聚晶金刚石研磨工艺参数分析

聚晶金刚石研磨工艺参数分析

康凯敏,叶书强,曹凤国,翟力军

(北京市电加工研究所,北京100191)

摘要:对聚晶金刚石(PCD)的研磨机理进行了初步探讨;分析了研磨粉粒度及用量、研磨速度及研磨轨迹、研磨压力等工艺参数对研磨效率和研磨质量的影响规律。

关键词:聚晶金刚石;研磨机理;单面研磨机;工艺参数

中图分类号:TG669文献标识码:A文章编号:1009-279X(2009)05-0053-04

Analysis on Processing Parameter in Grinding of the Polycrystalline Diamond

Kang Kaim in,Ye Shuqiang,Cao Fengguo,Zhai Lijun

(Beijing Institute of Electro-Machining,Beijing100191,China) Abstract:Preliminary discussion on the lapping mechanism of the polycrystalline diamond is pre-formed.The influences of processing parameters such as particle size,the amount of g rinding pow der, speed of rotating of grinding plate,g rinding track and grinding pressure on the g rinding quality and ef-ficiency are analy zed by large number of experiments.

Key words:poly crystalline diamond;lapping mechanism;single side lapping machine;processing parameter

聚晶金刚石(PCD)具有接近天然金刚石的硬度和耐磨性。聚晶金刚石复合片(PDC)是PCD与硬质合金经高温高压复合而成的一种新型刀具材料,在汽车、航空、航天、建材等领域被广泛应用于有色金属、合金、非金属等材料的精密加工[1]。PCD本身的高硬度、高耐磨性给其加工带来了很大困难。目前PCD复合片的表面精整加工主要是以研磨为主,但由于PCD本身具有与金刚石磨料相近的性质,因而与普通材料的研磨加工有很大的不同,其研磨机理、研磨工艺均有自身的规律。本文对PCD研磨机理进行了初步探讨,并通过大量试验,分析了研磨工艺参数对PCD研磨效率和研磨质量的影响。

1试验条件

试验设备:单面加压研磨机。该设备配置了转数计数器,可间接计算研磨时间;配置了气动加压装置,可显示研磨压力;配置了砂泵及搅拌装置,可实

收稿日期:2009-08-20

第一作者简介:康凯敏,女,1979年生,硕士研究生。现研磨粉与研磨液的均匀混合及循环供应。

研磨工具:球墨铸铁研磨盘。

试件:美国GE公司提供的PDC。

研磨粉:聚晶金刚石微粉。

为使PCD层能均匀去除,保证层厚一致,研磨机每个压头下同时研磨厚度相同的同系列(同粒度微粒合成)的PCD复合片。

2PCD研磨机理初步探讨

在研究研磨参数对研磨质量和研磨效率的影响之前,有必要对PCD的研磨机理进行初步探讨。对于普通材料的研磨,一般认为研磨过程是磨粒微刃的切削作用、被研磨工件表面微小起伏的塑性流动、表面活性物质的化学作用及研磨工具堵塞物与工件表面划擦作用的综合结果[2]。对于聚晶金刚石这种超硬材料,主要是机械作用和疲劳脆性去除,且机械去除为主要去除方式。在研磨初期,工件表面粗糙,金刚石晶粒突出,快速移动的磨粒极易着力,促使金刚石晶粒之间粘结部位(或D-D结合)应力集中,而此部位结合相对薄弱,易发生沿晶断裂,使金

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刚石微粒发生整体松动并脱落;但随着工件表面粗糙度降低,晶粒微粒脱落减少。此外在研磨过程中,锋利的磨粒以较高速度和适当的切削力划过PCD 表面,对表层金刚石晶粒产生大量损伤性划痕,这也是PCD 材料机械去除的重要方式[3]。英国学者Cooper [4]曾通过试验指出:金刚石在冲击载荷的循环作用下,产生裂纹的应力值大大低于所需的静应力。研磨过程中PCD 表面承受交变冲击载荷,因此将会产生疲劳脆性去除。

对PCD 表面研磨通常采用研磨盘加游离研磨粉,分湿研磨和干研磨。所谓湿研磨是将研磨粉与研磨液混合,同时加入研磨区,研磨产生的摩擦热大部分被研磨液带走,研磨区温度迅速降低,但仍有局部高温接触点,使PCD 材料发生氧化、石墨化等热化学去除,湿研磨PCD 表面去除方式以疲劳脆性去除为主,同时伴有局部热化学去除。所谓干研磨是研磨区只加入研磨粉。干研磨时,研磨区无研磨液,PCD 表面产生的摩擦热只能通过研磨盘和工件扩散出去,研磨区平均温度高。高温致使PCD 表面发生氧化、石墨化等,高温对PCD 表面还有一定的软化作用,这些共同作用对PCD 层产生化学和机械热去除,干研磨PCD 表面去除方式以氧化和石墨化去除为主。

图1~图3所示分别为PCD 未研磨、湿研磨及干研磨表面形貌的SEM 照片[5]

。从图2可看出,湿研磨PCD 表面虽也有凹凸不平,但与未研磨表面凹凸状态完全不同,明显存在大量的剥落坑,这种现象说明了PCD 表面发生了疲劳脆性去除。从图3

可

看出,干研磨PCD 表面呈平滑形貌,基本无剥落坑,说明干研磨时PCD 材料发生疲劳脆性去除很少。疲劳脆性去除是PCD 颗粒一层层剥落,而氧化和石墨化去除是PCD 颗粒的表层发生热化学变化,显然湿研磨的去除效率高于干研磨,本试验以效率优先,因此,

我们选择湿研磨方法。

图3 PCD 干研磨表面形貌

3 研磨工艺参数分析

过去PCD 表面研磨工艺参数的选择主要是根

据操作者的经验,研磨质量和研磨效率都依赖于操作者的水平与经验,从而导致效率低、成本高、质量不稳定,因此有必要对研磨工艺参数与研磨质量和效率之间的关系进行研究。

3.1 研磨工具

研磨工具的选用直接关系到研磨的质量。本试验选用球墨铸铁研磨盘作为研磨工具。铸铁具有良好的经济性、耐磨性、可加工性以及嵌砂性能,铁还是一种聚晶金刚石合成触媒,在研磨产生瞬间高温状态下可促使金刚石石墨化。在研磨盘上开一定数量和形状的槽,槽的形状有菱形、放射线、螺旋线等,其作用是贮存研磨粉,避免工件塌边及保持良好的散热,本试验选取的球墨铸铁研磨盘表面开菱形沟槽。3.2 研磨粉

研磨粉与研磨液混合成研磨剂。循环泵的搅拌作用使研磨粉与研磨液均匀混合并悬浮于研磨液中,研磨液起到冷却和润滑的作用。研磨粉的粒度对研磨效率和研磨质量有重要影响。试验表明,同一系列(用同粒度微粒合成)的PCD 复合片,用粗粒度的研磨粉加工比细粒度的研磨粉研磨去除效率高;不同系列(用不同粒度微粒合成)的PCD 复合片采用同一粒度研磨粉加工,效果不同。图4所示为不同系列PCD 复合片在其他条件相同时,研磨去除量与研磨粉粒度粗细的关系。要提高研磨效率选粗粒度的研磨粉较好,但是研磨粉粒度粗时PCD 表面粗糙度大,因此精研磨时应选取细粒度研磨粉来降

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