聚晶金剛石研磨工藝及機理研究
時間:2011-05-26 08:09:21 來源:未知
圖1 PCD材料去除量與研磨時間的關系
圖2 干研磨PCD表面粗糙度與研磨時間的關系
圖3 PCD干研磨去除量d與法向載荷F的關系
聚晶金剛石(PCD)具有接近天然金剛石的硬度、耐磨性以及與硬質合金相當的抗沖擊性，是一種被廣泛應用于有色金屬和非金屬材料精密加工的新型刀具材料。為充分發揮PCD刀具的優良性能，提高加工零件的表面質量，刀具前刀面(PCD表面)需加工成鏡面。目前，PCD鏡面通常采用樹脂基金剛石砂輪進行研磨加工，但由于PCD與所用的金剛石磨料硬度、性質相近，因而與傳統的研磨加工有著很大的不同，其研磨機理、研磨工藝具有自身的變化規律。本文對PcD研磨工藝進行了較系統的研究，并對其研磨機理進行了較深入的分析。
1 試驗條件
試驗在BDJP-902聚晶金剛石研磨機上進行；金剛石砂輪的類型、規格、尺寸為6A2 250×36×50×5 120 B 100，砂輪速度為18.3m/s、；試件為美國GE公司生產的三角形1600PCD90T5/1.6標準刀坯。為提高試驗精度，減小試驗誤差，在一個夾頭上同時研磨3個尺寸相同的PCD刀坯，用光較儀測量每片刀坯的去除厚度，取其平均值作為去除量。用干涉儀觀察、測量PCD研磨表面形態及粗糙度Rz值，采用JSM-5600LV掃描儀觀察PCD研磨表面微觀形貌。
2 試驗結果
- 冷卻液對去除率及表面粗糙度的影響
- 圖1所示為PCD干研磨(研磨前砂輪修整10秒鐘，冷卻液未加在研磨區)和濕研磨(研磨前砂輪修整10秒鐘，冷卻液加在研磨區)兩種條件下材料去除量隨研磨時間的變化情況。試驗時作用在試件夾頭上的法向載荷為20N。
- 由圖1可知，干研磨材料去除率Q干與濕研磨材料去除率Q濕的關系為：研磨初期Q干=2.54Q濕；中期Q干=1.6Q濕；穩態期Q干=1.68µm/min，Q濕≈O。用干涉儀觀察、測量PCD表面形態及粗糙度：濕研磨時PCD表面上存在許多深凹坑，研磨130分鐘后其表面干涉條紋仍呈斷續狀態，即Rz>0.3µm，達不到鏡面要求；干研磨時表面粗糙度Rz隨研磨時間的延長而降低，其關系曲線如圖2所示。由圖2可知，研磨20分鐘時，PCD表面達鏡面(Rz≯0.05µm),且再延長研磨時間表面粗糙度基本無變化，但根據表面形態觀察結果可知，其平面度有所提高。因此，PCD鏡面加工應采用干研磨工藝，在試驗條件下，研磨20～30分鐘其表面可達鏡面；若對研磨表面的平面度要求較高，可適當延長研磨時間。
- 法向載荷對去除率的影響
- 圖3所示為PCD干研磨時作用在試件夾頭上的法向載荷F與材料去除率Q的關系。由圖3可知，材料去除率Q隨著法向載荷F的增大而增加，且存在一個折點A(F=15N)，當≤15N時，其去除率Q以較小的幅度隨著F的增大而增加，當F>15N時，其去除率O隨著F的增大而大幅度增加。
3 結果分析及機理探討
為了弄清產生上述試驗結果的原因，需對PCD材料去除機理進行探討。
圖4 PCD未研磨表面形貌
圖5 PCD濕研磨表面形貌
圖6 PCD干研磨表面形貌
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- 濕研磨去除機理
- 圖4、圖5分別為PCD未研磨、濕研磨表面形貌的SEM照片。由圖可知，濕研磨表面雖也凹凸不平，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PCD表面發生了脆性去除。筆者認為其脆性去除方式是動載脆性去除(即疲勞脆性去除)而不是靜載脆性去除。這是因為研磨狀態下法向載荷F較小(20N)，作用在PDD表面上的應力大大低于靜載荷下產生裂紋的極限應力值，因此基本不會發生靜載脆性去除。但英國學者coopr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。而研磨過程中PCD片承受的是交變沖擊載荷，因此將會產生疲勞脆性去除。濕研磨時PCD材料的脆性去除方式正是這種疲勞脆性去除。在圖5中同時還可觀察到局部平滑區，這是PCD局部發生熱化學去除的結果。因濕研磨時雖然冷卻液加在研磨區內，PCD表面與砂輪間產生的摩擦熱大部分被冷卻液帶走，研磨區平均溫度較低，但仍會產生局部高溫接觸點，使此處PCD材料產生氧化、石墨化的熱化學去除。由此可見，PCD材料濕研磨時，其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。
- 干研磨去除機理
- PCD干研磨表面的SEM照片如圖6所示。從圖中可看到其表面呈平滑形貌，基本無剝落坑，說明干研磨時PCD材料基本不發生疲勞脆性去除。筆者認為，干研磨時PCD材料去除機理應以熱化學去除為主。這是因為干研磨時冷卻液未加在研磨區，PCD材料表面與砂輪中金剛石磨粒間產生的摩擦熱只能通過PCD片和砂輪擴散出去，所以研磨區平均溫度較高。另外，在高溫非高壓條件下，石墨或無定形碳是熱力學上碳的穩定結構，金剛石的硬度隨著溫度的升高(T>350℃)而降低，且研磨是在空氣氛圍下進行，PCD材料表面將會發生氧化、石墨化，同時表面還會產生一定的硬度軟化層。同時砂輪中金剛石磨粒也將發生氧化、石墨化，產生硬度軟化層，但程度較輕，且磨粒硬度高于PCD軟化層硬度。因為干研磨時冷卻液加在砂輪非工作層的基體上，砂輪中金剛石磨粒初始溫度較低，因此磨粒工作溫度比PCD片低；另外，磨粒瞬時通過研磨區，其保溫時間比PCD片短，有研究表明：溫度不變，金剛石燒失率隨著保溫時間呈線性增加；而且PCD材料中殘存觸媒鉆等，在高溫非高壓條件下又進一步促使其產生氧化、石墨化和硬度軟化。所以，干研磨時PCD材料的熱化學去除包括PCD表面氧化、石墨化去除以及因磨粒硬度高于PCD軟化層硬度而產生一定的機械去除，由于產生機械去除的原因是熱作用的結果，所以在此稱為機械熱去除。
綜上所述，由于干、濕研磨時PCD材料去除機理不同，從而導致干、濕研磨時材料去除率明顯不同，即Q干＞Q濕。濕研磨時材料去除機理以疲勞脆性去除為主，而干研磨時材料去除機理以熱化學去除為主，基本不發生疲勞脆性去除，所以濕研磨不能使PCD表面達到鏡面，而干研磨當砂輪磨損到一定程度時將會使PCD表面達到鏡面。干研磨時，隨著法向載荷F的增大，研磨區溫度將升高，PCD材料更易產生熱化學去除，所以其去除率口隨著法向載荷F的增大而增加(見圖3)。由耶格爾的觀點可知：溫升與載荷F成正比。因此，材料去除率Q應與F基本成正比，但圖3中卻存在折點A(F=15N)，這與耶格爾的觀點并不矛盾，只是以折點A為分界點，PCD材料的熱化學去除方式發生變化而已。當F≤15N時，由于法向載荷F較小，研磨區平均溫度T＜750℃，因此其熱化學去除將以機械熱去除方式為主，以局部氧化、石墨化去除方式為輔；當F＞15N時，研磨區平均溫度T＞750℃，其熱化學去除將同時以PCD表面氧化、石墨化及機械熱去除方式進行，因此材料去除率遠大于F≤15N時的去除率。
從上述分析可知：只有干研磨才能使PCD表面達到鏡面，而PCD干研磨時材料的去除機理是熱化學去除，因此可以嘗試采用價格低廉、熔點較高的非金剛石磨粒的砂輪進行研磨加工，以降低PCD刀具的加工成本；干研磨時，高材料去除率必然帶來研磨后PCD表面硬度軟化加劇，這將在一定程度上影響PCD刀具的使用壽命，因此PCD表面的鏡面加工應采用逐漸減載的干研磨工藝，既可保持較高的研磨效率，又可降低研磨后表面硬度的軟化程度。
#p#分頁標題#e#4 結論及展望
- 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。
- PCD表面干研磨時，材料的去除機理以熱化學去除為主，基本不發生疲勞脆性去除。熱化學去除方式為PCD表面氧化、石墨化及機械熱去除。
- PCD表面的鏡面加工應采用干研磨工藝，而且應采用逐漸減載的研磨工藝，這既可保持較高的研磨效率，又可降低研磨后表面硬度的軟化程度，從而延長刀具的使用壽命。
- 試驗條件下，1600PCD干研磨20～30分鐘即可達鏡面，如載荷增加，研磨時間可進一步縮短。
- PCD鏡面研磨機理是以熱化學去除為主，可以嘗試采用價格低廉、熔點及硬度較高的非金剛石磨粒的砂輪對PCD材料進行研磨加工，以降低PCD刀具加工成本。