摘要：在分析聚晶金剛石(PCD)材料的微觀結構和去除機理的基礎上，對PCD材料的超聲振動研磨機理進行了深入研究。通過試驗證明，采用超聲振動研磨PCD可顯著提高研磨效率，認為研磨軌跡的加長和超聲振動的脈沖力作用是提高研磨效率的主要原因。
　　
　　1 引言
　　
　　聚晶金剛石(PCD)具有接近天然金剛石的硬度、耐磨性以及與硬質合金相當的抗沖擊性能，PCD刀具的應用范圍已逐漸擴展到有色金屬和非金屬材料的精加工領域，尤其適用于鋁合金材料的精密及超精密加工。然而，由于PCD刀具材料特有的高硬度、高耐磨性及低斷裂韌性，使對PCD刀具進行研磨時材料去除率極低，嚴重影響生產效率。本文通過分析PCD材料的去除機理，將超聲振動引入PCD刀具材料的研磨工藝。試驗證明，采用超聲振動研磨PCD刀具材料可在保證加工表面粗糙度的同時獲得較高的加工效率。2 超聲振動研磨試驗及結果分析
　　
　　試驗條 試驗設備與材料
　　
　　超聲振動研磨試驗在經過改裝的轉速可調的高精度靜壓式研磨機上進行；研磨盤采用直徑D=300mm 的高磷鑄鐵盤；磨料為W7 粒度的金剛石研磨粉；試件材料為鄭州新亞復合超硬材料有限公司生產的JFER1308DF-IV(規格為Ø13.44×0.8mm，粒度W40)和美國GE 公司生產的PC1308DA(規格為Ø13×0.8mm，粒度W20)；超聲振動研磨系統由J923025型電子管式超聲波發生器(最大額定輸出功率為250W)、自行研制的磁致伸縮超聲換能器及相應的夾具組成；由于研磨加工要求的材料去除量極微小，且PCD材料具有高耐磨性，因此采用ES120G-4型電子天平(稱量可精確到10-4g)來測量PCD試件的質量變化，并以此評價研磨加工效率。試驗方法與參數研磨時，試件沿研磨盤徑向水平方向(垂直于研磨盤線速度方向)作高頻振動，工作頻率為19KHz，靜載荷為15N，研磨時間為60min。試驗時，研磨盤選取三種不同轉速(80r/min、320r/min 和500r/min)，超聲波發生器輸出不同功率，分別研磨不同粒度的PCD試樣，并分別測量試驗結果。

圖1 超聲波發生器輸出功率變化時的PCD材料去除率

圖2 超聲振動研磨不同粒度PCD時的材料去除率 
　　試驗結果分 超聲振動研磨試驗結果如圖1和圖2所示。由圖1可知，超聲振動研磨工藝可明顯提高研磨PCD的材料去除率。試驗數據還顯示，隨著超聲波發生器輸出功率的增大，PCD材料去除率有較大幅度的提高(超聲波發生器輸出功率為250W時，PCD材料去除率比普通研磨提高一倍以上)，即采用超聲振動研磨比普通研磨可獲得更高的加工效率。這是因為超聲波發生器輸出功率的提高使PCD試件的振幅增大，說明在超聲振動研磨中振幅對PCD材料去除率的影響很大；由圖1還可看出，在相同試驗條件下，隨著研磨盤轉速的提高，PCD材料去除率也相應提高。 
　　 
　　由圖2可知，在相同試驗條件下，超聲振動研磨粗粒度PCD時的材料去除率比研磨細粒度PCD的材料去除率更高，這說明合成PCD的金剛石晶粒粒度對PCD材料的耐磨性和強度有很大影響。 
　　 
　　3 超聲振動研磨PCD的去除機理分析 
　　 
　　PCD是由經預處理的、具有一定粒度的金剛石微粉為原料，以鎳、鈷、鈦、硅、硼等作為粘結劑，在高溫、高壓下燒結而成。PCD是金剛石微粒隨機排列的金剛石密集體(見圖3)，具有“混凝土”式的微觀結構，這種結構使PCD材料具有各向同性的特點，因而可獲得比天然金剛石更高的耐磨性和較高的抗沖擊強度。研磨PCD材料的去除機理 
　　 
　　研磨PCD材料的去除機理主要包括機械作用和熱化學作用。在研磨初期，由于PCD的表面粗糙度較大，金剛石晶粒凸出PCD表面較多，使高速運動的磨粒很容易著力，促使金剛石晶粒容易在底部間接粘結部分產生應力集中。PCD晶粒間的結合部位是其薄弱環節，其結合能小于組成PCD的金剛石單晶體最易解理的(1 1 1)晶面的結合能。當受到磨粒高速撞擊時，由于應力逐步集中，使微裂紋沿金剛石晶粒間的結合部位擴展，在磨粒的反復高速沖擊下，將發生沿晶疲勞斷裂，使金剛石微粒發生整體松動并脫落(如圖4 所示)。隨著研磨的繼續進行，PCD表面粗糙度逐步下降，發生金剛石晶粒整體脫落的情況也逐漸減少。根據Griffith斷裂力學理論，某些固體的共價鍵和離子鍵強度很高，其缺陷相對來說受到束縛，因而容易在較低應力下發生斷裂(相對其強度而言)，此類固體稱為脆性固體。如果斷裂的阻力主要取決于固體的固有鍵強度，則該固體可稱為高脆性固體。由于PCD材料中金剛石晶粒所占比例高達80%～90%，去除阻力主要取決于構成PCD的金剛石晶粒本身的強度，因此可將PCD材料劃歸為高脆性固體。PCD屬于高脆性多晶固體材料，各個金剛石晶粒的晶向不同，當裂紋遇到兩個晶粒的邊界時，或者穿過它在第二個晶粒中繼續擴展(對于小角度晶界及高強度晶界，易發生穿晶斷裂)，或者裂紋沿晶界擴展。由于金剛石微粒的(1 1 1)晶面裸露的機率最大，相對于高速運動的磨粒較容易著力，高速運動的磨粒產生與(1 1 1)晶面垂直的拉應力，當該拉應力超過其臨界值時，即產生裂紋，裂紋沿(1 1 1)晶面方向產生穿晶裂紋，在PCD表面產生光滑的解理斷裂平面和解理臺階(如圖5所示)。金剛石晶粒的解理性脆斷是在拉應力作用下裂紋擴展的結果。由于受孿晶帶的影響以及金剛石的隨機排列方式，金剛石顆粒的斷裂表面往往呈“之”字形，即在解理面上形成微小的解理臺階。這是由于許多孿晶帶相互交叉，使裂紋擴展方向不得不發生改變，因此阻礙了裂紋貫穿整個金剛石。金剛石晶粒的解理性脆斷是研磨PCD的主要去除方式之一。 
　　在研磨過程中，鋒利的磨粒以很高的速度和適當的壓力劃過PCD，在金剛石晶粒表面產生大量損傷性劃痕(如圖6所示)，這些劃痕可分為塑性劃痕和脆性劃痕，這種機械去除方式也是研磨PCD的一種主要材料去除方式。此外，在PCD的研磨過程中還存在石磨化去除、熱蝕去除、擴散去除、氧化去除等多種熱化學去除方式，但熱化學去除方式在PCD材料去除中不占主要地位。

圖3 PCD的微觀形貌

圖4 晶粒整體剝落后留下的空穴

圖5 PCD解理性脆斷形貌

圖6 PCD表面微觀損傷性劃痕

　　超聲振動研磨PCD材料的去除機理 
　　 
　　在超聲振動研磨中，由超聲換能器及相應夾具組成的超聲振動系統對PCD材料施加一個振幅為A(通常A=10～20µm)、頻率為f(通常f=20KHz)的高頻振動，使PCD材料沿研磨盤徑向產生一個振幅為A 的高頻往復運動，研磨時，這一往復運動與研磨盤線速度V合成，研磨軌跡由普通研磨時的圓變為在圓上疊加的以f/V為頻率、以A為振幅的高頻諧波，從而使磨粒在單位時間內通過PCD材料表面的研磨軌跡加長，研磨效率相應提高；同時，單位時間內研磨軌跡的加長也使研磨速度增大，使磨粒具有比普通研磨條件下更高的沖擊動能，由此提高了研磨PCD的材料去除率。對于材料破壞而言，能量的大小固然是一重要因素，而能量對時間的作用梯度在某種意義上更為重要。將超聲振動引入PCD研磨中，就是通過超聲波的能量激波作用提高能量梯度和能量聚集，使磨粒在短時間內克服晶間結合能，使晶粒發生疲勞破壞(特別是解理性脆斷和微觀損傷性去除)的機率增大。有學者指出：金剛石在沖擊載荷的循環作用下，產生裂紋的應力值大大低于所需的靜應力。在超聲振動研磨中，PCD中的金剛石晶粒始終處于高頻交變沖擊載荷的作用下，加速了PCD材料的疲勞破壞，特別是金剛石晶粒的解理性脆斷。 
　　 
　　由超聲振動研磨軌跡的特點可知，研磨速度方向是在一定夾角內(最大可達60°)以超聲振動頻率f高頻擺動，因此可在金剛石晶粒表面看到大量交錯的損傷性劃痕(見圖6)，不斷變化的研磨速度方向使金剛石晶粒的易加工晶向經常處于研磨速度方向，使金剛石較易去除，從而提高了PCD的材料去除率。 
　　 
　　從宏觀能量的角度分析，研磨過程實質上是一個能量消耗過程。普通研磨時能量的輸入全部來自帶動研磨盤轉動的電機；而在超聲振動加工中，系統的能量輸入不僅來自帶動研磨盤轉動的電機，同時還來自超聲波發生器。因此，在其它加工條件相同的情況下，超聲振動研磨系統在單位時間內對研磨區的輸入功率比普通研磨時更多，即輸入功率增大；而且由于超聲振動研磨的摩擦系數較普通研磨有減小的趨勢，消耗在摩擦熱上的能量并未因振動的引入而發生較大變化。由于超聲振動研磨中的能量聚集和應力波作用，使系統消耗在裂紋擴展和新表面形成上的能量增加，從而使超聲振動研磨的材料去除率增大。 
　　 
　　此外，超聲振動研磨也加劇了研磨過程中的熱化學作用，使多種熱化學去除方式所起的作用相應增加，這也是超聲振動研磨效率提高的原因之一。 
　　 
　　由圖2可知，在相同條件下，粗粒度(W40)PCD的材料去除率明顯高于細粒度(W20)PCD的材料去除率，這是因為粗粒度PCD的表面粗糙度值較大，研磨時相應的摩擦系數也較大，研磨時磨粒與PCD表面的金剛石撞擊產生較大的脈沖力；同時由于細粒度PCD比粗粒度PCD的結合更為致密，可較好抑制制造過程中PCD內部產生的微小裂紋和不規則空穴對其強度的影響，使金剛石微粒在超聲振動研磨中不易發生脫落和解理性脆斷，因此細粒度PCD的材料去除率較低。 
　　 
　　4 結論 
　　 
　　將超聲振動技術應用于PCD刀具材料的研磨，可顯著提高研磨PCD的加工效率。與普通研磨相比，超聲振動研磨具有單位時間內研磨軌跡加長、沖擊動能增大、超聲波能量激波作用等特點，加速和增強了研磨中PCD材料的解理性脆斷和微觀損傷去除這兩種主要去除方式的作用，從而提高了研磨效率；同時，超聲振動研磨也加速了熱化學去除方式在PCD去除中的作用，使研磨PCD的加工效率顯著提高。研磨試驗證明，超聲振動研磨PCD技術具有很好的生產應用前景。