用傳統(tǒng)的機(jī)械拋光法對(duì)大面積PCD制品拋光，磨輪會(huì)先接觸其因應(yīng)力變形而出現(xiàn)的凸起部分，造成拋光時(shí)間長(zhǎng)、局部厚度減薄等弊端。對(duì)此，作者設(shè)計(jì)并運(yùn)用了雙搖桿擺動(dòng)夾具，使拋光表面在拋光過(guò)程能與磨輪端面自適應(yīng)接觸，本文主要闡述這種新工藝裝備的特點(diǎn)和使用效果。

一、緒論

PCD制品自20世紀(jì)70年代問(wèn)世以來(lái)，以其優(yōu)良的性能，在航空航天、國(guó)防、能源、汽車(chē)、地質(zhì)鉆探和線纜等高技術(shù)領(lǐng)域中得到日益廣泛的應(yīng)用。尤其是大面積PCD制品的應(yīng)用，使機(jī)械加工能力和水平向前邁進(jìn)一大步，加工精度、加工表面質(zhì)量不斷提高，加工效率幾十倍甚至上百倍提高。大面積PCD制品多用于制造切削各種材料的刀具，為了良好斷屑，提高被加工工件的精度和表面質(zhì)量，大多數(shù)PCD制品的PCD面需要拋光，使其達(dá)到鏡面(表面粗糙度Ra≦0.05μm)。盡管很多資料介紹PCD面電化學(xué)拋光、超聲拋光等新技術(shù)，但在工業(yè)化的批量生產(chǎn)應(yīng)用中，PCD面機(jī)械拋光仍占主導(dǎo)地位。

二、PCD面拋光參數(shù)選擇

PCD面機(jī)械拋光過(guò)程是聚晶金剛石磨耗與炭化過(guò)程，由于聚晶金剛石的硬度高，一般用金剛石拋光粉（膏）加鑄鐵盤(pán)或用磨輪進(jìn)行拋光。實(shí)踐證明：用金剛石拋光粉（膏）加鑄鐵盤(pán)拋光的效率太低，大都采用磨輪拋光（磨輪與工件被拋光表面接觸面積大，被廣泛采用）。

PCD面拋光質(zhì)量要求：(1)表面粗糙度Ra≦0.05μm；(2)表面光澤一致，沒(méi)有折光面；(3)沒(méi)有未拋光到的邊緣存在；(4)無(wú)光澤不均勻的環(huán)；(5)無(wú)劃痕及污染。

為達(dá)到PCD面拋光質(zhì)量要求，用磨輪實(shí)施機(jī)械拋光時(shí)，要合理選擇磨輪寬度、濃度和粒度，磨輪和工件轉(zhuǎn)速，拋光壓力以及磨輪修整時(shí)機(jī)。

首先磨輪的粒度和濃度要選擇合適，粒度過(guò)粗達(dá)不到工件拋光表面粗糙度要求；粒度過(guò)細(xì)，加工效率低，磨粒保持銳利的時(shí)間短，拋光時(shí)的摩擦力大，溫升高。磨輪寬度要選擇合適，過(guò)窄，使用壽命短，磨輪修整頻次高，工件被拋光表面與磨輪接觸面小，拋光效率低；過(guò)寬，磨輪端面難于整平，磨輪內(nèi)外圈的線速度差異大，磨輪內(nèi)外消耗差異多，拋光中摩擦接觸面積大，工件散熱條件變差；磨輪工作層中含金剛砂濃度高，有利于縮短磨輪與被拋光表面接觸吻合時(shí)間，但成本高，會(huì)使磨輪脫粒過(guò)快，有時(shí)造成被拋光表面劃傷。

工件在拋光過(guò)程中一般低速旋轉(zhuǎn)，這對(duì)工件保持平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)有利。磨輪通常高速旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)PCD面與磨輪表面相互間摩擦，產(chǎn)生熱作用，磨輪轉(zhuǎn)速過(guò)快，摩擦熱過(guò)高，達(dá)不到拋光表面質(zhì)量要求。

拋光過(guò)程中，被拋光表面與磨輪表面接觸的同時(shí)必須施加合適的壓力，壓力過(guò)小易產(chǎn)生抖動(dòng)，被拋光表面出現(xiàn)波紋；壓力過(guò)大，磨輪消耗快，不僅摩擦溫升高，還可能導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)電機(jī)過(guò)載。

磨輪表面修整時(shí)機(jī)要掌握合適，長(zhǎng)時(shí)間不修整磨輪端面，磨輪不銳利，被拋光表面與磨輪端面的吻合時(shí)間長(zhǎng)，加工效率低；過(guò)于頻繁修整磨輪端面，磨輪消耗快。磨輪端面修整的不平整、過(guò)渡不圓滑，會(huì)使被拋光表面無(wú)光澤，有時(shí)出現(xiàn)劃痕。

三、傳統(tǒng)拋光方法及設(shè)備存在的問(wèn)題

傳統(tǒng)拋光設(shè)備的結(jié)構(gòu)是磨輪高速旋轉(zhuǎn)，固定式拋光夾具夾持著工件低速旋轉(zhuǎn)，被拋光表面與磨輪端面接觸，并施加一定的接觸壓力，工件的旋轉(zhuǎn)中心與磨輪的接觸線固定，通過(guò)相互間的摩擦、熱、炭化作用，達(dá)到PCD面被拋光。

過(guò)去的PCD制品厚度大且被拋光表面的面積小（小于或接近磨輪端面環(huán)寬），用傳統(tǒng)拋光設(shè)備實(shí)施拋光是適宜的。隨著技術(shù)發(fā)展，大面積PCD制品的出現(xiàn)，使被拋光表面超過(guò)端面磨輪寬度一倍以上，而且工件的厚度比過(guò)去薄得多，當(dāng)PCD制品的拋光表面積大于26cm2，厚度不大于2mm時(shí)，薄片因應(yīng)力變形使得被拋光表面的平面度變差，拋光難度加大。用傳統(tǒng)拋光設(shè)備加工大面積PCD薄片存在下列問(wèn)題：

(1) 傳統(tǒng)拋光設(shè)備的夾具（及其被夾持的工件）旋轉(zhuǎn)中心與磨輪端面無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)被拋光表面與磨輪接觸，初始接觸的點(diǎn)（或面）在整個(gè)被拋光表面上的分布具有決定意義，因?yàn)榇撕髵伖饧庸⒀剡@些點(diǎn)（或面）向周?chē)鷶U(kuò)展，如果初始接觸點(diǎn)（或面）少（稱(chēng)之為吻合度差），并且在局部相對(duì)集中，那麼此后只有將這些點(diǎn)或面去除，其它的點(diǎn)（或面）才能與磨輪端面接觸，這使得本應(yīng)表面拋光變成“去量拋光”，由于聚晶金剛石硬、拋光使用的磨輪切削能力差，接觸點(diǎn)（或面）向周?chē)鷶U(kuò)展相當(dāng)緩慢，造成拋光時(shí)間超長(zhǎng)，加工效率下降。 #p#分頁(yè)標(biāo)題#e#

(2) 由于工件旋轉(zhuǎn)中心與磨輪端面接觸線固定，即使被拋光表面上各處均與磨輪接觸（完全吻合），當(dāng)工件被拋光表面寬度（長(zhǎng)度或直徑）大于磨輪環(huán)寬，各處的接觸幾率不同，工件外部的接觸幾率明顯少于中部，使得被拋光表面易出現(xiàn)明暗不同的折光環(huán)，達(dá)不到質(zhì)量要求。

(3) 由于拋光過(guò)程中，被拋光表面中部始終不離開(kāi)磨輪端面，中部受摩擦熱大于周邊，且散熱條件差，對(duì)于大面積、厚度薄的PCD制品，局部受熱導(dǎo)致工件變形加劇。

(4) 應(yīng)力變形使得被拋光表面的平面形狀不規(guī)則，伴隨有扭曲。只有通過(guò)修整磨輪端面或被拋光表面與磨輪端面相互磨耗，使磨輪端面盡可能與被拋光表面相吻合（被拋光表面取得更多的接觸點(diǎn)并均勻分布）。但應(yīng)力變形是隨機(jī)的，表面扭曲使得各個(gè)工件表面狀況千差萬(wàn)別，當(dāng)磨輪端面被修整或磨耗成與某個(gè)工件的PCD表面相吻合，換另一個(gè)工件，又出現(xiàn)不吻合，必須再次通過(guò)磨輪修整或磨耗，達(dá)到新的吻合，這不僅加工效率低，還增加了操作者勞動(dòng)強(qiáng)度，對(duì)大批量生產(chǎn)是不適宜的。

(5) 由于各個(gè)PCD制品存在表面形狀差異，同一磨輪端面被修整成與兩個(gè)工件的PCD面同時(shí)吻合的可能性很小。即使能夠同時(shí)吻合，由于一個(gè)磨輪同時(shí)拋光兩片大面積PCD制品產(chǎn)生的摩擦溫升更高，工件中部又不能脫開(kāi)磨輪（散熱條件差），在傳統(tǒng)的拋光設(shè)備上（用同一個(gè)磨輪）同時(shí)拋光兩片大面積PCD制品，不僅各片所需的加工時(shí)間差異很大，而且過(guò)高的溫度，易燒傷被拋光表面。

四、改進(jìn)方案的確定

由上述分析可知：在拋光過(guò)程中，提高被拋光表面與磨輪端面接觸吻合程度對(duì)提高拋光效率至關(guān)重要。在拋光過(guò)程中，讓被拋光表面的自旋轉(zhuǎn)中心在磨輪端面上沿磨輪徑向移動(dòng)，并配合自適應(yīng)接觸功能，對(duì)提高接觸吻合程度有利（尤其對(duì)中凸變形的被拋光表面）。當(dāng)工件的自轉(zhuǎn)中心離開(kāi)原來(lái)在磨輪端面上的接觸線時(shí)，被拋光表面上原來(lái)與磨輪端面的接觸點(diǎn)（面），有一部分就會(huì)脫開(kāi)（從微觀上看，磨輪端面沿徑向高低錯(cuò)落，并不是平整表面），原來(lái)形成的穩(wěn)定接觸狀態(tài)被打破，在自適應(yīng)接觸功能的配合下，一些未與磨輪端面接觸的點(diǎn)（面）此時(shí)與磨輪端面接觸，從而增加了新接觸點(diǎn)（面），改善了相互接觸吻合狀態(tài)，從而縮短拋光時(shí)間。

我國(guó)生產(chǎn)的迪蒙特佳牌聚晶金剛石拉絲模

工件自轉(zhuǎn)中心在磨輪端面上位移還具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1) 拋光過(guò)程是磨輪與被拋光表面相互磨耗過(guò)程，工件位移的同時(shí)，將磨輪端面高點(diǎn)修平，這不僅消除了被拋光表面可能出現(xiàn)的環(huán)形折光環(huán)，而且降低了磨輪端面平整度修整難度。

(2) 被拋光表面中部和邊緣與磨輪端面接觸幾率得到均衡，使工件各處受熱均勻；再者，被拋光表面的大部分都有移出磨輪端面的時(shí)候，改善工件的散熱條件，減小工件拋光過(guò)程產(chǎn)生的熱變形。

(3) 縮短表面變形狀態(tài)不同的工件同時(shí)拋光所需的時(shí)間差異。由于被拋光表面自適應(yīng)與磨輪端面接觸吻合，無(wú)需用修整磨輪端面的方法來(lái)適應(yīng)被拋光表面，加之工件散熱條件的改善，使得同一臺(tái)拋光設(shè)備（用同一個(gè)磨輪）同時(shí)拋光兩片大面積PCD制品得以實(shí)現(xiàn)。

實(shí)現(xiàn)被拋光表面的自轉(zhuǎn)中心與磨輪端面接觸線相對(duì)位移的方法有多種：一種是在主軸（磨輪）高速旋轉(zhuǎn)的同時(shí)進(jìn)行偏心擺動(dòng)；另一種是在工件旋轉(zhuǎn)中心沿磨輪徑向位移或在一定的角度內(nèi)（中心壓力點(diǎn)不脫開(kāi)磨輪端面）進(jìn)行擺動(dòng)，據(jù)資料介紹國(guó)外生產(chǎn)的拋光設(shè)備采用磨輪高速旋轉(zhuǎn)同時(shí)進(jìn)行偏心擺動(dòng)。

我們利用雙搖桿擺動(dòng)機(jī)構(gòu)原理，設(shè)計(jì)了復(fù)合片旋轉(zhuǎn)、加壓、擺動(dòng)和接觸自適應(yīng)夾具，讓工件在一定的角度內(nèi)（中心壓力點(diǎn)不離開(kāi)磨輪端面）擺動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)被拋光表面的自轉(zhuǎn)中心在磨輪端面上位移，其優(yōu)點(diǎn)：

(1) 成本低，機(jī)械結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，可保持傳統(tǒng)拋光設(shè)備的基本結(jié)構(gòu)不變（僅改變夾具部分）。 #p#分頁(yè)標(biāo)題#e#

(2) 由于拋光環(huán)境比較惡劣（有粉塵），采用傳統(tǒng)絲杠、導(dǎo)軌傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，成本較高，粉塵容易進(jìn)入運(yùn)動(dòng)部位，降低使用壽命（防護(hù)較困難）；采用凸輪或氣動(dòng)、液壓機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，外圍附件多；而四連桿機(jī)構(gòu)不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)動(dòng)可靠性強(qiáng)，而且防護(hù)簡(jiǎn)便、環(huán)境適應(yīng)力強(qiáng)，適合在拋光設(shè)備上應(yīng)用。

(3) 選用四連桿機(jī)構(gòu)中的雙搖桿擺動(dòng)機(jī)構(gòu)，可以用一個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)同時(shí)實(shí)現(xiàn)工件自旋轉(zhuǎn)和旋轉(zhuǎn)中心在一定角度內(nèi)擺動(dòng)。

(4) 可利用原固定式結(jié)構(gòu)夾具上許多零件，不增加操作復(fù)雜程度。

五、對(duì)比實(shí)驗(yàn)與分析

我們用新結(jié)構(gòu)（安裝了雙搖桿擺動(dòng)拋光夾具）拋光機(jī)與傳統(tǒng)（安裝了固定式拋光夾具）拋光機(jī)進(jìn)行加工對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

首先選擇被拋光表面與磨輪端面形狀基本吻合的工件試驗(yàn)，選用新磨輪，在傳統(tǒng)拋光機(jī)上，新磨輪即使與被拋光表面基本吻合，由于磨輪端面不夠圓滑，拋光效果差（被拋光表面不光亮且有劃痕），而在新結(jié)構(gòu)的拋光機(jī)上，拋光后表面質(zhì)量達(dá)到要求，證明工件位移中，被拋光表面對(duì)磨輪端面有修整作用。

隨后我們選擇被拋光表面中凸的工件進(jìn)行試驗(yàn)，在傳統(tǒng)拋光機(jī)上，加工一段時(shí)間后觀察，被拋光表面的拋光處與未接觸處界限清晰，如果不修整磨輪端面，繼續(xù)拋光，不僅時(shí)間長(zhǎng)，而且PCD層中部有可能厚度減薄。在新結(jié)構(gòu)的拋光機(jī)上，加工相同時(shí)間觀察，表面拋光處與未接觸處界限模糊，并且邊緣有接觸痕跡，拋光后檢查被拋光表面平面度與拋光前基本一致。我們選擇被拋光表面中凹的工件試驗(yàn)，情況基本相同，只是表面拋光處由邊緣向中心擴(kuò)展。

我們進(jìn)行加工效率對(duì)比實(shí)驗(yàn)，各取10臺(tái)設(shè)備，分別測(cè)算加工時(shí)間，結(jié)果表明：在傳統(tǒng)拋光機(jī)上即使磨輪端面基本與被拋光表面吻合，新結(jié)構(gòu)拋光機(jī)平均加工效率仍比它高20%。

我們?cè)诎惭b有兩個(gè)固定式拋光夾具的拋光機(jī)上同時(shí)加工兩片工件（被拋光表面變形量相同），發(fā)現(xiàn)工件溫升快而且高，如果不保持砂輪銳利，加工必須時(shí)常中斷（否則工件表面燒傷），當(dāng)其中一件被拋光表面完全與磨輪端面接觸，另一件只有50%接觸痕跡。在安裝了兩個(gè)雙搖桿擺動(dòng)拋光夾具的拋光機(jī)上同時(shí)加工兩片工件，修整磨輪周期與用傳統(tǒng)拋光機(jī)單片加工相同，結(jié)果表明：不僅拋光表面質(zhì)量達(dá)到要求，每片加工時(shí)間比單片拋光僅增加10%左右，兩工件拋光用時(shí)差異很小，由此證明安裝兩個(gè)雙搖桿擺動(dòng)拋光夾具的拋光機(jī)，加工效率比傳統(tǒng)拋光機(jī)提高80%。

六、結(jié)論

(1) 拋光中若被拋光表面與磨輪端面不吻合，用改進(jìn)后的拋光設(shè)備實(shí)施拋光，加工效率比用傳統(tǒng)拋光設(shè)備明顯提高（至少提高20%），工件散熱條件得到明顯改善。

(2) 用改進(jìn)后的拋光設(shè)備加工出的工件的被拋光表面不會(huì)出現(xiàn)環(huán)型折光光環(huán)，表面質(zhì)量明顯提高。

(3) 對(duì)于改進(jìn)后的拋光設(shè)備，磨輪端面修整要比傳統(tǒng)拋光設(shè)備的難度小，傳統(tǒng)拋光設(shè)備的磨輪端面不僅要求修整平滑，而且要盡可能與被拋光表面吻合。而新結(jié)構(gòu)拋光設(shè)備，磨輪端面的修整只需在被拋光表面與磨輪端面相互吻合階段，讓磨輪上磨粒銳利即可。

(4) 改進(jìn)后的拋光設(shè)備實(shí)現(xiàn)一臺(tái)設(shè)備同時(shí)拋光兩片大面積聚晶金剛石制品，提高設(shè)備利用率80%。