聚晶金刚石高速研磨实验研究

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聚晶金刚石的精密镜面磨削

聚晶金刚石的精密镜面磨削1前言聚晶金刚石（PolycrystallineDiamond，简称PCD）是由特别处理的单晶金刚石微粉与少量粘结剂在高温高压条件下烧结而成的新型超硬材料。

采纳K类硬质合金刀片为基底，在基底上面压制而成的PCD称之为PCD复合片。

PCD中无序排列的金刚石颗粒使其具有均匀的高硬度和高耐磨性，被广泛应用于刀具、工具和模具等行业。

而PCD复合片由于基底的作用，在保证硬度和耐磨性的前提下又在肯定程度上兼顾了强度和韧性，从而进一步扩大了应用领域，加之造价低廉，所以更具使用价值和应用前景。

但是，超硬度和超耐磨性始终是PCD材料精密加工的最大障碍，传统的加工方法几乎无能为力。

随着加工技术的进展，特种工艺渐渐用于PCD材料的加工，但仍存在很多不足，加工质量更难尽如人意。

因此，为充足工业进展对PCD材料日益增长的需要，引入了金属结合剂超硬磨料砂轮在线电解修整（ELID）精密镜面磨削技术，旨在通过该技术的试验与讨论，探究PCD材料精密加工的新途径。

2PCD材料的ELID精密镜面磨削试验1.试验材料试验中采纳美国GE公司生产的PCD—1500系列聚晶金刚石复合片。

其物理机械性能如右表所示。

2.试验条件在MM7120A卧轴矩台精密平面磨床上加装自行开发的ELID磨削电解电极装置，配以自行研制的砂轮、磨削液和电源，构成ELID磨削系统。

试验用砂轮为铸铁纤维结合剂金刚石砂轮CIFB，规格？240mm90mm10mm5mm，粒度W5。

试验中使用的修整电源是自行研制的ELID磨削专用高频脉冲电源，电源输出电压为0～140V，电流0～10A，脉冲频率0～500kHz。

磨削液使用自行研制的专用磨削液。

由于ELID磨削的磨削液兼作电解液，因此，使用碱性水溶型磨削液，除添加防锈剂、钝化剂、极压添加剂和合成润滑剂外，尚需肯定数量的无机盐，以使磨削液具有电解本领。

3.试验过程应用ELID磨削装置对PCD复合片进行磨削试验时，首先对砂轮进行电火花精密整形，除去砂轮的圆度和圆柱度误差，使微细磨料尽可能等高地分布在砂轮表面上。

聚晶金刚石的精密镜面磨削

会发生抗刀现象。加工过程也证明了计算结果的可靠
性
５结论
本文从理论上给出了利用飞刀径向进给粗加工右
４计算实例
一
旋蜗轮时飞刀左右侧刃工作后角的计算方法，分析并讨论了其影响因素的影响规律，这些工作对于保证蜗轮齿面的加工质量，防止加工中可能出现的加工抗刀
周曙光关佳亮
徐中耀
（大连理工大学）摘要：聚晶金刚石是一种应用广泛的超硬材料．密加工极其困难。文章介绍了ＥＩ精ＬＤ精密镜面磨削技术对聚晶金刚石复合片进行的精密磨削实验．并对磨削过程和去除机理进行了分析。关键词：晶金刚石聚超硬材料在线电解修整（Ｄ精密镜面磨削 ⅡＪ）硬度和耐磨性的前提下又在一定程度上兼顾了强度和韧性，从而进一步扩大了应用领域，之造价低廉，加所以更具使用价值和应用前景。但是，硬度和超耐磨性始终是ＰＤ材料精密加超Ｃ工的最大障碍，统的加工方法几乎无能为力。随着传加工技术的发展，种工艺逐渐用于ＰＤ材料的加特Ｃ工，但仍存在许多不足，工质量更难尽如人意因加此，为满足工业发展对ＰＤ材料日益增长的需要，Ｃ引
模具等行业。而ＰＤ复台片由于基底的作用，Ｃ在保证
践证明，口 ≥２、 ≥２且。 ≤１。ｆｅ ≤１。当 … 。口… 。 … ８、＇Ｔ一８时，不会发生飞刀的切削加工抗刀和崩刃现象，而且飞

合成时间和温度对金刚石聚晶硬度和磨耗比影响的研究_王中

WANG Zhong
（Department of Management Engineering，Hunan Urban Construction College，Xiangtan 411103，China）
Abstract The polycrystalline diamond（PCD）was prepared with particle size of 5 μm diamond fine powder as raw materials and Co as adhesive by the cubic diamond press under different synthetic time and temperature. The microhardness and abrasion ratio were measured. The results show that the abrasion ratio and Vickers hardness of PCD first increase，then decrease with the increase of sintering time，and reach the maximum at the sintering time for 180 s. The abrasion ratio and Vickers hardness of PCD also increase at first，then decrease with the increase of sintering temperature，and reach the maximum at the sintering temperature of 1 550 ℃ . When sintering temperature is too low，the diamond grain becomes sharp ⁃ featured with big grain clearance，and when the sintering temperature is too high，the grain will grow abnormally. The reason why PCD sample appears different microhardness and abrasion ratio was analyzed by microstructure observation. Key words PCD；synthetic time；synthetic temperature；abrasion ratio

聚晶金刚石最佳磨削速度的试验研究

ｉｎｓｅ８ｎＰＤｍｔｉｍｖｌａｎｄｎｎｕｐｉｔｒｒｅｒｈｄＴｅｅｐｒｎｌｅｕｓｏｒｉｅｄＣａｒｌｅｏａｒｔＱａｄｎｉｇｏｓｍｔｎｒｉＧａｓａｃｅ．ｈｘｅｉｅｔｓｌｈｗｄｇｐｏｅａｒｅｃｏａｏｅｅｍａｒｔｓｔｔｓｈｃａｉ８ｃｅｓ，ｕｔｅｎｒｅｔｓｍｌａｄａｈｍｐｅｒｎｔｕｖｏｒｐｎｅｈｅｉｒｓｇｏ，Ｑｉｉｒｅｂｔｈｃｍｎｉｓａ；ｎｕｐｉａｐａｄｏｅｃｒＧｃｒｓｏｄｔｔａａｔｎｅｎｆｓｎａｄｉｅｌｓｅｈｅｅｏｈ
ｏｔｍｒｄｎｐｅｇｕｉｇｇｉｄｎＣＤｉｈｃｈｏｅｔｏｔａｄｈｇｅｔｃｅｃａｌｅｒａｉｄｐｍｕｇｉｉｇｓｅｄｍｅｄｒｒｉｇＰｗｉｈｔｅｌｗｓｓｎｉｈｒｅｔｉｙｅｒｂｅｌｅ．ｉｎｎｎｎｃｑｎｚＫｅｗｏｄ：ｏｙｒｓＵｎｉｍｏｄ，ｄａｎｒｄｎｈｅ，ｙｒｓｐｌｃｙｔｉｅｄａｎａｉｍｏｄｇｉｉｇｗｅｌｎ
ｏｎ￣ｎｉｇｓｒｃｆＣｔｅｍｃａｉａｓｇｔｅｅｐｒｅｔｅｕｓｉａａＴ．ＲｓａｃｓｌｄａａｔｒｉｔｄｆｅｏＤ，ｈｅｈｎｓｃｕｉｘｅｍｎｒｌｎｌ￣ｎｕａＰｃｎｈｉｓｔｓｙｅｒｈｒｕｔｉｉｔｔｔｈｅｓ：ｅｅｓｎｃｅｈｅ１１１
材料的高硬度、高耐磨性也给其加工带来了困难，目前通常采用金刚石砂轮磨削工艺加工ＰＤ材料。Ｃ

聚晶金刚石加工技术

fahxs8e 超细用双电极分别接正极和负极，磨轮旋转并以定压力从双电极的接触面上擦过。使磨轮面敷上层金属粉，形成导电层。与双电极之间产生接触式放电。从而电蚀结合剂。使磨轮金刚石颗粒裸露突出。达到修锐的目的。经大量试验及对数据的
统计分析得到经验公式及=0.014；71+3！125，式中，为修整金刚石平均突出量；为贷格电1；为电极每次进洽的叻深1；3激光加工激光加工聚晶金刚石的机理是束能量密度极高的激光束照射到聚晶金刚石面上。部分光能即被面吸收并转化成热能，照射斑点
提高。减少了金刚石工具使用过程中磨粒脱落，提高其使用寿命。另方面。金属化的金刚石面，具有了可焊性和导电性，这使得金刚石工具的制造工艺有了很大改进。导电性使得金刚石面可电镀；可焊性使得金刚石面与低熔点合金有良好的焊接性。如加工金刚石刀具常用钎
焊，最近国内又研制了激光焊。与钎焊相比。激光焊热影响区小，可降低应力和减少基体变形。对金刚石性能没有影响；结合强度高。刀头不易脱落；焊缝为细小柱状晶，不易产生裂纹。保证了产品质量。金刚石溶于熔融硝盐浴中。将00工件置于熔融的硝盐浴中。在溶解
要是磨耗磨削和破碎磨削。但聚晶金刚石本身特性磨削加工工艺等都是影响磨削加工机理的因素，2金孺盘削如工用铸铁磨盘纯铁磨盘对聚晶金刚石进行研磨。研磨压力速度时间都对磨削量有重要影响。研磨过程中热化学反应起主要作用。机械磨损起辅助作用。这种方法适
用于聚晶金刚石半精加工和精加工。设备简单。成本较低。2电火花加工1电火花线切，聚晶金刚石大多用来制作机加工刀具。地质钻头以及拉丝磨具。形状复杂多变，用电火花线切割机床进行成型加工是目前种经济可行的良好途径。聚晶金刚石是由金刚石颗粒与金属粉末
聚合而成，放电加工时。由于金刚石本身不导电，在脉冲电压的作用下，首先使靠近电极的金属处高温使，00中的金属熔化，部分金刚石石墨化。部分金刚石脱落。如此反复进行。直到加工完毕。可，材料的电加工性主要取决于金刚石的粒度及导电金属相的含量。金刚石

聚晶金刚石表面抛光技术研究

聚晶金刚石表面抛光技术讨论用传统的机械抛光法对大面积PCD制品抛光，磨轮会先接触其因应力变形而显现的凸起，造成抛光时间长、局部厚度减薄等弊端。

对此，设计并运用了双摇杆摇摆夹具，使抛光表面在抛光过程能与磨轮端面自适应接触，本文重要阐述这种新工艺装备的特点和使用效果。

一、绪论PCD制品自20世纪70时代问世以来，以其优良的性能，在航空航天、国防、能源、汽车、地质钻探和线缆等高技术领域中得到日益广泛的应用。

尤其是大面积PCD制品的应用，使机械加工本领和水平向前迈进一大步，加工精度、加工表面质量不断提高，加工效率几十倍甚至上百倍提高。

大面积PCD制品多用于制造切削各种材料的刀具，为了良好断屑，提高被加工工件的精度和表面质量，大多数PCD制品的PCD面需要抛光，使其达到镜面（表面粗糙度Ra≦0.05m）。

尽管很多资料介绍PCD面电化学抛光、超声抛光等新技术，但在工业化的批量生产应用中，PCD面机械抛光仍占主导地位。

二、PCD面抛光参数选择PCD面机械抛光过程是聚晶金刚石磨耗与炭化过程，由于聚晶金刚石的硬度高，一般用金刚石抛光粉（膏）加铸铁盘或用磨轮进行抛光。

实践证明：用金刚石抛光粉（膏）加铸铁盘抛光的效率太低，大都采纳磨轮抛光（磨轮与工件被抛光表面接触面积大，被广泛采纳）。

PCD面抛光质量要求：（1）表面粗糙度Ra≦0.05m；（2）表面光泽一致，没有折光面；（3）没有未抛光到的边缘存在；（4）无光泽不均匀的环；（5）无划痕及污染。

为达到PCD面抛光质量要求，用磨轮实施机械抛光时，要合理选择磨轮宽度、浓度和粒度，磨轮和工件转速，抛光压力以及磨轮修整时机。

首先磨轮的粒度和浓度要选择合适，粒度过粗达不到工件抛光表面粗糙度要求；粒度过细，加工效率低，磨粒保持锋利的时间短，抛光时的摩擦力大，温上升。

磨轮宽度要选择合适，过窄，使用寿命短，磨轮修整频次高，工件被抛光表面与磨轮接触面小，抛光效率低；过宽，磨轮端面难于整平，磨轮内外圈的线速度差异大，磨轮内外消耗差异多，抛光中摩擦接触面积大，工件散热条件变差；磨轮工作层中含金刚砂浓度高，有利于缩短磨轮与被抛光表面接触吻合时间，但成本高，会使磨轮脱粒过快，有时造成被抛光表面划伤。

聚晶金刚石复合片磨削试验研究

Ｃａｇｈ１０２，ｈｎ）ｈｎｓａ４０８Ｃｉａ
，
ＡｓａｔＴｅｐｅｉｏｕｆｅｇｉｄｎｓｎｐｌｒｓｌｎｉｍｎｏｐｓｅＰＤ）ｗｒｃｎｕｔｄｂｓｇｄｍｏｄｂｔｃｈｒｃｉｎｓｒｃｒｉｇｔｔｏｏｃｙｔｌｅｄｏｄｃｍｏｉ（Ｃｒｓａｎｅｓｙａｉａｔｅｅｏｄｃｙｕｉｉｎｅｎａ
文章编号：０６— ５Ｘ（０７）６— ０１Ｏ１０８２２０００３一３
聚晶晖安磊胡中伟
（湖南大学国家高效磨削工程技术研究中心，沙４０８）长１０２
摘
要
本文采用金刚石砂轮对聚晶金刚石（Ｃ）ＰＤ复合片材料进行了精密平面磨削试验，究了磨削工艺参数和砂轮研
特性对磨削力的影响规律，分析了磨削ＰＤ材料去除机理。研究发现：Ｃ随着砂轮速度的增大，向磨削力和法向磨削力切不断减小；随着磨削深度的增加，向磨削力和法向磨削力都增加，切相同粒度的陶瓷结合剂砂轮的磨削力大于树脂结合剂砂轮的磨削力；向磨削力和法向磨削力都随着工件进给速度的增加而增大；度号越大，向磨削力和法向磨削力切粒切越大。ＰＤ材料去除主要是通过磨粒的机械磨耗、Ｃ破碎作用和热物理、热化学作用等方式。关键词聚晶金刚石；刚石砂轮；金磨削力；磨削机理
Ｐｅａｒｓｖｅｒｒｇｎａｉｎ，ｔｅａ —ｐｙｉｓａｄｔｅａ —ｃｅｃｌｒｃｓ．ＣＤａｂａｉｅｗａ，ｆａｍｅｔｔｒｏｈｒｌｈｓｃｎｈｒｌｈｍｉａｏｅｓｍｍｐ

毕业论文毕业设计聚晶金刚石合成工艺

摘要本文在高温高压条件下，以粒度为5μm的金刚石微粉为原材料，采用液相烧结法制备了聚晶金刚石拉丝模坯，分别研究了烧结温度和烧结时间对其微观结构以及力学性能的影响，最后探讨了PCD拉丝模坯材料的烧结过程和机理。

结果表明：聚晶金刚石拉丝模坯的力学性能（磨耗比、维氏硬度）均随着烧结时间的增大先增加后降低，在烧结时间为180s时达到最大，烧结时间过短，其微观组织孔隙较大，烧结时间过长，金刚石石墨化严重；而在以烧结温度为变量的对比实验中发现，聚晶金刚石拉丝模坯的力学性能随着烧结温度的增加先变大后减小，在烧结温度为1550℃时达到最大，烧结温度过低，金刚石晶粒棱角分明，晶粒间隙较大，而烧结温度过高，晶粒发生异常生长。

所以，在压力为5.7GPa，温度为1550℃，烧结时间180s的条件下进行液相烧结得到的聚晶金刚石的力学性能最佳。

关键词：高温高压；聚晶金刚石；微结构；力学性能ABSTRACTIn this paper, the polycrystalline diamond was sintered under high temperature and high pressure with the diamond powders (5um) using liquid sintering method, and the effects of the sintering temperature and sintering time to the microstructure and the properties of the polycrystalline diamond were studied. The results showed that the mechanical properties (abrasion ratio, Vickers hardness) of polycrystalline diamond wire drawing die materials increased with the increasing of sintering time and sintering temperature firstly, and then decreases, and the mechanical properties (abrasion ratio, Vickers hardness) reached its maximum when the sintering time was 180s and 1550℃respectively, and the pores were more larger when the sintering time is too short, and the diamond graphitization more serious when the sintering time is too long；The grain angular and the grains gap was large when the sintering temperature was too low, while abnormal grain growth could be occurred when the sintering temperature was too high, Therefore, the polycrystalline diamonds with the most outstanding performance were sintered under the conditions of sintering time 180s, the pressure 5.7GPa, the temperature 1550℃. Keywords：High pressure and high temperature; Polycrystalline diamond; Microstructures; Mechanical properties目录1 绪论 (1)1.1拉丝模概述 (1)1.2拉丝模分类及发展状况 (2)1.3拉丝模的孔型结构 (6)1.4拉丝模的破坏及磨损研究 (8)1.4.1拉丝模的破坏形式 (8)1.4.2拉丝模的磨损 (10)1.5聚晶金刚石拉丝模坯材料的发展及研究现状 (14)1.6研究目的及意义 (17)2 实验过程及测试方法 (18)2.1实验材料及设备·································· (18)2.2PCD拉丝模的制备过程 (19)2.3实验测试方法与分析 (21)2.3.1扫描电镜及能谱分析 (21)2.3.2维氏硬度 (21)2.3.3磨耗比 (22)3 PCD拉丝模芯的合成工艺研究 (24)3.1烧结时间对力学性能的影响 (24)3.1.1烧结时间对显微维氏硬度的影响 (24)3.1.2烧结时间对磨耗比的影响 (26)3.2烧结温度对力学性能的影响 (27)3.2.1烧结温度对显微维氏硬度的影响 (28)3.2.2烧结温度对磨耗比的影响 (30)3.3PCD拉丝模坯的显微形貌及能谱分析 (31)3.3.1烧结时间对显微形貌的影响 (31)3.3.2烧结温度对显微形貌的影响 (32)3.3.3PCD拉丝模坯的能谱分析 (33)4PCD拉丝模坯高压烧结过程及机理 (35)4.1PCD拉丝模坯的烧结过程 (35)4.2PCD拉丝模坯的烧结机理 (36)5结论··································· (39)参考文献 (40)致谢 (42)1绪论1.1拉丝模概述拉丝模是拉制各种金属线材的重要工具。

聚晶金刚石研磨工艺研究新突破介绍

聚晶金刚石研磨工艺研究新突破介绍
佚名
【期刊名称】《中国粉体工业》
【年(卷),期】2007(000)004
【摘要】聚晶金刚石（PCD）具有接近天然金刚石的硬度、耐磨性以及与硬质合金相当的抗冲击性，是一种被广泛应用于有色金属和非金属材料精密加工的新型刀具材料。

为充分发挥PCD刀具的优良性能，提高加工零件的表面质量，刀具前刀面（PCD表面）需加工成镜面。

目前，PCD镜面通常采用树脂基金刚石砂轮进行研磨加工，但由于PCD与所用的金刚石磨料硬度、性质相近，因而与传统的研磨加工有着很大的不同，
【总页数】2页(P49-50)
【正文语种】中文
【中图分类】TG711
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聚晶金刚石刀具磨削机理试验研究

ｒａｙａｄｓⅫ ｄｓｑ棚ｃｆｈｓｅｖｌａｈｏｓｄｐｎｎｔｅｒｉｇｐａ．ｅｅ８ｅａｓｔｅｓｗｏ一８ｋｄｎｒｎｅａｅｕｅｏｔｅｅｒｍｏａｆｓｉｎｅｅｄｏｈｉｎｏａｔｐ．Ｂｃｕｅｈａｔｔｄ－１－ｎｅｈｔｅｙ
ｄｔ，ｈａ — ｃｅｃｅｖｌａｄｍｃｉｅｙｈａｄｒｍｏａ￣ａｌ ∞ｕｎｔｅｏｓｅｔｈｍｉａｒｍｏａｎｌａｈｎｒ — ｅｔｅｏｅｓ０ＰＤｍａｅｉ１ｈ－ｇｒｃｓｆＣｔｒ．Ｔｅｐａ
１５盲ｌ
聚晶金刚石（Ｃ）有接近天然金刚石的硬度、ＰＤ兼
５０Ｌ６０Ｖ扫描电镜观察刃磨后的ＰＤ表面及刃口形貌。Ｃ磨削工艺参数如下表所示：
寰１
耐磨性及硬质合金的抗冲击性，是理想的刀具材料。在高速切削有色金属及其合金以及非金属材料场合体现了优良的切削加工性能，被广泛应用于汽车、航空航天等领域。然而也正是其高硬度、高耐磨性给其加工带来了极大的困难。目前ＰＤ材料的加工方法主要Ｃ有电解加工、放电加工和金刚石砂轮磨削加工，前两种加工方法效率较高但不能形成锋利刃口，般作为切一割ＰＤ材料或不需要锋利刃口的刀具的加工方法；Ｃ金刚石砂轮磨削加工（简称ＰＤ刀具刃磨）Ｃ效率较低但能形成锋利刃口，通常作为机械加工领域ＰＤ刀具的Ｃ加工方法，因为此领域要求ＰＤ刀具所加工零件的表Ｃ面光洁度较高或达到以车代磨的效果，故必须具有锋利的刃口。然而ＰＤ刀具刃磨效率低、Ｃ成本高且刃磨质量不稳定即刃口存在锯齿缺陷，已成为ＰＤ刀具进Ｃ步推广的障碍。为此研究ＰＤ刀具刃磨机理势在Ｃ必行。目前，有关这方面研究还不深入且缺乏试验依据。本文通过详实的试验，据试验结果较深入地阐依

聚集体金刚石磨料研磨加工性能研究

聚集体金刚石磨料研磨加工性能研究*方伟松1，阎秋生1，潘继生1，路家斌1，陈海阳2（1. 广东工业大学机电工程学院，广州 510006）（2. 广东纳诺格莱科技有限公司, 广东佛山 528200）摘要　为实现蓝宝石等硬脆材料的高效率、低表面粗糙度研磨加工，提出利用陶瓷结合剂和微细金刚石磨料（粒径3 μm ）烧结制成聚集体金刚石磨料（平均粒径30 μm ）进行研磨加工新工艺。

通过与3 μm 和30 μm 等2种单晶金刚石磨料对蓝宝石基片进行研磨加工对比实验，系统研究聚集体金刚石磨料的研磨性能。

结果表明：聚集体金刚石磨料具有较高的材料去除率，相同条件下聚集体金刚石磨料加工15 min 时材料去除率为1.127 μm/min ；聚集体金刚石磨料具有较好的加工稳定性，研磨120 min 时材料去除率为0.483 μm/min ，相比于加工15 min 时下降57.14%，而3 μm 单晶金刚石磨料则下降78.02%；聚集体金刚石磨料与3 μm 单晶金刚石磨料研磨蓝宝石的表面粗糙度相近，分别为R a 9.45 nm 和R a 8.75 nm ，远低于30 μm 单晶金刚石磨料的R a 246 nm 。

聚集体金刚石磨料能实现低加工表面粗糙度和高材料去除率的机理可以归纳为：多磨粒微刃产生去除作用可以获得低表面粗糙度，同时具有自锐性，提高材料去除效率并保证加工过程的稳定。

关键词　聚集体金刚石；多刃切削；自锐特性；研磨机理中图分类号　TG732; TH162　文献标志码　A 文章编号　1006-852X(2023)06-0684-09DOI 码　10.13394/ki.jgszz.2022.0218收稿日期　2022-12-14　修回日期　2023-01-16研磨加工是目前实现蓝宝石等硬脆材料高效减薄、平坦化加工的超精密加工方法之一。

通常选用金刚石、碳化硼等超硬磨料或者二氧化硅等软磨料作为游离磨料，进行从粗到精的研磨加工[1]。

聚晶金刚石高速研磨温度场的有限元分析

根据聚晶金刚石高速研磨装置，建立图１所示ＰＣＤ片与金刚石砂轮的温度场分析有限元模型，在保证计算精度的条件下，为了提高计算效率，对模型结构进行了合理简化。其中砂轮的直径为２６０ｍｍ，基体厚
ＸＵＬｉｆｕ，ＬＩＵＴａｏ。ＨＵＡＮＧＳｈｕｔａｏ，ＺＨＯＵＬｉ
（ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｉｒｎｇ，ＳｈｅｎｙａｎｇＬｉｇｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈｅｎｙａｎｇ１１０１５９，ＣＨＮ）
பைடு நூலகம்
到广泛应用¨ Ｊ。ＰＣＤ的精密加工方法之一就是采用金刚石砂轮进行研磨加工。研磨时高速旋转的砂轮与工件表面接触摩擦，产生摩擦热，大部分热量被传人工
件，引起工件表层局部的高温。高温一方面有利于
ＰＣＤ材料的去除及研磨表面粗糙度值的减小；另一方
聚晶金刚石（ＰｏｌｙｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅＤｉａｍｏｎｄ，简称ＰＣＤ）具有接近天然金刚石的硬度、耐磨性以及与硬质合金
１有限元分析
１．１ＰＣＤ片与砂轮实体模型的建立
相当的抗冲击性，化学性能稳定，在精密切削等领域得
关键词：聚晶金刚石高速研磨

聚晶金刚石的研究进展与展望

Abstract Polycrystalline diamond PCD is sintered under high pressure and high temperature conditions with diamond as the skeleton materialand binder as the bonding material Due to its excellenthardnessandgoodwearresistance PCDiswidelyusedincuttingtools drawingdieandother fields In this paper the binder types the preparation methods and the factors affecting PCD performanceweresummarized Thebindingmechanism theadvantagesandthedisadvantagesofthree typesofPCD namely metalbinder ceramic binderand cermet binder wereintroduced respectively Thedifferencesbetweenthe preparation methods werecompared Cermet PCD which combinedthe goodperformanceofmetalPCDandceramicPCD hadbecomeanimportantresearchdirection Keywords polycrystallinediamond bindertype preparationmethod performanceandcontrol

聚晶金刚石拉丝模高效研磨工艺及参数优化研究

聚晶金刚石拉丝模高效研磨工艺及参数优化研究
赵军;陈怀亮;赵爽之;李克华;韩建党
【期刊名称】《超硬材料工程》
【年(卷),期】2022(34)6
【摘要】采用金刚石颗粒研磨聚晶金刚石(PCD)拉丝模毛坯的端面,是一种靠脆性断裂机理去除余量的工艺,研磨后的支撑环拉丝模合金环与金刚石层混合表面的平面度不大于0.05 mm。

研磨通常分为粗研、精研两个过程。

重点介绍粗研过程,因为粗研大约去除余量0.180 mm,约占总去除量的90%。

通过研究研磨设备、工装夹具、研磨混合液、研磨压力和研磨速度等工艺参数,开发出一种可以提高效率的特殊研磨工艺。

【总页数】5页(P25-29)
【作者】赵军;陈怀亮;赵爽之;李克华;韩建党
【作者单位】郑州新亚复合超硬材料有限公司;国机精工股份有限公司;郑州国机精工发展有限公司
【正文语种】中文
【中图分类】TQ164
【相关文献】
1.聚晶金刚石研磨工艺研究新突破介绍
2.聚晶金刚石拉丝模具加工工艺的研究
3.超大孔径聚晶金刚石拉丝模具单向走丝电火花线切割加工工艺研究
4.聚晶金刚石研磨工艺及机理研究
5.一种用于拉丝模的人造聚晶金刚石镶套新工艺
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聚晶金刚石的高温高压制备及其性能研究进展

摘要
聚晶金刚石（ＰＣＤ）刀具在加工非铁基材料时，尤其是一些超硬、耐磨材料时，其寿命和加工精度远高于
传统刀具。聚晶金刚石的性能与原材料和烧结条件密切相关。概述了不同因素对以陶瓷为粘结剂的聚晶金刚石和无粘结剂的纳米聚晶金刚石的硬度、断裂韧性的影响并比较了不同种类ＰＣＤ的热稳定性能。分析得到以过渡金属
硼化物和碳化硅为粘结剂所制备的ＰＣＤ的热稳定性能较好，优于以钴为粘结剂制备的ＰＣＤ；在Ｈａｌｌ－ＰｅＰＣＤ硬度更高，韧性更强；无粘接剂的纳米聚晶金刚石的力学、热学性能最为优异。
聚晶金刚石的高温高压制备及其性能研究进展／郑艳彬等
・８１・
聚晶金刚石的高温高压制备及其性能研究进展
郑艳彬。，姜志刚，朱品文
（１吉林大学超硬材料国家重点实验室，长春１３００１２；２长春中医药大学药学院，长春１３０１１７）
ＡｂｓｔｒａｃｔＴｈｅｓｅｒｖｉｃｅｌｉｆｅａｎｄｍａｃｈｉｎｉｎｇａｃｃｕｒａｃｙｏｆｐｏｌｙｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅｄｉａｍｏｎｄ（ＰＣＤ）ｃｕｔｔｉｎｇｔｏｏｌａｒｅｓｕｐｅｒｉｏｒｔｏ
ｄｉａｍｏｎｄ（ＮＰＤ）．ＴｈｅｒｅｓｕｌｔｓｉｎｄｉｃａｔｅＰＣＤｕｓｉｎｇｔｒａｎｓｉｔｉｏｎｍｅｔａ１ｂｏｒｉｄｅｓｏｒＳｉＣａｓｂｉｎｄｅｒｓｐｏｓｓｅｓｓｅｓｂｅｔｔｅｒｔｈｅｍａｒｌ

聚晶金刚石刀具切削各向同性热解石墨过程中的磨损机理

聚晶金刚石刀具切削各向同性热解石墨过程中的磨损机理王奔1 刘东玺1 王明海1,2印文典1 郑耀辉11.沈阳航空航天大学航空制造工艺数字化国防重点学科实验室,沈阳,1101362.北京航空航天大学,北京,100191摘要:针对各向同性热解石墨切削过程中刀具磨损过快的问题,采用聚晶金刚石(P C D )刀具进行了切削加工试验㊂研究了切削过程中P C D 刀具的磨损形式㊁磨损规律以及刀具磨损对表面加工质量的影响㊂试验结果表明:P C D 刀具磨损主要发生在后刀面上,磨损形式为磨粒磨损和氧化磨损㊂磨损区域可以分为平行沟槽和严重磨损两种形貌㊂初始磨损阶段,磨损带长度急剧增大,并在切削1200m 后进入正常磨损阶段㊂切削过程中还出现了石墨切屑在磨损区域的黏附堆积和刀具崩刃现象㊂切削初期,随着切削距离的增大,加工表面粗糙度值急剧增大,切削距离为600m 时表面粗糙度达到最大值1.7μm ㊂关键词:各向同性热解石墨;聚晶金刚石刀具;刀具磨损;表面粗糙度中图分类号:T H 161 D O I :10.3969/j.i s s n .1004‐132X.2015.20.005W e a rM e c h a n i s mo f P C DT o o l d u r i n g C u t t i n g o f I s o t r o p i cP y r o l y t i cG r a ph i t e W a n g B e n 1 L i uD o n g x i 1 W a n g M i n g h a i 1,2 Y i n W e n d i a n 1 Z h e nY a o h u i 11.K e y L a b o r a t o r y o f F u n d a m e n t a l S c i e n c e f o rN a t i o n a lD e f e n s e o fA e r o n a u t i c a lD i gi t a l M a n u f a c t u r i n g P r o c e s sS h e n y a n g A e r o s p a c eU n i v e r s i t y ,S h e n y a n g,1101362.B e i h a n g U n i v e r s i t y ,B e i j i n g,100191A b s t r a c t :A c c o r d i n g t o t h e r a p i d t o o lw e a r d u r i n g c u t t i n g o f i s o t r o p i c p y r o l y t i c g r a p h i t e ,a t u r n i n ge x p e r i m e n t of i s o t r o p i c p y r o l y t i cg r a phi t ew a s c o n d u c t e du s i n g PC Dt o o l s .T h ew e a r f o r m a t i o n o f P CD t o o l ,t o o l l i f e a n d t h e e f f e c t s o f t o o lw e a r o n t h em a c h i n e ds u r f a c ew e r e s t u d i e d .B a s e do nt h e e x p e r i -m e n t a l r e s u l t s a n d a n a l y s e s ,t h e r e s u l t s s h o wt h a t t h e P C D t o o l w e a rm a i n l y oc c u r r e s i n t h e f l a n k f a c e ,a nd t h ewe a rf o r m s a r e a b r a s i v ew e a r a n d o x i d a t i o nw e a r .T h ew e a r a r e a c a nb e d i v i d e d i n t o t w ok i n d so fm o r p h o l o g y :p a r a l l e l g r o o v e s a n d s e v e r ew e a r .T h e l e n g t h o fw e a r r e gi o n i s i n c r e a s e d f a s t i n t h e f i r s t s t a g e .W h e n t h e c u t t i n g d i s t a n c e i s l a r g e r t h a n 1200m ,t h e c u t t i n g t o o l e n t e r s t h e n o r m a lw e a r s t a ge .B e s i d e s ,c h i p a c c u m u l a t i o n i nw e a r r e g i o na n d t o o l e d g ec h i p p i n g a p p e a r i nt h ec u t t i n gpr o c e s s .W i t h t h e i n c r e a s e o f c u t t i n g d i s t a n c e ,t h e r o u gh n e s so fm a c h i n e ds u r f a c e i n c r e a s e s f a s t .A n d t h em a x i m u m r o u g h n e s s i s a s 1.7μm w h e n t h e c u t t i n g di s t a n c e i s o f 600m.K e y wo r d s :i s o t r o p i c p y r o l y t i c g r a p h i t e ;p o l y c r y s t a l l i n ed i a m o n d (P C D )t o o l ;t o o lw e a r ;s u r f a c e r o u gh n e s s 收稿日期:20150121基金项目:国防基础科研计划支持项目0 引言各向同性热解石墨不仅具有传统碳质材料的共性优点,如耐高温㊁高导热/导电性㊁耐磨性和润滑性等,而且相对于碳/碳复合材料还具有气密性好㊁抗粘结性强㊁热膨胀系数低和对高低温交变的适应性良好[1‐3]等特点㊂目前,各向同性热解石墨已经成为机械密封领域中关键部件的首选材料,主要应用于航空航天㊁精密机械㊁核工程㊁医学等现代高科技行业,例如飞机的刹车盘㊁航空发动机涡轮轴间密封环㊁固体火箭发动机喷管喉衬部件㊁医学人工心瓣等[4‐5]㊂各向同性热解石墨材料属于脆性材料,硬度很高,在较小的弹性变形之后就会发生脆性断裂㊂另外,在各向同性热解石墨的制备过程中,由于设备㊁理论和工艺的不完善,在其内部的局部区域存在孔隙㊁夹杂硬质颗粒㊁裂纹等组织缺陷,这些组织缺陷会严重影响加工过程的稳定性和成品件的加工质量[6‐9]㊂各向同性热解石墨切削加工过程中的问题较多,主要集中在表面加工质量和形面精度低㊁边缘断裂和崩角现象严重㊁刀具磨损严重[3]等,其中,刀具磨损严重已经成为限制各向同性热解石墨广泛应用的瓶颈㊂国内外学者对石墨材料加工过程中刀具磨损机理进行了研究㊂钟启茂[10]研究了金刚石涂层㊃1272㊃聚晶金刚石刀具切削各向同性热解石墨过程中的磨损机理王奔刘东玺王明海等Copyright ©博看网. All Rights Reserved.刀具高速铣削石墨时的磨损形态与过程,发现金刚石涂层刀具的磨损形式为薄膜的破损脱落,较大的切削用量㊁切削过程中的交变载荷和交变应力㊁积屑瘤等因素是造成涂层薄膜脱落的主要原因㊂闫秋生[11]研究了A G 2陶瓷刀具和YG 类硬质合金刀具切削烧结石墨材料时的刀具磨损机理,发现磨料磨损和粘结磨损是刀具的两种主要磨损形式,磨损区域主要发生在刀具的后刀面㊂杨小璠等[12]研究了具有超细晶粒和粗晶粒金刚石涂层的双刃整体硬质合金铣刀加工G S K 高纯度石墨的刀具磨损情况,发现细晶粒的金刚石涂层刀具表面涂层性能良好,刀具磨损缓慢,刀具寿命是粗晶粒金刚石涂层刀具寿命的1.4倍,磨粒磨损㊁粘结磨损以及早期涂层脱落是刀具主要的磨损形式㊂魏莎莎等[13]研究了C V D 金刚石涂层刀具和硬质合金刀具切削石墨时的刀具磨损情况,发现硬质合金刀具在很短的时间内发生剧烈磨损㊂C V D 金刚石涂层铣刀在铣削石墨材料时表现出较高的耐用度和良好的抗黏着性,刀具寿命是未涂层的硬质合金刀具寿命的10~20倍㊂M a s u d a 等[14]研究了用硬质合金刀具切削石墨和热解碳时的刀具磨损问题,发现石墨材料发生脆性裂断,产生的石墨颗粒沿前刀面流出,刀具磨损区域主要在前刀面,磨损形式是月牙洼㊂C a b r a l等[15]研究了采用时效处理的C V D 金刚石刀具切削石墨的刀具磨损问题,发现刀具磨损区域主要在前刀面和后刀面,而且切削过程中产生的颗粒状石墨切屑会加速刀具磨损㊂聚晶金刚石(P C D )是高温超高压条件下通过钴等金属结合剂将金刚石微颗粒聚集烧结合成的多晶体材料[16]㊂由于金刚石微颗粒在空间上排列呈无序状态,所以聚晶金刚石的整体表现为各向同性,再加上硬度高且硬度均匀㊁热膨胀系数低㊁弹性模量高和摩擦因数小等诸多优点,使聚晶金刚石成为一种理想的超硬刀具材料㊂P C D 刀具刃口锋利,硬度高达8000M P a ,而且P C D 刀具前刀面比较光滑,表面粗糙度甚至可达0.1μm ,切屑可以很容易地沿前刀面流出㊂另外,P C D 刀具与非金属材料间的亲和力很小,从而可以避免切屑在前刀面大量堆积[17]㊂目前,P C D 刀具在非金属硬脆材料如高耐磨材料㊁复合材料㊁高硅铝合金及其他韧性有色金属材料的精密加工领域得到了广泛的应用[18‐21]㊂因此,P C D 刀具也是切削各向同性热解石墨的理想刀具㊂性热解石墨材料切削过程中P C 的研究较少㊂本文以P C D 刀具和硬质合金刀具车削各向同性热解石墨作为研究对象,重点分析了车削加工过程中P C D 刀具的磨损形式和刀具磨损规律,并研究了各向同性热解石墨表面质量变化规律㊂1 切削试验1.1 刀具和试件材料试验使用P C D 刀具和硬质合金刀具,前角为-20°,后角为5°,刀尖圆弧半径为2mm ,其中,P C D 刀具中金刚石微颗粒的粒度为10μm ㊂P C D刀具的形貌如图1所示㊂为了便于观察刀具的磨损情况,采用的是可装夹式的刀具(有利于保证每次测量前后刀具相对工件的位置保持不变)㊂试件材料为各向同性热解石墨,基本性能参数见表1㊂表2为能谱仪(E D S )分析的各向同性热解石墨化学元素成分结果㊂(a )P C D 刀具整体形貌(b)后刀面图1 P C D 刀具的形貌表1 各向同性热解石墨材料的基本参数密度(g/c m 3)肖氏硬度抗折强度(M P a)抗压强度(M P a)1.78110150250弹性模量(G P a )热膨胀系数(10-6/℃)热导率(W /(M ㊃K ))显微硬度(M P a )20.06.5050.0600表2 各向同性热解石墨材料的质量分数㊃2272㊃中国机械工程第26卷第20期2015年10月下半月1.2 试验条件切削参数设置如下:切削速度v c= 100m/m i n,切削深度a p=0.06mm,进给量f= 25μm/r㊂在车削试验的过程中,采用基恩士V H X‐2000型超景深三维显微系统观察刀具磨损区域的形貌,并记录刀具后刀面的磨损带宽度B 和磨损带长度d;采用X射线能谱仪(E D S)对加工后的P C D刀具磨损区域表面元素进行分析,同时采用拉曼光谱(HO R I B A,L a b R AM H R800)对P C D刀具后刀面存在的化合物进行分析;用T R240表面粗糙度仪检测已加工表面粗糙度,为了增加测量结果的准确性和有效性,每个取样点测量10次,然后取其算术平均值㊂2 结果与讨论2.1 刀具磨损形式各向同性热解石墨属于脆性材料,切削加工过程中产生的切屑与前刀面的接触距离很短,而且石墨切屑产生的塑性变形小,因此,P C D刀具前刀面磨损较小㊂图2所示为切削300m后刀具的磨损形貌㊂从图2a可以看出,当切削距离达到300m时,前刀面上磨损很小,在放大倍数为100的显微镜下观察不到任何磨损迹象㊂从图2b可以看到,后刀面磨损区域分布着深度和长度各异的磨损沟槽,沟槽的方向平行于切削方向,相邻两条沟槽之间的距离与金刚石微颗粒的粒度大小相当㊂同时,P C D刀具磨损区域可以分为严重磨损的A区域与平行沟槽的B区域两部分㊂此时硬质合金刀具的磨损情况如图2c㊁图2d所示㊂从前刀面来看,前刀面上没有发现明显的磨损迹象,圆弧形刀尖已经被磨损成直线形,线段的长度约521μm㊂与P C D磨损形貌相似,硬质合金刀具后刀面磨损区域也是平行沟槽状的磨损形貌,而且相邻两沟槽之间的距离变化较大㊂从刀尖区域的快速磨损来看,硬质合金刀具不适合作为各向同性热解石墨材料的切削刀具㊂由图2b可以看出,P C D刀具磨损区域的形状类似抛物线,而且可以分为严重磨损的A区域㊁平行沟槽的B区域两种存在差异的形貌㊂图3所示为石墨试件和刀具的相对位置㊂刀尖A区域是实际参与切削加工的刀具区域,该部分刀具切削刃及后刀面所承受的冲击载荷和切削应力都比较大,因此,A区域刀具磨损也比较严重;刀尖B区域实际参与切削加工过程的程度有限,该部分刀具的主要作用是修整已加工表面,刀具后刀面与试件之间的接触方式主要是滑动摩擦,在切(a)P C D刀具前刀面(b)P C D刀具后刀面(c)硬质合金刀具前刀面(d)硬质合金刀具后刀面图2 切削300m后刀具磨损区域的形貌削加工过程中产生的一些硬质颗粒难免会进入滑动摩擦副,从而对B区域刀具后刀面产生划擦”作用,因此,B区域刀具出现平行沟槽磨损现象㊂从P C D刀具的磨损形貌来看,P C D刀具的磨损形式之一是磨粒磨损㊂最初的后刀面磨损是由各向同性热解石墨中的球形硬颗粒碳㊁夹杂的㊃3272㊃聚晶金刚石刀具切削各向同性热解石墨过程中的磨损机理王奔刘东玺王明海等Copyright©博看网. All Rights Reserved.图3 刀具和试件相对位置硬质颗粒引起的磨损㊂随着切削距离的增加,后刀面上磨损更严重㊂这导致刀具后角减小,后角减小增加了摩擦阻力㊂另外,P C D材料烧结时所用的钴等金属结合剂也因为脆性断裂而失去其应有的作用,金刚石微颗粒就会脱离刀具表面[22‐23]㊂在交变载荷和交变应力的综合作用下,这些硬质颗粒在已加工表面和P C D刀具后刀面之间滚擦,并对P C D刀具的后刀面形成划擦”作用㊂通过检测,两条相邻沟槽之间的距离为9~12μm,结合P C D刀具中金刚石微颗粒粒度(10μm)可以看出,两者大小基本一致㊂因此,由磨损区域两条相邻平行沟槽的间距与金刚石微颗粒粒度的关系可知,金刚石微颗粒对P C D刀具后刀面的划擦”作用是形成平行沟槽磨损形貌的主要原因㊂随着金刚石微颗粒的持续脱落,后刀面将产生更剧烈的磨损㊂各向同性热解石墨的主要结构单元为球形颗粒状碳结构,由于球形颗粒状碳结构内部材料致密㊁石墨化程度低以及球形颗粒碳结构的尺寸较小等因素,导致球形颗粒的硬度比较高[8]㊂因此,石墨材料中的球形颗粒碳㊁夹杂的硬质颗粒也是造成P C D刀具后刀面平行沟槽磨损形貌的原因之一㊂硬质合金刀具后刀面平行沟槽状磨损形貌主要由夹杂的硬质颗粒㊁颗粒状切屑等硬质点造成㊂由于这些硬质点的尺寸大小不一,故形成的两平行沟槽的间距变化也比较大㊂为进一步研究P C D刀具的磨损机理,采用能谱仪(E D S)对刀具后刀面的表面化学元素进行分析㊂P C D刀具表面能谱分析的检测位置如图4a 所示,其中,1点为刀具基体即刀具基体,2点为B 区域即刀具平行沟槽磨损区域,3点为A区域即刀具表面产生严重磨损区域㊂图4b为图4a中第2点处的检测结果㊂结合能谱仪对P C D刀具后刀面的表面化学元素分析结果,P C D刀具表面C㊁O㊁C o㊁W四种化学元素的质量分数变化情况见表3㊂(a)P C D刀具表面元素分析检测位置(b)2点处的检测结果图4 能谱仪检测位置和检测结果表3 P C D刀具后刀面3个取样点化学元素的质量分数%取点序号C O C o W197.140.011.021.83299.050.070.270.61399.090.170.340.40从表3可以看出,P C D刀具磨损前后C㊁O 元素含量有所增加,C o㊁W元素含量有所减少㊂化学元素含量的变化表明P C D刀具在切削各向同性热解石墨的过程中发生了氧化磨损㊂切削速度为100m/m i n左右时,切削温度高达500℃,而且切削温度与切削速度成线性关系[14]㊂P C D刀具后刀面磨损区域和切削刃区域的温度则会更高㊂由于温度的升高,P C D刀具表面可能逐渐发生一系列氧化反应,如金属钴与氧气发生氧化反应生成氧化钴;金刚石颗粒与氧气发生氧化反应生成一氧化碳和二氧化碳;一氧化碳和金刚石颗粒发生氧化反应生成二氧化碳和石墨㊂其中对P C D刀具磨损影响最严重的是金属钴与氧气的氧化反应,金属钴元素在P C D刀具材料中充当结合剂的作用,由于氧化反应造成金属钴元素的流失,进而导致P C D刀具中金刚石微颗粒的大量脱落,刀具磨损也会更加剧烈㊂上述一系列氧化反应的化学反应式如下:C o+O2→C o3O4+C o OC(金刚石)+O2→C O+C O2C O+C(金刚石)→C O2+C(石墨)㊃4272㊃中国机械工程第26卷第20期2015年10月下半月Copyright©博看网. All Rights Reserved.2.2 刀具磨损规律为了研究P C D 刀具磨损规律,对刀具磨损区域进行了检测㊂图5a 为P C D 刀具后刀面磨损带长度d 和宽度B 的测量示意图㊂图5b ㊁图5c 所示为整个切削过程中P C D 刀具后刀面磨损带的变化情况㊂从刀具磨损带的宽度来看,刀具磨损速度变化趋势较稳定,且磨损速度一直减小㊂而从刀具磨损带的长度来看,切削初期,P C D 刀具磨损量急剧增大,切削距离s =1200m 时进入稳定磨损阶段㊂从图5b ㊁图5c 可以看出,切削距离达到4800m 之后,刀具磨损速度开始明显加快,即P C D 刀具磨损进入急剧磨损阶段㊂(a)刀具磨损测量示意图(b )P C D刀具后刀面磨损带宽度曲线(c )P C D 刀具后刀面磨损带长度曲线图5 后面磨损曲线随着切削距离的增加,后刀面上一部分A 区域逐渐被石墨切屑所覆盖㊂当切削距离达到5800m 时,切屑的覆盖区域已经接近切削刃,而且之前出现在磨损区域中较深的沟槽内也开始逐渐出现石墨覆盖现象㊂另外,平行沟槽磨损区域也开始变得模糊,有一部分平行沟槽已经完全消失㊂后刀面的磨损情况如图6a 所示㊂切削刃出现了连续微崩刃式的破损,而且微破损区域已经扩展到了前刀面上,如图6b 所示㊂在P C D 刀具施加的切削力的作用下,各向同性热解石墨材料以解理㊁崩碎形成小碎块的形式脱离试件,在已加工表面上形成不同大小和深度的凹坑,进而导致刀具和试件之间的接触不连续,即切削过程中存在着空切”阶段,而且各向同性热解石墨材料内部存在的气孔㊁裂纹等组织缺陷也会进一步造成切削过程的非连续性[6‐7,9]㊂因此,在切削加工过程中交变载荷和交变应力的综合作用下,P C D 刀具切削刃就会产生微裂纹,并在加工过程中逐渐扩展,最终导致P C D 刀具崩刃㊂另外,切削加工系统的颤振以及切削参数选择不当也可能是导致刀具崩刃的重要因素㊂(a)后刀面(b)前刀面图6 持续切削至5800m 时P C D 刀具的磨损变化情况切屑形状的变化与刀具的磨损过程紧密相关㊂为进一步研究刀具的磨损机理,对切削过程中的切屑形状进行了检测㊂各向同性热解石墨的切屑为颗粒状,且随切削距离的增加,切屑尺寸逐渐增大㊂切削距离分别为100m 和900m 时的各向同性热解石墨切屑形态如图7所示㊂可以看出,当s =100m 时,各向同性热解石墨切屑的最大对角尺寸约70~95μm ;当s =900m 时,各向同性热解石墨切屑的最大对角尺寸约200~250μm ㊂当s =100m 时,刀具具有较好的锋利性,切削时材料的变形区域相对较小,因此,产生㊃5272㊃聚晶金刚石刀具切削各向同性热解石墨过程中的磨损机理王奔刘东玺王明海等Copyright ©博看网. All Rights Reserved.的切屑尺寸较小;当s =900m 时,刀具磨损较严重,刀具与材料的接触面积较大,切削过程中材料的变形区域较大,导致产生的切屑尺寸较大㊂(a )s =100m(b )s =900m图7 各向同性热解石墨切屑形态各向同性热解石墨主要结构单元为球形颗粒状碳结构,在沉积过程中就会因为相互搭接而形成一定孔隙(孔隙内分布着片状或者带状的石墨晶体)㊂石墨晶体是六角环形网格堆积而成的层状结构,层与层之间的结合力很弱㊂因此,石墨与后刀面摩擦的过程中,石墨晶体容易发生层间解离,形成碎断的石墨鳞片并黏附在刀具后刀面的磨损区域上[2]㊂这也解释了C 元素参与上述一系列氧化反应后质量反而增加的原因,O 元素的质量分数则由于钴㊁钨等元素的减少而相应地增加㊂为了验证切削过程中发生了石墨转移现象,采用拉曼光谱(HO R I B A ,L a b R AM H R 800)对刀具磨损区域表面存在的化合物进行分析㊂结果如图8所示,石墨峰的出现证明了P C D 刀具后刀面磨损区域石墨的存在㊂2.3 加工表面质量切削距离不同时的各向同性热解石墨加工表面形貌如图9所示㊂当s =100m 时即切削初期,P C D 刀具切削刃相对锋利,加工表面质量好,已加工表面平滑且凹坑深度小㊂当s =600m 时,刀具磨损愈加严重而且此时石墨转移不充分,加工表面质量差,表面出现较大的凹坑㊂当s =1500m 时,石墨切屑在P C D 刀具后刀面达到了充分黏附,一方面延缓了刀具磨损,另一方面改变了图8 P C D 刀具表面成分分析结果刀具与试件之间的摩擦性质,加工表面质量有所改善㊂(a )s =100m(b )s =600m(c )s =1500m图9 试件加工表面形貌为进一步检测加工表面质量,对石墨表面轮廓及表面粗糙度进行了分析㊂切削距离分别为600m 和1950m 时,P C D 刀具加工得到的各向同性热解石墨试件表面微观形貌如图10所示㊂选取图10中A 点为测量起点,B 点为测量终点,图10b 所示为A ㊁B 两点连线的表面轮廓曲㊃6272㊃中国机械工程第26卷第20期2015年10月下半月Copyright ©博看网. All Rights Reserved.(a)轮廓测量位置(b)表面轮廓对比图10 加工表面的微观形貌线㊂从图10b 可以观察到,s =600m 时,P C D 刀具的加工表面分布着较大的凹坑和凸峰,起伏范围也比较大,加工表面的最大高度差为105μm ;s =1950m 时,P C D 刀具的加工表面质量明显变好,加工表面的最大高度差为20.15μm ,无论是凹坑的深度还是凸峰的高度相比s =600m 时的加工表面都要小且分布比较均匀㊂加工表面粗糙度R a 与P C D 刀具切削距离的关系如图11所示㊂切削距离小于600m 时,已加工表面粗糙度急剧上升,并在切削距离为600m 时达到了最大值1.7μm ,随后已加工表面粗糙度减小,当切削距离大于1200m 时,表面粗糙度呈现出波浪式变化趋势,上下变化的浮动值约0.4μm ,表明P C D 刀具具有良好的切削稳定性㊂图11 表面粗糙度与切削距离的关系切削初期,P C D 刀具磨损非常快,导致表面粗糙度R a 急剧增大㊂随着切削距离的增加,石墨切屑开始黏附堆积在P C D 刀具的磨损区域㊂当s >600m 时,滑动摩擦副关系由原来的P C D 刀具与石墨之间的摩擦变为石墨与石墨之间的摩擦,摩擦因数逐渐减小,已加工表面粗糙度也会相应地减小㊂但是,石墨切屑在P C D 刀具磨损区域的堆积并不是十分牢固,在切削加工过程中还会不断地从P C D 刀具上破损脱落,与此同时,新产生的石墨切屑还会在磨损区域再次堆积㊂当s >1200m 时,石墨切屑在P C D 刀具磨损区域的黏附堆积是一个动态变化过程,即堆积破损脱落再堆积,这也是导致已加工表面粗糙度呈现波浪式变化的原因㊂3 结论(1)P C D 刀具切削各向同性热解石墨材料时刀具磨损主要发生在后刀面上,磨损区域分为平行沟槽和严重破损两种存在差异的磨损形貌,相邻两沟槽之间的距离与P C D 刀具材料中金刚石微颗粒的粒度相当,约9~12μm ,磨损形式是磨粒磨损和氧化磨损㊂硬质合金刀具磨损非常快,作为各向同性热解石墨材料的切削刀具具有较大的局限性㊂(2)随着切削距离的增加,P C D 刀具磨损区域的形状发生了明显变化,由抛物线向长方形演变㊂切削过程中还出现了石墨切屑在刀具磨损区域的堆积和P C D 刀具切削刃崩刃现象㊂(3)切削初期,已加工表面粗糙度值急剧增大,并在s =600m 时达到最大值1.7μm ㊂随后已加工表面粗糙度值减小并呈波浪式变化,这主要是因为石墨切屑在P C D 刀具磨损区域的动态黏附堆积改变了刀具与已加工表面之间的接触状态㊂参考文献:[1] W a n g M H ,W a n g W ,H u a n g S T ,e ta l .S t u d y on t h eM e c h a n i s mo fD i a m o n d W e a r i nP r e c i s i o nC u t -t i n g o f I s o t r o p i cP y r o l y t i cG r a p h i t e [J ].K e y E n g i -n e e r i n g M a t e r i a l s ,2012,499:168‐172.[2] 康晓峰.各向同性热解石墨切削机理研究[D ].沈阳:沈阳航空工业学院,2010.[3] 聂鹏,康晓峰,王明海,等.各向同性热解石墨超精密车削加工机理研究[J ].机械设计与制造,2011(6):177‐179.N i e P e n g ,K a n g X i a o f e n g ,W a n g M i n gh a i ,e ta l .S t u d y o nU l t r a ‐p r e c i s i o nT u r n i n g M e c h a n i s mf o r I -s o t r o p i cP y r o l y t i c G r a p h i t e [J ].M e c h a n i c a lD e s i g n a n d M a n u f a c t u r i n g,2011(6):177‐179.[4] 张淑娟,王俐.浅析热解石墨的制造与应用[C ]//中国电工技术学会碳石墨材料专业委员会第十五届学术会议.成都,1994:216‐219.㊃7272㊃聚晶金刚石刀具切削各向同性热解石墨过程中的磨损机理王奔刘东玺王明海等Copyright ©博看网. 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关于聚晶金刚石刀具粗磨和精磨的机理分析与研究

《装备制造技术｝ｏｓ２ｏ年第ｌ期２
擦作用去除是发生在当实际压强较小，刚石磨粒与ＰＤ金Ｃ
刀具金刚石层之间相互挤压和滑动，产生粘结、划、并刻摩擦
增大，则单位时间内摩擦作用去除的材料增大，即磨除率Ｑｗ
增大。
ＥｕｐｎＭａｕａｔｉｇＴｃｎｌｇ．２，０８ｑｉｍｅｔｎｆｃｒｅｈｏｏｙＮｏ１２０ｎ
关于聚晶金刚石刀具粗磨和精磨的机理分析与研究
孟祥凤
（苏州农业职业技术学院，江苏苏州２５０）１０８
摘要：究了ＰＤ刀具刃磨工艺和刃磨机理，研Ｃ建立了ＰＤ刀具刃磨机理及相应的刃磨模型。实验结果表明在粗磨过程中，Ｃ占主导作
塑性，较耐冲击；而后者，是以金刚石的ＣＣ键强固结构形式， —
１聚晶金刚石刀具刃磨机理
１１聚晶金刚石刀具刃磨机理．
将金刚石微粒固接在一起，ＣＰＤ复合片的金刚石层整体硬度极高，几乎没有塑性，极不耐冲击。根据以上金刚石砂轮与
（犁沟）。
（粗磨模型８）（）ｂ精磨模型
（）ＰＤ刀具精磨过程中，２在Ｃ占主导作用的去除机理，是砂轮中金刚石磨粒对ＰＤ刀具金刚石层的摩擦作用去除。摩Ｃ
图１ＰＤ刀具刃磨模型Ｃ
收稿日期：０８０ — ５２０ — ９０作者简介：盂祥风（６～）江苏徐州人，师，验师，方向：１３９。女，工程实研究机械制造工艺装备。

聚晶金刚石复合片高速、高效抛光机设计

第３１卷第４期２０２０年８月中原工学院学报ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＺＨＯＮＧＹＵＡＮＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹＯＦＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＶｏｌ．３１　Ｎｏ．４Ａｕｇ．２０２０　收稿日期：２０２０－０６－１０　基金项目：河南省教育厅科技攻关计划项目（１８２１０２２１０５２７）　引文格式：许华威，王文胜，金雪峰，等．聚晶金刚石复合片高速、高效抛光机设计［Ｊ］．中原工学院学报，２０２０，３１（４）：１１－１４．ＸＵＨｕａｗｅｉ，ＷＡＮＧＷｅｎｓｈｅｎｇ，ＪＩＮＸｕｅｆｅｎｇ，ｅｔａｌ．Ｄｅｓｉｇｎｏｆｈｉｇｈｓｐｅｅｄａｎｄｈｉｇｈｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｐｏｌｉｓｈｉｎｇｍａｃｈｉｎｅｆｏｒｐｏｌｙｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅｄｉａｍｏｎｄｃｏｍｐａｃｔ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＺｈｏｎｇｙｕａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０２０，３１（４）：１１－１４（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）．文章编号：１６７１－６９０６（２０２０）０４－００１１－０４聚晶金刚石复合片高速、高效抛光机设计许华威，王文胜，金雪峰，杨兴文（中原工学院工业训练中心，河南郑州４５０００７）摘　要：　为了解决传统聚晶金刚石复合片抛光机夹具旋转机构结构复杂、刚性差，摆动机构易磨损，抛光轮与夹具体冷却系统为开放式结构而导致冷却效果不理想，以及固定式夹具旋转机构在加工大直径复合片时耗时过长等问题，利用ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ三维设计软件，设计了一种大直径双工位聚晶金刚石复合片高速、高效抛光机。

该抛光机可实现抛光轮在高速自转的同时偏心摆动，其抛光轮与夹具体采用封闭式循环冷却系统，抛光线速度可提高至２４～２８ｍ／ｓ。

关　键　词：　聚晶金刚石复合片；抛光机；抛光加工中图分类号：　ＴＨ１２２文献标志码：　ＡＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７１－６９０６．２０２０．０４．００３聚晶金刚石复合片（ＰｏｌｙｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅＤｉａｍｏｎｄＣｏｍｐａｃｔ，ＰＤＣ）是金刚石微粒与硬质合金基体在高温（１４００～１７００℃）、高压（５～７ＧＰａ）下烧结而成的一种新型超硬复合材料。

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聚晶金刚石高速研磨实验研究许立福;刘涛;黄树涛;周丽【摘要】In this paper, both cases of with cooling jacket or not are comparatively studied. High-speed lapping experiments on the machining of PCD using resin bond diamond grinding wheel have been carried out. The effect of the lapping time, linear velocity and load pressure on material removal rate and lapping surface quality of PCD were evaluated.%通过实验对比研究了采用冷却套冷却和不冷却两种情况下,使用树脂结合剂金刚石砂轮高速研磨聚晶金刚石片时,研磨时间、研磨速度和研磨压力等工艺参数对聚晶金刚石片材料去除率及表面质量的影响规律.【期刊名称】《制造技术与机床》【年(卷),期】2012(000)012【总页数】4页(P173-175,178)【关键词】聚晶金刚石;高速研磨;金刚石砂轮【作者】许立福;刘涛;黄树涛;周丽【作者单位】沈阳理工大学机械工程学院,辽宁沈阳110159;沈阳理工大学机械工程学院,辽宁沈阳110159;沈阳理工大学机械工程学院,辽宁沈阳110159;沈阳理工大学机械工程学院,辽宁沈阳110159【正文语种】中文【中图分类】TG506.1聚晶金刚石（Polycrystalline Diamond简称PCD）是20世纪70年代以来发展起来的一种新型材料。

具有接近天然金刚石的硬度、耐磨性、化学性能稳定以及与硬质合金相当的抗冲击性［1］。

在现代工业、国防和高新技术等领域得到日益广泛的应用［2］，其中用于制造各种切削刀具是聚晶金刚石最具潜力的应用领域［3－5］。

这些应用都需要对PCD表面进行光整加工，而研磨是获得高质量PCD表面的加工方法之一。

传统的研磨分为干研和湿研，干研时，研磨区温度高，工件表面易产生硬度软化层;湿研时，冷却液直接作用在研磨区，对研磨表面产生侵蚀，不易获得镜面，而且研磨速度低，耗时长，效率低。

本文针对PCD研磨加工过程中存在的问题，自制了高速研磨实验台及冷却套夹具对其进行研磨和冷却，避免冷却液对研磨区的直接作用。

研究冷却和不冷却两种情况下，研磨工艺参数对PCD片材料去除率和研磨表面质量的影响，为进一步提高PCD的加工效率奠定了实验基础，对促进PCD的广泛应用具有重要意义。

1 实验条件（1）高速研磨实验台:自行研制的金刚石膜超高速研磨实验台，电主轴驱动，100～24 000 r/min无级变速，配有坚固的防护罩;砂轮为B型树脂结合剂金刚石，粒度325#，直径255 mm，最高转速5 000 r/min（研磨线速度57.57 m/s）。

（2）试样材料:φ13 mm×2 mm的PCD圆片，PCD层及硬质合金层厚度各1 mm。

（3）聚晶金刚石材料去除率的测量方法采用称重法，称重仪器:梅特勒－托利多AB104－L分析天平，可读性0.1 mg，最大称重110 g。

（4）表面粗糙度测量:TR200粗糙度仪。

2 实验方案由于初始PCD圆片的表面中心有凹陷，先在高精度平面磨床（MG7132）上使用粒度为100#的金刚石砂轮对其进行粗加工取平，粗加工后试样表面粗糙度为Ra0.13 μm左右。

为避免直接冷却时因急冷产生的较大热应力和冷却液直接接触研磨区对工件及砂轮的腐蚀，自制了冷却套式研磨夹具，套内通入循环水对PCD 片的冷却。

高速研磨及冷却原理如图1所示。

采用单因素实验法，研究冷却和不冷却两种情况下，研磨时间、研磨线速度和研磨压力对聚晶金刚石材料去除率及研磨表面质量的影响。

实验过程中，通过改变砂轮转速来改变研磨线速度，通过调整弹簧上方的压力调整螺钉来改变研磨压力，实验参数见表1。

表1 实验参数砂轮转速/（r/min）对应研磨线速度/（m/s）研磨压力/N研磨时间/min 3 000 34．54 31 3 3 500 40．3 37．5 5 4 000 46．05 44 10 4 500 51．81 50．5 5 000 57．57 57每组实验之前首先对砂轮进行修整，使其达到最佳研磨状态。

PCD片的材料去除量和表面粗糙度分别在研磨3 min、5 min时各测量一次，之后每隔10 min测量一次。

3 实验结果分析3．1 研磨时间对材料去除率及表面粗糙度的影响当研磨压力37．5 N，砂轮转速5 000 r/min时，材料去除率随时间的变化曲线如图2所示。

可以看出，不冷却时，研磨开始阶段材料的去除率较大，随后迅速下降，20 min左右时，材料去除率开始趋于平稳。

冷却时，材料去除率随时间的增加逐渐增大，增大趋势较平稳，20 min左右时，材料去除率达到最大值，然后有所下降，并在一定的时间范围内趋于平稳状态。

图3所示为表面粗糙度随时间的变化曲线，在冷却和不冷却两种情况下，表面粗糙度值均随着研磨时间的增加，先迅速减小，然后趋于平稳。

两者的主要区别在于研磨的前15 min左右，不冷却时的表面粗糙度减小趋势比冷却时大。

不冷却时，试件表面粗糙度在5 min左右就能达到镜面（Ra≤0.05 μm）;冷却时，约在10 min左右能达到镜面（Ra≤0.05 μm）。

在研磨15 min之后，冷却情况下的表面粗糙度值小于不冷却的情况，且两者的变化趋势基本一致。

出现上述现象的原因主要是，研磨开始阶段砂轮比较锋利，而且不冷却时的研磨区温度较高，高温一方面有利于提高材料去除率，同时也会加速砂轮的磨损，故材料去除率在研磨开始后很短的时间内达到比较大的值，表面粗糙度值也减小较快，然后趋于平稳。

冷却情况下开始时比较锋利的砂轮使得材料去除率较高，表面粗糙度值也减小较快，随着砂轮进入正常磨削阶段，材料去除率及表面粗糙度值趋于稳定。

3．2 研磨速度对材料去除率及表面粗糙度的影响图4为材料去除率与研磨速度的关系曲线（研磨压力44 N，采样时间间隔10 min）。

可以看出，在冷却和不冷却两种情况下，材料去除率均随研磨速度的提高而增加，冷却时的增大幅度更明显。

当研磨线速度低于46.05 m/s（即砂轮转速低于4 000 r/min）时，不冷却时的材料去除率较高。

而当研磨线速度高于46.05m/s时，冷却时的材料去除率较高。

图5为表面粗糙度与研磨速度的关系曲线（研磨压力44 N，采样时间间隔10 min），在冷却和不冷却两种情况下，表面粗糙度值均随研磨线速度的提高而减小。

在研磨线速度为34.54 m/s（转速为3 000 r/min），不冷却时的表面粗糙度值减小趋势较快，随着研磨线速度的提高，冷却时的表面粗糙度值明显小于不冷却时的情况。

这主要是因为在研磨线速度较低时，不冷却时的研磨区温度较高，有利于材料去除，而且开始时砂轮比较锋利，故材料去除率较高，表面粗糙度值减小也较快。

随着研磨线速度的提高，研磨区温度进一步升高，高温在提高材料去除率的同时也加剧了砂轮的磨损，砂轮磨损对去除率的抑制作用减弱了研磨线速度提高对去除率的促进作用，随着研磨线速度的提高，材料去除率的增大趋势减小。

在冷却情况下，研磨线速度较低时，研磨区温度较低，材料去除率较小，表面粗糙度值减小较慢，但砂轮的磨损小，能长时间保持锋利状态，随着研磨线速度的提高，材料去除率明显增大，表面粗糙度值也明显小于不冷却的情况。

3．3研磨压力对材料去除率及表面粗糙度的影响图6所示为PCD材料去除率随研磨压力的变化曲线（砂轮转速5 000 r/min，采样时间间隔10 min）。

从图6可以看出，冷却和不冷却两种情况下，材料去除率均随着研磨压力的增大而增加。

冷却时的材料去除率随研磨压力的增大幅度比不冷却时大。

当研磨压力小于40 N时，不冷却时的材料去除率较高。

而当研磨压力大于40 N时，冷却情况下的材料去除率较高。

图7所示为表面粗糙度随研磨压力的变化曲线（砂轮转速5 000 r/min，采样时间间隔10 min）。

从图7可以看出，冷却和不冷却两种情况下，表面粗糙度值均随研磨压力的增大而减小。

在研磨压力为31 N时，不冷却时的表面粗糙度值减小较快。

当研磨压力大于31 N时，冷却情况下的表面粗糙度值明显较小。

出现上述情况的主要原因是当研磨压力较小时，不冷却时的研磨区温度较高，有利于材料去除，材料去除率较高，表面粗糙度值减小较快。

随着研磨压力的增加，研磨区的温度进一步升高，高温加速了砂轮的磨损，在一定程度上抑制了材料去除率的增大，也使得表面粗糙度值减小变慢。

冷却情况下研磨区的大部分热量被冷却液带走，研磨区的温度不会过高，砂轮磨损慢，能较长时间保持锋利状态。

当研磨压力较小时温度对材料去除率的影响较小，材料去除率较低，表面粗糙度值减小较慢，随着研磨压力的增加，其材料去除率明显提高，表面粗糙度值明显减小。

4 结语通过实验研究了采用金刚石砂轮研磨聚晶金刚石时，研磨时间、研磨速度、研磨压力对材料去除率和表面粗糙度影响，得到如下结论:（1）PCD片的材料去除率随着研磨时间增加是先增大，后趋于平稳，研磨一定时间后又有所下降;随着研磨线速度和研磨压力的增大而增大。

当研磨线速度和研磨压力较小时，冷却时的材料去除率比不冷却时小;当研磨线速度和研磨压力较大时，冷却时的材料去除率比不冷却时大。

（2）PCD片研磨表面的粗糙度值随着研磨时间的增加、研磨线速度和研磨压力的增大而减小。

在研磨初始阶段及研磨线速度和载荷压力较小时，不冷却时的表面粗糙度值减小较快，随着研磨时间的增加及研磨线速度和研磨压力增加，冷却时的表面粗糙度值减小较快。

（3）采用冷却套冷却时的表面粗糙度值明显小于不冷却时的情况，说明设计的冷却套装置有利于聚晶金刚石的高速研磨加工。

参考文献［1］李颖，龙旭辉．金刚石聚晶的性能［J］．郑州工业学校学报，2001（4）．［2］王光祖．聚晶金刚石（PCD）在工业中应用［J］．超硬材料与工程，1996（3）．［3］邓福铭，陈启武．PCD超硬复合刀具材料及其应用［M］．北京:化学工业出版社，2003．［4］白清顺，姚英学．Gracezhang，等．聚晶金刚石加工刀具在中国的研究与发展［J］．机械工程师，2001（11）．［5］刘进，胡娟．金刚石聚晶的性能特征及应用［J］．磨料磨具通讯，2006（8）．。