PCD的磨削特点与PCD刀具的刃磨技术

1、型空间, 可得到图中 用 到的 实 体, 再 搜索 块 表, 可查 到该实体的数据 信息, 这样遍 历 图形 数 据 库后 就 可 得到装 配 图 中 用 到 的 元 件 及 其 使 用 个 数, 再 使 用 ARX 函数绘 制 出 明 细 表, 实 现 明 细 表 的 自 动 生 成, 避免了在设计结束后人工交互绘制明细表等繁琐工 作, 提高了工作 效 率。系 统 生成 明 细表 的 流 程 如 图 5所示。6结语本 系 统 能 实 现 组 合 夹 具 元 件 的 管 理 和 自 动 选 取, 在计算机上完成设计与组装, 可简便快速地设计 出高质量的夹具, 具有较高的实用价值。参考文献1赵怀

2、东, 曾宇祥 . 组合夹具计算机模拟组装及信息管理 .航天制造技术, 2004, 4(2 :37412张海军,杨 宏 斌 . 计 算 机 三 维 组 合 夹 具 设 计 系 统 的 应 用 研究 . 现代制造工程, 2004(4 :38403鲁珍珠,雷小强 . 基 于 SolidWorks 的 组 合 夹 具 CAD 系 统 的开发 . 组合 机 床 与 自 动 化 加 工 技 术, 2004(9 :7577, 824Kulankara Krishnakumar , Melkote N Shreyes. Machining fixture layout optimization using t

3、he genetic algorithm. International Journal of Machine Tools Manufacture , 2000, 40:579598 5齐红威, 林建 平 . 组 合 夹 具 CAD 专 家 系 统 中 的 知 识 表 示 方法 . 河北工业大学学报, 1999, 28(6 :3236第一作者:康文利, 副 教 授, 工 学 硕 士, 华 北 电 力 大 学 机 械工程学院, 071003河北省保定市收稿日期:2005年 9月 PCD 的磨削特点与 PCD 刀具的刃磨技术 华红艳 1孙 标 1曹唯飞 21郑州航空工业管理学院 2多美深圳有限公司摘

4、 要:介绍了 PCD 切削刀具的制造工艺, 分析 了 PCD 材 料 的 磨 削 加 工 特 点 及 PCD 刀 具 刃 磨 对 工 装 的 要 求, 重点阐述了 PCD 切削刀具的刃磨工艺及其要点。关键词:PCD , 刀具, 刃磨Grinding Characteristic of PCD and Sharpening Technology of PCD Cutting Tool Hua Hongyan Sun Biao Cao WeifeiAbstract :The manufacture technigue of the PCD cutting tool is introduced ,

5、the grinding characteristic the PCD material and the reguest of sharpening PCD cutting tool to the eguipments are analyzed. Also the sharpening technigue for the PCD cutting tool and its emphasis are finally represented.Keywords :PCD , cutting tool , sharpening1引言随着现代科学技术的高速发展, 由聚晶金刚石 (PCD 、 聚晶立方氮 化

6、硼 (PCBN 等 超 硬材 料 制成 的 刀具的品种越来越 丰富、 其性 能也 得 到 不 断 发 展和 提高。刀片磨料粒径从数十微米、 几微米到纳米级; 金刚石、 立方氮化硼的含量分为低含量、 中等含量和 高含 量; 结 合 剂 既 有 金 属、 非 金 属 也 有 混 合 材 料; PCD 层厚度从毫米 级 到 微 米 级; PCD 层 与 硬 质 合 金 衬底的结合方式有平 面、 波 纹 面; PCD 层 有 高 耐 磨、 高韧性、 高耐热等不 同 特 性。目 前 PCD 、 PCBN 刀 具 的应用范围扩大到汽车、 航天航空、 精密机械、 家电、 木材、 电子电气等行业, 用于制作车

7、刀、 镗刀、 铣刀和 钻头、 铰刀、 锪刀、 锯刀、 镂刀、 剃刀等。尽管 PCD 、 PCBN 刀具 发 展 如 此 之 快, 但 因 其 高 硬度导致的刀具刃磨困难一直困扰着大多数用户, 刀片的重磨也主要由原刀具生产厂家来完成。不仅 刀具价格高, 交货期长, 而且占用企事业流动资金。 因此, 很有必要认真研究 PCD 的磨削特点及 PCD 刀 具的刃磨技术。2PCD 刀具的制造工艺PCD 切削刀具的生产工艺流 程 一 般 包 括 抛 光、 切割、 固接、 刃磨、 质检等。 PCD 超 硬 材 料 毛 坯 直 径 通常有 1/2、 1、 2、 3、 4英 吋, 其 表 面 一 般 较 粗 糙

8、 (! a 2 10! m 不 能 直 接 用 于 制 作 刀 具, 需 经 研 磨 抛 光 使其表面达到镜面 (!a ! 0.01! m; 然后通过激光切割 562006年第 40卷 N7或电火花线切割加工成一定几何形状和尺寸要求的 刀片; 再进一步对 刀 片和 基 体 待 固 接 面进 行 机械 和 化学处理, 然后再 采用 银 基 硬钎 焊 将刀 片 固接 于 基 体上; 最后经金刚石砂轮刃磨。PCD 切削刀具制造技术的关键之一是切削刃的 刃磨质量。优质刀头材料缺乏理想的刃磨工艺和技 术将会造成资源浪 费, 采 用 好的 刃 磨工 艺 则 会 提 升 刀具的产品质量, 降低刀具使用成本。

9、3PCD 材料的磨削加工特点PCD 是由特殊处理的金刚石与少量粘结剂在高 温超高压下烧结而成的。无序排列的金刚石晶粒使 PCD 有均匀的、 极 高 的 硬 度 和 耐 磨 性。 PCD 可 用 于 切削 刀 具、 砂 轮 修 整、 地 质 钻 探、 量 具 测 头、 拉 丝 摸 具、 喷砂摸具等。但是 PCD 的高硬度和高耐磨性也 给其加工带领了很大的困难。国内 外 学 者 针 对 PCD 材 料 的 高 硬 度 和 高 耐 磨 性所带来的加工 难 题 进行 了 大 量 的 研究 和 试 验, 其 中包括电火花加工、 超 声波 加 工、 电 化 学加 工、 激 光 加工等, 并取得了一定效果。

10、但综合分析发现, 这些 加工技 术 目 前 多 适 用 于 PCD 材 料 的 粗 加 工 场 合。 要想获得好的 PCD 切削刃口质量, 最理想的加工方 法仍是用金刚石砂轮磨削或研磨。PCD 的磨削加工主要是机械和热化学两方面混 合作用的结果。机械作用是通过金刚石砂轮磨粒对 PCD 材料的不断冲击而形成的金刚石的微破碎、 磨 损、 脱落或 解 理; 热 化 学 作 用 则 是 金 刚 石 砂 轮 磨 削 PCD 形成的高温使金刚石发生氧化或石墨化。二者 混合作用的 结 果 致 使 PCD 材 料 被 去 除。 其 磨 削 加 工特点主要为:(1 磨削力很大金刚石是已知矿物中硬度最高的物质,

11、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 1/501/8001; PCD 的硬度 (HV 为 80120KN / mm 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 PCD 时, 起 始 切 削 强 度 很 高, 约 为 硬 质合金 (0. 4MPa 的 10倍以上 2; 比 磨 削能 达 1.2X 1041. 4X 105J /mm 33; 因此磨削力远高于磨削硬质 合金。(2 磨削比很小由于 PCD 的硬度和耐磨性 (相对耐磨性为硬质 合金的 16199倍 4 很高, 磨削 PCD 时其磨削比仅 为 0.0050. 0335, 约

12、 为 硬 质 合 金 的 1/1000 1/100000; 磨削效率仅 0.44.8mm 3/min 5, 6。因此,为了保证切削刀具的刃口质量和去除量, 磨削时间 很长、 加 工 效 率 很 低。此 外, 当 PCD 的 硬 度、 含 量、 粒度不同时, 其磨削时间也相差悬殊。(3 粒度影响很大PCD 材料用于切削刀具按粒 度 主 要 分 为 三 类:即粗粒度 (2050! m 、 中粒度 (10! m 左右 和细粒度 (-5! m , 其磨削力、 磨削比相差几倍至数十倍。粗 粒度 PCD 磨削 比 最 高, 磨 削 也 最 困 难, 且 磨 削 后 刃 口锯齿状最严重、 质量最差, 但耐磨

13、性最强; 细粒度 PCD 磨削比相对最低, 磨削较易、 磨削后刃口质量最 好。4PCD 切削刀具刃磨对工装的要求 基于 PCD 的上述磨削特点, 用金刚石砂轮磨削 加工 PCD 时 对 刃 磨 设 备 的 要 求 比 一 般 工 具 磨 床 高 得多。主要有:(1 机床具有良好的工艺系统刚性由于 PCD 材料硬度很高, 因此磨床必须有较高 的抗变形 能 力, 特 别 是 主 轴 系 统 和 刀 具 装 夹 系 统。 PCD 切削刀具刃磨时磨削力一般达 100500N 。因 此要求机床的轴径大、 轴承的轴向刚性和强度要高。 (2 机床具有 行程可调和速度可调的短程摆动 机构PCD 磨削比极 低,

14、 PCD 的 磨 削 加 工 机 理 主 要 是 通过金刚石 砂 轮 对 PCD 材 料 的 不 断 冲 击 而 形 成 的 微破碎、 磨损、 脱落、 解理等机械作用和氧化、 石墨化 热化学作用混合的结果。因此采用短程摆动机构有 利于提高磨削效率, 改善刀具刃口质量。一般摆动 距离 050mm , 摆动速度 2060次 /分。(3 机床的刀 夹具有高精度回转功能和在线检 测装置由于 PCD 材 料 硬、 脆 而 耐 磨, 通 常 将 其 刀 尖 设 计为圆弧状, 以有助于减小刀具和工件相对振动的 幅值。为了实现刀尖圆弧的加工, 机床的刀夹应具 有高精度回转功能和刀尖圆弧半径尺寸与质量在线 检测

15、装置。这样 可避免多次装夹带来的定位误差, 同时可成倍提高加工效率。5PCD 、 PCBN 刀具的刃磨工艺5. 1刃磨工艺的选择切削刀具刃磨的目的之一是获取性价比高的切 削刃口质量, 而质量好坏的关键在于刃磨砂轮粒度 的选择。砂轮粒度越细, 切削刃崩口越小, 而磨削效 率越低。为此可根据刀具切削刃的精度、 用途 (见表66工 具 技 术1 或其失效程度 (见表 2 将 PCD 切削刀具刃磨工艺 分为粗、 精、 细三个加工阶段 7。根据具体情况制订 合理刃磨工艺可大幅度提高加工效率。表 ! 按切削刃的精度、 用途分类序号 切刃精度 可选刃磨砂轮粒度 用途a 粗 0. 05mm 230/270#3

16、20/400#粗加工b 精 0. 02mm M20M40半精加工c 细 0. 005mm M5M10精加工表 " 按刀刃失效程度分类 (重磨刀具序号 失效程度 可选刃磨砂轮粒度 备注a 粗 切刃破损 0. 5mm 230/270#320/400#或电加工b 精 切刃崩口 0. 3mm M20M40c 细 切刃磨损 0. 1mm M5M10粗加工对刃口要求不高, 可选电加工或磨削加 工。电加工效率高, 宜用于加工复杂刀具, 如印刷电 路板用钻头、 切 削 强 化 木 地板 用成 型 铣 刀等。磨 削 加工时可选粗粒度砂轮, 刃磨时接触面积大、 磨削力 高 (300400N , 可快速去

17、除多余的加工余量; 细加工时选用细粒度砂轮, 刃磨时接触面积小、 磨削力低 (100200N 、 磨削 发 热 量 少, 但 材 料 去 除 率低。此阶段主 要 是通 过研 磨 和 抛 光, 进 一 步改 善 切削刃口质量。精加工居于二者之中。#$" 刃磨工艺要点(1 主 轴 精 度 要 好, 一 般 砂 轮 端 面 跳 动 应 ! 0.02mm 。砂轮端面跳动过大, 磨削时砂轮断续冲击 切削刃, 容易使切削刃发生崩口, 难以获得高精度切 削刃;(2砂轮应具有良好的动平衡。砂轮的不平衡 将导致机床的振动, 进而 影 响 被 加工 刀 具的 刃 口质 量和加工精度;(3刃磨砂轮应优先选

18、用陶瓷结合剂金刚石砂 轮。因为在磨削过程中陶瓷结合剂易发生微裂使磨 粒得到更新自锐, 使磨削过程平稳, 有利于提高加工 表面的精度和效率; 次 之 可 选耐 热 性较 高 的 树 脂 结 合剂金刚石砂轮;(4适时 注 意 砂 轮 开 刃、 且 开 刃 油 石 粒 度 要 合 适。用金刚石砂轮加工 PCD 刀具时, 砂轮会发生堵 塞、 钝化、 高温和 快 速 磨 损, 导致 加工 速度 降 低 和 振 纹、 噪音、 烧伤的产生。通常选择比所用砂轮粒度细 12号的软碳化硅油石作为开刃油石;(5 因金刚石易与铁系合金发生化学扩散, 加速 砂轮磨损, 因此应尽可能避免同时磨削金属与 PCD ; (6砂

19、轮回转方向务必从刀具前刀面向后刀面 回转。从磨削时 PCD 刀具切削刃的受力可知, 当砂 轮从刀具前刀面向后刀面回转时, 其磨削力 (切向与 法向力之和 作 用于切削刃向内, 即刀具受压应力, 不易崩刀; 反之则为拉应力, 切削刃易崩口。若因刀 具结构原因必须反转刃磨时, 则选树脂结合剂砂轮 优于金属和陶瓷结合剂砂轮;(7为 了 保 证 切 削 刃 质 量 同 时 提 高 刃 磨 效 率, 可将刀具的后角分为大后角和小后角。用粗粒度砂 轮先磨大后角, 因 接触面大磨削力大, 刃磨效率高; 然后用细粒度砂轮刃磨小后角, 将小后角的刃带宽 度控制在 0.10.3mm 左右, 接触面小刃磨质量好;

20、(8尽可能在一次装夹中完成对刀具切削刃的 加工;(9 PCD 刃 磨冷却液应优 选 水 基 磨 削 液。由 于 PCD 材料硬度高且耐热性差, 水基磨削液冷却效果 优于油基磨削液, 可提高加工效率和刃口质量。另 外磨削过程中冷却要充分, 不能断流, 避免因磨削液 量小或断续供给造成金刚石 (砂轮、 刀具 的大量消 耗 (氧化、 石墨化 和刀具的刃口破损。参考文献1Steinmetz k. The wear of synthetic diamond. Ind. Diamond Rev. , 1993, 53(554 :19242冯克明 . 聚 晶 金 刚 石 磨 削 加 工 的 试 验 研 究

21、. 磨 料 磨 具 与 磨削, 1993(4 :22243李 女 曼 等 . 聚 晶 金 刚 石 比 磨 削 能 的 试 验 研 究 成 果 . 金 刚 石 与磨料磨具工程, 2003(64冯克明等 . CVD 金刚石厚膜刀具的耐磨性试验 . 工具技术 1999(11 :11135Effect of process parameters when grinding PCD -1. IDR , 1992, 52(16李 女 曼 等 . 聚晶金刚石合理磨削工艺参数 . 金刚石与磨料磨 具工程, 2003(1 :49517岛冈宏行 . 超高压烧结体工具 . 机械技术, 1981(3 :5761第一作

22、者:华红艳, 副教授, 郑州航空工业管理学院机电 工程系, 450005郑州市成都建设国内最大铁路轴承生产基地四川省成都市青 白 江 区 政 府 最 近 与 成 都 天 马 铁 路 轴 承 有限公司签订了投资协议, 将在该区发展铁路轴承项目。该 项目总投资 2亿 元 人 民 币, 占 地 170亩, 预 计 建 成 投 产 后 将 在 3年内达到年产 600万套精密轴承的能力, 实现年销售收 入 3亿元, 年利税 8000万元, 成为国内最大 的 铁 路 轴 承 生 产 基地。762006年第 40卷 N7 PCD的磨削特点与PCD刀具的刃磨技术作者:华红艳 , 孙标 , 曹唯飞 , Hua

23、Hongyan, Sun Biao, Cao Weifei作者单位:华红艳,Hua Hongyan(郑州航空工业管理学院机电工程系,450005,郑州市 , 孙标,Sun Biao(郑州航空工业管理学院 , 曹唯飞,Cao Weifei(多美深圳有限公司刊名:工具技术英文刊名:TOOL ENGINEERING年,卷(期:2006,40(7被引用次数:2次参考文献(7条1. Steinmetz kThe wear of synthetic diamond.Ind 1993(5542. 冯克明 聚晶金刚石磨削加工的试验研究 1993(043. 李嫚 聚晶金刚石比磨削能的试验研究成果 期刊论文-金刚石与磨料磨具工程 2003(064. 冯克明 CVD金刚石厚膜刀具的耐磨性试验 期刊论文-工具技术 1999(115. Effect of process parameters when grinding PCD-1 1992(016. 李嫚 聚晶金刚石合理磨削工艺参数 期刊论文-金刚石与磨料磨具工程 2003(017. 岛冈宏行 超高压烧结体工具 1981(03本文读者也读过(10条1. 董万福 . 杜齐明 . 陈云 . DO