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PCD刀具的金刚石砂轮机械刃磨工艺

2017年12月01日14:08
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  1.PCD 刀具的特点
 
  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。
  
  2.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 。
 
 
  图 1 EWAG RS15 超硬刀具磨床
  
  (2)砂轮的选用
  
  PCD刀具的机械刃磨主要是依靠与金刚石砂轮的摩擦化学反应和表面断裂来切除多余材料,金刚石砂轮的粒度 、浓度和结合剂等对PCD刀具刃磨的质量和效率影响很大。因此,正确选用砂轮十分重要。经过比较,我们选用了欧洲产的泰利莱 ( TY—R0LIT)砂轮,该砂轮的金刚石磨粒一粒粒植入砂轮,有序排列,每分钟磨除率是普通金刚石砂轮的20~30倍。经验表明,在可以满足加工质量要求的前提下,应尽量选用粒度较大的砂轮。我们选用的金刚石磨粒粒度为:粗磨 粒度 22um ;半精磨粒度15um ;精磨粒度 9um 。
  
  (3)砂轮的平衡
  
  选定砂轮后,需对砂轮进行平衡。首先将砂轮平衡仪放置于镜面台上进行校准,通过调整平衡仪底部的3个平衡螺母,使平衡仪内的平衡水泡位于正中央即可。然后将砂轮滑人砂轮调整棒中,调整砂轮侧面的3个平衡螺钉使其均布(相互夹63角约为120),直至平衡仪内的平衡水泡再次位于正中央,砂轮即实现了平衡。
  
  (4)回转中心与光学中心对中对PCD刀具进行装夹和调整,首先需将十字工作台的回转中心与光学投影仪的中心对中重合,通过调整光学投影仪的紧定螺钉,使刀尖最高点分别与投影仪内的外侧某一大 圆弧在270°、0°、90°处相切;然后根据 图纸要求,把装夹好的 PCD刀具通过十字工作台调整到光学投影仪的基准线上 ,该位置就是刃磨加工位置。为保证 PCD刀具的加工精度要求,所有刃磨尺寸应在一次装夹中完成,修磨 PCD刀具时,应将所有磨损量全部切除。
  
  (5)选择砂轮摆幅
  
  由于金刚石砂轮较昂贵,为充分利用砂轮的磨削能力和防止出现沟痕,应根据 PCD 刀具尺寸合理选择砂轮摆动幅值。
 
  
  图为砂轮摆幅与刀具的相对位置
  
  (6)确定刃磨速度 、频率及其它参数
  
  通过大量试验,确定刃磨 PCD刀具的转速为2300 ~2500r/min ( 150ram砂轮 ),砂轮正向旋转。通常刃磨频率越高,磨除率也越大,PCD刀具刃磨频率选取 60 次/min。其它参数:水基冷却液浓度 4%,磨削压力 2.5Bar(约167N)。
  
  (7)砂轮的清洁
  
  砂轮磨削加工一段时问后 ,磨粒之间的缝隙会被磨屑填满,导致磨削面变钝,加工效率降低(此时砂轮磨削时往往发出吱吱尖啸声)。为保持砂轮的切削能力,需要经常对砂轮切削面进行清洁,方法是将碳化硅(SIC)磨石压在砂轮磨削面上旋转打磨。
  
  (8)刃磨前后刀片的处理
  
  刃磨PCD刀具之前,应观察前后刀面是否有铝屑,如有,用金刚石油石将其擦除。刃磨完成后,用金刚石研磨膏研磨前端面。经粗磨 、半精磨 、精磨 、研磨处理的 PCD刀具才能真正达到使用要求。
  
  (9)刀具的检测
  
  刃磨完成后 ,可在机床的投影仪上直接检测PCD刀具的尺寸精度和刃口平直度 ,不允许有凹凸不平或锯齿形等明显缺陷。刃口平直度也可在100倍以上显微镜下检查。
 
 

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