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聚晶金尉石刀具磨削工艺参数优化及磨奇g 机理研究 摘要 聚晶金刚石是一种高硬度、高耐磨性的新型刀具材料，被广泛应用于工业领域。但 它的难磨削性使它的推广应用又受到很大的限制，主要体现在磨削效率低、磨削成本高。 如何提高磨削效率同时降低磨削成本成为国内外研究的重点和难点。 首先，本文通过试验，系统的研究了聚品金刚石磨削工艺参数对磨削力、磨除率及 磨耗比的影响规律，进而借助数学方法建立了砂轮线速度、工作台调定压力和迸给量对 磨削力、磨除率和磨耗比的数学模型，并通过优化方法得到了实现较高磨削效率和较低 磨削成本的最优值，指出诸个工艺参数影响磨削力的强弱，推得了在各种情况下选择各 工艺参数的原则。 其次，通过分析磨削后聚晶金刚石已加工表面的电子扫描显微镜照片，理清了聚晶 金刚石的磨削机理，指出力和热的综合作用是聚晶金刚石去除的原因，其中包括磨料机 械去除、脆性破裂去除和金刚石氧化、石墨化去除及高温塑性去除。 最后，本文运用推得的磨削机理分析了磨削工艺参数对磨削力、磨除率和磨耗比的 影响规律，同时，也用磨削中的一些现象揭示了本文磨削机理的正确性。 关键词：聚晶金刚石；磨除率；磨耗比：磨削机理 塞鱼叁型互卫墨壁型三茎童茎垡垡墨壁型! ! 堡笪塞一 a b s t r a c t t h ep o l y c r y s t a l l i n ed i a m o n d ( p c d ) i sa p p l i e dw i d e l yi ni n d u s t r i a lf i e l d sa san e wc u t t i n g t o o lm a t e r i a lo fh i g hh a r d n e s sa n dg o o dw e a r r e s i s t a n c e b u ti t s s u p e r h a r d n e s s a n dh i 曲 w e a r - r e s i s t a n c em a k ei td i f f i c u l tt ob eg r i n d e dw i t ht h eh i 曲g r i n d i n gc o s ta n dl o wg r i n d i n g e f f i c i e n c ya n d t h i sr e s t r i c t sk sp o p u l a r i t y , t h e r e f o r e 1 1 0 wt oi m p r o v eg r i n d i n ge f f i c i e n c ya n d l o w e r g r i n d i n gc o s t si sa ni m p o r t a n t a n d d i f f i c u l t j o b t h r o u g he x p e r i m e n t s ，t h ee f f e c t so fg r i n d i n gp r o c e s sp a r a m e t e r so nt h eg r i n d i n gf o r c e s ， r e m o v a lr a t ea n dg - r a t i ow h e ng r i n d i n gp c da r es t u d i e d f u r t h e r m o r e 血em a t h e m a t i c m o d e l so ft h ee f f e c t so fw h e e ls p e e d ，c o n t a c tf o r c ea n df e e do n g r i n d i n gf o r c e s ，r e m o v a lr a t e a n dg r a t i oa r ec o n s t r u c t e db ym e a n so fr e g r e s s i v ea n a l y s i s m o r e o v e r ，t h eg o o dp r o c e s s p a r a m e t e r so fh i g h e rg r i n d i n ge f f i c i e n c ya n dl o w e rg r i n d i n gc o s t sa r eo b t a i n e dt h r o u g ht h e m a t h e m a t i cm e t h o da n dt h es e l e c t i n gp r i n c i p l e so fg r i n d i n gp r o c e s sp a r a m e t e r s0 1 1s e v e r a l t y p i c a lc o n d i t i o n s a r e g a i n e d o nt h eo t h e rh a n d ，t h ep c d g r i n d i n gm e c h a n i s mi sc l a r i f l e db ya n a l y s i n gt l l es u r f a c e i m a g eo fg r i n d e dp c dt h r o u g hs e m i ti si n d i c a t e dt h a tt h es y n t h e t i ca c t i o n so ff o r c e sa n d h e a ta r et h em a i nr e m o v a lm e c h a n i s mo np c d g r i n d i n g ，i n c l u d i n g m e c h a n i c a lr e m o v a l ，b r i t t l e f r a c t u r e g r a p h i t i z a t i o na n dp l a s t i cd e f o r m 撕o i l f i n a l l y , t h ee f f e c t so fp r o c e s sp a r a m e t e r so np c dg r i n d i n ga r ea n a l y s e db yt h eg r i n d i n g m e c h a n i s mo b t a i n e di nt h i s p a p e ra n dt h eg r i n d i n gm e c h a n i s mi s v e r i f i e dt h r o u g hs o m e p h e n o m e n a k e y w o r d s ：p o l y c r y s t a u i n ed i a m o n d ，t h e r e m o v a l r a t e , t h eg - r a t i o ，g r i n d i n gm e c h a n i s m i i 聚晶金刚石刀具磨削工艺参数优化及磨削机理研究 第一章绪论 1 1 本课题研究意义 在金属机械加工中，切削加工是最基本而又最可靠的精密加工手段，而切削加工技术 发展、革新的历史就是刀具材料发展的历史。由于工程材料的开发和使用日益繁多，普 通高速钢、硬质合金刀具在很多场合已无法胜任高切削速度、高的刀具耐用度及低的加 工成本的要求，这就给以聚晶金剐石( p o l y c r y s t a l l i n ed i a m o n d ，简称p c d ) 刀具为代表 的超硬材料工具的应用发展提供了广阔的空间。 p c d 是指将金刚石微粉( 粒度为微米级) 与少量的金属粉末( 如c o 等) 混合后在高温 0 4 0 0 8 c ) 高压( 几个g 帕) 下烧结而成的聚晶体。用它制成的刀具之所以具有切削速度 高、刀具使用寿命长及大批量加工工件成本低的优点，主要在于它具有其它刀具材料不 可比拟的如下性能特点：1 ) 极高的硬度和耐磨性，硬度、耐磨性略低于天然金刚石， 但各向同性使其有更均匀的硬度、更好的韧性，与硬质合金及切削用陶瓷相比，其硬度 要高出几倍；2 ) 很好的导热性及低的热膨胀系数，这使切削热容易散出，切削温度低， 切削加工不易产生很大的热变形；3 ) 较低的摩擦系数，可以减小工件的加工表面粗糙 度。这些性能使p c d 刀具在高速切削有色金属及其合金以及非金属材料时体现了优良 的切削加工性能。 市场上作为商品供应的p c d 复合片，是用高温高压技术在硬质合金基体上烧结一 层p c d ，二者形成一体的刀坯。它既具备了p c d 的高硬度、高耐磨性，又兼有硬质合 金的良好强度和韧性。因此用p c d 复合片制成的刀具是使用最广泛的金刚石刀具，被 大量应用于汽车、航空航天、建材等工业领域。 然而高硬度及高的耐磨性给p c d 刀具带来广阔的应用空间的同时，却给其刃磨带来 了极大的困难。主要体现在刃磨时磨除效率低、成本高、刃口刃磨后呈锯齿形。这形成 了p c d 刀具推广的瓶颈。解决p c d 刀具的刃磨问题，有着十分重大的现实意义，它可 以加速p c d 刀具的普及，提高机加工行业的生产效率，大大降低生产成本，提高产品 质量。而解决p c d 刀具刃磨问题的关键是提高材料磨除效率、减少刃磨成本、提高刃 磨质量。本课题正是从这个根本问题着手，分析各工艺参数对磨削力、刃磨效率和刃磨 成本的影响，进而从工艺参数的合理选择上来改善刃麽。并深入分析刃磨机理，以期从 理论上来指导刃磨过程。 1 2 国内外聚晶金刚石刀具刃磨技术研究现状 鉴于p c d 刀具在切削加工中日益显著的作用，其刃磨技术越来越受到重视，国内 外先后总结出大量的刃磨工艺方法如放电刃磨【2 1 、电解磨肖, j t 3 j 、超声波磨削f 4 】等。在 众多的刃磨方法中最为成熟、有效的是金冈1 j 石砂轮机械刃磨，国外许多发达国家率先开 展了这方面的研究，主要集中在聚晶金刚石刀具刃磨工艺及刃磨机理上。 1 2 1 刃磨工艺的研究 在金刚石砂轮机械刃磨p c d 工艺的研究中，德国学者m k e n t e r 以磨除率q ( 单位 时间内磨除工件材料的体积量) 和磨耗比g ( 单位时间内工件材料所磨除的体积与砂轮 聚晶金刚石刀具磨削工艺参数优化及磨削机理研究 损耗的体积的比值) 为评价指标，通过试验研究了工艺参数对它们的影响q 【”。这两 个指标直接反映了刃磨效率和刃磨成本。由于p c d 是硬脆材料，所以应遵从恒定压力 磨削工艺。k e n t e r 采用的具体试验条件如表l 一1 ： 表1 - 1m k e n t e r 的试验条件 工件 s y n d i t e0 0 2 一p c d l s y n d i t e0 1 0 一p c d 2 s y n d i t e0 2 5 一p c d 3 工件尺寸( l x w x h )2 5 9 x 3 m m p c d 层厚度0 7 5 m m 金刚石刃磨砂轮6 a 21 2 5 2 0 4d 4 6m 7 5 砂轮转速矿= 2 0 m s 恒定压力 兄= 2 5 0 n 恒定压强 巴= 3 7 5 n i i r a 2 单件刃磨时间 = 1 5 s 砂轮修锐时间 2 1 0 s 整个刃磨时间 目2 1 8 0 s 砂轮架摆动频率 。- = 4 3l m i n 砂轮架摆动幅度 2 1 2 r a m 冷却液压强高压冷却液 只= l o b a r 注：某些试验条件随试验参数变化而变化 通过试验，k e n t e r 总结了以下工艺参数对刃磨过程的影响； 1 刃磨机床砂轮头的摆动参数 为了使杯状金刚石砂轮径向磨损均匀，应满足图1 1 和( c ) 所示情况。即保证砂 轮和刀具的重合度“。大于等于l ，重合度的定义如下式表示： 。；里： 兰：匕 1 s 厅( d ，一6 ，) - v d 跖 其中为p c d 复合片宽度，s 为砂轮旋转一周，砂轮架摆动的位移， 为砂轮线速度， 聚晶金刚石刀具磨削工艺参数优化及磨削机理研究 以为砂轮外圆直径，6 ，为砂轮金刚石层宽度，v 。为砂轮摆动速度( 其大小决定于砂轮 摆动幅度s 。和砂轮摆动频率_ ，2 ) ，由此公式可以看出通过调节刃磨机床砂轮摆动架的 摆幅和频率可满足重合度的要求。 最蛋p 们i 嚣齄椿一一膏p c d p c d 眦重 m 图1 - l 工件在砂轮上留下的磨痕 f i g l - 1r e m a i n i n g t r a c eo f w o r k0 nt h ew h e e l 2 砂轮线速度屹 随着砂轮线速度圪的增大，法向磨削分力e 基本保持不变，而切向磨削分力f 下 降，如图1 - 2 所示。p c d 的磨除率q 和磨耗比g 随砂轮线速度k 的增大而减少，如图 1 3 所示。 l o1 52 02 5 砂轮线速度v c ( m s ) 、一 芷 杂 襄 磐 匠 霹 、 k 、 1 0t 5 2 02 5 砂轮线速度v c ( s ) 图1 - 2 砂轮线速度与磨削力的关系 f i g l 一2e f f e c t so f t h ew h e e ls p e e do r lg r i n d i n gf o r c e s 钾伯舌；蚰w 0 m啪m伽啪啪湖誊；|；|m| 聚晶金刚石刀具磨削工艺参数优化及詹削机理研究 1 k 、 、 、 n 、 1 0i 52 02 5 砂轮线速度v c ( m s ) 0 0 0 2 o l 、l 、 、 l 。、 1 0 1 52 02 5 砂轮线速度v c ( m s ) 图1 - 3 砂轮线速度与磨除率、磨耗比的关系 f i g l - 3e f f e c t so f t h e w h e e ls p e e do i lr e m o v a lr a t ea n dg r a t i o 3 恒定压力瓦和p c b 粒度 分别取两个不同的恒定压力为f a 。= 1 5 0 n 和e 2 = 3 5 0 n 及三个粒度不同的p c d 作对比 试验，试验结果如图1 4 所示。随着恒定压力l 的增大，切向磨削分力e ，磨除率q 及 磨耗比g 均增大。当其他因素不变时，随着p c d 粒度的增大，切向磨削分力f 增大，磨 除率q 和磨耗比g 减小。 j | | | | j | | jj 一| | 一 ? | | | | | | l | | | | | | l | | | | | | | i | | | | | |f3。 口f i f 2 li | | | | | | | | jj | | | | | | l | | | | | | | | | | | 鲫曲蚰m 0 聚晶金刚石刀具磨削工艺参数优化及磨削机理研究 4 金刚石砂轮结合剂种类 金刚石砂轮结合剂分为树脂结合剂、陶瓷结合剂和金属结合剂。结合剂种类与磨除 率q 和磨耗比g 的关系如图卜5 所示。以树脂结合剂金刚石砂轮磨削p c d 复合片磨除率 q 最小，陶瓷结合剂金刚石砂轮次之，金属结合剂金刚石砂轮最大，而磨耗比g 是以树 脂结合剂金刚石砂轮磨削p c d 材料时最小，金属结合剂金刚石砂轮次之，陶瓷结合剂金 刚石砂轮最大。 树脂陶瓷 金属 树脂陶瓷金属 图卜5 砂轮结合剂与磨除率、磨耗比的关系 5 金刚石砂轮厝损 用金刚石砂轮磨削p c d 材料是用两种硬度相近的材料对磨，所以砂轮磨损较快，当 砂轮磨损后，p c d 表面粗糙度下降，法向磨削力f o 和切向磨削力f 变大，同时磨除率p 降低。 6 砂轮中金刚石磨粒浓度 取三种磨粒浓度分别为7 5 ，1 0 0 和1 2 5 ( 砂轮浓度为1 0 0 指的是金刚石磨粒体 积占砂轮金刚石层总体积的2 5 ) 的金刚石砂轮分别试验，得到金刚石砂轮磨粒浓度与 法向磨削力e 、切向磨削力f 和磨除率q 、磨耗比g 的关系分别如图卜6 ( a ) ，( b ) ，( c ) 所示。随着金刚石砂轮磨粒浓度增加，法向磨削分力e 基本不变，切向磨削分力f 增 加，磨除率臼和磨耗比g 均增加。 蛳 拍 娜 撕 | 詈 撕 | 曼 抛 撕 撕 绷 批 蛐 撕 川 挑 眦 | 詈 拢 聚晶金刚石刀具磨削工艺参数优化及磨削机理研究 4 5 0 4 0 0 3 5 0 3 0 0 弓2 5 0 采 i 2 0 0 盥 1 5 0 1 0 0 5 0 0 1 4 0 2 0 t 0 0 【 - 一f n t| 。 7 51 0 01 2 5 砂轮浓度 7 51 0 01 2 5 砂轮裱度 名 目 v 船 琵 恤 7 51 0 0 t 2 5 砂轮浓度 ( a )( b ) ( c ) 图卜6 砂轮浓度与磨削力、磨除率及磨耗比的关系 f i g l 一6e f f e c t so fd i a m o n dc o n c e n t r a t i o no np c dg r i n d i n g 7 冷却液浓度 冷却液浓度与磨削力、磨除率q 及磨耗比g 的关系如图卜7 ( a ) ，( b ) ，( c ) 所示。随 着冷却液浓度的增加，法向磨削力c 和切向磨削力量都减小，同时，磨除率g 及磨耗 比g 也减小。 舟 2 晡 撕 弱 巧 嘶 “ 踮 蚰 加 o 聚晶金剐石刀具磨削工艺参数优化及磨削机理研究 4 5 0 4 0 0 3 5 0 3 0 0 弓2 5 0 r 聂2 0 0 酱 1 5 0 1 0 0 5 0 0 0 0 1 4 0 0 1 2 00 1 盲0 0 0 8 要0 0 0 6 拦 盥00 0 4 0 ，0 0 2 0 - 一f n i l23 冷却液浓度( ) l23 冷却液诳度( ) 2 1 8 1 6 名1 i i 、一 哥0 篮 龆0 o4 0 2 0 、 、 、 譬 123 冷却液浓度( ) ( a )( b ) ( c ) 图卜7 冷却液浓度与磨削力、磨除率及磨耗比的关系 f i 9 1 7e f f e c t so fc o o l a n to i lp c dg r i n d i n g 综上所述，尽管k e n t e r 对金刚石砂轮机械刃磨p c d 作了较为系统的试验，但只是 停留在试验的结果上，并未在理论上做出解释，也没有在各工艺参数对磨除率和磨耗比 的综合影响上做进一步的试验和研究。 1 2 2 刃磨机理的研究 金刚石砂轮机械刃磨p c d 的刃磨机理比较复杂，目前国内外存在的主要不同观点 如下： 1 德国学者m k e n t e r 7 1 认为金刚石砂轮在磨削聚晶金刚石刀具的过程中，发生了 聚晶金刚石刀具磨削工艺参数优化及磨削机理研究 刻划作用和滑擦作用。在发生这两种作用时，材料的去除有以下四种方式，即粘结、刻 划、摩擦化学反应和表面断裂。通过扫描电子显微镜( s e m ) 观察三种被刃磨工件 p c d 1 ( 粒度为2 且m ) ，p c d 一2 ( 粒度为1 0 um ) ，p c d 一3 ( 粒度为2 5um ) 的表面微观形貌， 在p c d 1 上可观察到犁沟，但其它两种p c d 工件却观察不到犁沟，因此k e n t e r 认为， 在绝大多数情况下p c d 材料的去除是以摩擦化学反应和表面断裂为主，随着磨削的进 行，金刚石磨粒逐渐钝化，即使p c d 1 也难观察到犁沟，由于p c d 材料的脆性，在金 刚石磨粒的挤压下容易诱发裂纹，该裂纹在机械和热应力作用下扩展，并最终剥落下小 片的p c d 材料，摩擦热会使p c d 发生石墨化和其它摩擦化学反应。 2 g e 公司k j d u m a 等人用扫描电子显微镜对试验后的p c d 复合片表面微观形貌 进行观察，认为p c d 材料的破坏机理是微观脆性破碎和疲劳破损峭】。 3 我国艾兴院士等人用开槽的金刚石砂轮磨削p c d ，还分别用超声波振动和激光 照射来模拟磨削时的机械冲击和热冲击，将p c d 材料的去除方式归纳为：当砂轮与p c d 接触瞬间，磨削力突然增大，强烈的机械冲击在p c d 表面发生裂纹，甚至有碎片产生； 在稳定磨削期，砂轮磨粒在p c d 表面上挤压和摩擦，当压力达到一定程度后，p c d 表 面上就会形成裂纹，当摩擦温度达到一定程度后，p c d 就会发生石墨化和其它化学反应。 他们通过实验发现，开槽的金刚石砂轮磨削时，由于磨削力不连续，加之冷却液的周期 冷却作用，有利于裂纹的扩展，使得开槽砂轮比非开槽砂轮的磨削效率高l 2 倍【9 j 。 由此可见，国内外对p c d 刃磨机理的研究还很不成熟，缺乏有力的论据，在深度和 广度上还有待探索。 1 3 本课题主要研究工作 1 3 1 工程背景 综上所述，金刚石砂轮机械刃磨p c d 刀具在刃磨工艺及刃磨机理上还存在很多问 题，主要体现在： 1 以前的研究只是停留在考察各因素独立影响p c d 刀具刃磨的基础之上，未能对 各因素的影响规律做出详细的分析，也没有综合考虑各因素之间的关系。 2 刃磨过程中，p c d 的去除机理仍不明确和统一，缺乏有利的论据，有待进一步 的研究。 3 未能对p c d 刃磨工艺参数对刃磨的影响规律建立合理的数学模型，进而利用数 学模型求得使刃磨效率及刃磨成本同时达到较优的最佳的工艺参数值。 4 未能得到合理的各工艺参数选择原则。 1 3 2 本课题主要研究工作 基于以上的问题，本课题拟从以下几个方面进行具体的试验及分析： 1 通过扫描电子显微镜，观察p c d 复合片的微观结构，明确复合片中金刚石的结 合方式和结合剂c 。的分布。对p c d 复合片的制作工艺进行考察，对刃磨用金刚石砂轮 的制造、特性迸行详细分析。 2 通过实验方法系统地研究各工艺参数对磨削力、刃磨效率及刃磨成本的影响， 并从理论上进行分析，明确各主要工艺参数对刃磨的影响规律。 聚晶金刚石刀具磨削工艺参数优化及磨削机理研究 3 通过试验设计并借助数学方法建立金刚石砂轮机械刃磨p c d 中主要工艺参数对 磨削力、刃磨效率及刃磨成本影响的数学模型，从而准确的得到一般情况下刃磨p c d 的优化结果，并提出合理选择各工艺参数的原则。 4 结合试验过程中的现象、试验结果及刃磨后的p c d 已加工表面的扫描电子显微 镜照片，分析以期得到较完善的金刚石砂轮机械刃磨p c d 的刃磨机理，为指导p c d 刃 磨工艺提供理论基础。 聚晶金剐石刀具磨削工艺参数优化及磨削机理研究 第二章聚晶金刚石刀具制造及刃磨工艺 如绪论中所述，p c d 具有优良的切肖4 性能和广阔的应用前景，但同时它的高硬度 及高耐磨性又使其成为当前最难刃磨的刀具材料。而合理的选择刃磨工艺参数及深入研 究刃磨机理是解决这个问题的关键，要得到优化的工艺参数及合理的工艺参数选择原则 并理解刃磨机理，我们就需要对p c d 歹丁其的制造、性能，金刚石砂轮的结构、性能及 整个刃磨过程有较清楚的认识。 一 2 1 聚晶金刚石刀具的制造工艺 p c d 刀具的制造工艺决定着其切削性能和使用寿命，并对加工工件质量及其本身刃 磨有着很大的影响。p c d 刀具的制造工艺包括三个步骤1 0 1 ，即人造金刚石的合成，p c d 复合片的制造，p c d 刀具的制造。下面本节对这三个步骤进行逐一介绍。 2 1 1 人造金刚石的合成 石墨和金刚石是碳的同素异型体，人造金刚石可由石墨转变而来。根据结构转变机 理，当温度、压力达到一定程度。石墨原子结构就转变成了金刚石原子结构，即石墨转 变成了金刚石。目前，国内外单晶人造金刚石合成主要采用静压触媒法，因为触媒合金 片可以降低合成温度和压力，其合成工艺流程如图2 一l 所示。合成后的单晶金刚石可做 单晶金刚石刀具，也可粉碎后作为聚晶金刚石的合成原料【1 0 】。 图2 一i 静压触媒法的工艺流程 f i 9 2 一ip r o c e s so f s t a t i cc a t a l y s tm e t h o d 聚晶金刚石刀具磨削工艺参数优化及磨削机理研究 表2 - 1g e 公司p c d 刀坯规格 t a b l e 2 1p c db i l l e ts p e c i f i c a t i o no f g ec o m p a n y 产二午鼙 一= w f 川警；主幢。 1 3 1 053 6n ， 3 ， 3 1t ，& 6 n j ， 0 50 03 6n 532 螂 3 i o3 5o ， 5 3 2 0 ， 铂3 9 o 532 3 2 l，0 03 o 5 5 3 2 5，1 6 o 53 2 3 拈，l 6 1o 55 1 3 0 3 3 6 061 a 。5 3 ， t 3 3 拍o 6 o 5 | 5 t s o 5奇3o 3暑： 5 五5 3o 5。5 t 5 s柏 6 o 53 2 ii 陵臣 5 i o o厶4o ， ，5 t 5 2 0 ， o 5n ，3 2 5 2 ， 6 。， 0 1 5t j s 2 51 8 0t 32o ， 3 2 5 2 6 r o 5 ， t 5 3 0 0t 3 20 53 2 5 3 。3 0 01 32 o5 ， 1 5 5 3 - ：妻o 53 。20 1 5 5 5 一，0o j3 ，2 3 k 尸 e 三 5 5 7 _ 一 5 o 5321o t 5 的 _ 一 e 口 c ，022 0 5 7 ，； - 一，0o ， 3 22 ， 5 ，- l 一0 15 o ，3 22 s o 5 。粤3 o ，3 2 1 0 1 53 乱，1 ， 1 5 。：6 0 5j 。2 吐 e ”： 0 口s， t o l ， f05 o 53 2 麓 二 i65o 5 1 s ：t j ，2o 53 2 1 8 0 位： 鼠ss 嚣 = 0 0 - 工2o 53 2 瑚，：3 2o5 1 ， 6 5 37 ，= ；爱8 ：i 3 20 l 上 32 1o 022 0 322 。5 6 5 5 一 f 二一；器 3 ，：25 t 蝴t _ ：嚣i 二 - i -0 23 0 2 1 2 聚晶金刚石复合片的制造 p c d 复合片，就是用高温高压技术在硬质合金基体上烧结一层p c d ，二者形成一体 聚晶金刚石刀具磨削工艺参数优化及磨削机理研究 的刀坯，它兼具了p c i ) 的高硬度、高耐磨性及硬质合金良好的强度和韧性。 2 1 2 1 聚晶金刚石复合片的制造工艺 p c d 复合片的制造方法有两种。一是直接合成，即人造金刚石与硬质合金基体一 次合成。这种方法工艺简单，成本低，产量高，但耐热性差。另一种方法是间接合成， 即先压制出人造金刚石层，然后焊接在硬质合金基体上。该方法的合成工艺较复杂，成 本高，但耐热性好。目前，多采用直接合成法制造p c d 复合片。其中，液相烧结法是 常用的一种直接合成法，其工艺流程如图2 - 2 所示。 图2 - 2 液相烧结法制造p c d 复合片工艺流程 f i 9 2 - 2f a b r i c a t i n gp r o c e s so f p d cw i t hl i q u i dp h a s es i n t e r i n gm e t h o d 在此工艺流程中，人造金刚石微粉的粒度一般根据刀具的用途选择。对于机加工切 削用刀具其粒度一般为o 3 - 4 0 i l l ，对于钻头等切削用具及拉丝模其粒度一般为7 5 1 0 0 pm 。适量的结合剂有助于将烧结中析出的石墨溶解，再析出金刚石将金刚石微粒结合， 使其成为以c c 键结合的强固结构体。在烧结体中加入一些添加荆可使晶粒细化，进而 加强烧结体的强度。 烧结得到的金刚石聚晶体存在一些缺陷，主要表现在：溶解在钴中的碳，将以石墨 形式析出并存在于金刚石颗粒的界面上，这减弱了聚晶金刚石的强度；高温烧结时，金 刚石与钴的热膨胀系数有较大差异，在金刚石晶粒和粘结相钴的分离界面将引起裂纹； 另外，晶界处是杂质富极区，有些晶粒中残存有气泡、位错等现象。聚晶金刚石中晶界 处和晶粒中的残留缺陷在对其刃磨中起着很大的作用【l ”。 2 1 2 2 聚晶金刚石复合片微观结构 美国g e 公司生产的p c d 刀坯规格如表2 - l 所示，它分为三个系列，即1 3 0 0 系列、 1 5 0 0 系列、1 6 0 0 系列。这三个系列的微观结构如图2 - 3 所示。从图中我们可以看到其 特点 1 2 】： 1 1 3 0 0 系列粒度由极细到微细晶粒构成，主要用于短切刃之切削工具，切削耐磨 性高的非铁系材料以及非金属材料； 2 1 5 0 0 系列由微小和中间粒度晶粒组合而成，主要用来切削高矽含量的铝合金及 其他非金属材料； 聚晶金刚石刀具磨削工艺参数优化及磨削机理研究 3 1 6 0 0 系列是由粒度极细、非常均一的微粒构成，粒度范围集中，可制造出锐利 无比的切刃，良好的前后刀面，适用于精密精加工及长切刃的刀具使用。 1 3 0 0 系列 1 5 0 0 系列 图2 - 3 g e 公司p c d 刀坯微观结构 f i 9 2 3m i c r o g r a p ho f p c db i l l e ti ng ec o m p a n y 1 6 0 0 系列 下面就以1 6 0 0 系列为例来说明刀坯的微观形貌。图2 4 是用电子扫描显微镜观察 到的1 6 0 0 系列刀坯的微观形貌，从中我们可清晰看到刀坯中的金刚石微粒间的强固结 构( 以金刚石c c 键的形式结合) ，用背散射电子成像分析1 6 0 0 系列刀坯中的微观结构， 可知刀坯中溶媒金属c o 吸收石墨，析出金刚石，残留的c o 分布于金刚石微粒间的金刚 石桥附近，不起粘结作用。 图2 - 41 6 0 0 系列刀坯的微观形貌及示意图 f 1 9 2 4m i c r o g r a p ho f p c db i l l e to f1 6 0 0s e r i e s 盒粒 强管金暇触媒 聚晶金刚石刀具磨削工艺参数优化及磨削机理研究 从聚晶金刚石复合片的微观结构和形貌及对它的分析可看出，以这种金刚石c c 键的形式结合的强固结构，是使其成为最难刃磨刀具材料的主要原因。 2 1 3 聚晶金刚石刀具的制造 从p c d 复合片到p c d 刀具，要经过图2 5 的工艺流程，在整个工艺流程中，线切 割和焊接这两个工艺过程是最重要的【1 3 1 。 p c d 复合片 打摩刃体。- 氇磨尹丁口 一精麝刃q 广， 图2 - 5p c d 刀具制造工艺流程 f i 9 2 5f a b f i c a m gp r o c e s so f t h ep c d t o o l 其中，线切割主要取决于金刚石的粒度及导电金属相的含量。金刚石粒度粗，不易 脱落，放电电极丝磨损大，断丝频繁；金刚石中导电金属含量大，导电性好，切割速度 就快【14 1 。 另外，焊接工艺是p c d 刀具制造中的另一个重要环节。对金刚石焊接的基本要求 是：焊接温度低，以防金刚石氧化或向石墨转化；焊缝牢固，焊缝强度高，以保证金刚 石工具在工作中不从焊缝处脱裂。目前工业上常用的焊接方法主要是银焊。银焊的焊接 温度低( 6 0 0 0 c 7 0 0 0 c ) ，焊接强度高( 2 0 0 3 0 0 m p 。) 。银钎焊料是一种银基固融合金， 主要成分为银、铜、锌、镉，其中银含4 0 - 5 0 ，焊剂采用1 0 2 银焊剂，作用是清除 焊接面的氧化物和降低焊料的表面张力使其渗入焊缝中。 2 2 聚晶金刚石刀具的性能 p c d 刀具具有优电的机械物理性能，具体参数可参照表2 2 。 下面结合此表来详细介绍一下p c d 刀具的性能： 墨曼垒型互卫墨璧型三茎叁堑垡些垄壁型垫堡至塞 表2 - 2p c d 材料的机械物理性能 种类单晶金刚石 p c d 硬质合金( i s o k 2 0 ) 锻( g c m 3 ) 3 4 7 3 5 63 4 3 4 i 1 4 6 努普硬度( k g m m 2 3 8 0 0 0 1 2 0 0 05 0 0 0 9 0 0 01 7 0 0 _ 抗弯强度( g 鼢 1 o 也81 7 抗压强度( g p a ) 8 5 9 04 2 7 64 6 断裂韧性( m p 。m o5 ) 3 47 0 - - 9 01 0 ，5 弹性模量( g p 。) 9 0 0 - - - 1 0 5 05 6 0 - 8 0 05 9 3 热导率( w m k ) 5 0 0 - 2 0 0 02 0 0 5 6 01 0 0 线膨胀系数( 1 0 柏 2 0 5 04 05 4 泊松比 0 0 70 。0 8 6o 。2 2 相对耐磨性9 “2 4 52 5 02 叶目车削硬硅橡胶时切削刀具后刀面磨损高度达o 2 5 4 m m 所用的时间( m i n ) 1 极高的硬度和耐磨性 聚晶金刚石的硬度接近天然金刚石，比硬质合金硬度高3 - - 4 倍，耐磨性高1 0 0 多倍， 并且由于金刚石晶粒在各个方向上自由分布，无方向性，所以各方向上硬度、耐磨性一 致，裂纹很难从一个晶粒传向另一个晶粒，其抗裂性优于单晶金刚石。 2 低的摩擦系数和高的弹性模量 p c d 刀具与工件材料间的摩擦系数低于除单晶金刚石外的其它刀具材料，通常在 o 1 0 3 之间。摩擦系数小可以减小切削力，降低切削温度；p c d 的弹性模量比硬质合 金大的多，故其切削刃在切削过程中不易产生变形，能在很大程度上保持刀刃的原始几 何参数，长期保持刃口锋利。 3 好的导热性和低的热膨胀系数 高的导热系数和热扩散率使p c d 刀具在切削中切削热容易散失掉，这样切削区温 度会较低，刀具使用寿命长；低的热膨胀系数使刀具在切削过程中不易产生很大的变形， 聚晶金刚石刀具磨削工艺参数优化及磨削机理研究 能够保证工件的加工精度。 4 刃口锋利且刃面粗糙度小 p c d 刀具刃口非常锋利，一般刃口锯齿峰值小于5 9 m ，刃口钝圆半径小于4 i _ t m ： 在绝大多数场合，p c d 刀具前刀面为镜面，表面粗糙度可达o 0 1 “m ，这样可以使切屑 沿前刀面容易流出，减小积屑瘤的产生。 以上特点使p c d 刀具广泛应用于非铁系金属及其合金和非金属等难加工材料的半 精加工和精加工领域。需要指出的是，p c d 刀具不适于加工含铁金属，因为在切削高温 下金刚石与工件材料中的碳产生很强的亲和力，使刀具性能大大下降。 2 3 金刚石砂轮 金刚石砂轮是刃磨p c d 刀具的直接工具。金刚石砂轮的特性和质量直接决定着 p c d 刀具的刃磨。这一节我们将详细介绍金刚石砂轮的组成、制造及特性。 2 3 1 金刚石砂轮的构成 一般金刚石砂轮由三部分构成：即金刚石层、过渡层和基体。金刚石层是金刚石磨 料和结合剂共同组成的压错4 层，是砂轮的工作部分，起磨削作用；过渡层是由结合剂粉 末构成的压制层，不含金刚石磨料，是金刚石层和基体之间的过渡部分，起牢固连接工 作层及基体的作用，保证工作层被充分利用：基体起着支撑压制层的作用，并便于装卡。 2 3 2 金刚石砂轮的制造 图2 - 6 为金刚石砂轮的制造工艺流程图，整个工艺的关键是热压烧结过程。热压烧 结工艺是制造金属结合剂金刚石砂轮的最重要的工序，对最终产品的性能起着决定性的 作用。它使烧结成型所需压力大大降低，烧结体粘结强度高。金刚石砂轮形状尺寸不同， 结合剂种类和成分不同，则对烧结设备和工艺的要求也不一样。因此，要合理地选择烧 结设备和烧结工艺，并且需要保护气氛。图2 7 是热压烧结过程的流程图。 图2 - 6 金刚石砂轮制造工艺流程 f i 9 2 - 6f a b r i c a t i n gp r o c e s so f t h ed i a m o n dw h e e 聚晶金b f j - e t 3 具磨削工艺参数优化及磨削机理研究 图2 - 7 金刚石砂轮热压烧结工艺过程 f i 9 2 7p r o c e s so f h o tp r e s s i n gs i n t e r i n gi nf a b r i c a t i n gt h ed i a m o n d w h e e 2 3 3 金刚石砂轮的特性 金刚石砂轮的特性包括磨料、粒度、硬度、结合剂、浓度。对于磨削要取得好的技 术经济指标，必须对上述特性进行合理的选择t m j 。 1 磨料 金刚石砂轮的磨料可选用人造金刚石，人造金刚石硬度高、耐磨性好、切削刃锋利。 与天然金刚石比较起来，其自锐性好，磨削效率高、成本较低。 2 粒度 金刚石粒度的选择要考虑加工要求，粗磨时，用较粗颗粒：精磨时，用较细颗粒。 3 硬度 金刚石砂轮的硬度是指结合剂粘结磨粒的牢固程度。它直接影响加工效率和砂轮寿 命，同时也会影响磨削质量。 4 结合剂 由于刃磨p c d 刀具的特殊性，p c d 刃磨砂轮对结合剂性能的要求与一般的金刚石 对结合剂的要求是有较大区别的。一方面p c d 刃磨砂轮要求结合剂能牢固的把持金刚 石磨料；另一方面，要求结合剂的磨损能与金刚石的快速磨损相适应，保证磨钝的金刚 石颗粒及时脱落，颓的金刚石磨粒露出。 5 浓度 浓度是指金刚石体积与砂轮工作层体积的百分比。当该百分比等于2 5 时，将砂 轮浓度定为1 0 0 。浓度过高或过低都会导致磨粒及早脱落，增大磨耗，加工质量也变 差。 2 4 刃磨过程 2 4 。1 刃磨设各 由于此时的刃磨对象为金刚石烧结体，能度较大，要想刃磨出理想的刀具刃口及达 到刃磨效率高、成本低的要求。刃磨设备要求与普通工具磨床有较大的区别 1 ”，主要表 鲞曼垒! ! 互卫星星型三茎叁墼垡些墨壁型垫堡墅塞一 现在以下几个方面： 1 砂轮主轴及机床整体的高刚性 由于被磨材料硬度极高，在砂轮和被磨工件之间没有一定的压力便无法将p c d 材 料磨除，因此，砂轮轴和其他机构必须具备足够的刚性。根据被加工刀具和所用砂轮的 不同，磨削压力应可以实现恒压力可调。 2 独特的砂轮摆动机构 ： 与一般的工具磨床不同，p c d 专用工具磨床采用的是砂轮架作横向摆动，以防止 因砂轮磨耗比过低而引起砂轮表面出现沟槽，同时采取一些特殊的传动机构，以避免因 砂轮在摆动换向时产生微小抖动而影响刃口质量。 3 高精度回转工作台系统及光学投影装置 较为高级的工具磨床上一般均带有光学投影装置和高精度回转工作台，以便一次装 卡后，不但能磨出刃口，而且能准确磨出两刃间的刀具圆弧，且能在机床上通过投影装 置直接观察圆弧和刃口质量。 2 4 2 刃磨工艺 由前文可知，前刀面在刀具生产过程中己被抛光，所以刀具的刃磨工艺指的是后刀 面的刃磨和刃口的刃磨。在刃磨刀具之前，必须对基体进行打磨，使基体不妨碍刀具金 刚石层的刃磨并便于排屑。 2 4 2 1 刃磨运动 p c d 刀具刃磨运动如图2 - 8 所示，可分为四个运动。 昏! 重 图2 - 8 p c d 刀具刃磨运动 f i 9 2 - 8m o t i o no f g r i n d i n gt h ep c d t o o 1 ，砂轮的旋转运动 砂轮的旋转方向应使刀具刃口承受压应力，错误的旋转方向会使刀具刃口由于承受 聚晶金刚石刀具磨削工艺参数优化及磨削机理研究 拉应力而崩断。砂轮的旋转运动为主运动，用砂轮线速度圪衡量其大小。 2 砂轮架的摆动 砂轮架的摆动使磨削轨迹变化，有利于排屑和使砂轮磨损均匀，摆动幅度和摆动频 率可在一定范围内调节。 3 工作台的轴向进给 为不断磨除p c d 刀具材料，还应使工作台带动p c d 刀具不断沿主轴轴向迸给，以 进给量f 衡量其大小。 4 刀架的圆弧摆动 刃磨p c d 刀具圆弧半径时，应以刀具圆弧半径中心为原点，作圆弧摆动。 2 4 2 2 刃磨工序 p c d 刀具刃磨工序可分为粗磨和精磨两道工序。刃磨工具分别为粗粒度和细粒度 两种金刚石砂轮，这是因为粗砂轮刃磨效率高而刃磨后表面粗糙度大，而细砂轮刃磨效 率低、刃磨后表面粗糙度小。这样的选择可使整个磨削过程成本降低。 2 5 结语 本章主要讨论并叙述了聚晶金刚石刀具的制造、性能，金刚石砂轮的结构、性能及 整个刃磨过程，从中可总结出以下内容要点： 1 p c d 复合片中的金刚石微粒间的强固结构( 以金刚石c c 键的形式结合) ，是 使其成为最难刃磨刀具材料的主要原因。复合片中溶媒金属c o 吸收石墨，柝出金刚石， 残留的c o 分布于金刚石微粒间的金刚石桥附近，不起粘结作用。 2 聚晶金刚石晶界处是杂质富极区，存在烧结后的残留裂纹且此处强度较低。有 些金刚石晶粒中残存有气泡、位错等现象。聚晶金剐石中晶界处和晶粒中的残留缺陷在 对其刃磨起着很大的作用。 3 p c d 的刃磨设备与普通工具磨床有较大的区别：砂轮轴和其他机构必须具备足 够的刚性，砂轮架作横向摆动，磨床具备光学投影装置和高精度回转工作台。 鐾曼垒型至卫星壁型三茎童墼垡些墨壁型望望竺塞一 第三章加工工艺参数对聚晶金刚石磨削过程的影响 由上一章可知，p c d 复合片是以金刚石c c 键形式结合的一种强固结构，对它的 刃磨实际上是金刚石与金刚石之间的对磨。这种极难刃磨的特点使合理选择刃磨工艺参 数变得极为重要。 k e n t e r 对p c d 复合片刃磨工艺参数作了比较系统的试验研究，但他的研究只是停 留在试验的结果上，并没有对