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聚晶金刚石刀具的刃磨工艺详解

关键词 刃磨 , PCD刀具 , 金刚石 , 砂轮 , 机械|2013-07-12 08:59:56|应用技术|来源 中国刀具信息网
摘要 1引言 聚晶金刚石(PCD)是将粒度为微米级的金刚石微粉与少量金属粉末(如CO)混合后在高温(1400℃)、高压(6000MPa)下烧结而成的聚晶体。与其它刀具材料相比,聚晶金刚石...

  1 引言
 
  聚晶金刚石(PCD)是将粒度为微米级的金刚石微粉与少量金属粉末(如CO)混合后在高温(1400℃)、高压(6000MPa)下烧结而成的聚晶体。与其它刀具材料相比,聚晶金刚石具有如下性能特点:①极高的硬度和耐磨性;②高导热性和低热膨胀系数,切削时散热快,切削温度低,热变形小;③摩擦系数小,可降低加工表面粗糙度。但由于聚晶金刚石与铁族元素有很强亲和力,因此不适合加工黑色金属及其合金。已实现商品化供货的PCD复合片是将0.5~0.7mm厚的PCD层烧结在硬质合金基体上制备而成,因此兼具了PCD的高硬度、高耐磨性和硬质合金的良好强度与韧性。

  PCD刀具在有色金属及其合金、非金属材料的高速切削中体现出优良的切削性能,因此已广泛应用于汽车、航空、航天、建材等工业领域。但是,PCD的高硬度、高耐磨性使刀具的刃磨相当困难,主要体现在材料磨除率小、砂轮损耗大、刃磨效率低、刃口呈锯齿状。PCD刀具的刃磨工艺性已成为其推广应用的障碍之一。为了突破这一工艺瓶颈,国内外学者进行了大量研究开发工作。

  2 PCD刀具刃磨技术

  PCD刀具的主要刃磨工艺有放电刃磨、金刚石砂轮机械刃磨、电解刃磨等,其中放电刃磨和金刚石砂轮机械刃磨在技术上已较为成熟,下面对这两种刃磨方法作一综合分析。

  2.1 放电刃磨(EDG)

  电火花放电加工技术(EDM)(特别是电火花线切割和放电磨削)已广泛应用于刀具制造。电火花放电加工技术用于刃磨PCD刀具称为放电刃磨(EDG)。

  (1)刃磨机理

  放电刃磨原理与传统的磨料磨削原理有根本区别,也不同于电解刃磨原理(既有磨料机械作用又有电化学作用)。放电刃磨是通过在 电介质分离的砂轮电极与刀具电极间放电产生瞬时高温,将刀具材料熔化和气化。刃磨PCD刀具时,由于金刚石不导电,所以刀具电极即为PCD中的金属相构成的导电网络,由此可见,放电刃磨是一种热蚀加工过程。由于电火花放电的温度可高达8000~12000℃,因此PCD刀具刃磨时可能引起热损和石墨化,尤其在PCD与硬质合金基底的界面处侵蚀速度更快,可在表面形成深约0.05mm的微裂纹,这是放电刃磨加工方法的主要缺陷。由于放电刃磨是一种非接触刃磨过程,磨削力小到可忽略不计,故刃磨效率很高。R.Wyss等人在一定实验条件下得到的磨除率达4mm3/min,磨耗比为0.2mm3/mm3;而V.Baar等人在实验中则得到了1.0mm3/mm3的磨耗比。

  (2)刃磨设备

  放电刃磨时,通常采用碳氢化合物(如石蜡)作为砂轮电极与工具电极间的电介质,工作电压一般为直流80~200V,砂轮电极采用铜、钨、石墨等导电材料。根据刀具刃磨时的位置,放电刃磨可分为圆周放电刃磨和端面放电刃磨。刃磨过程中,砂轮作旋转运动,使其能均匀磨损。在端面放电刃磨中,砂轮还需左右摆动。脉冲电源是影响刃磨效率和刃磨质量的关键设备,因此脉冲电源的设计已成为放电刃磨的研究热点。

  (3)研究成果

  国外学者对PCD刀具的放电刃磨技术开展了大量试验研究,其中英国伯明翰大学的T.B.Thoe等人的研究成果较具代表性。他们的试验在伯明翰大学机械学院研制的EDG机床上进行。用于刃磨的PCD样品牌号为Syndite CTB002、010、025和Compax 1500、1600。通过试验得出如下结论:①对于细晶粒PCD样品,端面放电刃磨可获得较好刃口质量;对于粗晶粒PCD样品,圆周放电刃磨可获得较好刃口质量。②增大电流、电压或脉冲宽度,可增大磨除率,提高刃磨效率,但同时会导致PCD刀具表面产生更深、更宽的裂纹。③细晶粒PCD样品容易引起放电,砂轮电极磨损量小,放电中脱落的晶粒平均尺寸等于晶粒本身的尺寸,因此可获得较好的刃磨质量。④粗晶粒PCD样品与硬质合金交界面的侵蚀程度较大。

  脉冲电源及刃磨工艺步骤对PCD放电刃磨的质量有较大影响。德国学者E.Beck等人对此作了大量试验研究。他们在Vollmer QR 20P专用火花放电工具磨床上分别采用普通型和改进型两种脉冲电源对PCD放电刃磨质量进行了对比试验研究,试验采用硅基合成油作为电介质,以石墨作为砂轮电极(负极),主轴转速为500r/min,样品材料去除量为0.5mm。此外,在Microspark 200通用火花放电磨床上进行了刃磨工艺步骤对PCD刃磨质量影响的试验研究,试验采用刃磨PCD专用脉冲电源,并根据磨除量及刃磨后的刃口粗糙度将脉冲电源设置为5级;试验样品牌号为Syndite CTC002、CTB002、CTB010、CTB025,每种粒度PCD各取4件样品,试验中采用不同脉冲电源设置组合(即不同工艺步骤)进行刃磨,然后测量刃口及刀面粗糙度。通过试验得出如下结论:①脉冲电源的设计及可控性对刃磨质量可起到决定性作用,对比试验结果表明,配备改进型脉冲电源的工具磨床刃磨出的PCD样品的刃口及刀面粗糙度均接近金刚石砂轮机械刃磨的质量。②通过调节脉冲电源的设置进行多级刃磨,并合理分配每级磨除量比例及刃磨时间,可获得较高的刃磨质量。

  2.2 金刚石砂轮机械刃磨

  金刚石砂轮机械刃磨是目前使用最广泛的PCD刀具刃磨方法,与放电刃磨相比,其刃磨效率较低(磨除率约为1.5mm3/min)、加工成本较高(磨耗比约为0.02min3/min3),但可获得良好的刀具刃口质量和完整光洁的前、后刀面。

  (1)刃磨机理

  金刚石砂轮机械刃磨PCD刀具的机理比较复杂,国内外学者对此进行了大量研究,目前主要存在以下几种观点:①德国学者M.Kenter认为,金刚石砂轮磨削PCD刀具的过程中发生了刻划作用和滑动作用,材料的去除方式主要为粘结、刻划、摩擦化学反应和表面断裂。用扫描电子显微镜(SEM)观察3种被刃磨工件PCD-1(粒度2μm)、PCD-2(粒度10μm)和PCD-3(粒度25μm)的表面微观形貌时,在PCD-1上可观察到犁沟,而在其它两种PCD工件上观察不到犁沟。因此Kenter 认为:在绝大多数情况下,PCD材料的去除是以摩擦化学反应和表面断裂为主。随着磨削的进行,金刚石磨粒逐渐钝化,即使在PCD-1上也不易观察到犁沟。由于PCD材料脆性大,在金刚石磨粒的挤压下容易诱发裂纹,裂纹在机械和热应力作用下扩展,最终导致小片PCD材料剥落,同时摩擦热会使PCD发生石墨化和其它摩擦化学反应。②GE公司的K.J.Dunn 等人用扫描电子显微镜对刃磨后的PCD复合片的表面微观形貌进行观察后认为,PCD材料的破坏机理主要为微观脆性破碎和疲劳破损。③我国艾兴院士等人用开槽的金刚石砂轮磨削PCD,同时用超声波振动和激光照射来模拟磨削时的机械冲击和热冲击,根据试验结果,将PCD材料的去除方式归纳如下:当砂轮与PCD接触的瞬间,磨削力突然增大,剧烈的机械冲击使PCD表面产生裂纹,甚至有碎片产生。在稳定磨削期,砂轮磨粒在PCD表面上进行挤压和摩擦,当压力达到一定程度,PCD表面上会形成裂纹;当摩擦温度达到一定程度,PCD会发生石墨化和其它化学反应。通过实验发现,用开槽的金刚石砂轮进行磨削时,由于磨削力不连续,加之冷却液的周期冷却作用,有利于裂纹扩展,从而使开槽砂轮比非开槽砂轮的磨削效率高1~2倍。

  (2)刃磨设备

  PCD材料的特性决定了对PCD刀具刃磨机床的要求不同于普通工具磨床,即:①要求砂轮主轴及机床整体具有很高的刚性和稳定性,以保持刃磨时砂轮对PCD材料的恒定压力。②砂轮架可作横向摆动,以保证砂轮端面磨损均匀;砂轮架的摆动频率和摆动幅度可调。③机床上应配置光学投影装置和高精度回转工作台。④应采用专用金刚石砂轮。

  (3)研究成果

  德国学者M.Kenter通过试验,研究了金刚石砂轮机械刃磨PCD的工艺参数对磨除率、磨耗比的影响。由于PCD刀具刃磨为恒定压力磨削,因此M.Kenter采用磨除率和磨耗比作为试验评价标准。根据试验结果得出如下结论:①为使杯状金刚石砂轮径向磨损均匀,应使砂轮与刀具的重合度≥1,通过调节刃磨机床砂轮摆动架的摆幅和频率可达到这一要求。②分别增大砂轮旋转速度VC、恒定压力FA和PCD粒度,磨除率和磨耗比均随之增大。由于这三个工艺参数对磨除率和磨耗比影响程度最大,因此可通过改变其大小来提高刃磨效率,降低刃磨成本。③砂轮粒度、金刚石浓度、结合剂种类、冷却液浓度等均对磨除率和磨耗比有一定影响。

  3 研究方向

  PCD刀具的放电刃磨和金刚石砂轮机械刃磨技术目前仍不完善,今后的主要研究方向有以下几点:①刃磨后的PCD 刀具刃口质量及表面质量较差是放电刃磨工艺存在的突出问题;而金刚石砂轮机械刃磨工艺的主要缺点则是PCD 刀具刃磨效率低、刃磨成本高。为解决这些关键问题,需要对影响刃磨质量、刃磨效率、刃磨成本的关键参数建立数学模型,深入研究工艺要素的作用机理及相互关系,通过对工艺参数进行综合优化,改善刃磨工艺系统的性能。②针对主要PCD产品的刃磨工艺进行计算机辅助设计。③从理论上进一步深入研究PCD刃磨机理,以指导实用刃磨工艺的开发与完善。根据PCD材料的特性,对现有刃磨工艺方法进行复合研究,探索行之有效的新型刃磨工艺。

  随着PCD刀具应用领域的不断扩展,对PCD刀具刃磨工艺的研究显得日益重要,而此项研究的成果也必将有力推动PCD刀具的发展和推广应用。
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