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*刃磨工藝推動PCD*的發(fā)展和應(yīng)用
閱讀：2192 發(fā)布時間：2015-5-15
*刃磨工藝推動PCD*的發(fā)展和應(yīng)用
時間:2015-05-1515:23來源:北京沃爾德公司作者:沃爾德
聚晶金剛石(PCD)是將粒度為微米級的金剛石微粉與少量金屬粉末(如CO)混合后在高溫(1400℃)、高壓(6000MPa)下燒結(jié)而成的聚晶體。與其它*材料相比，聚晶金剛石具有如下性能特點(diǎn)：①*的硬度和耐磨性；②高導(dǎo)熱性和低熱膨脹系數(shù)，切削時散熱快，切削溫度低，熱變形小；③摩擦系數(shù)小，可降低加工表面粗糙度。但由于聚晶金剛石與鐵族元素有很強(qiáng)親和力，因此不適合加工黑色金屬及其合金。已實(shí)現(xiàn)商品化供貨的PCD復(fù)合片是將0.5～0.7mm厚的PCD層燒結(jié)在硬質(zhì)合金基體上制備而成，因此兼具了PCD的高硬度、高耐磨性和硬質(zhì)合金的良好強(qiáng)度與韌性。
PCD*在有色金屬及其合金、非金屬材料的高速切削中體現(xiàn)出優(yōu)良的切削性能，因此已廣泛應(yīng)用于汽車、航空、航天、建材等工業(yè)領(lǐng)域。但是，PCD的高硬度、高耐磨性使*的刃磨相當(dāng)困難，主要體現(xiàn)在材料磨除率小、砂輪損耗大、刃磨效率低、刃口呈鋸齒狀。PCD*的刃磨工藝性已成為其推廣應(yīng)用的障礙之一。為了突破這一工藝瓶頸，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究開發(fā)工作。
PCD*的主要刃磨工藝有放電刃磨、金剛石砂輪機(jī)械刃磨、電解刃磨等，其中放電刃磨和金剛石砂輪機(jī)械刃磨在技術(shù)上已較為成熟，放電刃磨(EDG)是電火花放電加工技術(shù)(EDM)(特別是電火花線切割和放電磨削)已廣泛應(yīng)用于*制造，電火花放電加工技術(shù)用于刃磨PCD*稱為放電刃磨(EDG)。放電刃磨是通過在電介質(zhì)分離的砂輪電極與*電極間放電產(chǎn)生瞬時高溫，將*材料熔化和氣化。刃磨PCD*時，由于金剛石不導(dǎo)電，所以*電極即為PCD中的金屬相構(gòu)成的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，由此可見，放電刃磨是一種熱蝕加工過程。由于電火花放電的溫度可高達(dá)8000～12000℃，因此PCD*刃磨時可能引起熱損和石墨化，尤其在PCD與硬質(zhì)合金基底的界面處侵蝕速度更快，可在表面形成深約0.05mm的微裂紋，這是放電刃磨加工方法的主要缺陷。由于放電刃磨是一種非接觸刃磨過程，磨削力小到可忽略不計(jì)，故刃磨效率很高。R.Wyss等人在一定實(shí)驗(yàn)條件下得到的磨除率達(dá)4mm3/min，磨耗比為0.2mm3/mm3；而V.Baar等人在實(shí)驗(yàn)中則得到了1.0mm3/mm3的磨耗比。
放電刃磨時，通常采用碳?xì)浠衔?如石蠟)作為砂輪電極與工具電極間的電介質(zhì)，工作電壓一般為直流80～200V，砂輪電極采用銅、鎢、石墨等導(dǎo)電材料。根據(jù)*刃磨時的位置，放電刃磨可分為圓周放電刃磨和端面放電刃磨。刃磨過程中，砂輪作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，使其能均勻磨損。在端面放電刃磨中，砂輪還需左右擺動。脈沖電源是影響刃磨效率和刃磨質(zhì)量的關(guān)鍵設(shè)備，因此脈沖電源的設(shè)計(jì)已成為放電刃磨的研究熱點(diǎn)。
國外學(xué)者對PCD*的放電刃磨技術(shù)開展了大量試驗(yàn)研究，其中英國伯明翰大學(xué)的T.B.Thoe等人的研究成果較具代表性。他們的試驗(yàn)在伯明翰大學(xué)機(jī)械學(xué)院研制的EDG機(jī)床上進(jìn)行。用于刃磨的PCD樣品牌號為SynditeCTB002、010、025和Compax1500、1600。通過試驗(yàn)得出如下結(jié)論：①對于細(xì)晶粒PCD樣品，端面放電刃磨可獲得較好刃口質(zhì)量；對于粗晶粒PCD樣品，圓周放電刃磨可獲得較好刃口質(zhì)量。②增大電流、電壓或脈沖寬度，可增大磨除率，提高刃磨效率，但同時會導(dǎo)致PCD*表面產(chǎn)生更深、更寬的裂紋。③細(xì)晶粒PCD樣品容易引起放電，砂輪電極磨損量小，放電中脫落的晶粒平均尺寸等于晶粒本身的尺寸，因此可獲得較好的刃磨質(zhì)量。④粗晶粒PCD樣品與硬質(zhì)合金交界面的侵蝕程度較大。
脈沖電源及刃磨工藝步驟對PCD放電刃磨的質(zhì)量有較大影響。德國學(xué)者E.Beck等人對此作了大量試驗(yàn)研究。他們在VollmerQR20P火花放電工具磨床上分別采用普通型和改進(jìn)型兩種脈沖電源對PCD放電刃磨質(zhì)量進(jìn)行了對比試驗(yàn)研究，試驗(yàn)采用硅基合成油作為電介質(zhì)，以石墨作為砂輪電極(負(fù)極)，主軸轉(zhuǎn)速為500r/min，樣品材料去除量為0.5mm。此外，在Microspark200通用火花放電磨床上進(jìn)行了刃磨工藝步驟對PCD刃磨質(zhì)量影響的試驗(yàn)研究，試驗(yàn)采用刃磨PCD脈沖電源，并根據(jù)磨除量及刃磨后的刃口粗糙度將脈沖電源設(shè)置為5級；試驗(yàn)樣品牌號為SynditeCTC002、CTB002、CTB010、CTB025，每種粒度PCD各取4件樣品，試驗(yàn)中采用不同脈沖電源設(shè)置組合(即不同工藝步驟)進(jìn)行刃磨，然后測量刃口及刀面粗糙度。通過試驗(yàn)得出如下結(jié)論：①脈沖電源的設(shè)計(jì)及可控性對刃磨質(zhì)量可起到?jīng)Q定性作用，對比試驗(yàn)結(jié)果表明，配備改進(jìn)型脈沖電源的工具磨床刃磨出的PCD樣品的刃口及刀面粗糙度均接近金剛石砂輪機(jī)械刃磨的質(zhì)量。②通過調(diào)節(jié)脈沖電源的設(shè)置進(jìn)行多級刃磨，并合理分配每級磨除量比例及刃磨時間，可獲得較高的刃磨質(zhì)量。
金剛石砂輪機(jī)械刃磨是目前使用zui廣泛的PCD*刃磨方法，與放電刃磨相比，其刃磨效率較低(磨除率約為1.5mm3/min)、加工成本較高(磨耗比約為0.02min3/min3)，但可獲得良好的*刃口質(zhì)量和完整光潔的前、后刀面。金剛石砂輪機(jī)械刃磨PCD*的機(jī)理比較復(fù)雜，國內(nèi)外學(xué)者對此進(jìn)行了大量研究，目前主要存在以下幾種觀點(diǎn)：①德國學(xué)者M(jìn).Kenter認(rèn)為，金剛石砂輪磨削PCD*的過程中發(fā)生了刻劃作用和滑動作用，材料的去除方式主要為粘結(jié)、刻劃、摩擦化學(xué)反應(yīng)和表面斷裂。用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察3種被刃磨工件PCD-1(粒度2μm)、PCD-2(粒度10μm)和PCD-3(粒度25μm)的表面微觀形貌時，在PCD-1上可觀察到犁溝，而在其它兩種PCD工件上觀察不到犁溝。因此Kenter認(rèn)為：在絕大多數(shù)情況下，PCD材料的去除是以摩擦化學(xué)反應(yīng)和表面斷裂為主。隨著磨削的進(jìn)行，金剛石磨粒逐漸鈍化，即使在PCD-1上也不易觀察到犁溝。由于PCD材料脆性大，在金剛石磨粒的擠壓下容易誘發(fā)裂紋，裂紋在機(jī)械和熱應(yīng)力作用下擴(kuò)展，zui終導(dǎo)致小片PCD材料剝落，同時摩擦熱會使PCD發(fā)生石墨化和其它摩擦化學(xué)反應(yīng)。②GE公司的K.J.Dunn等人用掃描電子顯微鏡對刃磨后的PCD復(fù)合片的表面微觀形貌進(jìn)行觀察后認(rèn)為，PCD材料的破壞機(jī)理主要為微觀脆性破碎和疲勞破損。③我國艾興院士等人用開槽的金剛石砂輪磨削PCD，同時用超聲波振動和激光照射來模擬磨削時的機(jī)械沖擊和熱沖擊，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，將PCD材料的去除方式歸納如下：當(dāng)砂輪與PCD接觸的瞬間，磨削力突然增大，劇烈的機(jī)械沖擊使PCD表面產(chǎn)生裂紋，甚至有碎片產(chǎn)生。在穩(wěn)定磨削期，砂輪磨粒在PCD表面上進(jìn)行擠壓和摩擦，當(dāng)壓力達(dá)到一定程度，PCD表面上會形成裂紋；當(dāng)摩擦溫度達(dá)到一定程度，PCD會發(fā)生石墨化和其它化學(xué)反應(yīng)。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，用開槽的金剛石砂輪進(jìn)行磨削時，由于磨削力不連續(xù)，加之冷卻液的周期冷卻作用，有利于裂紋擴(kuò)展，從而使開槽砂輪比非開槽砂輪的磨削效率高1～2倍。
PCD材料的特性決定了對PCD*刃磨機(jī)床的要求不同于普通工具磨床，即：①要求砂輪主軸及機(jī)床整體具有很高的剛性和穩(wěn)定性，以保持刃磨時砂輪對PCD材料的恒定壓力。②砂輪架可作橫向擺動，以保證砂輪端面磨損均勻；砂輪架的擺動頻率和擺動幅度可調(diào)。③機(jī)床上應(yīng)配置光學(xué)投影裝置和高精度回轉(zhuǎn)工作臺。④應(yīng)采用金剛石砂輪。
德國學(xué)者M(jìn).Kenter通過試驗(yàn)，研究了金剛石砂輪機(jī)械刃磨PCD的工藝參數(shù)對磨除率、磨耗比的影響。由于PCD*刃磨為恒定壓力磨削，因此M.Kenter采用磨除率和磨耗比作為試驗(yàn)評價標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果得出如下結(jié)論：①為使杯狀金剛石砂輪徑向磨損均勻，應(yīng)使砂輪與*的重合度≥1，通過調(diào)節(jié)刃磨機(jī)床砂輪擺動架的擺幅和頻率可達(dá)到這一要求。②分別增大砂輪旋轉(zhuǎn)速度VC、恒定壓力FA和PCD粒度，磨除率和磨耗比均隨之增大。由于這三個工藝參數(shù)對磨除率和磨耗比影響程度zui大，因此可通過改變其大小來提高刃磨效率，降低刃磨成本。③砂輪粒度、金剛石濃度、結(jié)合劑種類、冷卻液濃度等均對磨除率和磨耗比有一定影響。
隨著PCD*應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展，對PCD*刃磨工藝的研究顯得日益重要，而此項(xiàng)研究的成果也必將有力推動PCD*的發(fā)展和推廣應(yīng)用。
時間:2015-05-1515:23來源:北京沃爾德公司作者:沃爾德
聚晶金剛石(PCD)是將粒度為微米級的金剛石微粉與少量金屬粉末(如CO)混合后在高溫(1400℃)、高壓(6000MPa)下燒結(jié)而成的聚晶體。與其它*材料相比，聚晶金剛石具有如下性能特點(diǎn)：①*的硬度和耐磨性；②高導(dǎo)熱性和低熱膨脹系數(shù)，切削時散熱快，切削溫度低，熱變形小；③摩擦系數(shù)小，可降低加工表面粗糙度。但由于聚晶金剛石與鐵族元素有很強(qiáng)親和力，因此不適合加工黑色金屬及其合金。已實(shí)現(xiàn)商品化供貨的PCD復(fù)合片是將0.5～0.7mm厚的PCD層燒結(jié)在硬質(zhì)合金基體上制備而成，因此兼具了PCD的高硬度、高耐磨性和硬質(zhì)合金的良好強(qiáng)度與韌性。
PCD*在有色金屬及其合金、非金屬材料的高速切削中體現(xiàn)出優(yōu)良的切削性能，因此已廣泛應(yīng)用于汽車、航空、航天、建材等工業(yè)領(lǐng)域。但是，PCD的高硬度、高耐磨性使*的刃磨相當(dāng)困難，主要體現(xiàn)在材料磨除率小、砂輪損耗大、刃磨效率低、刃口呈鋸齒狀。PCD*的刃磨工藝性已成為其推廣應(yīng)用的障礙之一。為了突破這一工藝瓶頸，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究開發(fā)工作。
PCD*的主要刃磨工藝有放電刃磨、金剛石砂輪機(jī)械刃磨、電解刃磨等，其中放電刃磨和金剛石砂輪機(jī)械刃磨在技術(shù)上已較為成熟，放電刃磨(EDG)是電火花放電加工技術(shù)(EDM)(特別是電火花線切割和放電磨削)已廣泛應(yīng)用于*制造，電火花放電加工技術(shù)用于刃磨PCD*稱為放電刃磨(EDG)。放電刃磨是通過在電介質(zhì)分離的砂輪電極與*電極間放電產(chǎn)生瞬時高溫，將*材料熔化和氣化。刃磨PCD*時，由于金剛石不導(dǎo)電，所以*電極即為PCD中的金屬相構(gòu)成的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，由此可見，放電刃磨是一種熱蝕加工過程。由于電火花放電的溫度可高達(dá)8000～12000℃，因此PCD*刃磨時可能引起熱損和石墨化，尤其在PCD與硬質(zhì)合金基底的界面處侵蝕速度更快，可在表面形成深約0.05mm的微裂紋，這是放電刃磨加工方法的主要缺陷。由于放電刃磨是一種非接觸刃磨過程，磨削力小到可忽略不計(jì)，故刃磨效率很高。R.Wyss等人在一定實(shí)驗(yàn)條件下得到的磨除率達(dá)4mm3/min，磨耗比為0.2mm3/mm3；而V.Baar等人在實(shí)驗(yàn)中則得到了1.0mm3/mm3的磨耗比。
放電刃磨時，通常采用碳?xì)浠衔?如石蠟)作為砂輪電極與工具電極間的電介質(zhì)，工作電壓一般為直流80～200V，砂輪電極采用銅、鎢、石墨等導(dǎo)電材料。根據(jù)*刃磨時的位置，放電刃磨可分為圓周放電刃磨和端面放電刃磨。刃磨過程中，砂輪作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，使其能均勻磨損。在端面放電刃磨中，砂輪還需左右擺動。脈沖電源是影響刃磨效率和刃磨質(zhì)量的關(guān)鍵設(shè)備，因此脈沖電源的設(shè)計(jì)已成為放電刃磨的研究熱點(diǎn)。
國外學(xué)者對PCD*的放電刃磨技術(shù)開展了大量試驗(yàn)研究，其中英國伯明翰大學(xué)的T.B.Thoe等人的研究成果較具代表性。他們的試驗(yàn)在伯明翰大學(xué)機(jī)械學(xué)院研制的EDG機(jī)床上進(jìn)行。用于刃磨的PCD樣品牌號為SynditeCTB002、010、025和Compax1500、1600。通過試驗(yàn)得出如下結(jié)論：①對于細(xì)晶粒PCD樣品，端面放電刃磨可獲得較好刃口質(zhì)量；對于粗晶粒PCD樣品，圓周放電刃磨可獲得較好刃口質(zhì)量。②增大電流、電壓或脈沖寬度，可增大磨除率，提高刃磨效率，但同時會導(dǎo)致PCD*表面產(chǎn)生更深、更寬的裂紋。③細(xì)晶粒PCD樣品容易引起放電，砂輪電極磨損量小，放電中脫落的晶粒平均尺寸等于晶粒本身的尺寸，因此可獲得較好的刃磨質(zhì)量。④粗晶粒PCD樣品與硬質(zhì)合金交界面的侵蝕程度較大。
脈沖電源及刃磨工藝步驟對PCD放電刃磨的質(zhì)量有較大影響。德國學(xué)者E.Beck等人對此作了大量試驗(yàn)研究。他們在VollmerQR20P火花放電工具磨床上分別采用普通型和改進(jìn)型兩種脈沖電源對PCD放電刃磨質(zhì)量進(jìn)行了對比試驗(yàn)研究，試驗(yàn)采用硅基合成油作為電介質(zhì)，以石墨作為砂輪電極(負(fù)極)，主軸轉(zhuǎn)速為500r/min，樣品材料去除量為0.5mm。此外，在Microspark200通用火花放電磨床上進(jìn)行了刃磨工藝步驟對PCD刃磨質(zhì)量影響的試驗(yàn)研究，試驗(yàn)采用刃磨PCD脈沖電源，并根據(jù)磨除量及刃磨后的刃口粗糙度將脈沖電源設(shè)置為5級；試驗(yàn)樣品牌號為SynditeCTC002、CTB002、CTB010、CTB025，每種粒度PCD各取4件樣品，試驗(yàn)中采用不同脈沖電源設(shè)置組合(即不同工藝步驟)進(jìn)行刃磨，然后測量刃口及刀面粗糙度。通過試驗(yàn)得出如下結(jié)論：①脈沖電源的設(shè)計(jì)及可控性對刃磨質(zhì)量可起到?jīng)Q定性作用，對比試驗(yàn)結(jié)果表明，配備改進(jìn)型脈沖電源的工具磨床刃磨出的PCD樣品的刃口及刀面粗糙度均接近金剛石砂輪機(jī)械刃磨的質(zhì)量。②通過調(diào)節(jié)脈沖電源的設(shè)置進(jìn)行多級刃磨，并合理分配每級磨除量比例及刃磨時間，可獲得較高的刃磨質(zhì)量。
金剛石砂輪機(jī)械刃磨是目前使用zui廣泛的PCD*刃磨方法，與放電刃磨相比，其刃磨效率較低(磨除率約為1.5mm3/min)、加工成本較高(磨耗比約為0.02min3/min3)，但可獲得良好的*刃口質(zhì)量和完整光潔的前、后刀面。金剛石砂輪機(jī)械刃磨PCD*的機(jī)理比較復(fù)雜，國內(nèi)外學(xué)者對此進(jìn)行了大量研究，目前主要存在以下幾種觀點(diǎn)：①德國學(xué)者M(jìn).Kenter認(rèn)為，金剛石砂輪磨削PCD*的過程中發(fā)生了刻劃作用和滑動作用，材料的去除方式主要為粘結(jié)、刻劃、摩擦化學(xué)反應(yīng)和表面斷裂。用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察3種被刃磨工件PCD-1(粒度2μm)、PCD-2(粒度10μm)和PCD-3(粒度25μm)的表面微觀形貌時，在PCD-1上可觀察到犁溝，而在其它兩種PCD工件上觀察不到犁溝。因此Kenter認(rèn)為：在絕大多數(shù)情況下，PCD材料的去除是以摩擦化學(xué)反應(yīng)和表面斷裂為主。隨著磨削的進(jìn)行，金剛石磨粒逐漸鈍化，即使在PCD-1上也不易觀察到犁溝。由于PCD材料脆性大，在金剛石磨粒的擠壓下容易誘發(fā)裂紋，裂紋在機(jī)械和熱應(yīng)力作用下擴(kuò)展，zui終導(dǎo)致小片PCD材料剝落，同時摩擦熱會使PCD發(fā)生石墨化和其它摩擦化學(xué)反應(yīng)。②GE公司的K.J.Dunn等人用掃描電子顯微鏡對刃磨后的PCD復(fù)合片的表面微觀形貌進(jìn)行觀察后認(rèn)為，PCD材料的破壞機(jī)理主要為微觀脆性破碎和疲勞破損。③我國艾興院士等人用開槽的金剛石砂輪磨削PCD，同時用超聲波振動和激光照射來模擬磨削時的機(jī)械沖擊和熱沖擊，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，將PCD材料的去除方式歸納如下：當(dāng)砂輪與PCD接觸的瞬間，磨削力突然增大，劇烈的機(jī)械沖擊使PCD表面產(chǎn)生裂紋，甚至有碎片產(chǎn)生。在穩(wěn)定磨削期，砂輪磨粒在PCD表面上進(jìn)行擠壓和摩擦，當(dāng)壓力達(dá)到一定程度，PCD表面上會形成裂紋；當(dāng)摩擦溫度達(dá)到一定程度，PCD會發(fā)生石墨化和其它化學(xué)反應(yīng)。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，用開槽的金剛石砂輪進(jìn)行磨削時，由于磨削力不連續(xù)，加之冷卻液的周期冷卻作用，有利于裂紋擴(kuò)展，從而使開槽砂輪比非開槽砂輪的磨削效率高1～2倍。
PCD材料的特性決定了對PCD*刃磨機(jī)床的要求不同于普通工具磨床，即：①要求砂輪主軸及機(jī)床整體具有很高的剛性和穩(wěn)定性，以保持刃磨時砂輪對PCD材料的恒定壓力。②砂輪架可作橫向擺動，以保證砂輪端面磨損均勻；砂輪架的擺動頻率和擺動幅度可調(diào)。③機(jī)床上應(yīng)配置光學(xué)投影裝置和高精度回轉(zhuǎn)工作臺。④應(yīng)采用金剛石砂輪。
德國學(xué)者M(jìn).Kenter通過試驗(yàn)，研究了金剛石砂輪機(jī)械刃磨PCD的工藝參數(shù)對磨除率、磨耗比的影響。由于PCD*刃磨為恒定壓力磨削，因此M.Kenter采用磨除率和磨耗比作為試驗(yàn)評價標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果得出如下結(jié)論：①為使杯狀金剛石砂輪徑向磨損均勻，應(yīng)使砂輪與*的重合度≥1，通過調(diào)節(jié)刃磨機(jī)床砂輪擺動架的擺幅和頻率可達(dá)到這一要求。②分別增大砂輪旋轉(zhuǎn)速度VC、恒定壓力FA和PCD粒度，磨除率和磨耗比均隨之增大。由于這三個工藝參數(shù)對磨除率和磨耗比影響程度zui大，因此可通過改變其大小來提高刃磨效率，降低刃磨成本。③砂輪粒度、金剛石濃度、結(jié)合劑種類、冷卻液濃度等均對磨除率和磨耗比有一定影響。
隨著PCD*應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展，對PCD*刃磨工藝的研究顯得日益重要，而此項(xiàng)研究的成果也必將有力推動PCD*的發(fā)展和推廣應(yīng)用。