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鄭州華晶金剛石股份有限公司

PCD刀具的金剛石砂輪機械刃磨工藝

關鍵詞 聚晶金剛石 , 刀具|2019-06-10 09:03:22|來源 浙江工業大學
摘要 1、PCD刀具的特點聚晶金剛石(PCD)是將粒度為微米級的金剛石微粉與少量金屬粉末(如Co)混合后在高溫(1400℃)、高壓(6000MPa)下燒結而成的聚晶體。與其它刀具材料相比...

       1、PCD 刀具的特點

       聚晶金剛石 (PCD)是將粒度為微米級的金剛石微粉與少量金屬粉末 (如Co) 混合后在高溫(1400℃)、高壓(6000M Pa)下燒結而成的聚晶體。與其它刀具材料相比,PCD具有極高的硬度和耐磨性、高導熱性、低熱膨脹系數、摩擦系數小、切削散熱快、切削溫度低、熱變形小、可降低加工表面粗糙度等性能特點。但由于PCD與鐵族元素有很強親和力,因此不適合加工黑色金屬及其合金。

       已實現商品化供貨的PCD復合片是將0.5 ~0.7mm 厚的PCD層燒結在硬質合金基體上制備而成,因此兼具了PCD的高硬度、高耐磨性和硬質合金的良好強度與韌性。PCD刀具在有色金屬及其合金 、非金屬材料的高速切削中體現出優良的切削性能,已廣泛應用于汽車、航空、航天、建材等工業領域。但是,PCD 的高硬度、高耐磨性使刀具刃磨相當困難,主要體現在材料磨除率小 、砂輪損耗大 、刃磨效率低 、刃口呈鋸齒狀等。PCD刀具的刃磨工藝性已成為其推廣應用的障礙之一,為了突破這一工藝瓶頸,國內外學者進行了大量研究開發工作。

       2、PCD刀具的金剛石砂輪刃磨工藝

       常用的PCD刀具刃磨工藝有金剛石砂輪機械刃磨 、放電刃磨 、電解刃磨等 ,其中以金剛石砂輪機械刃磨在技術上最為成熟,在目前使用也最為廣泛。該方法雖然刃磨效率較低 、加工成本較高 ,但可獲得良好的刀具刃口質量和完整 、光潔的前后刀面。

       2.1刃磨加工機理

       金剛石砂輪機械刃磨 PCD刀具的材料去除機理比較復雜,國內外學者對此進行了大量研究,目前主要存在以下幾種觀點 :

       (1)德國學者M .Kenter認為,金剛石砂輪磨削PCD刀具的過程中發生了刻劃作用和滑動作用,材料的去除方式主要為粘結 、刻劃 、摩擦化學反應和表面斷裂。他認為,在絕大多數情況下,PCD 材料的去除是以摩擦化學反應和表面斷裂為主。由于PCD材料脆性大,在金剛石磨粒的擠壓下容易誘發裂紋,裂紋在機械和熱應力作用下擴展 ,最終導致小片PCD材料剝落,同時,摩擦熱會使 PCD 發生石墨化和其它摩擦化學反應。

       (2)GE公司的 K .J.Dunn 等人用掃描電子顯微鏡對刃磨后的PCD復合片的表面微觀形貌進行觀察后認為,PCD材料的破壞機理主要為微觀脆性破碎和疲勞破損。

       (3 )我國艾興院士等人認為PCD材料的去除方式為:當砂輪與PCD接觸的瞬間,磨削力突然增大,劇烈的機械 沖擊使 PCD表面產生裂紋甚至破碎。在穩定磨削期,砂輪磨粒在PCD 表面上進行擠壓和摩擦,當壓力達到一定程度時,PCD表面會形成裂紋;當摩擦溫度達到一定程度時,PCD會發生石墨化和其它化學反應。

       2.2刃磨機床條件

       PCD材料的特性決定了對PCD刀具刃磨機床的要求:不能等同于普通工具磨床,即必須滿足以下條件 :

       (1)要求砂輪主軸及機床整體具有很高的剛性和穩定性,以保持刃磨時砂輪對 PCD 材料的恒定壓力。

       (2)砂輪架可橫向擺動,以保證砂輪端面磨損均勻,砂輪架的擺動頻率和幅度可調。

       (3)配置光學投影裝置和高精度回轉工作臺。

       (4)采用專用金剛石砂輪。

       2.3 刃磨工藝流程

       (1)刃磨機床的選用

       由于 PCD 刀具具有很高的硬度和耐磨性,刃磨要求較高,一般機床很難達到刃磨精度要求。針對PCD刀的特點和機械刃磨必備條件,我們選用了瑞士生產的 EWAG RS15超硬刀具磨床 (見圖 1)。該機床是目前世界上較先進的超硬刀具磨床之一,具有以下特點:

       ①機床整體剛性高,穩定性好;

       ②磨削主軸可實現無級調速(1000--8000rpm );

       ③磨削壓力可調(0~400N )且穩定性好,并能往復擺動,擺動幅度

         (0 ~70mm )和頻率(30~60 次/分 )可調;

       ④配備高精度光學投影儀和回轉工作臺,一次裝夾即可完成定位一磨削一測量全過程;

       ⑤配有數顯裝置,尺寸精度達 0.001ram 。

微信截圖_20190606141909.png

圖 1 EWAG RS15 超硬刀具磨床

       (2)砂輪的選用

       PCD刀具的機械刃磨主要是依靠與金剛石砂輪的摩擦化學反應和表面斷裂來切除多余材料,金剛石砂輪的粒度 、濃度和結合劑等對PCD刀具刃磨的質量和效率影響很大。因此,正確選用砂輪十分重要。經過比較,我們選用了歐洲產的泰利萊 ( TY—R0LIT)砂輪,該砂輪的金剛石磨粒一粒粒植入砂輪,有序排列,每分鐘磨除率是普通金剛石砂輪的20~30倍。經驗表明,在可以滿足加工質量要求的前提下,應盡量選用粒度較大的砂輪。我們選用的金剛石磨粒粒度為:粗磨 粒度 22um ;半精磨粒度15um ;精磨粒度 9um 。

       (3)砂輪的平衡

       選定砂輪后,需對砂輪進行平衡。首先將砂輪平衡儀放置于鏡面臺上進行校準,通過調整平衡儀底部的3個平衡螺母,使平衡儀內的平衡水泡位于正中央即可。然后將砂輪滑人砂輪調整棒中,調整砂輪側面的3個平衡螺釘使其均布(相互夾63角約為120),直至平衡儀內的平衡水泡再次位于正中央,砂輪即實現了平衡。

       (4)回轉中心與光學中心對中對PCD刀具進行裝夾和調整

       首先需將十字工作臺的回轉中心與光學投影儀的中心對中重合,通過調整光學投影儀的緊定螺釘,使刀尖最高點分別與投影儀內的外側某一大 圓弧在270°、0°、90°處相切;然后根據 圖紙要求,把裝夾好的 PCD刀具通過十字工作臺調整到光學投影儀的基準線上 ,該位置就是刃磨加工位置。為保證 PCD刀具的加工精度要求,所有刃磨尺寸應在一次裝夾中完成,修磨 PCD刀具時,應將所有磨損量全部切除。

       (5)選擇砂輪擺幅

       由于金剛石砂輪較昂貴,為充分利用砂輪的磨削能力和防止出現溝痕,應根據 PCD 刀具尺寸合理選擇砂輪擺動幅值。

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圖為砂輪擺幅與刀具的相對位置

       (6)確定刃磨速度 、頻率及其它參數

       通過大量試驗,確定刃磨 PCD刀具的轉速為2300 ~2500r/min ( 150ram砂輪 ),砂輪正向旋轉。通常刃磨頻率越高,磨除率也越大,PCD刀具刃磨頻率選取 60 次/min。其它參數:水基冷卻液濃度 4%,磨削壓力 2.5Bar(約167N)。

       (7)砂輪的清潔

       砂輪磨削加工一段時問后 ,磨粒之間的縫隙會被磨屑填滿,導致磨削面變鈍,加工效率降低(此時砂輪磨削時往往發出吱吱尖嘯聲)。為保持砂輪的切削能力,需要經常對砂輪切削面進行清潔,方法是將碳化硅(SIC)磨石壓在砂輪磨削面上旋轉打磨。

       (8)刃磨前后刀片的處理

       刃磨PCD刀具之前,應觀察前后刀面是否有鋁屑,如有,用金剛石油石將其擦除。刃磨完成后,用金剛石研磨膏研磨前端面。經粗磨 、半精磨 、精磨 、研磨處理的 PCD刀具才能真正達到使用要求。

       (9)刀具的檢測

       刃磨完成后 ,可在機床的投影儀上直接檢測PCD刀具的尺寸精度和刃口平直度 ,不允許有凹凸不平或鋸齒形等明顯缺陷。刃口平直度也可在100倍以上顯微鏡下檢查。

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