金刚石工具加工硬脆材料时的磨损及其影响因素

　摘要：对金刚石工具加工硬脆材料时的磨损及其影响因素的国内外研究成果进行了综述，讨论了金刚石工具的磨损机理和影响金刚石工具磨损的各种因素，提出了需要深入研究的热点问题。

　　随着科学技术的进步和现代工业的发展，硬脆材料(如激光和红外光学晶体、陶瓷、石英玻璃、硅晶体和石材等)的应用日益广泛。由于硬脆材料硬度高、脆性大，其物理机械性能尤其是韧性和强度与金属材料相比有很大差异，因此这些材料很难甚至不能采用普通的加工方法进行加工。金刚石是自然界已知的硬度最高的物质，其优异的性能使其在硬脆材料加工领域具有广阔的前景。目前，采用金刚石工具对硬脆材料进行切割和磨削仍是有效的加工方法，如用金刚石切割工具切割石材、用金刚石砂轮磨削陶瓷等。

　　加工硬脆材料的金刚石工具主要有各种金刚石锯和金刚石砂轮等，尽管各种工具的应用范围和加工特点不同，但其磨损机理都大致相同。因为金刚石工具的磨损对工件的加工质量和加工过程的影响很大，工具的磨损性能是反映工具性能、工艺参数是否合理的一个重要指标，所以对金刚石工具磨损机理的研究对指导金刚石工具的合理制造和工艺参数的合理选择具有重要意义。长期以来，国内外许多学者致力于金刚石工具磨损机理的研究，并已取得了可喜的成果。

　　2.金刚石工具磨损机理的研究

　　用金刚石工具加工硬脆材料时，由于剧烈摩擦、高温等的作用，工具不可避免地会产生磨损，而磨损是一个非常复杂的过程。

　　(1)磨损的三个阶段

　　金刚石工具的磨损由三个阶段组成：初始的快速磨损阶段(也称过渡阶段)、磨损率约为常数的稳定磨损阶段以及随后的加速磨损阶段。加速磨损阶段表明工具不能继续工作，需要重新修整。

　　(2)磨粒磨损形式

　　磨粒磨损形式可分为：整体磨粒、微破碎磨粒、宏观破碎磨粒、磨粒脱落及磨粒磨平。这几种磨损形式所占的比例决定于不同的磨损阶段、所用工具和被加工材料等。T W Liao等定量研究了微进给磨削结构陶瓷时金刚石砂轮的磨损并指出：在过渡阶段和稳定磨损阶段，砂轮的磨损不同。过渡阶段的磨损不仅决定于砂轮的规格、材料特性和磨削条件，更重要的决定于砂轮的制备方法。在过渡阶段，因砂轮刚修整过，磨粒伸出最大，许多磨粒不参加切削，所以整体磨粒的比例比稳定阶段高;同时，修整使许多磨粒伸出过大，把持力不够，磨粒脱落的比例比稳定阶段高;此外，修整会削弱一些磨粒，使微破碎磨粒的比例比稳定阶段高。稳定阶段的磨粒磨损主要是摩擦磨损，较低的微破碎磨粒比例和相对高的摩擦磨损比例说明砂轮没出现自锋利现象，这对加工是不利的。哈工大的仇中军等通过用金刚石砂轮磨削氧化铝陶瓷，指出砂轮的磨损主要是磨粒磨损和磨粒脱落。S Y LUO对金刚石锯片切割花岗岩进行了研究，指出锯片的失效主要是由于磨粒宏观破碎和(或)磨粒脱落，当破碎和脱落的磨粒数超过1/3时，工具失效。华侨大学的于怡青等通过对切割石材、混凝土等材料的过程中金刚石工具表面金刚石及结合剂状态的大量跟踪观察和SEM分析表明：整体磨粒保持越久，加工越容易进行，工具耐磨度也越高;宏观破碎状态会导致金刚石出刃高度显著下降，甚至失去切削能力;工具切削相当长一段时间后，磨粒自然磨钝，出刃高度降低，随着磨粒周围结合剂的进一步磨损，对金刚石的把持力减弱，导致金刚石脱落。徐西鹏等研究锯切花岗石时的金刚石节块磨损，认为金刚石实际磨损过程需经历不同的路径：从完整晶型开始，经历微破碎再到宏观破碎，最后发生脱落;也可以开始就发生脱落。这取决于金刚石的品质、所承受载荷和结合剂等因素。而用于金刚石固位载体的金属结合剂的磨损过程则具有较复杂的摩擦学特性。花岗石的切屑和金刚石碎屑在切削液的带动下冲蚀结合剂表面，在其表面形成冲蚀痕迹，结合剂在类似流体研削的条件下被磨蚀。金刚石前端的月牙洼凹坑显示在锯切过程中流体形成气穴而引起冲蚀。此外，结合剂还受到花岗石中硬质点的刮削和犁削，其形貌类似于金属磨削加工中的纹理。

　　(3)金刚石工具磨损机理

　　金刚石工具的磨损机理大致有以下几种：摩擦磨损、磨粒破碎、结合剂破碎、磨蚀磨损、表面疲劳和冲击等，摩擦磨损使磨粒磨钝和磨平，结合剂破碎使磨粒脱落，磨蚀磨损由于减弱了结合剂强度而促进了磨粒脱落。不同的加工过程其磨损机理是有区别的，如：用金刚石砂轮微进给磨削结构陶瓷时，金刚石砂轮的磨损主要有三种形式：摩擦磨损、磨粒破碎和结合剂破碎;除此之外，另一种形式的磨损是结合剂磨蚀。Yiyang Zhou等用陶瓷结合剂砂轮磨削蓝宝石，认为陶瓷结合剂砂轮的磨损主要是结合剂脆性断裂，而金属和树脂结合剂砂轮的磨损主要为磨耗和磨蚀。文献[5]的作者通过用金刚石锯片切割花岗岩，指出：工具的磨损机理主要有四个：摩擦磨损、磨蚀磨损、表面疲劳和冲击。徐西鹏等研究锯切花岗石时的金刚石节块磨损，认为金刚石在经受与花岗石的直接摩擦磨损的同时，还受到花岗石切削碎屑的冲击和腐蚀，其磨损类型可归结为：磨粒磨损、冲击磨损和流体中固体微粒引起的冲蚀。X P XU等定量分析了作用于磨粒上的载荷和切削区的温度，认为磨粒破碎主要由冲击力引起，但温度变化也很重要，因为它会引起热疲劳损坏和热应力。

　　3.影响金刚石工具磨损的因素

　　(1)工具

　　金刚石品级、含量、粒度、结合剂与金刚石的匹配及工具形状等与工具本身有关的因素是影响工具磨损的重要因素。

　　通常金刚石含量低，功耗也低;但金刚石含量太低，宏观破碎会剧增，从而造成出刃高度不足，使功耗反而增加;金刚石含量高，则功耗增加，进而导致金刚石脱落，工具耐磨性反而下降。若金刚石品级较高，在较低含量情况下，其完整晶型率仍较高，节块耐磨性高，功耗低，但金刚石品级应与结合剂选择相匹配。吴健等分析了金刚石品质分散性对锯切过程的影响，指出高质量金刚石的耐磨性好，必须要求结合剂也具有很好的耐磨性，只有这样才能充分发挥高质量金刚石的作用。而对低质量金刚石，由于其抗压和抗冲击能力都较差，即使切割较容易的矿物成分时也会发生较明显的磨损和破碎，在遇到特别难切割部分时，一般会发生宏观破碎而失去切削能力，此时对结合剂耐磨性的要求应相对低一些，以保证金刚石有足够的出刃高度。文献[10]同时指出，应尽量降低金刚石的品质分散性。文献[8]通过分析陶瓷结合剂金刚石砂轮加工蓝宝石过程中的主轴变形(用变形表示磨削所需法向载荷的变化)，发现其变形成周期性变化，说明砂轮具有自锋利性，原因是陶瓷结合剂砂轮的磨损是结合剂材料的脆性断裂，从而会快速出现新的磨粒。而金属和树脂结合剂砂轮的磨损主要为摩擦磨损和磨蚀。Y C Fu等给出了砂轮磨削的优化模型，通过此模型，可根据加工要求和磨削参数来优化砂轮(包括磨粒大小、浓度、伸出率和有效磨粒的空间)，也可根据砂轮和加工要求优化磨削参数(包括磨削深度、砂轮转速和工件进给速度)。此外还有不少学者进行了这方面的研究。

　　(2)加工条件

　　由于金刚石工具的磨损与其负载状态密切相关，因此加工条件会对磨损产生明显影响。戴向国等分析了金刚石砂轮切割工程陶瓷时工艺参数对砂轮寿命的影响，认为当其它参数一定时，对应每一切割深度均存在一最佳砂轮速度;当切割深度和砂轮速度一定时，存在一最佳进给速度;各工艺参数对砂轮径向磨损量影响的主次顺序为：砂轮速度—切割深度—进给速度。文献[17]指出，工具磨损与加工工艺参数及加工工艺参数间的协调有很大关系，因此必须对工艺参数进行优化。Z J Pei分析了精磨硅片时的情况，得出如下结论：当砂轮转速为4350rpm、夹盘转速为590rpm时，磨削力逐渐增大，当达到一定峰值时，又回到较低值，并继续按此循环，说明砂轮逐渐变钝，当磨削力达到一定值时磨粒破碎;当砂轮转速为2175rpm、夹盘转速为40rpm时，砂轮在磨削力较小时破碎。所以，其磨削力基本为常数且磨损率高。

　　(3)被加工材料

　　不同的工件材料，其断裂韧性、硬度等均相差较大，所以工件材料的性质也影响金刚石工具的磨损。文献[19]研究了用金刚石圆锯切割不同石材时刀具的磨损并指出：当切割硬的花岗石时，金刚石圆锯的磨损主要是磨粒的宏观破碎和脱落，原因是把持力不够，切削条件恶劣;当切割较软的花岗石时，完整晶形和磨粒的微观破碎占较大比例，同时磨粒脱落所占比例仍然较高，这种磨损使锯片保持切割能力。徐西鹏认为：花岗石中不同矿物的性质及变形机理是决定金刚石失效方式的关键。石英含量越高，金刚石磨损越剧烈;正长石的含量若明显高，则锯切过程相对较难进行;在相同的锯切条件下，粒度粗的花岗石较之粒度细的花岗石更难以发生解理断裂。

　　4.结语

　　国内外学者对金刚石工具的磨损机理及其影响因素进行了大量研究，取得了令人瞩目的成就，对于指导加工实践和进一步研究具有重要意义。与此同时，金刚石工具加工硬脆材料的领域还有许多问题，比如研究工具失效的微观机理、建立金刚石工具寿命的理论模型等，有待于研究者们不懈努力去解决。