工艺技术_pcd刀具磨削机理及刃磨工艺研究论文

大连理工大学 硕士学位论文 PCD刀具磨削机理及刃磨工艺研究 姓名：徐龙 申请学位级别：硕士 专业：机械电子工程 指导教师：张弘弢 20081201 大连理工大学硕士学位论文 摘要 聚晶金刚石( P o l y c r y s t a l l i n eD i a m o n d ) 是一种理想的刀具材料，自上世纪7 0 年代 出现以来，用其制作的刀具凭借极高的硬度和出色的耐磨性，迅速在汽车、航空和木材 加工领域获得了广泛的应用，在切削技术的发展过程中起着重要的推动作用。目前，金 刚石砂轮磨削加工依然是P C D 刀具的主要成型方法，但是该工艺同样存在磨削效率低、 刃磨质量相对较差、加工成本高等缺陷，尤其是刃磨质量相对较差，己成为其在精密和 超精密加工领域进一步推广应用的一大障碍。鉴于此，本论文以晶体结构学和材料断裂 性能为理论基础，基于P C D 刀具的微观磨削形貌，对其磨削机理和刃磨质量影响因素 进行了深入的研究，研究结果对全面了解P C D 的去除形式、改进P C D 刀具的磨削工艺 和提高P C D 刀具的刃磨质量具有一定的指导意义。 首先，本文采用合理的腐蚀清洗方法，去除了覆盖在磨削表面的粘结物和粘结剂 C o ，获得了清晰真实的P C D 磨削表面形貌。在此基础上，通过对不同磨削条件下P C D 磨削表面微观形貌的分析，按产生机理的不同将P C D 的去除形式分为微细破碎、沿晶 破碎、疲劳去除、刻划作用、滑擦作用和机械热化学去除六种。进而结合磨削参数，详 细介绍了每种去除形式的典型形貌、形成机理及产生条件。最后，以磨削机理为理论依 据，通过对P C D 刀具后刀面和刃口形貌的对比分析，系统研究了磨削液、砂轮转速及 磨削压力对P C D 刀具刃磨质量的影响规律。研究结果表明：磨削液和磨削压力对P C D 刀具刃磨质量的影响规律相似，当去除形式以微细破碎为主时，磨削液和较大的磨削压 力会增大磨削表面的粗糙度，当去除形式以滑擦作用为主时，两者对磨削表面质量的影 响并不明显，同时两者都能增大刀具的刃口锯齿度；而随着磨削速度的增大，P C D 刀具 后刀面粗糙度和刀具刃口锯齿度都显示出先增大后减小的趋势，在中速下可以得到最好 的刀具刃磨质量。 关键词：P C D ；P C D 刀具；磨削机理；刃磨质量 P C D 刀具磨削机理及刃磨l ：艺研究 S t u d y o nT h eR e m o v a lM e c h a n i s ma n dG r i n d i n gT e c h n i q u eo f t h eP C D C u t t i n gT o o l s A b s t r a c t P o l y c r y s t a l l i n eD i a m o n di sa ni d e a lc u t t i n gt o o lm a t e r i a lw i t he x t r e m e l yh i g hh a r d n e s s a n dw e a rr e s i s t a n c e S i n c ei t sf i r s ta p p e a r a n c ei nt h ee a r l y19 7 0 s ，t h ec u t t i n gt o o l sm a d eb yi t h a v eb e e nk e yr o l e si nt h ed e v e l o p m e n to fm o d e mc u t t i n gt e c h n o l o g ya n da l r e a d yw i d e l y u s e di na u t o m o b i l e ，a v i a t i o na n dw o o di n d u s t r i e s N o w a d a y s ，m e c h a n i c a lg r i n d i n gw i t h d i a m o n dw h e e li ss t i l lt h em a i nm e t h o dt om a n u f a c t u r eP C Dc u t t i n gt o o l s ，b u ti ta l s oh a s s o m ed r a w b a c k ss u c ha sl o wr e m o v a l - r a t e ，r e l a t i v e l yl o wg r i n d i n gq u a l i t y , a n dh i g hc o s t ，e t c E s p e c i a l l yt h el o wq u a l i t yr e s u l t e df r o mg r i n d i n g ，h a sb e c o m eab a r r i c a d et ot h eu s eo fP C D t o o l si nt h ep r e c i s i o na n du l t r a - p r e c i s i o nm a c h i n i n g A i m i n gt os o l v et h e s ep r o b l e m s ，t h e t h e o r i e sa b o u tt h ec r y s t a ls t r u c t u r ea n df r a c t u r eb e h a v i o ro fd i a m o n dw e r ed i s c u s s e d ，a n dt h e r e m o v a lm e c h a n i s ma n dg r i n d i n gt e c h n i q u eo fP C D c u t t i n gt o o l sw e r es t u d i e di nt h i sp a p e r ， b yc a r e f u l l ya n a l y z i n gt h em i c r om o r p h o l o g yo fP C Dt o o l s g r o u n ds u r f a c e T h eo u t c o m e so f t h i ss t u d ya r eh e l p f u lf o rp e o p l et ou n d e r s t a n dh o wP C Di sr e m o v e da n dh o wi t sg r i n d i n g s e t t i n g sC a nb eo p t i m i z e dt oa c h i e v eab e t t e rg r i n d i n gq u a l i t y F i r s t l y ，an e we t c h i n gm e t h o dW a su s e dt or e m o v et h ea t t a c h m e n ta n dc a t a l y s tC oo nt h e g r o u n ds u r f a c eo fP C Dt o o l s ，t h r o u g hw h i c ht h er e a lm o r p h o l o g yo fP C DW a sa c h i e v e d T h e n ， as e r i e so fg r i n d i n ge x p e r i m e n t sw e r ec o n d u c t e d ，a n dt h em i c r om o r p h o l o g yo ft h eg r o u n d s u r f a c e so fd i f f e r e n ts p e c i m e n sW a ss t u d i e d A c c o r d i n gt ot h e i ru n i q u eg e n e r a t i o nm e c h a n i s m 。 t h er e m o v a lf o r m so fP C Dw e r ec l a s s i f i e di n t os i xc a t e g o r i e s ，i n c l u d i n gm i c r oc r a c k i n g ，g r a i n b o u n d a r yc r a c k i n g ，f a t i g u ee f f e c t ，s c o r i n g ，s l i d i n ga n dm e c h a n i c a lt h e r m o c h e m i s t r ye f f e c t A n dt h e n ，t h et y p i c a lm i c r om o r p h o l o g y , g e n e r a t i o nr e a s o n sa n df o r m i n gc o n d i t i o n sf o re a c h m e c h a n i s mw e r ed i s c u s s e db a s e do nt h e i rr e l a t i o n s h i pw i t ht h eg r i n d i n gp a r a m e t e r s L a s t l y ， t a k i n gt h er e m o v a lm e c h a n i s ma st h et h e o r yb a s i s ，t h ef l a n ks u r f a c e Si n t e g r i t ya n dt h ec u t t i n g e d g e Ss e r r a t i o no fd i f f e r e n tP C D t o o l sw e r ec o m p a r e d ，a n dt h ei n f l u e n c eo ft h eg r i n d i n gf l u i d ， g r i n d i n gs p e e da n dg r i n d i n gf o r c eo nt h eq u a l i t yo fP C Dt o o l sw e r es y s t e m a t i c a la n a l y z e d T h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ef l u i da n dg r i n d i n gf o r c es e e m e dt oh a v et h es a m ea f f e c t i n gp a t t e r n o nt h eq u a l i t yo fP C Dt o o l s f l a n kf a c e W h e nt h em a i nr e m o v a lm e c h a n i s mW a sm i c r o c r a c k i n g ，t h ee x i s t e n c eo ft h ef l u i da n dal a r g e rg r i n d i n gf o r c ew o u l dd e t e r i o r a t et h e s m o o t h n e s so fP C Dt o o l s f l a n kf a c e ；W h i l ew h e nt h em a i nr e m o v a lm e c h a n i s mw a ss l i d i n g I I 大连理工大学硕十学位论文 w e a r t h e ys e e m e dt ob o t hh a v el i t t l ei n f l u e n c eo nt h ei n t e g r i t yo ft h ef l a n kf a c e ；b u to nt h e o t h e rs i d e b o t ho ft h e mw o u l de n l a r g et h es e r r a t i o no fP C Dt o o l s U n l i k et h eg r i n d i n gf l u i d a n dg r i n d i n gf o r c e ，t h eg r i n d i n gs p e e da f f e c t e dt h eg r i n d i n gp r o c e s si nad i f f e r e n tw a y A st h e g r i n d i n gs p e e di n c r e a s i n g ，t h eq u a l i t yo ft h ef l a n kf a c ea n dc u t t i n ge d g eo fP C Dt o o l s i m p r o v e df i r s t l ya n dd e t e r i o r a t e da f t e r w a r d A n dt h eb e s tg r i n d i n gq u a l i t yo fP C Dc u t t i n g t o o l sc o u l db ea c h i e v e dw i t ham e d i u mg r i n d i n gs p e e d K e yw o r d s P C D ；P C DT o o ls ；R e m o r a lM e c h a n is i n ；G r i n d i n gQ u a l i t y 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目： ；旦塑丝廛鱼l 越堡& 翌廛蝴红 作者签名：盆篮日期：立堕盘年坐月上立日 导师签名 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目： 里望丛鏖刻碰垒鲤垒受鏖圭些赶纽 作者签名： 乏金越日期：进金年j 互月_ 2 互日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 人类科技的进步，核心的是制造技术的进步。近几十年来，在各种高新技术的带动 下，现代机械加工技术正朝着“高速、高效、智能、环保”的方向迅猛发展。而在现代 机械制造中，金属切削加工始终占有着重要的地位【1 】。刀具作为机床的“牙齿”，在推 动金属切削的快速发展中扮演着重要的角色，可以说，切削加工发展的历史其实就是刀 具技术发展的历史。1 6 0 多年来，刀具材料从碳素工具钢，发展到高速钢，再到硬质合 金，再到今天的陶瓷刀具、涂层刀具和以P C D 和P C B N 刀具为代表的超硬材料刀具， 刀具材料的革新使切削速度由最初的每分钟几米提高到现在的几百米甚至一二千米的 水平，推动着切削加工技术( 包括切削机床) 的发展。 1 1P C D 刀具简介 P C D ( P o l y c r y s t a l l i n eD i a m o n d ) ，是采用高品级的金刚石( 0 5 p m - - 一5 0 1 a m ) ，加 入一定成分的催化剂，在高温、高压( 1 4 5 0 - - - ，1 7 0 0 ，5 , 5 “ - - 7 0 G P a ) 下烧结而成的一种 多晶金刚石聚合体【2 】。生产P C D 最常用的方法：在硬质合金基体上高温高压烧结一层厚 度为0 3 O 7 m m 的金刚石微粉，让硬质合金中的钴熔融并以波浪方式扫越推移金刚石 层，使金刚石再结晶并在再结晶过程中交互生长在一起。这种方法后来被称之为扫越式 催化再结晶法，即S T C R 法( S w e e pt h r o u g h , C a t a l y s tR e c r y s t a l l i z a t i o n ) ，其典型产品为 C o m p a x 系列P C D 复合片。目前市场上大部分的P C D 复合片都是采用S T C R 法烧结而 成。 1 1 1 P C D 刀具的发展现状 自1 9 7 2 年G E 公司开发出第一片P C D 复合片以来，P C D 凭借其极高的硬度和出色 的耐磨性，很快应用于各个领域，尤其是在切削用刀具领域正发挥着越来越重要的作用。 P C D 不仅可用来生产车刀、镗刀，而且也可生产铣刀、钻头、铰刀、锯、镂刀、冲头等 复杂刀具。在汽车、航空和木材加工领域，P C D 刀具已经得到广泛的应用，加工材料包 括铝、铜等有色金属及其合金，也可应用于木材、塑料、石墨、石材、陶瓷、橡胶等非 金属及纤维增强材料、硬质合金、金属基复合材料等材料的加工。P C D 的出色性能还使 其在高速切削和精密切削领域具有巨大的应用潜力，如使用P C D 铣削铝合金，切削速 度可高达4 0 0 0 “ - - 7 0 0 0 r n m i n ；集美大学的王大镇用P C D 刀具切削A 1 S i C 复合材料时， 曾使最低表面粗糙度达到0 0 0 8 微米的水平【3 】。 据估计，日本在2 0 0 2 年P C D 刀具的使用量即已超过1 0 0 万把【4 1 。1 9 9 7 年，全球P C D 切削刀具年销售额达2 2 亿美元，到2 0 0 3 年P C D 刀具销售额已经增长到4 亿美元。2 0 0 6 P C D 刀具磨削机理及刃磨工艺研究 年美国刀具消耗中刀片的材料消耗分别是：硬质合金占7 6 7 ，陶瓷刀片6 7 ，金属陶 瓷刀片4 7 ，C B N 和P C D 等超硬刀片8 8 ，其它刀片占3 1 纠5 1 。目前，P C D 和P C B N 已被公认为当代提高生产效率最有效的两种刀具材料。 1 1 2P O D 刀具的- 陛能 由于金刚石颗粒在烧结的过程中会发生强烈的塑性变形，以及石墨化和再结晶等现 象 6 1 ，并在晶粒之间形成牢固的C C 键结合，因此P C D 具有接近天然金刚石的硬度、 耐磨性以及导热能力，同时还兼具各向同性、强度高等优点，是一种理想的刀具材料。 P C D 与其它刀具材料的主要性能对比如表1 1 所示【7 J 。 表1 1不同切削刀具材料性能比较 T a b l e1 1T h ep e r p o r i t i e so fd i f f e r e n tc u t t i n gt o o lm a t e r i a l s 除表1 1 中所列的几种性能之外，P C D 的其它主要性能还包括： ( 1 ) 较大的残余应力 由于金刚石的膨胀系数约为1 2 1 0 击K ，C o 为1 3 x1 0 击K ，而Y G 类硬质合金的 膨胀系数通常为4 5 “ - 7 1 0 6 K ，三者之间存在较大的差异，所以在烧结的P D C 中，必然 存在较大的残余应力【8 1 ，L i n 等人的研究发现，S T C R 法烧结而成的复合片中，其P C D 层存在的残余压应力可高达1 4 G P a ，而硬质合金基体中的残余拉应力也可达到 5 0 0 M P a 9 1 。 ( 2 ) 热稳定性较差 人琏理I J ( 学硕士学位论文 真空中，金刚石即使被加热到15 0 0 “C 左右也不会出现石墨化”，但由于人造台刚 石中包裹体及P C D 中粘结剂c o 的影响，P C D 的热稳定性比单晶金刚石要差很多从 表11 中可以看出，常用的四种刀具材料中，P C D 的耐热性能最差。通常，以C o 为粘 结剂的P C D 在字气中的氧化和石墨化温度仅为7 0 0 7 5 0 C ，真空中约为8 1 0 ， 并伴随有明显热裂纹”“。 由于选用材料和烧鲒工艺的不同，不同P C D 材料的各项性能会表现出很，、的差异 例如，D e e B e e r s 公司牛产的C Y N D I T E 系列P C D 复台片：C T B 0 0 2 、C T B 0 1 0 和C T B 0 2 5 囡古c o 量的不同，热稳定性会出现一定的差异J 。DM i e s s 发现P C D 的断裂强度会 随P C D 中盒刚石颗粒的增大而增大：切削花岗岩时，P C D 颗粒越大，耐磨性越低：但 是在加丁A I S i C 复合材料时，随着村度的增大，P C D 的耐磨件会先刑高后降低粘度 为2 5 p m 时能得到最好的耐磨性”“。 113P O D 刀具的制造工艺 P C D 复合片的性能很大程度上决定了P C D 刀具的性能，因此P C D 复合片的制造j 艺非常关键。P C D 复合片的制造过程非常复杂，主要包括余刚石微粉的选取、烧结及复 台J 的抛光等，其中烧结工艺是其关键。I j 前，S T C R 法由于技术相对成熟，已为大多 数P C D 厂商所采用。国际上著名的P C D 生产商有英国D e B e e r 公司、美国的G E 公i 、 同本住友电工株式会社等，而国内由于起步较晚，产品质量还不太稳定。 】= 削1 1P C D 刀具制造流程 F i g l I M a n u f a c t u n n gp r o c e s s o f P C D t 0 。l s P C D 刀具的生产过程包括P C D 复合片的切割、焊接和刃磨三道工序( 如巨1l 所 不) 。P C D 复合片的切割主要采用电火花加上、激光加工等几种工艺方法日前应用较 广泛的是激光加工，它具有加工效率高和加工变形小等优点。焊接方法主要有真空钎焊、 高频感应钎焊、激光焊、真空扩散焊等，目前投资少、成本低、工艺易于掌握的高额感 。 P C D 刀具磨削机理及刃磨工艺研究 应钎焊在P C D 刀片的焊接中得到了广泛的应用。P C D 刀具的刃磨是P C D 刀具制造过程 中的关键工艺，刃磨的主要目的是为了去除P C D 复合片由于激光或电火花切割而留下 的损伤层以及使刀具获得需要的几何形状和表面质量。文献 1 3 通过研究发现，激光切 割的P C D 复合片，最小刃磨余量约为1 0 p , m ：而E D M 切割的P C D 复合片，最小刃磨余 量约为1 5 - - 。2 0 9 m 。 1 1 4P O D 刀具的发展趋势 尽管P C D 具有诸多优良性能，但也存在热稳定性较差、焊接工艺较难控制、加工 成本高等缺点，为进一步改善P C D 刀具的性能，降低P C D 刀具的加工成本，国内外学 者进行了大量的研究，其主要研究方向包括以下几点： ( 1 ) 开发更薄P C D 层的P C D 复合片：传统的复合片P C D 层的厚度通常在0 4 0 6 m m 之间，这一厚度主要是为了工艺上的需要，而P C D 刀具实际参与切削的P C D 厚 度却只有0 0 5 一- 0 3 m m ，因此将来有望通过改进工艺制造出更薄P C D 层的P C D 复合片， 以大幅度降低P C D 刀具的加工成本【1 4 】。 ( 2 ) 新型P C D 材料的开发：以C o 为粘结剂的P C D 复合片热稳定性较差、内应力 大，很容易在高温下失效。因此，国外正加紧开发非C o 粘结剂的P C D 产品。M A k a i s h i 发现以M g C 0 3 和C a C 0 3 为粘结剂的复合片耐热性能会有很大的提高【1 5 1 7 】。W e s t r a a d t 等人的研究也表明，采用C a C 0 3 为粘结剂烧结得到的P C D ，在1 2 0 0 的高温处理3 0 分钟后其机械性能与未处理前基本相同【】引。 ( 3 ) P C D 刀具焊接新工艺的开发：P C D 的焊接技术是制约P C D 刀具广泛应用的 关键因素之一，这是因为：P C D 耐热性较差，允许的焊接温度一般不超过7 5 0 ；同时 P D C 的硬质合金基体的焊接性能较差。目前复杂P C D 刀具，如P C D 钻头一般采用真空 扩散焊的方式进行焊接，但是该种焊接方法费时、设备复杂、成本较高【l9 1 。激光焊接、 真空钎焊、高频感应钎焊等焊接方式的研究，都有望在将来进一步降低P C D 刀具的焊 接成本，提高焊接质量 2 0 】。 ( 4 ) 形状结构多样化 过去的聚晶金刚石产品一般是片状和圆柱状，由于尺寸大型化和加工技术( 电火花、 激光切割加工技术) 的提高，三角形、人字形、山墙形球面、曲面以及其它各种异形坯 料增多，为了适应特殊切削刀具的需要，还出现了包裹式、夹心式与花卷式聚晶金刚石 产品【2 1 1 ，结构形式的多样化，进一步拓宽了P C D 刀具的应用领域。 ( 5 ) P C D 刃磨工艺的改进： 大连理工大学硕士学位论文 P C D 的高硬度，高耐磨性使P C D 刀具的刃磨相当困难，主要体现在材料的磨除率 小、砂轮损耗大、刀具效率低、刃口锯齿度较难控制等。金刚石砂轮机械刃磨目前仍然 是P C D 刀具刃磨的主要方式，但是刃磨效率很低，如K e n t e r 在其试验条件下得到的磨 除率O w 仅为O 5 2 5 m m 3 m i n ，磨耗比为0 0 0 5 0 0 2 5 m m 3 m m 3 【2 2 】。超声振动研磨和电火 花加工，以及在线电解修( E L I D ) 等都可以用来加工P C D 刀具，这些加工方法可以大 幅度提高P C D 的磨削效率，但是目前还存在一些缺陷，如加工表面质量达不到切削刀 具的要求、锯齿度太大，或技术不成熟、精度难以控制等【2 3 。2 5 】，但将来有望通过进一步 改进工艺将这些新的工艺方法应用于P C D 刀具的加工。 1 2P C D 刀具的刃磨 1 2 1P C D 刀具的砂轮磨削加工工艺 P C D 的砂轮磨削，是指用金刚石砂轮，在专用的P C D 刀具磨床上对P C D 刀具进行 直接磨削。由于P C D 的磨削是一个金刚石磨削金刚石的过程，与普通的磨削工艺有很 大的不同，因此对磨床、金刚石砂轮及刃磨工艺都提出了很高的要求。P C D 工具磨床一 般需要具有很高的刚性、精度、还应具有砂轮架摆动装置及数显装置，以保证加工精度； 而金刚石砂轮的性能同样重要，砂轮的粒度、浓度和结合剂类型等参数都可能对P C D 刀具的刃磨质量和刃磨效率产生很大的影响，目前常用的P C D 刀具用金刚石砂轮有陶 瓷基、树脂基和金属基三种，粒度一般在W 4 0 “ - - 2 0 0 0 # 之间。刃磨工艺是保证P C D 刀具 刃磨质量的关键，也是当前P C D 刀具研究的热点，其中k e n t e r 对P C D 的磨削进行过系 统研究，得出了许多权威性的研究成果 2 2 2 6 2 7 1 。 1 2 2P C D 刀具砂轮磨削加工的特点 P C D 的特殊性能使得P C D 刀具砂轮磨削加工具有以下几个特点： ( 1 ) 磨削力大 金刚石是己知矿物中硬度最高的物质，与各种金属、非金属材料配对摩擦的磨损量 仅为硬质合金的1 5 0 “ - “ 1 8 0 0 2 8 】；P C D 的硬度( H V ) 为8 0 “ - - 1 2 0 K N m m 2 ，仅次于单晶 金刚石，远高于硬质合金。采用金刚石砂轮磨削P C D 时，起始切削强度很高，约为硬 质合金( O 4 M P a ) 的1 0 倍以上【2 9 】；比磨削能达1 2 1 0 4 “ - - 1 4 1 0 5 J r a m 3 【3 0 】：因此磨削 P C D 时的磨削力远高于磨削硬质合金的磨削力。 ( 2 ) 磨耗比小 由于P C D 的硬度和耐磨性很高( 相对耐磨性为硬质合金的1 6 1 9 9 倍【3 1 1 ) ，磨削 P C D 时其磨削比很低，仅约为硬质合金的1 1 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 ，磨除率也很低。因此，为 P C D 刀具磨削机理及刃磨工艺研究 保证切削刀具的刃口质量和去除量，磨削时间会很长，造成加工效率低下，再加上金刚 石砂轮比较昂贵，使得P C D 刀具的加工成本居高不下。 ( 3 ) 对粒度的影响较为敏感 切削刀具用P C D 按粒度主要分为三类：即粗粒度( 2 0 - - 一5 0 9 m ) 、中粒度( 1 0 “r n 作用) 和细粒度( 7 0 0 r m i n 时，U 。 将大于2 ，必能满足砂轮磨损均匀性要求。 表2 1 砂轮参数 T a b l e 2 1P a r a m a t e r so ft h eg r i n d i n gw h e e l 砂轮型号 平均粒度( I n n ) 尺寸( m m )浓度粘结剂 W 4 04 0 1 5 0 4 0 1 5 5 1 0 0 陶瓷 W 1 41 4 1 5 0 4 0 1 5 5 1 0 0 陶瓷 2 0 0 0 #2 5 1 5 0 4 0 1 5 5 1 0 0 金属 P C D 刀具磨削机理及刃磨工艺研究 在本文试验中，根据试验的需要并结合生产实际，榴磨加工我们选用W 4 0 HW 1 4 两种陶瓷基会刚石砂轮，精磨加工选用2 0 0 0 # 金属基砂轮。三种砂轮的参数见表21 + 坚 23 为三种砂轮的外观图。 霹黑璺舅 邕2 3 二种试验用砂轮 F i 9 23 T l a et h r e et y p e so f g n n d i n gw h e e l su s e di nt h i se x p m m e m 213 磨削液的选择 磨削液在磨削过程中的作用主要有：清洗堵塞的砂轮、带走磨屑以及降低群削匕域 的温度。P C D 的厝削是金刚石磨削金刚扫的过程，磨削力大、砂轮磨损快、磨削区域的 温度高。为防止过高的温度对P C D 刀具的性能产生不良影响，需要使用磨削液对磨自I 区域进行冷却，同时对砂轮进行冲洗，憧其保持锋利状态。一直以来人们把P C D 的麝 削液称为冷却液，认为在P C D 的磨削过程中磨削液主要起冷却作用。但是刘峰斌的研 究发现I ”】，磨削液的存在能人幅降低堵削力，这表明磨削液在P C D 的磨削过程中也能 起到润滑作片j 。由于磨削液的润滑性能太强会使P C D 的去除效率急剧下降口”，因此 常用的磨削液大多采用冷却能力较强且不含润滑剂的水基溶液。本试验中，我们选用的 磨削液为台T S M l 水剂1 的水溶液( T S M - 1 水荆的作用是为了防止磨床生锈) 。 214 砂轮转速的选择 F C 2 0 0 C 磨床的转速可以在7 0 0 4 0 0 0 r m i n 之间进行调节。由于转速越高磨睐的 0 定性越低，同时磨削区域的温度也会急剧升高，因此，生产实际中常用的转速都在7 0 0 2 0 0 0 f r a i n 之间。为与生产实际相符奉文试验中选取的三个转速分别为：低速= 7 0 0 r m i r l ， 中速= 1 2 0 0 r m i n ，高速= 2 0 0 0 r m i n 。 大连理工大学硕士学位论文 215 磨削压力的选择 P C D 刃磨时P C D 刀片与砂轮的实际作用力称为磨削压力( F N ) ，如图24 所示 F “的大小需用测力仪进行测量。而磨床工作台及刀架通过磨床上的施力装置施加给砂轮 的压力被称为工作台调定压力( F 。) ，由于传力装置具有一定的刚性，因此通常F ， F “。图2 5 所示为工作台凋定压力与磨削压力之日】的关系曲线。 从图2 5 中可以看到，实际磨削压力与调定压力基本成F 比关系，由于调定压力可 以从磨床上直接读出，因此本文试验中为方便试验的进行，选取了工作台调定压力F 一 作为试验参数，以定性地研究磨削压力对P c D 刀具磨削质量的影响。考虑到磨床的刚 性和生产实际，我们选取大磨削压力为1 2 9 4 N ，小磨削压力选为1 2 9 N ( 磨床压力调定 阀上的一个刻度表示1 2 9 N 的调定压力) 。 图2 4P C D 磨削时的每个分刀 F i g2 4 K i n e m a t i c s 曲d f o r c e s i n t h eg n n d i n g o f p o l y c r y s t a l l t h e d i a m o n d E ，、 图2 5 词定f j 三力与磨削慷力的天系 ”。 F i 9 25 T h er e l a t i o n s h i p b e t w e e n H a n t i T 。 22P C D 复合片的选取 P C D 的粒度越小，强度越高，也越容易磨出锋利的刃口，但是由于细晶粒的P C D 烧结比较困难”，因此早期的P C D 粒度都比较大，平均粒度一般在5 0 1 a m 以上。随着 烧结工艺的不断改进，P C D 的粒度也越柬越细，目前常用的切削用P C D 萁粒度通常为 1 5 0 u m 。 粗粒度P C D 的金刚石台量高、耐磨性好、热导性高但用其制作的7 J 具州门总有微 小崩刃，难以形成高精度刀填：相反，细粒度P C D 抗弯强度高、磨削性能和韧性都较好 中粒度P C D 介于以上两者之问。园此，粗粒度P C D 刀具主要用于要求刀具耐磨性局的 P C D 刀县蘑削机理及刃磨工艺研j 场台中粒度P C D 刀具属于通用型，主要用于工件表面质量及刀具耐磨性适中的场； 细粒度P C D 刀具则用于工件表面质量要求特别高的场合， 本文试验中我们选用D e B e e r 公司生产的S Y N D I T E C T B 0 0 2 、C T B 0 1 0 、C T B Q 2 “ | 种P C D 复合片作为试验材料( 平均粒度分别为2 9 m 1 0 9 i n 和2 5 9 i n ) ，这也是巨n I 1 I 界上应用最为广泛的几种P C D 复台片，只有较强的代表性。 隧潮 m 1C 。r B 0 2 5 酎2 6P C D 粒度刘磨削表面形驶的影响( W 1 4 ，；显磨，19 4 7 r r a i n ) F i 9 26 T h ee f f e c to f g r a i ns i z eo n t h eg r o u n ds u r f a c e s m o r p h o l o g yo f P C D 从图2 6 可以看出，即使往相I 司的磨削参数下，P C D 粒度的不同，磨削表面的形藐 也会表现出很大的差异。放大5 0 0 0 倍后，C T B 0 0 2 由于晶粒较小，依然不能看到清晰的 晶粒和晶界，而C T B 0 2 5 ， l 于耗度较大，晶粒和晶界都能清楚地被分辨出柬。 对P C D 磨H0 机理及磨削表而质量的研究由于涉及单个金刚右颗粒上形成的裂纹、 剥落坑及对晶界的微观分析，我们主要选用品粒相对较大的C T B 0 2 5 和C T B 0 1 0 两种复 台片进行试验。对P C D 刀具刃口质量的研究，本文试骑则主要选用C T B 0 1 0 复台片， 返是因为C T B 0 1 0 通用性好尤其是其刃1 7 锯齿度对各种磨削参数都较敏感，有利 试 验的分析。 23 磨削试验过程 231 试样的制备 对磨自J 机理的研究，为方便试验的进行，我们将选取的三种P C D 复台片+ 用满尤 切割机切割成30 x 25 m m 大小的方形试样，焊接于丌槽的标准机央刀片上，焊接温度为 ，、连理一九学硕士学付论文 7 2 0 。C 。随后将力片的两端磨平，并保证两端平面基本平行，以方便试样在S E M 观察时 用导电胶固定。试样的外观如图27 所示。 刃磨质量试验用试样的外形如图2 8 所示。之所以制成标准的机夹刀片，是为了完 全模拟实际的生产过程，M 真实地了解磨削参数对P C D 刃磨质量的影响规律。 图27 磨削机理埘试样幽2 8 刃磨质挝分析用试样 F i 9 27 S h a p eo f t h es p e c i m e nu s e di nt h es t u d yF i 9 28S p c c w a e nu s e di nt h es t u d yo f o f r c r T l o v a l m e c h a n i s m g r i n d i n gq u a l i t y 232 砂轮的修锐 开始试验前，需先用油石对砂轮进行仞磨f 图2 9 ) ，使砂轮表面变平整。同时在 磨削过程中还需定时对砂轮进行修锐( 如图21 0 ) ，使砂轮保持锋利状态，这是因为 P C D 的高硬度和高耐磨性使金刚石砂轮磨损非常快。有研究认为，直径为1 2 5 r a m 耗 度为w 4 0 的金刚石砂轮，当砂轮转速为2 0 m r a i n ，磨削压力为3 75 N r a m 2 时，摩削时 间超过15 s 砂轮就会被严重磨损”。 显然，生产实际中币可能每1 5 s 重新修锐一次砂轮。因此，P C D 刀具白匀磨削通常都 是在砂轮并不完全锋利的情况下完成的。本文试验中，P C D 刀具刃磨质量的试驻部分， 我们以磨除量作为每一试样的磨削标准。若采用的是耦砂轮( W 4 0 或w 1 4 ) ，去除厚 度达到2 0 9 m 即停止磨削：若采用细砂轮( 2 0 0 0 # ) 则当去除厚度达到5 # m 时即停止 磨削。每磨完一个试样，砂轮重新修锐一次，修锐时日j 为2 0 s 。之所以选择这样的磨除 量是为了避免试样上已有的损伤层对新的磨削表面质量产生影响，同时又币至于使磨削 叫训过长； 坩w P C D 刀具磨削机珲及刃磨I 艺研究 例2 9 砂轮的初磨 F i 9 29 P r e g n n d i n go f t h e w h e e l 图2 1 0 砂托的修锐 F i g21 0R e s h a r p e n i n go f t h ew h e e l 233 磨削参数 本文试验分为两大部分，对P C D 磨削机理的研究，部分试验参数按表21 和2 3 选取转速、磨削压力和去除量则鹿根据不同的磨削机理台理选取。对P C D 磨日J 工艺 的研究，则采用单因素法，按表22 分组进行进行磨削试验 2 2蘑削试验变爆 T a b l e 22V a r i a b l es e t t i n g s 24 试样的腐蚀处理 预试验中，我们选用W 4 0 陶瓷基砂轮对C T B 0 2 5 进行湿磨砂轮转速为1 0 0 0 r ，m i n 磨削压力为j 2 9 2 N ，刚28 ( a ) 足醣试样磨削表面的S E M 图H 。可以看到磨削丧面非：t 大连理- I 大学硕十学位论文 模糊，根本看不到真实的金刚石晶粒和晶界。造成这一现象可能的原闳有以F 几点：rI ， 磨削过程中粘结剂c o 由于具有较强的塑性变形能力而黏附于磨削表面：( 2 ) P C D 在 磨削过程中可能旋生了一定程度的氧化、石墨化、无定型碳化及其它化学反应，形成一 层非盒刚石薄膜：( 3 ) 磨削液、砂轮在磨削高温K 与P C D 磨削表面的直接接触也可能 带来粘结物覆盖在磨削区域：( 4 ) 由于粘结剂c o 的电子反射率较高，而C 原子的电 子反射能力较弱州，从而造成P C D 中会刚石颗粒的相对亮度下降，并旱深黑色。至于 是哪一种原因起主要作用，则还有待进步分析。 鉴于真实的磨削表面为粘结物、粘结剂C o 等所覆盖，因此必须对P C D 原始磨削表 面进行腐蚀和清洗。经过反复的对比试验我们发现，选用工水对P C D 进行腐蚀可以得 到较好的效果( 如图2 8 所示j 。这是因为王水在常温下对c o 有较强的腐蚀能力对 会刚石几乎不起作用4 6 1 。但试验中我们发现，若腐蚀时旬过长( 如1 0 m i n ) ，P C D 中的 金剐石也会被腐蚀( 如图28 ( c ) 所示) ，使原有的表面形貌遭到破坏。金刚石的腐蚀， 与P C D 中的包裹体有很大的荚系。文献 4 7 发现P C D 中的金川石晶粒，不论是原始晶 粒，还是烧结过程中再结晶形成的晶粒，都存在大量的包裹体。刘一波等人用x 射线缇 测量了国产高品绂金刚石与国外中等和高等品缴金刚石中包裹体的含量发现，包裹体的 古量通常在1 2 v 0 1 之问f 4 ”。由于包裹体的成分都是咀金属为主的催化剂或粘结剂， 抗腐蚀能力较差，从而导致P C D 在时日】较长时也会被腐蚀。 a ) 腐蚀前 m 1 膳蚀2 分钟后( c ) 腐蚀1 0 分钟币 图21 I 腐蚀前斤彳磨削表面形貌对比 F i 9 2 1 1 T h ee f f e c to f e I c h i n g t e c h n i q u eo n t h es p e c i m e n s m i e r o g r a p h 经过腐蚀的试样，在丙酮中用微波清洗仪清洗后，即可用S E M 进行显微观测 P C D 刀具磨削机理及刃磨工艺研究 3 金刚石的解理和疲劳现象 从1 3 1 节有关P C D 去除机理的介绍中可知，在P C D 的磨削过程中金刚石晶粒的 破碎和疲劳现象起着重要作用，而P C D 的破碎现象又与金刚石的解理密切相关，因此 在探讨P C D 的去除机理之前，必须深入了解金刚石解理和疲劳现象的产生机理。 3 1 单晶金刚石的解理 3 1 1 金刚石的晶体结构 金刚石属于A 4 型晶体结构，可看成由两个面心立方晶格相互套构而成。从图3 1 中金刚石的晶胞结构可以看出，与每个C 原子距离最近的原子个数为4 ，形成4 个共价 键，键长为0 1 5 4 n m ，晶胞的晶格常数为O 3 5 6 6 8 r i m 4 9 , 5 0 】。