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(fù)合片(PDC)是PCD與硬質(zhì)合金經(jīng)高溫高壓復(fù)合而成的一種新型刀具材料,在汽車、航空、航天、建材等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)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(fù)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(zhì),因而與普通材料的研磨加工有很大的不同,其研磨機(jī)理、研磨工藝均有自身的規(guī)律。本文對(duì)PCD研磨機(jī)理進(jìn)行了初步探討,并通過大量試驗(yàn),分析了研磨工藝參數(shù)對(duì)PCD研磨效率和研磨質(zhì)量的影響。

       1.試驗(yàn)條件

       試驗(yàn)設(shè)備:單面加壓研磨機(jī)。該設(shè)備配置了轉(zhuǎn)數(shù)計(jì)數(shù)器,可間接計(jì)算研磨時(shí)間;配置了氣動(dòng)加壓裝置,可顯示研磨壓力;配置了砂泵及攪拌裝置,可實(shí)現(xiàn)研磨粉與研磨液的均勻混合及循環(huán)供應(yīng)。

       研磨工具:球墨鑄鐵研磨盤。

       試件:美國(guó)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(jī)每個(gè)壓頭下同時(shí)研磨厚度相同的同系列(同粒度微粒合成)的PCD復(fù)合片。

       2.PCD研磨機(jī)理初步探討

       在研究研磨參數(shù)對(duì)研磨質(zhì)量和研磨效率的影響之前,有必要對(duì)PCD的研磨機(jī)理進(jìn)行初步探討。對(duì)于普通材料的研磨,一般認(rèn)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(dòng)、表面活性物質(zhì)的化學(xué)作用及研磨工具堵塞物與工件表面劃擦作用的綜合結(jié)果[2]。

       對(duì)于聚晶金剛石這種超硬材料,主要是機(jī)械作用和疲勞脆性去除,且機(jī)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(dòng)的磨粒極易著力,促使金剛石晶粒之間粘結(jié)部位(或D-D結(jié)合)應(yīng)力集中,而此部位結(jié)合相對(duì)薄弱,易發(fā)生沿晶斷裂,使金剛石微粒發(fā)生整體松動(dòng)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(dāng)?shù)那邢髁澾^PCD表面,對(duì)表層金剛石晶粒產(chǎn)生大量損傷性劃痕,這也是PCD材料機(jī)械去除的重要方式[3]。

       英國(guó)學(xué)者Cooper[4]曾通過試驗(yàn)指出:金剛石在沖擊載荷的循環(huán)作用下,產(chǎn)生裂紋的應(yīng)力值大大低于所需的靜應(yīng)力。研磨過程中PCD表面承受交變沖擊載荷,因此將會(huì)產(chǎn)生疲勞脆性去除。

       對(duì)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(shí)加入研磨區(qū),研磨產(chǎn)生的摩擦熱大部分被研磨液帶走,研磨區(qū)溫度迅速降低,但仍有局部高溫接觸點(diǎn),使PCD材料發(fā)生氧化、石墨化等熱化學(xué)去除,濕研磨PCD表面去除方式以疲勞脆性去除為主,同時(shí)伴有局部熱化學(xué)去除。所謂干研磨是研磨區(qū)只加入研磨粉。干研磨時(shí),研磨區(qū)無研磨液,PCD表面產(chǎn)生的摩擦熱只能通過研磨盤和工件擴(kuò)散出去,研磨區(qū)平均溫度高。高溫致使PCD表面發(fā)生氧化、石墨化等,高溫對(duì)PCD表面還有一定的軟化作用,這些共同作用對(duì)PCD層產(chǎn)生化學(xué)和機(jī)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?fàn)顟B(tài)完全不同,明顯存在大量的剝落坑,這種現(xiàn)象說明了PCD表面發(fā)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(shí)PCD材料發(fā)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(fā)生熱化學(xué)變化,顯然濕研磨的去除效率高于干研磨,本試驗(yàn)以效率優(yōu)先,因此,我們選擇濕研磨方法。

       研磨工藝參數(shù)分析

       過去PCD表面研磨工藝參數(shù)的選擇主要是根據(jù)操作者的經(jīng)驗(yàn),研磨質(zhì)量和研磨效率都依賴于操作者的水平與經(jīng)驗(yàn),從而導(dǎo)致效率低、成本高、質(zhì)量不穩(wěn)定,因此有必要對(duì)研磨工藝參數(shù)與研磨質(zhì)量和效率之間的關(guān)系進(jìn)行研究。

       3.1研磨工具

       研磨工具的選用直接關(guān)系到研磨的質(zhì)量。本試驗(yàn)選用球墨鑄鐵研磨盤作為研磨工具。鑄鐵具有良好的經(jīng)濟(jì)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(chǎn)生瞬間高溫狀態(tài)下可促使金剛石石墨化。在研磨盤上開一定數(shù)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(yàn)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(huán)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(rùn)滑的作用。研磨粉的粒度對(duì)研磨效率和研磨質(zhì)量有重要影響。試驗(yàn)表明,同一系列(用同粒度微粒合成)的PCD復(fù)合片,用粗粒度的研磨粉加工比細(xì)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(fù)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(fù)合片在其他條件相同時(shí),研磨去除量與研磨粉粒度粗細(xì)的關(guān)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(shí)PCD表面粗糙度大,因此精研磨時(shí)應(yīng)選取細(xì)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(huì)使PCD表面與研磨盤直接接觸,使摩擦力增大,PCD表面產(chǎn)生過高的熱量,這會(huì)影響PCD表面研磨質(zhì)量,也會(huì)造成研磨盤不均勻磨損;當(dāng)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(shí)際生產(chǎn)中,要根據(jù)加工余量確定合適的研磨粉濃度,從而使成本和效率達(dá)到最佳匹配。

       3.3研磨速度和研磨軌跡

       研磨運(yùn)動(dòng)中,研磨速度和研磨軌跡對(duì)研磨質(zhì)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(jī)運(yùn)動(dòng)原理如圖5所示 [6] 。研磨時(shí),研磨運(yùn)動(dòng)軌跡和研磨速度都有一定的要求[7]:研磨運(yùn)動(dòng)軌跡是周期性的,其運(yùn)動(dòng)方向在每一瞬時(shí)都不斷改變,以保證被研磨工件表面獲得均勻無主導(dǎo)方向的研磨條紋,使研磨條紋充分交錯(cuò),這樣有利于降低表面粗糙度;工件研磨運(yùn)動(dòng)應(yīng)力求平穩(wěn),避免曲率過大的轉(zhuǎn)角;研磨運(yùn)動(dòng)軌跡應(yīng)遍及整個(gè)研磨盤表面,以利于研磨盤相對(duì)均勻磨損,保證工件平面度。

       工件的運(yùn)動(dòng)速度應(yīng)盡可能均勻,最大速度和最小速度之差應(yīng)盡可能小;研磨運(yùn)動(dòng)在其軌跡上曲率半徑較小的拐點(diǎn)處速度應(yīng)最小,運(yùn)動(dòng)速度和方向不應(yīng)有突變,避免沖擊產(chǎn)生抖動(dòng)。在一定條件下(即研磨盤轉(zhuǎn)速允許范圍內(nèi)),研磨速度與研磨效率成正比,研磨速度提高,研磨效率相應(yīng)提高。但當(dāng)研磨速度過高時(shí),在一定研磨壓力下,摩擦熱提高,研磨液揮發(fā)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(shí)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)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(huì)使加工區(qū)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(qū),不能進(jìn)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(shí)間

       研磨時(shí)間是通過研磨機(jī)配置的轉(zhuǎn)數(shù)計(jì)數(shù)器顯示的轉(zhuǎn)數(shù)值與研磨盤角速度的比值間接得到的。試驗(yàn)在投入研磨粉的數(shù)量和規(guī)格相同的條件下進(jìn)行,試驗(yàn)過程中,每隔一段時(shí)間測(cè)量一次工件尺寸,根據(jù)測(cè)量結(jié)果得到研磨去除量與研磨時(shí)間的關(guān)系曲線(圖6)。由圖可知,在研磨初期,PCD層去除量很小,因?yàn)榍捌谘心シ郾黄扑楹拖蜩T鐵盤鑲嵌,對(duì)PCD表面產(chǎn)生損傷性劃傷作用少。隨著研磨的繼續(xù),大量的研磨粉進(jìn)入加工區(qū),切削作用增強(qiáng),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(shí)間與研磨粉失效關(guān)系可確定新研磨粉投入的時(shí)機(jī)和投入量,充分發(fā)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(zhuǎn)速等參數(shù)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(nèi),研磨效率和研磨壓力成正比。研磨壓力過大,研磨粉破碎嚴(yán)重,同時(shí)研磨粉難以進(jìn)入工件和研磨盤之間,大部分研磨粉在工件邊緣停留時(shí)間長(zhǎng),不僅導(dǎo)致研磨效率下降,也會(huì)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(shí),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(chǎn)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(nèi),研磨去除厚度與研磨壓力的關(guān)系。在加壓研磨時(shí),要盡可能使每個(gè)壓頭下的復(fù)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(yàn)發(fā)現(xiàn):如果某一壓頭下復(fù)合片整體厚度不一致,則PCD層去除量差異大,多數(shù)情況下,較厚復(fù)合片的PCD層去除量比較薄復(fù)合片多。

       結(jié)論

       (1)PCD表面濕研磨時(shí),材料的去除機(jī)理以疲勞脆性去除為主,同時(shí)存在局部的熱化學(xué)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(shí)應(yīng)選用粗粒度研磨粉提高研磨效率;精研磨時(shí),用細(xì)粒度研磨粉降低表面粗糙度。研磨粉濃度越高成本越大,實(shí)際生產(chǎn)中可根據(jù)加工余量取適合的研磨粉濃度。

       (3)在適合的研磨盤轉(zhuǎn)速范圍內(nèi),研磨速度增加,研磨效率提高,但速度過高會(huì)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(jìn)入加工區(qū),研磨粉利用下降。

       (4)隨著研磨時(shí)間延長(zhǎng),研磨粉逐漸失效。因此,每隔一段時(shí)間要投入一定量新的研磨粉,確保整個(gè)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(nèi),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(dǎo)致PCD表面中凸嚴(yán)重