傳統(tǒng)的超硬磨料砂輪的制造方法導(dǎo)致磨粒固結(jié)在砂輪表面呈無(wú)規(guī)則隨機(jī)排布。為了合理的解決這些問(wèn)題，本文提出了一種實(shí)現(xiàn)按需三維可控優(yōu)化金剛石微排布的方法。第一，在CVD(化學(xué)氣相沉積)生成的厚膜上利用脈沖ND:YAG激光器精確的實(shí)現(xiàn)微晶體磨粒各種新奇排布的要求。并且晶體的尺寸，晶體位置和方位都可通過(guò)選擇合適的激光掃描路徑及操作參數(shù)實(shí)現(xiàn)精確控制。評(píng)價(jià)金剛石磨粒排布的幾何特征，確保激光排布技術(shù)的可重復(fù)利用性，并為在磨削實(shí)驗(yàn)中比較晶體磨粒的磨損狀況打下基礎(chǔ)。第二，實(shí)驗(yàn)?zāi)ハ鱐I-6AL-4V合金工件，在試驗(yàn)中評(píng)價(jià)分析多晶金剛石和優(yōu)化排布磨粒（100和110晶面）的單晶CVD（相沉積）金剛石的晶體磨損機(jī)理以及切削力的大小。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，金剛石晶體在110晶向上比金剛石晶體在100晶向磨損更嚴(yán)重，同時(shí)，在兩種排布模式下，切削力的大小和工件的表面粗糙度大小也十分接近。然而，利用CVD法生產(chǎn)的特定磨粒排布的金剛石刀具與多晶金剛石刀具相比，其切削力和晶體磨損水平都較小。因此，盡管這種新穎的生產(chǎn)磨粒按需排布金剛石砂輪的觀點(diǎn)只是處于初級(jí)的實(shí)驗(yàn)階段。但是本文為發(fā)展一度為人所忽略的微細(xì)加工指明了方向。
1、引言
在19世紀(jì)50年代，隨著利用石墨化技術(shù)在高溫高壓下合成金剛石技術(shù)的發(fā)展，合成金剛石已經(jīng)被廣泛的應(yīng)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100GPa）和較高的導(dǎo)熱系數(shù)，這使得磨削熱能夠很快的從磨削區(qū)中傳遞出去，同時(shí)也保證即使在加工難加工材料時(shí)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(wěn)定性要求，可以確保加工出的工件高形狀精度要求。
在眾多高附加值的磨削應(yīng)用中（如航天航空、醫(yī)藥、自動(dòng)化），對(duì)于機(jī)械加工形狀精度及表面質(zhì)量，加之高生產(chǎn)率的需要，需要仔細(xì)考慮金剛石砂輪的規(guī)格（如磨粒尺寸、結(jié)合強(qiáng)度）以滿足生產(chǎn)需要。傳統(tǒng)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(jié)合劑混合，然后將混合物根據(jù)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(jī)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(lái)說(shuō)，這些磨粒典型的呈散置的或鑲嵌的狀態(tài)分布在砂輪表面（即隨機(jī)分布），通常采用電鍍或燒結(jié)的方法將磨粒固定在砂輪上?，F(xiàn)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(yīng)用會(huì)導(dǎo)致磨粒（砂輪）表面產(chǎn)生顯著的形態(tài)差異。例如晶格突起和晶向變化。這樣，由于晶格形狀和被測(cè)尺寸的不同會(huì)導(dǎo)致所有特定金剛石磨粒都存在尺寸特性的不同。
解決晶體尺寸測(cè)量問(wèn)題（將三維不規(guī)則晶粒尺寸變成統(tǒng)一的測(cè)量尺寸），晶體的形狀會(huì)影響晶粒的測(cè)量尺寸，尤其是在被廣泛應(yīng)用在磨削行業(yè)中的脆性磨粒的生產(chǎn)中，其晶粒形狀會(huì)存在很大的不同。包含在超硬度材料生產(chǎn)中晶粒的測(cè)量尺寸分布通常可以看做為Gaussion分布，任何在分布上傾向都會(huì)對(duì)每克拉金剛石上的晶粒數(shù)產(chǎn)生直接的影響。同時(shí)，在尺寸大的金剛石上每克拉晶體的數(shù)目是可以控制的，對(duì)于在磨削應(yīng)用中主導(dǎo)地位的較小尺寸金剛石來(lái)說(shuō)，仍然顯得不切合實(shí)際。眾所周知，在一個(gè)特定的生產(chǎn)過(guò)程中，金剛石尺寸越小其晶粒強(qiáng)度越大。
在精密磨削中，對(duì)于如何通過(guò)選擇性的定位磨粒位置至關(guān)重要，合理選擇磨粒位置可以使工作區(qū)存在更多的特性相同的磨粒，并且可以促進(jìn)切屑的流出?，F(xiàn)在使用掩膜和電解技術(shù)已經(jīng)可以成功的實(shí)現(xiàn)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(shù)表現(xiàn)出浪費(fèi)時(shí)間和不切合實(shí)際的趨勢(shì)。進(jìn)一步的研究顯示，選擇具有相似晶面結(jié)構(gòu)的磨粒，可以成功的實(shí)現(xiàn)砂輪表面完整性的改善，同時(shí)，可以進(jìn)一步增強(qiáng)整個(gè)砂輪的工作效率。通過(guò)減少磨粒在工作高度（裸露高度）上的差異，工作負(fù)荷能夠更加平均的加載在每一顆磨粒上，進(jìn)而顯著提高磨削效率。利用各種（替代）技術(shù)，通過(guò)合理的選擇磨粒位置可以成功的實(shí)現(xiàn)工件表面粗糙度的改善，便于排屑，同傳統(tǒng)的表面全部接觸工件的砂輪相比，研究顯示其磨削力會(huì)顯著下降。
伴隨著電火花加工技術(shù)的進(jìn)步，由該方法生產(chǎn)的PCD刀具已經(jīng)廣泛應(yīng)用在微細(xì)加工領(lǐng)域，聚晶金剛石材料廣泛的應(yīng)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(jié)構(gòu)暴露，制造微細(xì)磨削刀具的方法已經(jīng)處在研究當(dāng)中。利用激光在PCD刀具機(jī)體上加工孔的技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，改進(jìn)了微細(xì)磨削的性能，微細(xì)加工性能的改善可以從根本上減少刀具負(fù)擔(dān)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(jīng)得到認(rèn)可并逐步得到廣泛應(yīng)用，但是直到現(xiàn)在仍沒(méi)有發(fā)現(xiàn)一種可以成功應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)際的磨削刀具材料?，F(xiàn)在的CVD金剛石合成技術(shù)，例如微波等離子體化學(xué)氣相沉積MPCVD和熱絲化學(xué)氣相沉積HFCVD兩種方法都可以用來(lái)合成各種圓柱體形狀的單晶和聚晶金剛石，生產(chǎn)的商用CVD金剛石被用作基體涂層薄膜（<0.5mm）或者是具有自支撐結(jié)構(gòu)的厚膜（0.5-2.5mm），這些結(jié)構(gòu)最初固結(jié)在合適的基體材料上并在后續(xù)加工中去除。在這種方法中，可以生產(chǎn)直徑超出100mm的圓盤(pán)。然而，金剛石薄膜已經(jīng)成功的用作切削刀具的涂層，將薄膜用作砂輪基體涂層的實(shí)驗(yàn)工作也已經(jīng)有了相關(guān)報(bào)道。這個(gè)觀點(diǎn)證明，通過(guò)使涂覆磨具基體上磨粒具有特定的排布、占據(jù)準(zhǔn)確的位置以及明確的工作高度，可以成功實(shí)現(xiàn)磨削性能的顯著提高。
單個(gè)的單晶金剛石晶體（合成的或天然的），提供了一種生產(chǎn)刀具的可能，這種刀具可以按需排布晶粒以適應(yīng)磨削狀況要求。金剛石各向異性的特性導(dǎo)致不同的晶面或在同一個(gè)晶體上的不同方向都存在獨(dú)特的機(jī)械和物理性能（例如耐磨性、強(qiáng)度和摩擦因數(shù)）。較硬的和較軟的晶面和它們的方向都可以運(yùn)用在刀具設(shè)計(jì)之中。據(jù)報(bào)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(fù)荷（切削力）方向的相互位置關(guān)系。同時(shí)這種關(guān)系還與刀具的磨削和切削性能有關(guān)，這種關(guān)系也可以應(yīng)用在磨削之中。
2、研究范疇
研究了在利用HD: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(cè)試切削這些材料時(shí)的操作參數(shù)（例如激光功率密度、進(jìn)給速度）的影響。如果排列方法得到優(yōu)化，在數(shù)控五軸磨床上模擬磨削實(shí)驗(yàn)，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(yè)（醫(yī)藥、航空）中應(yīng)用較廣泛的TI-6AL-4V試驗(yàn)，測(cè)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，比較磨削實(shí)驗(yàn)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(dá)到的表面粗糙度。確保優(yōu)化排列的觀念具有應(yīng)用在精密磨削中的潛力。
3、優(yōu)化排列磨粒金剛石的主要觀點(diǎn)
利用激光燒結(jié)技術(shù)使金剛石磨粒排布優(yōu)化，提供了一種應(yīng)用在精密磨削中生產(chǎn)金剛石刀具的新方法。這個(gè)方法指明了砂輪表面磨粒和磨粒群可控的優(yōu)點(diǎn)，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(yīng)用，生產(chǎn)具有確定磨粒排列和定向的技術(shù)變得可行了。
磨?？煽嘏挪冀饎偸膽?yīng)用提供了一種從根本上解決由傳統(tǒng)制造技術(shù)（單個(gè)金剛石磨粒的排列）所帶來(lái)的問(wèn)題的新方法。
由該技術(shù)在排列金剛石磨粒時(shí)高度的形狀重復(fù)度和精確的磨粒間距，人們相信該方法為精密磨削行業(yè)中提供了很多優(yōu)勢(shì)。
傳統(tǒng)的超硬磨料砂輪的制造方法導(dǎo)致磨粒固結(jié)在砂輪表面呈無(wú)規(guī)則隨機(jī)排布。為了合理的解決這些問(wèn)題，本文提出了一種實(shí)現(xiàn)按需三維可控優(yōu)化金剛石微排布的方法。第一，在CVD(化學(xué)氣相沉積)生成的厚膜上利用脈沖ND:YAG激光器精確的實(shí)現(xiàn)微晶體磨粒各種新奇排布的要求。并且晶體的尺寸，晶體位置和方位都可通過(guò)選擇合適的激光掃描路徑及操作參數(shù)實(shí)現(xiàn)精確控制。評(píng)價(jià)金剛石磨粒排布的幾何特征，確保激光排布技術(shù)的可重復(fù)利用性，并為在磨削實(shí)驗(yàn)中比較晶體磨粒的磨損狀況打下基礎(chǔ)。第二，實(shí)驗(yàn)?zāi)ハ鱐I-6AL-4V合金工件，在試驗(yàn)中評(píng)價(jià)分析多晶金剛石和優(yōu)化排布磨粒（100和110晶面）的單晶CVD（相沉積）金剛石的晶體磨損機(jī)理以及切削力的大小。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，金剛石晶體在110晶向上比金剛石晶體在100晶向磨損更嚴(yán)重，同時(shí)，在兩種排布模式下，切削力的大小和工件的表面粗糙度大小也十分接近。然而，利用CVD法生產(chǎn)的特定磨粒排布的金剛石刀具與多晶金剛石刀具相比，其切削力和晶體磨損水平都較小。因此，盡管這種新穎的生產(chǎn)磨粒按需排布金剛石砂輪的觀點(diǎn)只是處于初級(jí)的實(shí)驗(yàn)階段。但是本文為發(fā)展一度為人所忽略的微細(xì)加工指明了方向。
1、引言
在19世紀(jì)50年代，隨著利用石墨化技術(shù)在高溫高壓下合成金剛石技術(shù)的發(fā)展，合成金剛石已經(jīng)被廣泛的應(yīng)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100GPa）和較高的導(dǎo)熱系數(shù)，這使得磨削熱能夠很快的從磨削區(qū)中傳遞出去，同時(shí)也保證即使在加工難加工材料時(shí)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(wěn)定性要求，可以確保加工出的工件高形狀精度要求。
在眾多高附加值的磨削應(yīng)用中（如航天航空、醫(yī)藥、自動(dòng)化），對(duì)于機(jī)械加工形狀精度及表面質(zhì)量，加之高生產(chǎn)率的需要，需要仔細(xì)考慮金剛石砂輪的規(guī)格（如磨粒尺寸、結(jié)合強(qiáng)度）以滿足生產(chǎn)需要。傳統(tǒng)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(jié)合劑混合，然后將混合物根據(jù)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(jī)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(lái)說(shuō)，這些磨粒典型的呈散置的或鑲嵌的狀態(tài)分布在砂輪表面（即隨機(jī)分布），通常采用電鍍或燒結(jié)的方法將磨粒固定在砂輪上?，F(xiàn)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(yīng)用會(huì)導(dǎo)致磨粒（砂輪）表面產(chǎn)生顯著的形態(tài)差異。例如晶格突起和晶向變化。這樣，由于晶格形狀和被測(cè)尺寸的不同會(huì)導(dǎo)致所有特定金剛石磨粒都存在尺寸特性的不同。
解決晶體尺寸測(cè)量問(wèn)題（將三維不規(guī)則晶粒尺寸變成統(tǒng)一的測(cè)量尺寸），晶體的形狀會(huì)影響晶粒的測(cè)量尺寸，尤其是在被廣泛應(yīng)用在磨削行業(yè)中的脆性磨粒的生產(chǎn)中，其晶粒形狀會(huì)存在很大的不同。包含在超硬度材料生產(chǎn)中晶粒的測(cè)量尺寸分布通?？梢钥醋鰹镚aussion分布，任何在分布上傾向都會(huì)對(duì)每克拉金剛石上的晶粒數(shù)產(chǎn)生直接的影響。同時(shí)，在尺寸大的金剛石上每克拉晶體的數(shù)目是可以控制的，對(duì)于在磨削應(yīng)用中主導(dǎo)地位的較小尺寸金剛石來(lái)說(shuō)，仍然顯得不切合實(shí)際。眾所周知，在一個(gè)特定的生產(chǎn)過(guò)程中，金剛石尺寸越小其晶粒強(qiáng)度越大。
在精密磨削中，對(duì)于如何通過(guò)選擇性的定位磨粒位置至關(guān)重要，合理選擇磨粒位置可以使工作區(qū)存在更多的特性相同的磨粒，并且可以促進(jìn)切屑的流出?，F(xiàn)在使用掩膜和電解技術(shù)已經(jīng)可以成功的實(shí)現(xiàn)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(shù)表現(xiàn)出浪費(fèi)時(shí)間和不切合實(shí)際的趨勢(shì)。進(jìn)一步的研究顯示，選擇具有相似晶面結(jié)構(gòu)的磨粒，可以成功的實(shí)現(xiàn)砂輪表面完整性的改善，同時(shí)，可以進(jìn)一步增強(qiáng)整個(gè)砂輪的工作效率。通過(guò)減少磨粒在工作高度（裸露高度）上的差異，工作負(fù)荷能夠更加平均的加載在每一顆磨粒上，進(jìn)而顯著提高磨削效率。利用各種（替代）技術(shù)，通過(guò)合理的選擇磨粒位置可以成功的實(shí)現(xiàn)工件表面粗糙度的改善，便于排屑，同傳統(tǒng)的表面全部接觸工件的砂輪相比，研究顯示其磨削力會(huì)顯著下降。
伴隨著電火花加工技術(shù)的進(jìn)步，由該方法生產(chǎn)的PCD刀具已經(jīng)廣泛應(yīng)用在微細(xì)加工領(lǐng)域，聚晶金剛石材料廣泛的應(yīng)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(jié)構(gòu)暴露，制造微細(xì)磨削刀具的方法已經(jīng)處在研究當(dāng)中。利用激光在PCD刀具機(jī)體上加工孔的技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，改進(jìn)了微細(xì)磨削的性能，微細(xì)加工性能的改善可以從根本上減少刀具負(fù)擔(dān)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(jīng)得到認(rèn)可并逐步得到廣泛應(yīng)用，但是直到現(xiàn)在仍沒(méi)有發(fā)現(xiàn)一種可以成功應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)際的磨削刀具材料?，F(xiàn)在的CVD金剛石合成技術(shù)，例如微波等離子體化學(xué)氣相沉積MPCVD和熱絲化學(xué)氣相沉積HFCVD兩種方法都可以用來(lái)合成各種圓柱體形狀的單晶和聚晶金剛石，生產(chǎn)的商用CVD金剛石被用作基體涂層薄膜（<0.5mm）或者是具有自支撐結(jié)構(gòu)的厚膜（0.5-2.5mm），這些結(jié)構(gòu)最初固結(jié)在合適的基體材料上并在后續(xù)加工中去除。在這種方法中，可以生產(chǎn)直徑超出100mm的圓盤(pán)。然而，金剛石薄膜已經(jīng)成功的用作切削刀具的涂層，將薄膜用作砂輪基體涂層的實(shí)驗(yàn)工作也已經(jīng)有了相關(guān)報(bào)道。這個(gè)觀點(diǎn)證明，通過(guò)使涂覆磨具基體上磨粒具有特定的排布、占據(jù)準(zhǔn)確的位置以及明確的工作高度，可以成功實(shí)現(xiàn)磨削性能的顯著提高。
單個(gè)的單晶金剛石晶體（合成的或天然的），提供了一種生產(chǎn)刀具的可能，這種刀具可以按需排布晶粒以適應(yīng)磨削狀況要求。金剛石各向異性的特性導(dǎo)致不同的晶面或在同一個(gè)晶體上的不同方向都存在獨(dú)特的機(jī)械和物理性能（例如耐磨性、強(qiáng)度和摩擦因數(shù)）。較硬的和較軟的晶面和它們的方向都可以運(yùn)用在刀具設(shè)計(jì)之中。據(jù)報(bào)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(fù)荷（切削力）方向的相互位置關(guān)系。同時(shí)這種關(guān)系還與刀具的磨削和切削性能有關(guān)，這種關(guān)系也可以應(yīng)用在磨削之中。
2、研究范疇
研究了在利用HD: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(cè)試切削這些材料時(shí)的操作參數(shù)（例如激光功率密度、進(jìn)給速度）的影響。如果排列方法得到優(yōu)化，在數(shù)控五軸磨床上模擬磨削實(shí)驗(yàn)，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(yè)（醫(yī)藥、航空）中應(yīng)用較廣泛的TI-6AL-4V試驗(yàn)，測(cè)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，比較磨削實(shí)驗(yàn)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(dá)到的表面粗糙度。確保優(yōu)化排列的觀念具有應(yīng)用在精密磨削中的潛力。
3、優(yōu)化排列磨粒金剛石的主要觀點(diǎn)
利用激光燒結(jié)技術(shù)使金剛石磨粒排布優(yōu)化，提供了一種應(yīng)用在精密磨削中生產(chǎn)金剛石刀具的新方法。這個(gè)方法指明了砂輪表面磨粒和磨粒群可控的優(yōu)點(diǎn)，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(yīng)用，生產(chǎn)具有確定磨粒排列和定向的技術(shù)變得可行了。
磨?？煽嘏挪冀饎偸膽?yīng)用提供了一種從根本上解決由傳統(tǒng)制造技術(shù)（單個(gè)金剛石磨粒的排列）所帶來(lái)的問(wèn)題的新方法。
由該技術(shù)在排列金剛石磨粒時(shí)高度的形狀重復(fù)度和精確的磨粒間距，人們相信該方法為精密磨削行業(yè)中提供了很多優(yōu)勢(shì)。
金剛石磨粒有序排布技術(shù)的觀念的形成是以下述觀點(diǎn)為基礎(chǔ)的：
?。╥）在金剛石基的刀具上微晶粒是利用磨削的方法產(chǎn)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(chǎn)方法也許只能是非傳統(tǒng)的技術(shù)（例如激光燒結(jié)）。
?。╥i）這些磨粒會(huì)有不同的形狀（模擬理想的磨粒排布形式，磨粒粒度（促進(jìn)散熱或有利于應(yīng)用切削液）和排布方向沿金剛石晶粒的優(yōu)化排布方向進(jìn)行加工從而促進(jìn)加工特殊材料的能力）。此外，這些具有優(yōu)化排布方向的磨粒試樣可以通過(guò)單晶金剛石生產(chǎn)出來(lái)（經(jīng)光整處理的試樣的初始平面的100或110的晶面上）。此外，磨?？梢詫?duì)稱或交錯(cuò)排列從而滿足不同場(chǎng)合的需要。
?。╥ii）利用商用的CVD金剛石刀具對(duì)上述金剛石排布進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在這個(gè)試驗(yàn)中激光燒結(jié)技術(shù)主要是用來(lái)控制有效磨粒的排布。以金剛石為基體的排布技術(shù)可以通過(guò)在固定（0度）或可變的角度（一系列連續(xù)的角度0°、45°、90°和135°）的激光燒結(jié)線性填充過(guò)程中實(shí)現(xiàn)。
?。╥v）一旦金剛石磨粒排布模式和幾何參數(shù)確定，我們就需要去測(cè)試它們的切削和磨削能力。這樣就可以確定與某種機(jī)械加工有關(guān)的磨粒優(yōu)化排布的關(guān)鍵幾何參數(shù)（例如工件材料需要的表面紋理）。
基于上述觀點(diǎn)，本文提出了選擇優(yōu)化磨粒排布實(shí)用方法的選擇結(jié)果，在磨削模擬實(shí)驗(yàn)中，評(píng)估在不同的磨粒排布下的切削力和幾何特性。
4.實(shí)驗(yàn)過(guò)程
4.1金剛石微排列的形成
ND:YAG脈沖激光發(fā)射器裝配在三軸聯(lián)動(dòng)的耦合激光加工中心，已經(jīng)應(yīng)用在通過(guò)激光燒結(jié)金剛石進(jìn)行磨粒排布的實(shí)驗(yàn)中。
金剛石磨粒排布的主要過(guò)程如下：進(jìn)行具有固定或可變角度的激光燒結(jié)線性填充。開(kāi)始，用多晶CVD金剛石刀具磨削試件（5×10×0.5），選擇一系列的線性填充路徑，從而優(yōu)化激光操作參數(shù)，能夠控制下述輸出參數(shù)：微溝槽的深度，加工（石墨化后的微粒）的連續(xù)性，切邊的尖銳性（影響產(chǎn)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=30-50HZ），就可以得到各種不同的溝槽寬度（0.040-0.060mm）和深度（0.010-0.50mm）。
第二，一旦確定了優(yōu)化的參數(shù)，在多晶CVD金剛石上進(jìn)行多層激光燒結(jié)就成為一種快速排列磨粒的很好的方法，利用具有連續(xù)掃描角度的多種掃描路徑復(fù)制由HPHT金剛石合成過(guò)程中產(chǎn)生的，可以在金剛石晶面上發(fā)現(xiàn)的各種形狀特征，如正方形、三角形和六邊形及其類(lèi)似形狀，不同形狀的磨粒以特定的方式（長(zhǎng)0.1-0.6mm和0.1-0.3mm的磨粒間距）排布在多晶金剛基體（5mm×10mm×0.5mm）上。
第三，利用激光燒結(jié)優(yōu)化排布技術(shù)，和ElementSix公司生產(chǎn)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(yù)切棒料。CVD-MY具有多晶的圓柱形的晶體結(jié)構(gòu)特征，CVD-MCC是單晶結(jié)構(gòu)，在試樣的拋光表面上，其結(jié)構(gòu)特征和100或110晶面結(jié)構(gòu)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(píng)價(jià)每個(gè)磨粒上的磨削力的大小。在這種排列方式下，磨粒群中有對(duì)邊距為0.1mm的確定的方形晶體，且每立方米磨粒群80個(gè)磨粒。這最多允許八個(gè)磨粒在0.8mm的金剛石磨料截面上錯(cuò)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(jié)單晶或多晶金剛石之后，將工件在王水中浸2小時(shí)，然后在去離子水中用超聲波清洗15分鐘，從而去除工件表面的殘留石墨。
一旦這種激光燒結(jié)技術(shù)成功的應(yīng)用在CVD金剛石中，利用光纖數(shù)字顯微鏡檢查排布形狀，然后用CLT1000表面紋理分析儀進(jìn)行三維評(píng)價(jià)。
4.2磨削實(shí)驗(yàn)
利用具有特定優(yōu)化磨粒排列方式（例如100或110）的CVD金剛石原料進(jìn)行模擬磨削實(shí)驗(yàn)，從而評(píng)價(jià)不同磨粒排列方式下的切削能力。
在自支撐排列結(jié)構(gòu)的08×0.8×5的CVD金剛石基體上，以下面的切削參數(shù)磨削管狀的Ti-6AL-4V試件：ap=0.003mm,v=m/s,vf=300mm/min,Houghton3380冷卻劑供應(yīng)。注意選擇這些切削參數(shù)，確保每一個(gè)磨粒上的平均壓力不要超過(guò)0.25N,避免早期斷裂和潛在的磨削燒傷。在五軸MakinoA55加工中心上個(gè)進(jìn)行模擬磨削實(shí)驗(yàn)，利用間歇性故障檢驗(yàn)?zāi)チＥ帕械耐暾裕煽啃裕ɡ霉鈱W(xué)掃描電子顯微鏡）并記錄其磨損、斷裂特點(diǎn)。
此外，將三軸測(cè)力儀與電荷放大器連接，利用數(shù)據(jù)采集卡和PC在采樣率為10KHZ的條件下采集切削力參數(shù)；比較三種磨粒排列形式的金剛石（CVD-M,CVD-MCC100,CVD-MCC110）主切削力。進(jìn)一步，在每一次模擬磨削實(shí)驗(yàn)后用三維表面粗糙度儀測(cè)量Ti-6AL-4V工件表面的粗糙度。
5.結(jié)果和分析
5.1激光成型和金剛石磨粒群的測(cè)量
為解決利用激光燒結(jié)合成金剛石磨粒和磨粒群的技術(shù)難題，需要選擇正確的操作參數(shù)。
激光燒結(jié)CVD金剛石的參數(shù)已經(jīng)被局限在很小的一個(gè)范圍內(nèi)，從而避免下述的表面缺陷。
（1）金剛石激光燒結(jié)的邊緣效應(yīng)。這些缺陷包括，激光束溶蝕金剛石基體導(dǎo)致的刀刃無(wú)急劇變化的棱邊。在對(duì)其表面進(jìn)行加工時(shí)，這些軟缺陷通常在激光密度功率（P=4.75-9.95WCM-2×106）設(shè)定的過(guò)低、光束速度(V=500-600mm/s)設(shè)定太高以及沒(méi)有局部溫度太低時(shí)產(chǎn)生。
（2）激光燒結(jié)表面燒傷。這種缺陷由圓形的高度石墨化的燒結(jié)表面組成，這些缺陷導(dǎo)致晶粒角度明確性降低。然而，在更惡劣的環(huán)境下，由于過(guò)度石墨化的影響，磨粒尺寸會(huì)顯著下降。這種燒傷在激光功率密度過(guò)低和光束掃描速度過(guò)低是會(huì)更容易出現(xiàn)。
?。?）不穩(wěn)定的熔深深度。由于熔深深度不穩(wěn)定會(huì)導(dǎo)致金剛石磨粒群工作高度的不一致，進(jìn)而降低金剛石刀具的工作效率，因此應(yīng)避免這種缺陷的出現(xiàn)。這種缺陷在激光束移動(dòng)速度過(guò)快、功率密度過(guò)大以及頻率太低時(shí)會(huì)更容易出現(xiàn)。引起這種缺陷的原因與進(jìn)給方向上沒(méi)有或只有很少的磨粒疊加有關(guān)。
如果激光燒結(jié)優(yōu)化磨粒排布的操作參數(shù)得到優(yōu)化，就可以利用多通道連續(xù)變化掃描角度，在多晶金剛石基體上生成多邊形、長(zhǎng)方形和三角形圖案的各種磨粒群。
能夠成功的在CVD金剛石基體上排布磨粒和磨粒群后，利用光學(xué)表面紋理分析儀對(duì)磨粒和磨粒群的尺寸和幾何精度進(jìn)行分析。從上面的結(jié)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(méi)有明顯的尺寸和幾何精度差異。這種激光燒結(jié)排布金剛石磨粒的方法需要進(jìn)一步發(fā)展以增加其磨粒群的精度從而達(dá)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(bǔ)這種缺陷。
激光排布技術(shù)已經(jīng)被證明是一種排布金剛石磨粒的可靠的方法。在現(xiàn)階段，該技術(shù)已經(jīng)成功的應(yīng)用在多晶金剛石和優(yōu)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(shù)量需要進(jìn)一步的研究，從而確保磨削實(shí)驗(yàn)的順利進(jìn)行。
5.2磨削實(shí)驗(yàn)結(jié)果
眾所周知，盡管對(duì)金剛石磨粒的磨粒間距和磨粒群形狀的優(yōu)化研究還不夠充分，但是，模擬磨削實(shí)驗(yàn)可以對(duì)其進(jìn)行一些初步的探索:（i）磨粒在切削加工中的工作性能和（ii）不同晶體方向的某一特定磨粒的切削能力。
對(duì)于具有三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(lái)說(shuō)，對(duì)其上述各種性能的評(píng)價(jià)需要注重從以下幾個(gè)方面進(jìn)行：在同樣切削參數(shù)的實(shí)驗(yàn)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(xué)電子顯微鏡分析顯示：磨粒群在其切削長(zhǎng)度達(dá)到100m以上后，其磨損和損壞的方式發(fā)生顯著的變化。在多晶CVD金剛石上的金剛石磨粒會(huì)在其主切削刃上出現(xiàn)明顯的裂紋，而其在磨削的接觸面上會(huì)出現(xiàn)磨損痕跡。在這種情況下，會(huì)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(duì)比。然而，單晶CVD金剛石磨粒不會(huì)出現(xiàn)明顯的裂紋，在不同晶面方向上其磨損特性也會(huì)有顯著的不同。（110）晶面方向的磨粒，在其接觸面上會(huì)出現(xiàn)明顯的點(diǎn)蝕，其主切削刃上也會(huì)出現(xiàn)凹凸不平的痕跡。相反，（100）晶面方向的金剛石磨粒，在其主要的接觸平面上，沿磨削方向會(huì)出現(xiàn)明顯的波紋，其主切削刃也會(huì)出現(xiàn)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(jié)構(gòu)強(qiáng)度（CVD-M需抗拉強(qiáng)度達(dá)到400-800Mpa，CVD-MCC抗拉強(qiáng)度達(dá)到2000-3000MPa）不夠造成的，在實(shí)際應(yīng)用中，這種排列方式的磨粒在其主切削刃上的裂紋會(huì)導(dǎo)致刀具的早期損壞。在這個(gè)磨削模擬實(shí)驗(yàn)中，100晶面方向的磨粒表面與110晶面方向的磨粒相比會(huì)出現(xiàn)更明顯的磨損現(xiàn)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(xiàn)出比較高的熱穩(wěn)定性。這也許可以解釋?zhuān)喝绻嬖诿黠@的熱損失，熱損傷傾向于出現(xiàn)在100晶面方向的金剛石表面上。然而，通過(guò)對(duì)與方位角有關(guān)的各層晶體的耐磨性的研究發(fā)現(xiàn)，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(huì)表現(xiàn)出更高的磨損率，采用其他特別的操作參數(shù)，通過(guò)不斷的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：前種排列方式的磨粒出現(xiàn)更高的磨損現(xiàn)象。
在溫度達(dá)到650℃發(fā)生氧化的情況下，金剛石表面出現(xiàn)氧化鈦的現(xiàn)象可以解釋在110晶向上磨粒群發(fā)生表面點(diǎn)蝕的現(xiàn)象。尤其是主切削刃的變色表明表面出現(xiàn)了熱裂紋；然而，對(duì)于表面碳化鈦形成的問(wèn)題，目前既沒(méi)有進(jìn)一步的研究，也沒(méi)有在實(shí)驗(yàn)中測(cè)量其表面溫度。
在對(duì)CVD金剛石磨粒磨削性能的這些基礎(chǔ)性研究中，主要是通過(guò)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)去觀察早期的磨損現(xiàn)象。然后通過(guò)進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)，磨粒群的磨損特性會(huì)變得更加明顯。
更深層次觀察磨粒，可以更容易理解發(fā)生在刀具刀刃上的一些微小的現(xiàn)象。從而可以理解不同結(jié)構(gòu)金剛石構(gòu)成的磨粒的性能出現(xiàn)差別的現(xiàn)象。檢測(cè)的力信號(hào)的大小可以說(shuō)明在模擬磨削實(shí)驗(yàn)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(méi)有明顯的區(qū)別，測(cè)量發(fā)現(xiàn)110晶向的金剛石刀具所需的圓周力稍微小一點(diǎn)；三種排布形式的金剛石刀具的測(cè)量圓周力會(huì)有部分重疊，因此，可以認(rèn)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(huì)有顯著的差別。多晶金剛石刀具的主切削刃的裂紋和側(cè)面磨損可以解釋這個(gè)結(jié)果，單晶金剛石刀具主切削刃的裂紋并不明顯。同時(shí)，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(chǎn)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(cè)量結(jié)果如下：Ra=0.31微米CVD-M；Ra=0.60微米CVD-MCC（100）；Ra=0.67微米CVD-MCC（100）。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(xiàn)象可以由多晶金剛石磨粒的早期裂紋會(huì)產(chǎn)生較尖的切削狀況解釋。眾所周知，沒(méi)有優(yōu)化掃描角度的刀具去磨削塑性較強(qiáng)的Ti-6Al-4V工件表面沒(méi)有很高的材料去除率，但是這種方法證明了由激光燒結(jié)生產(chǎn)出來(lái)的磨粒按一定方式排布的金剛石刀具可以應(yīng)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(qiáng)度的危險(xiǎn)。但是借助優(yōu)化的掃描角度生產(chǎn)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(shè)想存在降低強(qiáng)度的危險(xiǎn)。
6、優(yōu)化磨粒排布金剛石刀具的應(yīng)用前景
這些基礎(chǔ)性的研究主要提出了兩種引起制造行業(yè)重視的新穎的方法，這兩種方法在將來(lái)的技術(shù)發(fā)展中有很大的潛力。
本文指明了利用激光燒結(jié)的方法，在CVD金剛石基體上生產(chǎn)磨粒，磨粒群按一定方式排布的刀具的能力?；诖?，這種方法未來(lái)的發(fā)展可以提高刀具性能。同時(shí)模擬磨削實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明：利用優(yōu)化磨粒排布方式可以提高刀具的綜合切削性能，從這個(gè)基本的發(fā)現(xiàn)我們可以得到下述結(jié)論：
可以利用金剛石排布技術(shù)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(shù)可以應(yīng)用于多層磨粒排布的砂輪制造中，在此砂輪中磨?？梢灾踩肷拜喕w中。在這種情況下，可以利用激光燒結(jié)技術(shù)在CVD金剛石材料或盤(pán)狀原料上將磨粒按一定要求排布。
金剛石磨粒排布技術(shù)可以在CVD金剛石板材，棒料或更大的顆粒的某一個(gè)特定平面上將磨粒按一定晶體學(xué)方向排布。曲面砂輪表面需要設(shè)定磨粒半徑從而滿足磨料對(duì)形狀和排布方向的要求。這提供了生產(chǎn)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(qū)別不大，使得生產(chǎn)曲面磨粒群金剛石刀具具有了可能性。這與當(dāng)時(shí)利用的金剛石材料晶向方向相反。每個(gè)晶粒都有漸進(jìn)型不同的晶向排布。這也提供了生產(chǎn)超高精度刀具的可能性。
7、結(jié)論
本文第一次提出了優(yōu)化磨粒排布制造薄膜基金剛石刀具的方法，并測(cè)試了這種刀具的切削能力。采用晶體學(xué)方法，激光燒結(jié)單個(gè)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(shí)現(xiàn)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(yōu)越。利用這種激光形成的圖案排布，可以生產(chǎn)出一系列的可用于試驗(yàn)的方法磨粒群在薄膜金剛基體上利用激光燒結(jié)獲得磨粒排布可控的磨粒群，該技術(shù)成功的獲得具有各種有統(tǒng)一排列方式的磨粒群。對(duì)于優(yōu)化磨粒排布金剛石刀具的性能評(píng)價(jià)顯示磨粒排列影響了磨削的輸出參數(shù)。利用磨粒排布方式優(yōu)化的砂輪可以顯著降低主切削力，磨粒磨削刃的磨損也會(huì)減少。
同時(shí)，這些基礎(chǔ)性的研究主要集中在如何利用晶體學(xué)方法獲得優(yōu)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(shí)的性能，對(duì)于磨粒排布和磨粒群圖案的研究仍然沒(méi)有進(jìn)展。可以設(shè)想，特定的一個(gè)加工方案都需要一個(gè)特定的磨粒排列，磨粒尺寸、形狀和間距。
(審核編輯: 智匯小新)
