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PCD刀具的金刚石砂轮机械刃磨工艺

2019-06-20

聚晶金刚石 (PCD)是将粒度为微米级的金刚石微粉与少量金属粉末 (如Co) 混合后在高温(1400℃)、高压(6000M Pa)下烧结而成的聚晶体。与其它刀具材料相比,PCD具有极高的硬度和耐磨性、高导热性、低热膨胀系数、摩擦系数小、切削散热快、切削温度低、热变形小、可降低加工表面粗糙度等性能特点。但由于PCD与铁族元素有很强亲和力,因此不适合加工黑色金属及其合金。

       

已实现商品化供货的PCD复合片是将0.5 ~0.7mm 厚的PCD层烧结在硬质合金基体上制备而成,因此兼具了PCD的高硬度、高耐磨性和硬质合金的良好强度与韧性。PCD刀具在有色金属及其合金 、非金属材料的高速切削中体现出优良的切削性能,已广泛应用于汽车、航空、航天、建材等工业领域。但是,PCD 的高硬度、高耐磨性使刀具刃磨相当困难,主要体现在材料磨除率小 、砂轮损耗大 、刃磨效率低 、刃口呈锯齿状等。PCD刀具的刃磨工艺性已成为其推广应用的障碍之一,为了突破这一工艺瓶颈,国内外学者进行了大量研究开发工作。

       

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PCD刀具的金刚石砂轮刃磨工艺


常用的PCD刀具刃磨工艺有金刚石砂轮机械刃磨 、放电刃磨 、电解刃磨等 ,其中以金刚石砂轮机械刃磨在技术上最为成熟,在目前使用也最为广泛。该方法虽然刃磨效率较低 、加工成本较高 ,但可获得良好的刀具刃口质量和完整 、光洁的前后刀面。

       

2.1 刃磨加工机理

       

金刚石砂轮机械刃磨 PCD刀具的材料去除机理比较复杂,国内外学者对此进行了大量研究,目前主要存在以下几种观点 :

       

(1)德国学者M .Kenter认为,金刚石砂轮磨削PCD刀具的过程中发生了刻划作用和滑动作用,材料的去除方式主要为粘结 、刻划 、摩擦化学反应和表面断裂。他认为,在绝大多数情况下,PCD 材料的去除是以摩擦化学反应和表面断裂为主。由于PCD材料脆性大,在金刚石磨粒的挤压下容易诱发裂纹,裂纹在机械和热应力作用下扩展 ,最终导致小片PCD材料剥落,同时,摩擦热会使 PCD 发生石墨化和其它摩擦化学反应。

       

(2)GE公司的 K .J.Dunn 等人用扫描电子显微镜对刃磨后的PCD复合片的表面微观形貌进行观察后认为,PCD材料的破坏机理主要为微观脆性破碎和疲劳破损。

       

(3 )我国艾兴院士等人认为PCD材料的去除方式为:当砂轮与PCD接触的瞬间,磨削力突然增大,剧烈的机械 冲击使 PCD表面产生裂纹甚至破碎。在稳定磨削期,砂轮磨粒在PCD 表面上进行挤压和摩擦,当压力达到一定程度时,PCD表面会形成裂纹;当摩擦温度达到一定程度时,PCD会发生石墨化和其它化学反应。


2.2 刃磨机床条件

      

 PCD材料的特性决定了对PCD刀具刃磨机床的要求:不能等同于普通工具磨床,即必须满足以下条件 :

       

(1)要求砂轮主轴及机床整体具有很高的刚性和稳定性,以保持刃磨时砂轮对 PCD 材料的恒定压力。

       

(2)砂轮架可横向摆动,以保证砂轮端面磨损均匀,砂轮架的摆动频率和幅度可调。

       

(3)配置光学投影装置和高精度回转工作台。

       

(4)采用专用金刚石砂轮。

       

2.3 刃磨工艺流程

       

(1) 刃磨机床的选用

       

由于 PCD 刀具具有很高的硬度和耐磨性,刃磨要求较高,一般机床很难达到刃磨精度要求。针对PCD刀的特点和机械刃磨必备条件,我们选用了瑞士生产的 EWAG RS15超硬刀具磨床 (见图 1)。该机床是目前世界上较先进的超硬刀具磨床之一,具有以下特点:

       

①机床整体刚性高,稳定性好;

②磨削主轴可实现无级调速(1000--8000rpm );

③磨削压力可调(0~400N )且稳定性好,并能往复摆动,摆动幅度(0 ~70mm )和频率(30~60 次/分 )可调;

④配备高精度光学投影仪和回转工作台,一次装夹即可完成定位一磨削一测量全过程;

⑤配有数显装置,尺寸精度达 0.001ram 。