金刚石磨粒的优化排布：一种激光排布技术及对其磨削力和磨损特性的评价

　　摘 要 传统的超硬磨料砂轮的制造方法导致磨粒固结在砂轮表面呈无规则随机排布。为了合理地解决这些问题，介绍了一种实现按需三维可控优化金刚石微排布的方法。尽管这种新颖的生产磨粒按需排布金刚石砂轮的观点只是处于初级的试验阶段，但是为发展一度为人所忽略的微细加工指明了方向。

　　关键词 单晶金刚石 多晶金刚石 晶体 优化 磨粒群

　　在19 世纪50 年代，随着利用石墨化技术在高温高压下合成金刚石技术的发展，合成金刚石已经被广泛地应用在切削和磨削中。金刚石磨粒具有较高的硬度（Knoop 硬度接近100 GPa）和较高的导热系数，这使得磨削热能够很快地从磨削区中传递出去，同时也保证即使在加工难加工材料时也能够保持较高的材料去除率。另外，金刚石具有较高的耐磨性，能够满足砂轮表面较高的尺寸稳定性要求，可以确保加工出的工件高形状和高精度要求。

　　在众多高附加值的磨削应用中（如航天航空、医药、自动化领域），对于机械加工形状精度及表面质量加之高生产率的需求，需要仔细考虑金刚石砂轮的规格（如磨粒尺寸、结合强度）以满足生产需要。

　　传统超硬材料（如金刚石）砂轮的制造方法通常是：将选定特性和尺寸的金刚石磨粒与结合剂混合，然后将混合物根据模型做成需要的形状。这些模型（基体）通常是以金刚石晶体随机分布和晶体间距不同为特征的。就分布在超硬砂轮表面的磨粒来说，这些磨粒典型的呈散置的或镶嵌的状态分布在砂轮表面（即随机分布），通常采用电镀或烧结的方法将磨粒固定在砂轮上。现在用于商用的超硬度材料晶体具有各向异性。

　　上述所提到的砂轮制造方法的应用会导致磨粒（砂轮）表面产生显著的形态差异。例如晶格突起和晶向变化。这样，由于晶格形状和被测尺寸的不同会导致所有特定金刚石磨粒都存在尺寸和特性的不同。

　　解决晶体尺寸测量问题（将三维不规则晶粒尺寸变成统一的测量尺寸），晶体的形状会影响晶粒的测量尺寸，尤其是在被广泛应用在磨削行业中的脆性磨粒的生产中，其晶粒形状会存在很大的不同。包含在超硬度材料生产中，晶粒的测量尺寸分布通常可以看做为Gaussion 分布，任何在分布上都会对每克拉金刚石上的晶粒数产生直接的影响。同时，在尺寸大的金刚石上每克拉晶体的数目是可以控制的，对于在磨削应用中主导地位的较小尺寸金刚石来说，仍然显得不切合实际。众所周知，在一个特定的生产过程中，金刚石尺寸越小其晶粒强度越大。

　　在精密磨削中，对于如何通过选择性的定位磨粒位置至关重要，合理选择磨粒位置可以使工作区存在更多的特性相同的磨粒，并且可以促进切屑的流出。现在使用掩膜和电解技术已经可以成功地实现选择性的定位磨粒，将磨粒固定在砂轮表面需要的位置；然而，随着砂轮磨粒尺寸的减小，这些技术表现出浪费时间和不切合实际的趋势。进一步的研究显示，选择具有相似晶面结构的磨粒，可以成功地实现砂轮表面完整性的改善，同时，可以进一步增强整个砂轮的工作效率。通过减少磨粒在工作高度（裸露高度）上的差异，工作负荷能够更加平均地加载在每一颗磨粒上，进而显著提高磨削效率。利用各种（替代）技术，通过合理的选择磨粒位置可以成功的实现工件表面粗糙度的改善，便于排屑，同传统的表面全部接触工件的砂轮相比，研究显示其磨削力会显著下降。

　　伴随着电火花加工技术的进步，由该方法生产的PCD 刀具已经广泛地应用在微细加工领域，聚晶金刚石材料应用在高精度加工的刀具上。利用电火花腐蚀PCD 基体，将金刚石晶体结构暴露。制造微细磨削刀具的方法已经处在研究当中。利用激光在PCD 刀具机体上加工孔的技术的实现，改进了微细磨削的性能，微细加工性能的改善可以从根本上减少刀具负担并帮助排屑。

　　CVD 金刚石作为一种高性能的切削刀具材料，已经得到认可并逐步得到广泛的应用，但是直到现在仍没有发现一种可以成功应用生产实际的磨削刀具材料。现在的CVD 金刚石合成技术，例如微波等离子体化学气相沉积MPCVD 和热丝化学气相沉积HFCVD 两种方法都可以用来合成各种圆柱体形状的单晶和聚晶金刚石，生产的商用CVD 金刚石被用作基体涂层薄膜（< 0.5 mm）或者是具有自支撑结构的厚膜（0.5～2.5 mm），这些结构最初固结在合适的基体材料上并在后续加工中去除。在这种方法中，可以生产直径超出100 mm 的圆盘。然而，金刚石薄膜已经成功地用作切削刀具的涂层，将薄膜用作砂轮基体涂层的试验工作也已经有了相关报道。这个观点证明，通过涂覆在磨具基体上的磨粒特定的排布、占据准确的位置以及明确的工作高度，可以成功实现磨削性能的显著提高。

　　单个的单晶金刚石晶体（合成的或天然的），提供了一种生产刀具的可能，这种刀具可以按需排布晶粒以适应磨削状况要求。金刚石各向异性的特性导致不同的晶面或在同一个晶体上的不同方向都存在独特的机械和物理性能（例如耐磨性、强度和摩擦因数）。较硬的和较软的晶面和它们的方向都可以运用在刀具设计之中。据报道单晶金刚石刀具边缘的切削性能和磨损特性取决于其晶体方向和负荷（切削力）方向的相互位置关系。同时这种关系还与刀具的磨削和切削性能有关，这种关系也可以应用在磨削之中。

　　1 研究范畴

　　研究了在利用ND:YAG脉冲激光器制作的有序排列的金刚石CVD 薄膜微排列和测试切削这些材料时的操作参数（例如激光功率密度、进给速度）的影响。 如果排列方法得到优化，在数控五轴磨床上模拟磨削试验，比较单晶金刚石和多晶金刚石的性能。另外，利用在高增值磨削行业（医药、航空）中应用较广泛的TI-6AL-4V 试验，测试其各种排列的金刚石的磨损特性。除了一定排列的金刚石的磨损特性，比较磨削试验中使用单晶金刚石和多晶金刚石刀具所需的磨削力和所达到的表面粗糙度。确保优化排列的观念具有应用在精密磨削中的潜力。

　　2 优化排列磨粒金刚石的主要观点

　　利用激光烧结技术使金刚石磨粒排布优化，提供了一种应用在精密磨削中生产金刚石刀具的新方法。这个方法指明了砂轮表面磨粒和磨粒群可控的优点，具有同样需要的尺寸，相同的工作高度，精确的磨粒间距。此外，随着单晶和多晶金刚石刀具的应用，生产具有确定磨粒排列和定向的技术变得可行了。

　　磨粒可控排布金刚石的应用提供了一种从根本上解决由传统制造技术（单个金刚石磨粒的排列）所带来的问题的新方法。

　　由该技术在排列金刚石磨粒时高度的形状重复度和精确的磨粒间距，人们相信该方法为精密磨削行业中提供了很多优势。

　　金刚石磨粒有序排布技术的观念的形成是以下述观点为基础的：

　　(1）在金刚石为基体的刀具上微晶粒是利用磨削的方法产生的。然而，由于金刚石磨粒硬度很大其尺寸很小，这些排布模式的生产方法也许只能是非传统的技术（例如激光烧结）。

　　(2）这些磨粒会有不同的形状（模拟理想的磨粒排布形式），磨粒粒度（促进散热或有利于应用切削液）和排布方向（沿金刚石晶粒的优化排布方向进行加工从而促进加工特殊材料的能力）。此外，这些具有优化排布方向的磨粒试样可以通过单晶金刚石生产出来（经光整处理的试样的初始平面的100 或110 的晶面上）。此外，磨粒可以对称或交错排列从而满足不同场合的需要。

　　(3）利用商用的CVD 金刚石刀具对上述金刚石排布进行试验，在这个试验中，激光烧结技术主要是用来控制有效磨粒的排布。以金刚石为基体的排布技术可以通过在固定（0°）或可变的角度（一系列连续的角度0 °、45°、 90°和 135 °）的激光烧结线性填充过程中实现。

　　(4）一旦金刚石磨粒排布模式和几何参数确定，我们就需要去测试它们的切削或磨削能力。这就可以确定与某种机械加工有关的磨粒优化排布的关键几何参数（如工件材料需要的表面纹理）。

　　基于上述观点，本文提出了选择优化磨粒排布实用方法的选择结果，在磨削模拟试验中，评估在不同的磨粒排布下的切削力和几何特性。

　　3 试验过程

　　3.1 金刚石微排列的形成

　　ND:YAG 脉冲激光发射器装配在三轴联动的耦合激光加工中心，已经应用在通过激光烧结金刚石进行磨粒排布的试验中。

　　第一，金刚石磨粒排布的主要过程如下：进行具有固定或可变角度的激光烧结线性填充。开始，用多晶CVD 金刚石刀具磨削试件（5 mm×10 mm×0.5mm），选择一系列的线性填充路径，从而优化激光操作参数，能够控制下述输出参数：微沟槽的深度，加工（石墨化后的微粒）的连续性，切边的尖锐性（影响产生的晶粒的形状精度）。不断变化的激光输出功率（最大功率的30%～90%）、激光频率（f=30～50 Hz），就可以得到各种不同的沟槽宽度（0.040～0.060 mm）和深度（0.010～0.050 mm）。

　　第二，一旦确定了优化的参数，在多晶CVD金刚石上进行多层激光烧结就成为一种快速排列磨粒的很好的方法，利用具有连续扫描角度的多种扫描路径复制由HPHT 金刚石合成过程中产生的，可以在金刚石晶面上发现的各种形状特征，如，正方形，三角形和六边形及其类似形状，不同形状的磨粒以特定的方（长0.1～0.6 mm 和 0.1～0.3 mm的磨粒间距）排布在多晶金刚基（5 mm×10 mm×0.5 mm）上。

　　第三，利用激光烧结优化排布技术，和ElementSix 公司生产的两种一定磨粒排布形式金刚石刀具（多晶和单晶金刚石）预切棒料。CVD-MY 具有多晶的圆柱形的晶体结构特征，CVD-MCC 是单晶结构，在试样的抛光表面上，其结构特征和100或110 晶面结构相似。制造具有不同的晶体(单晶或多晶100 或110)特征的金刚石磨料，评价每个磨粒上的磨削力的大小。在这种排列方式下，磨粒群中有对边距为0.1 mm 的确定的方形晶体，且每立方米磨粒群80 个磨粒。这最多允许八个磨粒在0.8 mm 的金刚石磨料截面上错列分布，形成这种排列下所需要的具有确定方向的磨削路径。

　　在激光烧结单晶或多晶金刚石之后，将工件在王水中浸2 h，然后在去离子水中用超声波清洗15 min，从而去除工件表面的残留石墨 。

　　一旦这种激光烧结技术成功的应用在CVD金刚石中，利用光纤数字显微镜检查排布形状，然后用CLT1000 表面纹理分析仪进行三维评价。

　　3.2 磨削试验

　　利用具有特定优化磨粒排列方式（例如100 或110）的CVD 金刚石原料进行模拟磨削试验，从而评价不同磨粒排列方式下的切削能力。

　　在自支撑排列结构的08 mm×0.8 mm×5 mm 的CVD 金刚石基体上，以下面的切削参数磨削管Ti-6AL-4V 试件：αp= 0.003 mm, v= 20 m/s,vf=300 mm/min, Houghton3380 冷却剂供应。注意选择这些切削参数，确保每一个磨粒上的平均压力不要超过0.25 N,避免早期断裂和潜在的磨削烧伤。在五轴Makino A55 加工中心上个进行模拟磨削试验，利用间歇性故障检验磨粒排列的完整性（可靠性）（利用光学扫描电子显微镜）并记录其磨损、断裂特点。

　　此外，将三轴测力仪与电荷放大器连接，利用数据采集卡和PC 在采样率为10 KHz 的条件下采集切削力参数；比较三种磨粒排列形式的金刚石（ CVD-M,CVD-MCC100,CVD-MCC110 ） 主切削力。在每一次模拟磨削试验后用三维表面粗糙度仪测量Ti-6AL-4V 工件表面的粗糙度。

　　4 结果和分析

　　4 . 1 激光成型和金刚石磨粒群的测量

　　为解决利用激光烧结合成金刚石磨粒和磨粒群的技术难题，需要选择正确的操作参数。

　　激光烧结CVD 金刚石的参数已经被局限在很小的一个范围内，从而避免下述的表面缺陷。

　　(1）金刚石激光烧结的边缘效应。这些缺陷包括，激光束溶蚀金刚石基体导致的刀刃无急剧变化的棱边。在对其表面进行加工时，这些软缺陷通常在激光密度功率（P=4.75～9.95 W CM－2×106）设定的过低、光束速度(V=500～600 mm/s)设定太高以及没有局部温度太低时产生。

　　(2）激光烧结表面烧伤。这种缺陷由圆形的高度石墨化的烧结表面组成，这些缺陷导致晶粒角度明确性降低。然而，在更恶劣的环境下，由于过度石墨化的影响，磨粒尺寸会显著下降。这种烧伤在激光功率密度过低和光束扫描速度过低是会更容易出现。

　　(3）不稳定的熔深深度。由于熔深深度不稳定会导致金刚石磨粒群工作高度的不一致，进而降低金刚石刀具的工作效率，因此应避免这种缺陷的出现。这种缺陷在激光束移动速度过快、功率密度过大以及频率太低时会更容易出现。引起这种缺陷的原因与进给方向上没有或只有很少的磨粒叠加有关。

　　如果激光烧结优化磨粒排布的操作参数得到优化，就可以利用多通道连续变化扫描角度，在多晶金刚石基体上生成多边形、长方形和三角形图案的各种磨粒群。

　　能够成功地在CVD 金刚石基体上排布磨粒和磨粒群后，利用光学表面纹理分析仪对磨粒和磨粒群的尺寸和几何精度进行分析。

　　从上面的结果，我们可以注意到，不同形状的磨粒在各种不同模式的金刚石磨粒群上并没有明显的尺寸和几何精度差异。这种激光烧结排布金刚石磨粒的方法需要进一步发展以增加其磨粒群的精度从而达到以下目的：利用较小尺寸的磨粒和较高的脉冲频率从而增加磨粒磨削刃的锋利度和几何精度，减少磨粒的脱落，尤其是在主切削刃上充分倾斜激光束去弥补这种缺陷。

　　激光排布技术已经被证明是一种排布金刚石磨粒的可靠的方法，在现阶段，该技术已经成功的应用在多晶金刚石和优化晶向的单晶CVD 金刚石上排布金刚石磨粒，但方形磨粒的数量需要进一步的研究，从而确保磨削试验的顺利进行。

　　4.2 磨削试验结果

　　众所周知，尽管对金刚石磨粒的磨粒间距和磨粒群形状的优化研究还不够充分，但是，模拟磨削试验可以对其进行一些初步的探索: 一、 磨粒在切削加工中的工作性能；二、不同晶体方向的某一特定磨粒的切削能力。

　　对于具有3 种确定形状磨粒群的多晶金刚石和具有特定晶体方向的单晶金刚石来说，对其上述各种性能的评价需要注重从以下几个方面进行：在同样切削参数的试验中所获得的磨粒群的平均半径、主切削力、磨粒在刀具耐用度的磨损。

　　光学电子显微镜分析显示：磨粒群在其切削长度达到100 m 以上后，其磨损和损坏的方式发生显著的变化。在多晶CVD 金刚石上的金刚石磨粒会在其主切削刃上出现明显的裂纹，而其在磨削的接触面上会出现磨损痕迹。在这种情况下，会有更多的待加工材料粘附在磨粒的有效磨削刃上，这与利用单晶CVD 金刚石的情况形成了鲜明的对比。然而，单晶CVD 金刚石磨粒不会出现明显的裂纹，在不同晶面方向上其磨损特性也会有显著的不同。（110）晶面方向的磨粒，在其接触面上会出现明显的点蚀，其主切削刃上也会出现凹凸不平的痕迹。相反，在（100）晶面方向的金刚石磨粒的接触平面上，沿磨削方向会出现明显的波纹，其主切削刃也会出现轻微的褪色。

　　多晶金刚石磨粒的早期磨损裂纹是由于其本身的结构强度（CVD-M 需抗拉强度达到400～800 Mpa，CVD-MCC 抗拉强度达到2 000～3 000 MPa）不够造成的， 在实际应用中，这种排列方式的磨粒在其主切削刃上的裂纹会导致刀具的早期损坏。在这个磨削模拟试验中，100 晶面方向的磨粒表面与110晶面方向的磨粒相比会出现更明显的磨损现象。更多的早期研究表明，100 晶面方向的金刚石比110晶面方向的金刚石更软。然而100 晶面方向的金刚石也表现出比较高的热稳定性。这也许可以解释：如果存在明显的热损失，热损伤倾向于出现在100晶面方向的金刚石表面上。

　　通过对与方位角有关的各层晶体的耐磨性的研究发现，110 晶面100 晶向的金刚石与100 晶面110晶向的金刚石相比，前者会表现出更高的磨损率，采用其他特别的操作参数，通过不断的试验发现：前种排列方式的磨粒出现更高的磨损现象。

　　在温度达到650℃发生氧化的情况下，金刚石表面出现氧化钛的现象可以解释在110 晶向上磨粒群发生表面点蚀的现象。尤其是主切削刃的变色表明表面出现了热裂纹；然而，对于表面碳化钛形成的问题，目前既没有进一步的研究，也没有在试验中测量其表面温度。

　　在对CVD 金刚石磨粒磨削性能的这些基础性研究中，主要是通过设计试验去观察早期的磨损现象。然后通过进一步的试验，磨粒群的磨损特性会变得更加明显。

　　更深层次观察磨粒，可以更容易理解发生在刀具刀刃上的一些微小的现象。从而可以理解不同结构金刚石构成的磨粒的性能出现差别的现象。检测的力信号的大小可以说明在模拟磨削试验中磨粒的总体性能。

　　在磨削加工中，利用单晶金刚石和100 晶向的多晶金刚石所需的平均圆周力大小并没有明显的区别，测量发现110 晶向的金刚石刀具所需的圆周力稍微小一点；三种排布形式的金刚石刀具的测量圆周力会有部分重叠，因此，可以认为它们所需的圆周力基本相同。然而，可以观察到。单晶和多晶金刚石刀具的切削力会有显著的差别。多晶金刚石刀具的主切削刃的裂纹和侧面磨损可以解释这个结果，单晶金刚石刀具主切削刃的裂纹并不明显。同时，单晶金刚石刀具上的主切削力也相似，在100晶向上较高的切削力在磨削中沿磨削方向生产具有波形磨损图案的磨粒。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。

　　三种排布的金刚石刀具磨削Ti-6Al-4 工件表面的粗糙度的测量结果如下：Ra = 0.31 μm CVD-M；Ra = 0.60 μm CVD-MCC（100）； Ra = 0.67 μm CVD-MCC（110）。CVD-MCC（100）与CVD-MCC（110）的多晶金刚石组成的刀具所获得的粗糙度相似。利用多晶金刚石可以获得较好的表面粗糙度。这现象可以由多晶金刚石磨粒的早期裂纹会产生较尖的切削状况解释。众所周知，没有优化扫描角度的刀具去磨削塑性较强的Ti-6Al-4V 工件表面没有很高的材料去除率，这种方法证明了由激光烧结生产出来的磨粒按一定方式排布的金刚石刀具可以应用在磨削加工中。然而，期望在切削刃上利用效率较高的扫描角度去改善工件粗糙度的方法存在降低磨粒强度的危险。但是借助优化的扫描角度生产磨粒按一定方法排布的刀具，从而提高加工出表面粗糙度较高的设想存在降低强度的危险。

　　5 优化磨粒排布金刚石刀具的应用前景

　　这些基础性的研究主要提出了两种引起制造行业重视的新颖的方法，这两种方法在将来的技术发展中有很大的潜力。

　　本文指明了利用激光烧结的方法，在CVD 金刚石基体上生产磨粒，磨粒群按一定方式排布的刀具的能力。所以用这种方法可以提高刀具性能。同时模拟磨削试验的结果表明：利用优化磨粒排布方式可以提高刀具的综合切削性能，从这个基本的发现我们可以得到下述结论：

　　可以利用金刚石排布技术制造单层金刚石磨粒的砂轮，在该种砂轮上，磨粒按需分布在砂轮基本表面。同样该技术可以应用于多层磨粒排布的砂轮制造中，在此砂轮中磨粒可以植入砂轮基体中。在这种情况下，可以利用激光烧结技术在CVD 金刚石材料或盘状原料上将磨粒按一定要求排布。

　　金刚石磨粒排布技术可以在CVD 金刚石板材，棒料或更大的颗粒的某一个特定平面上将磨粒按一定晶体学方向排布。曲面砂轮表面需要设定磨粒半径，从而满足磨料对形状和排布方向的要求。这提供了生产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区别不大，使得生产曲面磨粒群金刚石刀具具有了可能性。这与当时利用的金刚石材料晶向方向相反。每个晶粒都有渐进型不同的晶向排布。这也提供了生产超高精度刀具的可能性。

　　6 结语

　　本文第一次提出了优化磨粒排布制造薄膜基金刚石刀具的方法，并测试了这种刀具的切削能力。采用晶体学方法，激光烧结单个磨粒和多线性排列的磨粒群，在单晶110 和100 晶向上CVD 金刚石基本上成功的实现了磨粒较高程度的重叠。磨粒群在尺寸方面比利用多线性激光研磨获得的磨粒要优越。

　　利用这种激光形成的图案排布，可以生产出一系列的可用于试验的磨粒群和在薄膜金刚基体上利用激光烧结获得磨粒排布可控的磨粒群。该技术成功地获得具有各种有统一排列方式的磨粒群。对于优化磨粒排布金刚石刀具的性能评价显示磨粒排列影响了磨削的输出参数。利用磨粒排布方式优化的砂轮可以显著降低主切削力，磨粒磨削刃的磨损也会减少。

　　同时，这些基础性的研究主要集中在如何利用晶体学方法获得优化磨粒排布的金刚石刀具以及该刀具在加工难加工材料时的性能，对于磨粒排布和磨粒群图案的研究仍然没有进展。可以设想，特定的一个加工方案都需要一个特定的磨粒排列，磨粒尺寸、形状、和间距。

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