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聚晶金剛石刀具的刃磨工藝
文:網絡轉載 來源:mmsonline.com.cn 時間:2008-11-25 點擊:4989
1 引言

    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)下燒結而成的聚晶體。與其它刀具材料相比,聚晶金剛石具有如下性能特點:①極高的硬度和耐磨性;②高導熱性和低熱膨脹系數,切削時散熱快,切削溫度低,熱變形小;③摩擦系數小,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親和力,因此不適合加工黑色金屬及其合金。已實現商品化供貨的PCD復合片是將0.5~0.7mm厚的PCD層燒結在硬質合金基體上制備而成,因此兼具了PCD的高硬度、高耐磨性和硬質合金的良好強度與韌性。
    PCD刀具在有色金屬及其合金、非金屬材料的高速切削中體現出優良的切削性能,因此已廣泛應用于汽車、航空、航天、建材等工業領域。但是,PCD的高硬度、高耐磨性使刀具的刃磨相當困難,主要體現在材料磨除率小、砂輪損耗大、刃磨效率低、刃口呈鋸齒狀。PCD刀具的刃磨工藝性已成為其推廣應用的障礙之一。為了突破這一工藝瓶頸,國內外學者進行了大量研究開發工作。

2 PCD刀具刃磨技術

    PCD刀具的主要刃磨工藝有放電刃磨、金剛石砂輪機械刃磨、電解刃磨等,其中放電刃磨和金剛石砂輪機械刃磨在技術上已較為成熟,下面對這兩種刃磨方法作一綜合分析。
    2.1 放電刃磨(EDG)
    電火花放電加工技術(EDM)(特別是電火花線切割和放電磨削)已廣泛應用于刀具制造。電火花放電加工技術用于刃磨PCD刀具稱為放電刃磨(EDG)。
    (1)刃磨機理
    放電刃磨原理與傳統的磨料磨削原理有根本區別,也不同于電解刃磨原理(既有磨料機械作用又有電化學作用)。放電刃磨是通過在電介質分離的砂輪電極與刀具電極間放電產生瞬時高溫,將刀具材料熔化和氣化。刃磨PCD刀具時,由于金剛石不導電,所以刀具電極即為PCD中的金屬相構成的導電網絡,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8000~12000℃,因此PCD刀具刃磨時可能引起熱損和石墨化,尤其在PCD與硬質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,故刃磨效率很高。R.Wyss等人在一定實驗條件下得到的磨除率達4mm3/min,磨耗比為0.2mm3/mm3;而V.Baar等人在實驗中則得到了1.0mm3/mm3的磨耗比。
    (2)刃磨設備
    放電刃磨時,通常采用碳氫化合物(如石蠟)作為砂輪電極與工具電極間的電介質,工作電壓一般為直流80~200V,砂輪電極采用銅、鎢、石墨等導電材料。根據刀具刃磨時的位置,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,砂輪作旋轉運動,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量的關鍵設備,因此脈沖電源的設計已成為放電刃磨的研究熱點。
    (3)研究成果
    國外學者對PCD刀具的放電刃磨技術開展了大量試驗研究,其中英國伯明翰大學的T.B.Thoe等人的研究成果較具代表性。
他們的試驗在伯明翰大學機械學院研制的EDG機床上進行。用于刃磨的PCD樣品牌號為Syndite CTB002、010、025和Compax 1500、1600。通過試驗得出如下結論:①對于細晶粒PCD樣品,端面放電刃磨可獲得較好刃口質量;對于粗晶粒PCD樣品,圓周放電刃磨可獲得較好刃口質量。②增大電流、電壓或脈沖寬度,可增大磨除率,提高刃磨效率,但同時會導致PCD刀具表面產生更深、更寬的裂紋。③細晶粒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量。④粗晶粒PCD樣品與硬質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放電刃磨的質量有較大影響。德國學者E.Beck等人對此作了大量試驗研究。他們在Vollmer QR 20P專用火花放電工具磨床上分別采用普通型和改進型兩種脈沖電源對PCD放電刃磨質量進行了對比試驗研究,試驗采用硅基合成油作為電介質,以石墨作為砂輪電極(負極),主軸轉速為500r/min,樣品材料去除量為0.5mm。此外,在Microspark 200通用火花放電磨床上進行了刃磨工藝步驟對PCD刃磨質量影響的試驗研究,試驗采用刃磨PCD專用脈沖電源,并根據磨除量及刃磨后的刃口粗糙度將脈沖電源設置為5級;試驗樣品牌號為Syndite CTC002、CTB002、CTB010、CTB025,每種粒度PCD各取4件樣品,試驗中采用不同脈沖電源設置組合(即不同工藝步驟)進行刃磨,然后測量刃口及刀面粗糙度。通過試驗得出如下結論:①脈沖電源的設計及可控性對刃磨質量可起到決定性作用,對比試驗結果表明,配備改進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械刃磨的質量。②通過調節脈沖電源的設置進行多級刃磨,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量。
    2.2 金剛石砂輪機械刃磨
    金剛石砂輪機械刃磨是目前使用最廣泛的PCD刀具刃磨方法,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),但可獲得良好的刀具刃口質量和完整光潔的前、后刀面。
    (1)刃磨機理
    金剛石砂輪機械刃磨PCD刀具的機理比較復雜,國內外學者對此進行了大量研究,目前主要存在以下幾種觀點:①德國學者M.Kenter認為,金剛石砂輪磨削PCD刀具的過程中發生了刻劃作用和滑動作用,材料的去除方式主要為粘結、刻劃、摩擦化學反應和表面斷裂。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 認為:在絕大多數情況下,PCD材料的去除是以摩擦化學反應和表面斷裂為主。隨著磨削的進行,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裂紋,裂紋在機械和熱應力作用下擴展,最終導致小片PCD材料剝落,同時摩擦熱會使PCD發生石墨化和其它摩擦化學反應。②GE公司的K.J.Dunn 等人用掃描電子顯微鏡對刃磨后的PCD復合片的表面微觀形貌進行觀察后認為,PCD材料的破壞機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械沖擊和熱沖擊,根據試驗結果,將PCD材料的去除方式歸納如下:當砂輪與PCD接觸的瞬間,磨削力突然增大,劇烈的機械沖擊使PCD表面產生裂紋,甚至有碎片產生。在穩定磨削期,砂輪磨粒在PCD表面上進行擠壓和摩擦,當壓力達到一定程度,PCD表面上會形成裂紋;當摩擦溫度達到一定程度,PCD會發生石墨化和其它化學反應。通過實驗發現,用開槽的金剛石砂輪進行磨削時,由于磨削力不連續,加之冷卻液的周期冷卻作用,有利于裂紋擴展,從而使開槽砂輪比非開槽砂輪的磨削效率高1~2倍。
    (2)刃磨設備
    PCD材料的特性決定了對PCD刀具刃磨機床的要求不同于普通工具磨床,即:①要求砂輪主軸及機床整體具有很高的剛性和穩定性,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。③機床上應配置光學投影裝置和高精度回轉工作臺。④應采用專用金剛石砂輪。
    (3)研究成果
    德國學者M.Kenter通過試驗,研究了金剛石砂輪機械刃磨PCD的工藝參數對磨除率、磨耗比的影響。由于PCD刀具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評價標準。根據試驗結果得出如下結論:①為使杯狀金剛石砂輪徑向磨損均勻,應使砂輪與刀具的重合度≥1,通過調節刃磨機床砂輪擺動架的擺幅和頻率可達到這一要求。②分別增大砂輪旋轉速度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對磨除率和磨耗比影響程度最大,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、結合劑種類、冷卻液濃度等均對磨除率和磨耗比有一定影響。

3 研究方向

    PCD刀具的放電刃磨和金剛石砂輪機械刃磨技術目前仍不完善,今后的主要研究方向有以下幾點:①刃磨后的PCD 刀具刃口質量及表面質量較差是放電刃磨工藝存在的突出問題;而金剛石砂輪機械刃磨工藝的主要缺點則是PCD 刀具刃磨效率低、刃磨成本高。為解決這些關鍵問題,需要對影響刃磨質量、刃磨效率、刃磨成本的關鍵參數建立數學模型,深入研究工藝要素的作用機理及相互關系,通過對工藝參數進行綜合優化,改善刃磨工藝系統的性能。②針對主要PCD產品的刃磨工藝進行計算機輔助設計。③從理論上進一步深入研究PCD刃磨機理,以指導實用刃磨工藝的開發與完善。根據PCD材料的特性,對現有刃磨工藝方法進行復合研究,探索行之有效的新型刃磨工藝。
    隨著PCD刀具應用領域的不斷擴展,對PCD刀具刃磨工藝的研究顯得日益重要,而此項研究的成果也必將有力推動PCD刀具的發展和推廣應用。
 
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