聚晶金剛石(PCD)具有接近天然金剛石的硬度和耐磨性。聚晶金剛石復合片(PDC)是PCD與硬質合金經高溫高壓復合而成的一種新型刀具材料,在汽車、航空、航天、建材等領域被廣泛應用于有色金屬、合金、非金屬等材料的精密加工 [1] 。

       PCD本身的高硬度、高耐磨性給其加工帶來了很大困難。目前PCD復合片的表面精整加工主要是以研磨為主,但由于PCD本身具有與金剛石磨料相近的性質,因而與普通材料的研磨加工有很大的不同,其研磨機理、研磨工藝均有自身的規律。本文對PCD研磨機理進行了初步探討,并通過大量試驗,分析了研磨工藝參數對PCD研磨效率和研磨質量的影響。

       1.試驗條件

       試驗設備:單面加壓研磨機。該設備配置了轉數計數器,可間接計算研磨時間;配置了氣動加壓裝置,可顯示研磨壓力;配置了砂泵及攪拌裝置,可實現研磨粉與研磨液的均勻混合及循環供應。

       研磨工具:球墨鑄鐵研磨盤。

       試件:美國GE公司提供的PDC。

       磨粉:聚晶金剛石微粉。

       為使PCD層能均勻去除,保證層厚一致,研磨機每個壓頭下同時研磨厚度相同的同系列(同粒度微粒合成)的PCD復合片。

       2.PCD研磨機理初步探討

       在研究研磨參數對研磨質量和研磨效率的影響之前,有必要對PCD的研磨機理進行初步探討。對于普通材料的研磨,一般認為研磨過程是磨粒微刃的切削作用、被研磨工件表面微小起伏的塑性流動、表面活性物質的化學作用及研磨工具堵塞物與工件表面劃擦作用的綜合結果[2]。

       對于聚晶金剛石這種超硬材料,主要是機械作用和疲勞脆性去除,且機械去除為主要去除方式。在研磨初期,工件表面粗糙,金剛石晶粒突出,快速移動的磨粒極易著力,促使金剛石晶粒之間粘結部位(或D-D結合)應力集中,而此部位結合相對薄弱,易發生沿晶斷裂,使金剛石微粒發生整體松動并脫落;但隨著工件表面粗糙度降低,晶粒微粒脫落減少。此外在研磨過程中,鋒利的磨粒以較高速度和適當的切削力劃過PCD表面,對表層金剛石晶粒產生大量損傷性劃痕,這也是PCD材料機械去除的重要方式[3]。

       英國學者Cooper[4]曾通過試驗指出:金剛石在沖擊載荷的循環作用下,產生裂紋的應力值大大低于所需的靜應力。研磨過程中PCD表面承受交變沖擊載荷,因此將會產生疲勞脆性去除。

       對PCD表面研磨通常采用研磨盤加游離研磨粉,分濕研磨和干研磨。所謂濕研磨是將研磨粉與研磨液混合,同時加入研磨區,研磨產生的摩擦熱大部分被研磨液帶走,研磨區溫度迅速降低,但仍有局部高溫接觸點,使PCD材料發生氧化、石墨化等熱化學去除,濕研磨PCD表面去除方式以疲勞脆性去除為主,同時伴有局部熱化學去除。所謂干研磨是研磨區只加入研磨粉。干研磨時,研磨區無研磨液,PCD表面產生的摩擦熱只能通過研磨盤和工件擴散出去,研磨區平均溫度高。高溫致使PCD表面發生氧化、石墨化等,高溫對PCD表面還有一定的軟化作用,這些共同作用對PCD層產生化學和機械熱去除,干研磨PCD表面去除方式以氧化和石墨化去除為主。

       圖1~圖3所示分別為PCD未研磨、濕研磨及干研磨表面形貌的SEM照片[5]。從圖2可看出,濕研磨PCD表面雖也有凹凸不平,但與未研磨表面凹凸狀態完全不同,明顯存在大量的剝落坑,這種現象說明了PCD表面發生了疲勞脆性去除。從圖3可看出,干研磨PCD表面呈平滑形貌,基本無剝落坑,說明干研磨時PCD材料發生疲勞脆性去除很少。疲勞脆性去除是PCD顆粒一層層剝落,而氧化和石墨化去除是PCD顆粒的表層發生熱化學變化,顯然濕研磨的去除效率高于干研磨,本試驗以效率優先,因此,我們選擇濕研磨方法。

       研磨工藝參數分析

       過去PCD表面研磨工藝參數的選擇主要是根據操作者的經驗,研磨質量和研磨效率都依賴于操作者的水平與經驗,從而導致效率低、成本高、質量不穩定,因此有必要對研磨工藝參數與研磨質量和效率之間的關系進行研究。

       3.1研磨工具

       研磨工具的選用直接關系到研磨的質量。本試驗選用球墨鑄鐵研磨盤作為研磨工具。鑄鐵具有良好的經濟性、耐磨性、可加工性以及嵌砂性能,鐵還是一種聚晶金剛石合成觸媒,在研磨產生瞬間高溫狀態下可促使金剛石石墨化。在研磨盤上開一定數量和形狀的槽,槽的形狀有菱形、放射線、螺旋線等,其作用是貯存研磨粉,避免工件塌邊及保持良好的散熱,本試驗選取的球墨鑄鐵研磨盤表面開菱形溝槽。

       3.2研磨粉

       研磨粉與研磨液混合成研磨劑。循環泵的攪拌作用使研磨粉與研磨液均勻混合并懸浮于研磨液中,研磨液起到冷卻和潤滑的作用。研磨粉的粒度對研磨效率和研磨質量有重要影響。試驗表明,同一系列(用同粒度微粒合成)的PCD復合片,用粗粒度的研磨粉加工比細粒度的研磨粉研磨去除效率高;不同系列(用不同粒度微粒合成)的PCD復合片采用同一粒度研磨粉加工,效果不同。圖4所示為不同系列PCD復合片在其他條件相同時,研磨去除量與研磨粉粒度粗細的關系。

       要提高研磨效率選粗粒度的研磨粉較好,但是研磨粉粒度粗時PCD表面粗糙度大,因此精研磨時應選取細粒度研磨粉來降低PCD表面粗糙度。另外,研磨劑要含有足夠濃度的研磨粉,濃度太低研磨盤上研磨粉密度不夠會使PCD表面與研磨盤直接接觸,使摩擦力增大,PCD表面產生過高的熱量,這會影響PCD表面研磨質量,也會造成研磨盤不均勻磨損;當然,研磨粉濃度增大,PCD層去除效率提高,但成本也隨之加大。實際生產中,要根據加工余量確定合適的研磨粉濃度,從而使成本和效率達到最佳匹配。

       3.3研磨速度和研磨軌跡

       研磨運動中,研磨速度和研磨軌跡對研磨質量和效率的影響密不可分,故將其一起討論,單面加壓研磨機運動原理如圖5所示 [6] 。研磨時,研磨運動軌跡和研磨速度都有一定的要求[7]:研磨運動軌跡是周期性的,其運動方向在每一瞬時都不斷改變,以保證被研磨工件表面獲得均勻無主導方向的研磨條紋,使研磨條紋充分交錯,這樣有利于降低表面粗糙度;工件研磨運動應力求平穩,避免曲率過大的轉角;研磨運動軌跡應遍及整個研磨盤表面,以利于研磨盤相對均勻磨損,保證工件平面度。

       工件的運動速度應盡可能均勻,最大速度和最小速度之差應盡可能小;研磨運動在其軌跡上曲率半徑較小的拐點處速度應最小,運動速度和方向不應有突變,避免沖擊產生抖動。在一定條件下(即研磨盤轉速允許范圍內),研磨速度與研磨效率成正比,研磨速度提高,研磨效率相應提高。但當研磨速度過高時,在一定研磨壓力下,摩擦熱提高,研磨液揮發加快,PCD表面的疲勞脆性去除減少,氧化和石墨化去除增加,研磨效率反而降低,同時運動平穩性降低,研磨盤急劇磨損,影響研磨精度。此外,過高的研磨速度會使加工區的研磨粉所受離心力加大,從而使大部分研磨粉被甩離加工區,不能進入工件與研磨盤之間參與加工,造成研磨粉利用率降低。

       3.4研磨時間

       研磨時間是通過研磨機配置的轉數計數器顯示的轉數值與研磨盤角速度的比值間接得到的。試驗在投入研磨粉的數量和規格相同的條件下進行,試驗過程中,每隔一段時間測量一次工件尺寸,根據測量結果得到研磨去除量與研磨時間的關系曲線(圖6)。由圖可知,在研磨初期,PCD層去除量很小,因為前期研磨粉被破碎和向鑄鐵盤鑲嵌,對PCD表面產生損傷性劃傷作用少。隨著研磨的繼續,大量的研磨粉進入加工區,切削作用增強,故中期研磨去除量最大,到了后期研磨粉顆粒失去銳利,去除作用減弱并逐漸失效,摸索研磨加工時間與研磨粉失效關系可確定新研磨粉投入的時機和投入量,充分發揮研磨粉的有效作用,避免無效做功,提高研磨效率。

       3.5研磨壓力

       一般來說,在研磨劑濃度和研磨盤轉速等參數確定條件下,研磨效率隨著研磨壓力的增加而提高,但PCD表面平面度隨壓力增高逐漸變差。在壓力允許范圍內,研磨效率和研磨壓力成正比。研磨壓力過大,研磨粉破碎嚴重,同時研磨粉難以進入工件和研磨盤之間,大部分研磨粉在工件邊緣停留時間長,不僅導致研磨效率下降,也會使工件邊緣的去除厚度大于中部去除厚度,PCD表面逐漸中凸。

       表1為采用不同研磨壓力時,PCD表面平面度的變化情況;壓力過小,研磨粉難以在PCD表面產生損傷性劃痕,研磨效率極低。圖7所示為在壓力允許范圍內,研磨去除厚度與研磨壓力的關系。在加壓研磨時,要盡可能使每個壓頭下的復合片整體厚度一致,目的是使PCD層厚度的去除量盡量保持一致。試驗發現:如果某一壓頭下復合片整體厚度不一致,則PCD層去除量差異大,多數情況下,較厚復合片的PCD層去除量比較薄復合片多。

       結論

       (1)PCD表面濕研磨時,材料的去除機理以疲勞脆性去除為主,同時存在局部的熱化學去除。濕 研磨比干研磨效率高。

       (2)研磨粉粒度越粗、濃度越大,研磨效率越高。但研磨粉粒度粗,研磨表面粗糙度差。因此,粗研磨時應選用粗粒度研磨粉提高研磨效率;精研磨時,用細粒度研磨粉降低表面粗糙度。研磨粉濃度越高成本越大,實際生產中可根據加工余量取適合的研磨粉濃度。

       (3)在適合的研磨盤轉速范圍內,研磨速度增加,研磨效率提高,但速度過高會使工件表面溫度過高,PCD疲勞脆性去除減少,氧化和石墨化去除增加,研磨效率反而降低。另外過高的研磨速度使研磨粉所受離心力加大,難以進入加工區,研磨粉利用下降。

       (4)隨著研磨時間延長,研磨粉逐漸失效。因此,每隔一段時間要投入一定量新的研磨粉,確保整個研磨過程中都有足夠的研磨粉參與研磨。

       (5)在壓力允許范圍內,增大研磨壓力,研磨效率提高。但必須以滿足工件被研磨表面的平面度要求為前提,避免壓力過大,導致PCD表面中凸嚴重