發展以增加其磨粒群的精度從而達到以下目的：利用較小尺寸的磨粒和較高的脈沖頻率從而增加磨粒磨削刃的鋒利度和幾何精度，減少磨粒的脫落，尤其是在主切削刃上充分傾斜激光束去彌補這種缺陷。

       激光排布技術已經被證明是一種排布金剛石磨粒的可靠的方法，在現階段，該技術已經成功的應用在多晶金剛石和優化晶向的單晶CVD 金剛石上排布金剛石磨粒，但方形磨粒的數量需要進一步的研究，從而確保磨削試驗的順利進行。

       4.2 磨削試驗結果

       眾所周知，盡管對金剛石磨粒的磨粒間距和磨粒群形狀的優化研究還不夠充分，但是，模擬磨削試驗可以對其進行一些初步的探索: 一、 磨粒在切削加工中的工作性能；二、不同晶體方向的某一特定磨粒的切削能力。

       對于具有3 種確定形狀磨粒群的多晶金剛石和具有特定晶體方向的單晶金剛石來說，對其上述各種性能的評價需要注重從以下幾個方面進行：在同樣切削參數的試驗中所獲得的磨粒群的平均半徑、主切削力、磨粒在刀具耐用度的磨損。

       光學電子顯微鏡分析顯示：磨粒群在其切削長度達到100 m 以上后，其磨損和損壞的方式發生顯著的變化。在多晶CVD 金剛石上的金剛石磨粒會在其主切削刃上出現明顯的裂紋，而其在磨削的接觸面上會出現磨損痕跡。在這種情況下，會有更多的待加工材料粘附在磨粒的有效磨削刃上，這與利用單晶CVD 金剛石的情況形成了鮮明的對比。然而，單晶CVD 金剛石磨粒不會出現明顯的裂紋，在不同晶面方向上其磨損特性也會有顯著的不同。（110）晶面方向的磨粒，在其接觸面上會出現明顯的點蝕，其主切削刃上也會出現凹凸不平的痕跡。相反，在（100）晶面方向的金剛石磨粒的接觸平面上，沿磨削方向會出現明顯的波紋，其主切削刃也會出現輕微的褪色。

       多晶金剛石磨粒的早期磨損裂紋是由于其本身的結構強度（CVD-M 需抗拉強度達到400～800 Mpa，CVD-MCC 抗拉強度達到2 000～3 000 MPa）不夠造成的， 在實際應用中，這種排列方式的磨粒在其主切削刃上的裂紋會導致刀具的早期損壞。在這個磨削模擬試驗中，100 晶面方向的磨粒表面與110晶面方向的磨粒相比會出現更明顯的磨損現象。更多的早期研究表明，100 晶面方向的金剛石比110晶面方向的金剛石更軟。然而100 晶面方向的金剛石也表現出比較高的熱穩定性。這也許可以解釋：如果存在明顯的熱損失，熱損傷傾向于出現在100晶面方向的金剛石表面上。

       通過對與方位角有關的各層晶體的耐磨性的研究發現，110 晶面100 晶向的金剛石與100 晶面110晶向的金剛石相比，前者會表現出更高的磨損率，采用其他特別的操作參數，通過不斷的試驗發現：前種排列方式的磨粒出現更高的磨損現象。

       在溫度達到650℃發生氧化的情況下，金剛石表面出現氧化鈦的現象可以解釋在110 晶向上磨粒群發生表面點蝕的現象。尤其是主切削刃的變色表明表面出現了熱裂紋；然而，對于表面碳化鈦形成的問題，目前既沒有進一步的研究，也沒有在試驗中測量其表面溫度。

       在對CVD 金剛石磨粒磨削性能的這些基礎性研究中，主要是通過設計試驗去觀察早期的磨損現象。然后通過進一步的試驗，磨粒群的磨損特性會變得更加明顯。

       更深層次觀察磨粒，可以更容易理解發生在刀具刀刃上的一些微小的現象。從而可以理解不同結構金剛石構成的磨粒的性能出現差別的現象。檢測的力信號的大小可以說明在模擬磨削試驗中磨粒的總體性能。

       在磨削加工中，利用單晶金剛石和100 晶向的多晶金剛石所需的平均圓周力大小并沒有明顯的區別，測量發現110 晶向的金剛石刀具所需的圓周力稍微小一點；三種排布形式的金剛石刀具的測量圓周力會有部分重疊，因此，可以認為它們所需的圓周力基本相同。然而，可以觀察到。單晶和多晶金剛石刀具的切削力會有顯著的差別。多晶金剛石刀具的主切削刃的裂紋和側面磨損可以解釋這個結果，單晶金剛石刀具主切削刃的裂紋并不明顯。同時，單晶金剛石刀具上的主切削力也相似，在100晶向上較高的切削力在磨削中沿磨削方向生產具有波形磨損圖案的磨粒。因此，可以使得在磨削中刀具表面有更多的可用于磨削的微小磨粒。

       三種排布的金剛石刀具磨削Ti-6Al-4 工件表面的粗糙度的測量結果如下：Ra = 0.31 μm CVD-M；Ra = 0.60 μm CVD-MCC（100）； Ra = 0.67 μm CVD-MCC（110）。CVD-MCC（100）與CVD-MCC（110）的多晶金剛石組成的刀具所獲得的粗糙度相似。利用多晶金剛石可以獲得較好的表面粗糙度。這現象可以由多晶金剛石磨粒的早期裂紋會產生較尖的切削狀況解釋。眾所周知，沒有優化掃描角度的刀具去磨削塑性較強的Ti-6Al-4V 工件表面沒有很高的材料去除率，這種方法證明了由激光燒結生產出來的磨粒按一定方式排布的金剛石刀具可以應用在磨削加工中。然而，期望在切削刃上利用效率較高的掃描角度去改善工件粗糙度的方法存在降低磨粒強度的危險。但是借助優化的掃描角度生產磨粒按一定方法排布的刀具，從而提高加工出表面粗糙度較高的設想存在降低強度的危險。

       5 優化磨粒排布金剛石刀具的應用前景

       這些基礎性的研究主要提出了兩種引起制造行業重視的新穎的方法，這兩種方法在將來的技術發展中有很大的潛力。

       本文指明了利用激光燒結的方法，在CVD 金剛石基體上生產磨粒，磨粒群按一定方式排布的刀具的能力。所以用這種方法可以提高刀具性能。同時模擬磨削試驗的結果表明：利用優化磨粒排布方式可以提高刀具的綜合切削性能，從這個基本的發現我們可以得到下述結論：

       可以利用金剛石排布技術制造單層金剛石磨粒的砂輪，在該種砂輪上，磨粒按需分布在砂輪基本表面。同樣該技術可以應用于多層磨粒排布的砂輪制造中，在此砂輪中磨粒可以植入砂輪基體中。在這種情況下，可以利用激光燒結技術在CVD 金剛石材料或盤狀原料上將磨粒按一定要求排布。

       金剛石磨粒排布技術可以在CVD 金剛石板材，棒料或更大的顆粒的某一個特定平面上將磨粒按一定晶體學方向排布。曲面砂輪表面需要設定磨粒半徑，從而滿足磨料對形狀和排布方向的要求。這提供了生產用于曲面磨削的刀具的可能性。然而100和110 晶向刀具尺寸性能上區別不大，使得生產曲面磨粒群金剛石刀具具有了可能性。這與當時利用的金剛石材料晶向方向相反。每個晶粒都有漸進型不同的晶向排布。這也提供了生產超高精度刀具的可能性。

       6 結語

       本文第一次提出了優化磨粒排布制造薄膜基金剛石刀具的方法，并測試了這種刀具的切削能力。采用晶體學方法，激光燒結單個磨粒和多線性排列的磨粒群，在單晶110 和100 晶向上CVD 金剛石基本上成功的實現了磨粒較高程度的重疊。磨粒群在尺寸方面比利用多線性激光研磨獲得的磨粒要優越。

       利用這種激光形成的圖案排布，可以生產出一系列的可用于試驗的磨粒群和在薄膜金剛基體上利用激光燒結獲得磨粒排布可控的磨粒群。該技術成功地獲得具有各種有統一排列方式的磨粒群。對于優化磨粒排布金剛石刀具的性能評價顯示磨粒排列影響了磨削的輸出參數。利用磨粒排布方式優化的砂輪可以顯著降低主切削力，磨粒磨削刃的磨損也會減少。

       同時，這些基礎性的研究主要集中在如何利用晶體學方法獲得優化磨粒排布的金剛石刀具以及該刀具在加工難加工材料時的性能，對于磨粒排布和磨粒群圖案的研究仍然沒有進展。可以設想，特定的一個加工方案都需要一個特定的磨粒排列，磨粒尺寸、形狀、和間距。

       注：本文根據：Preferentially oriented diamond micro-arrays : A laser pat terning technique and preliminary evaluation of their cutting forces and wear characteristics 摘譯。