聚晶金刚石复合片的电火花线切割机理与形貌
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1. 喷嘴 2. 钼丝 3. 聚晶金刚石层 4. 富钴界面层 5. 硬质合金层 6. 脉冲电源 7. 导丝轮 图 1 PDC 电火花线切割模型
2 实验材料 、设备及方法
2. 1 实验材料与设备 采用 苏 州 沙 迪 克 三 光 机 电 有 限 公 司
D K7725e 电火花线切割机进行 PDC 电火花线切 割加工 。切割参数如下 : 脉冲宽度为 16μs 、峰值 电流为 2A 、进给速度为 4mm/ min 、占空比为 6 、 功放管 10 个 、运丝速度为高速 。采用韩国日进公 司生产的聚晶金刚石复合片 ,型号为 CCW ,直径 为 60mm ,聚晶金刚石层的金刚石微粉平均粒径 为 25μm 。 2. 2 实验方法
·672 ·
1 可知 ,由于金刚石 、碳化钨与金属钴的导电性与 热物理性能各不相同 ,其蚀除速度与蚀除机理各 异 ,因此有必要将 PDC 电火花线切割机理的讨论 与分析分为三个部分 ,即需分别探讨聚晶金刚石 层 、富钴界面层与硬质合金层的电火花切割机理 。
表 1 金刚石 、WC 与 Co 的热物理性能[ 12]
0 引言
聚晶金刚石复合片 (polycrystalline diamo nd co mpact s ,PDC) 是一种新型的超硬材料 ,通过在 高温高压条件下将金刚石微粉与用作催化剂的金 属均匀混合并烧结在硬质合金基体上制备而 成[1] 。PDC 以其极高的硬度与耐磨性以及良好 的焊接性能而被广泛应用于切削加工 、地质钻探 、 石材加工等领域的工具制备 ,而且航空业与汽车 业新材料 (如硅铝合金) 的不断开发又为 PDC 刀 具的应用提供了广阔的市场空间 。目前 ,国外商 品化的 PDC 直径一般为 50～70mm ,为了将 PDC 制备成各种切削加工用刀具或工具 ,对 PDC 进行 切割加工是必不可少的工序 。
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中国机械工程第 18 卷第 6 期 2007 年 3 月下半月
最大 ,与硬质合金层串联的电阻次之 ,与富钴界面 层串联的电阻最小 ,因此 ,在同样的脉冲电源作用 下 ,作用在三部分电极间隙上的电压降以富钴界 面层最大 ,硬质合金层次之 ,聚晶金刚石层最小 , 即作用在富钴层的单脉冲能量最大 、硬质合金层 的次之 、聚晶金刚石层的最小 。
1. Hunan U niversit y ,Changsha ,410082 2. Xiangtan U niver sit y ,Xiangtan , Hunan ,411105 Abstract :wire elect rical discharge machining ( W EDM) is widely accepted as an effective met ho d for PDC cut ting because of PDC’s excellent hardness ,abrasive resistance and so me elect ric co nductivi2 t y. Experiment s o n WEDM of PDC were carried o ut and t he model of W EDM of PDC was p ut forward too . After W EDM ,t he specimens were polished wit h fine abrasive paper s and diamo nd powders and t hen etched in aqua regia. To facilitate t he investigatio n , t he W EDM specimens were o bserved and an2 alyzed wit h scanning elect ro n micro scop y ( SEM) and Raman spect ro scop y. Based o n t he experimental findings , t he st udy discusses t he W EDM mechanism of t he PDC specimens. Key words : polycrystalline diamo nd co mpact ( PDC) ; wire elect rical discharge machining ; SEM ; grap hitizatio n
聚晶金刚石复合片的电火花线切割机理与形貌 ———张高峰 邓朝晖
图 2 王水腐蚀后聚晶金刚石层电火花线切割表面
图 3a 为抛光后的聚晶金刚石层拉曼光谱 , 从 图中可以看到明显的金刚石峰与微弱的石墨峰 , 说明 PDC 聚晶金刚石层内有石墨存在 。图 3b 为 聚晶金刚石层线切割表面的拉曼光谱 , 可以看到 明显的石墨峰 , 说明聚晶金刚石层在电火花线切 割过程中存在明显的石墨化现象 。金刚石在常温 常压下是一种碳的亚稳态结构 ,在真空条件下 ,当 温度达到 700 ℃时金刚石颗粒表层碳就开始发生 相变 ,转变成非晶碳 ,当温度达到 1600 ℃时 ,非晶
3. 1 聚晶金刚石层电火花线切割机理 在电火花线切割过程中 , 在微小的等离子体
压缩通道内 ,在极短的放电时间内释放巨大的脉 冲能量 , 等 离 子 体 压 缩 通 道 内 的 温 度 可 达 到 10 000 ℃左右 ,高温使通道内微小区域的工件材 料瞬时熔化与汽化 ,产生很大的膨胀力 ,称之为放 电爆炸力 。对于脆性材料的放电加工 , 放电爆炸 力造成材料局部区域的破裂或碎断也是材料去除 的一种方式 。津格尔蔓推导出的放电爆炸力公 式为[13 ]
参数 热导率 ( W/ (cm ·K) )
熔点 ( K) 汽化点 ( K) 热扩散率 (cm2/ s) 密度 ( g/ cm3)
金刚石 13. 8 1608 (相变) 5100 3. 114 3. 52
WC Co 0. 42 0. 65 3413 1765 6273 3173 0. 114 0. 187 15. 63 8. 71
3 实验结果讨论与分析
电火花线切割效果与工件材料的导电性及热 物理性能有关 ,金刚石 、碳化钨与金属钴的热物理 性能见表 1 。当材料导电性差时 ,其电阻率加大 , 消耗在工件材料上的电压降增大 ,作用在放电间 隙的电压降减小 ,从而降低了单个脉冲能量 。当 材料熔点与汽化点高时 ,单个脉冲能量蚀除材料 的体积减小 ,从而降低了电火花蚀除速度 。由表
1 PDC 电火花线切割模型
在 PDC 烧结过程中 ,硬质合金层的金属钴有 往聚晶金刚石层渗透的趋势 ,并在聚晶金刚石与 硬质合金层界面处形成几十微米厚的富钴层[11] , 这里我们称之为富钴界面层 。根据材料成分的不 同可将 PDC 分成三个部分 ,即低金属含量的聚晶 金刚石层 、主要成分是钴的富钴界面层与钴含量 较高的硬质合金层 。因此 ,可建立如图 1 所示的 PDC 电火花线切割模型 ( 该模型为侧面加电方 式) ,图 1 中分别在聚晶金刚石层 、富钴界面层与 硬质合金层电极上串联了一个电阻 ,电阻大小顺 序为 R1 > R3 > R2 ,即与聚晶金刚石层串联的电阻
单个脉冲的放电能量为
∫ W M =
te 0
u(
t)
i(
t)
dt
(2)
式中 , te 为单个脉冲实际放电时间 ; u ( t) 为放电间隙中随 时间而变化的电压 ; i ( t) 为放电间隙中随时间而变化的 电流 。
从式 (1) 、式 ( 2) 可知 , 脉冲前沿越短 , 脉冲宽 度越大 , 则单个脉冲能量越高 , 放电爆炸力越大 。 对于金刚石这样的脆性材料 ,其抗拉强度低 ,爆炸 冲击波所产生的拉应力是材料去除的一种方式 。
关键词 :聚晶金刚石复合片 ;电火花线切割机理 ;扫描电镜 ;石墨化 中图分类号 : TQ164 文章编号 :1004 —132X(2007) 06 —0671 —05
Cutting Mechanism and Surface Appearance of PDC with WEDM Zhang Gaofeng1 ,2 Deng Zhao hui1
P =β
ρW L t r tf
(1)
式中 , P 为放电爆炸力的最大值 ; β为 cp / cV 的复杂积分
函数 ; cp 为质量定压热容 ; cV 为质量定容热容 ;ρ为液体的
密度 ; tr 为脉冲前沿时间 ; tf 为放电脉冲密度 ; W L 为单位
放电柱长度上的能量 ,与单个脉冲的放电能量成正比 。
图 2 为经王水腐蚀后的聚晶金刚石层电火花线切 割表面的 SEM 照片 , 从图 2 中可以看到很多尺 寸为 3μm 左右的碎米状小凸点或小凹坑 , 形状极 不规则 ,远小于所采用 PDC 的金刚石颗粒直径 (平均尺寸为 25μm 左右) , 如果聚晶金刚石层的 金刚石完全是通过局部区域的熔化或汽化方式去 除 ,则金刚石颗粒表面会留下许多圆冠状小凹坑 。 图 2 所示的情况说明 , PDC 电火花线切割过程 中 ,部分金刚石因放电爆炸冲击波所产生的拉应 力作用而被去除 。
电火花线切割加工通过电极丝与工件之间局 部区域的脉冲放电来实现工件材料的切割加工 。 尽管电火花线切割加工是 PDC 切割加工常用的 方法之一 ,然而 ,目前有关 PDC 电火花线切割的 研究主要集中在脉冲电源的改进[2 ,3 ] 、工艺参数 的合理选择 ,以及各参数对切割质量与切割速度
收稿日期 :2006 —08 —28
聚晶金刚石复合片的电火花线切割机理与形貌 ———张高峰 邓朝晖
聚晶金刚石复合片的电火花线切割机理与形貌
张高峰1 来自百度文库 2 邓朝晖1
1. 湖南大学 ,长沙 ,410082 2. 湘潭大学 ,湘潭 ,411105
摘要 :开展了聚晶金刚石复合片 ( PDC) 的电火花线切割实验 ,提出了 PDC 的电火花线切割模型 。 通过扫描电镜与拉曼光谱仪对切割试件进行显微观察与成分分析 ,发现聚晶金刚石层表面存在明显石 墨化现象 ,而且聚晶金刚石层与硬质合金层之间的富钴界面层存在严重过量去除现象 。按聚晶金刚石 层 、富钴界面层与硬质合金层三个部分剖析了 PDC 放电蚀除机理 ,并对 PDC 的电火花线切割热损伤进 行了分析 。研究表明 ,解决富钴界面层的过量去除问题是提高 PDC 电火花线切割加工质量的关键 。
(a) 抛光后
(b) 线切割表面 图 3 聚晶金刚石层拉曼光谱
碳晶化转变成石墨[14] 。在等离子体压缩通道的 中心 ,其温度可高达10 000 ℃, 远超过了石墨汽化 温度 ,在等离子体压缩通道区域内的金刚石颗粒 表面可视为真空状态 , 金刚石的氧化反应去除可 忽略不计 。因此 , 在等离子体压缩通道内金刚石 的去除过程 ,首先是放电区域的表层金刚石产生 相变 ,转变为非晶碳或石墨 ,然后非晶碳或石墨层 通过汽化被去除或熔化状态的石墨被放电爆炸力
等的影响[4Ο10 ] 这些方面 ,而未见有涉及 PDC 电火 花线切割加工机理方面的报道 。笔者通过开展 PDC 电火花线切割加工实验 ,利用材料的显微分 析与检测手段分析试件形貌与热损伤 ,探讨了 PDC 电火花线切割加工机理 ,为 PDC 电火花线 切割加工质量的提高与工艺参数的合理选择提供 了理论基础 。
首先 采 用 D K7725e 电 火 花 线 切 割 机 进 行 PDC 电火花线切割加工 ,切割试件若干 ; 然后采 用细砂纸打磨 、金刚石微粉抛光与王水腐蚀等方 法分别对试件电火花线切割表面进行处理 ;再利 用扫描电镜与拉曼光谱仪对试件电火花线切割表 面进行显微观察与成分分析 ,剖析聚晶金刚石复 合片的电火花线切割机理与损伤机理 。
从熔池内抛出从而被去除 ,这是图 3b 拉曼光谱存 在明显石墨峰的原因 。
聚晶金刚石层由通过共价键直接键合的金刚 石颗粒与填充于金刚石颗粒间隙的金属钴 (质量 比约为 5 %～8 %) 组成 。金属钴在高能脉冲放电 作用下主要以熔化与汽化方式去除 , 而且蚀除效 率比金刚石蚀除效率高得多 。在 PDC 烧结过程 中 ,金属钴呈液态均匀渗透在金刚石颗粒间隙内 , 在电火花切割刚开始时 ,这些金属钴是 PDC 聚晶 金刚石层电火花切割加工的放电点 , 由于石墨是 电的良导体 ,当切割表面层金刚石全部转化为石 墨时 ,聚晶金刚石层的切割速度达到最大值 。因 此 ,刚开始切入 PDC 时切割速度极慢 , 而且容易 造成断丝 ,当钼丝切入 PDC 之后 , 切割速度就平 稳了 。
2 实验材料 、设备及方法
2. 1 实验材料与设备 采用 苏 州 沙 迪 克 三 光 机 电 有 限 公 司
D K7725e 电火花线切割机进行 PDC 电火花线切 割加工 。切割参数如下 : 脉冲宽度为 16μs 、峰值 电流为 2A 、进给速度为 4mm/ min 、占空比为 6 、 功放管 10 个 、运丝速度为高速 。采用韩国日进公 司生产的聚晶金刚石复合片 ,型号为 CCW ,直径 为 60mm ,聚晶金刚石层的金刚石微粉平均粒径 为 25μm 。 2. 2 实验方法
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1 可知 ,由于金刚石 、碳化钨与金属钴的导电性与 热物理性能各不相同 ,其蚀除速度与蚀除机理各 异 ,因此有必要将 PDC 电火花线切割机理的讨论 与分析分为三个部分 ,即需分别探讨聚晶金刚石 层 、富钴界面层与硬质合金层的电火花切割机理 。
表 1 金刚石 、WC 与 Co 的热物理性能[ 12]
0 引言
聚晶金刚石复合片 (polycrystalline diamo nd co mpact s ,PDC) 是一种新型的超硬材料 ,通过在 高温高压条件下将金刚石微粉与用作催化剂的金 属均匀混合并烧结在硬质合金基体上制备而 成[1] 。PDC 以其极高的硬度与耐磨性以及良好 的焊接性能而被广泛应用于切削加工 、地质钻探 、 石材加工等领域的工具制备 ,而且航空业与汽车 业新材料 (如硅铝合金) 的不断开发又为 PDC 刀 具的应用提供了广阔的市场空间 。目前 ,国外商 品化的 PDC 直径一般为 50～70mm ,为了将 PDC 制备成各种切削加工用刀具或工具 ,对 PDC 进行 切割加工是必不可少的工序 。
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中国机械工程第 18 卷第 6 期 2007 年 3 月下半月
最大 ,与硬质合金层串联的电阻次之 ,与富钴界面 层串联的电阻最小 ,因此 ,在同样的脉冲电源作用 下 ,作用在三部分电极间隙上的电压降以富钴界 面层最大 ,硬质合金层次之 ,聚晶金刚石层最小 , 即作用在富钴层的单脉冲能量最大 、硬质合金层 的次之 、聚晶金刚石层的最小 。
1. Hunan U niversit y ,Changsha ,410082 2. Xiangtan U niver sit y ,Xiangtan , Hunan ,411105 Abstract :wire elect rical discharge machining ( W EDM) is widely accepted as an effective met ho d for PDC cut ting because of PDC’s excellent hardness ,abrasive resistance and so me elect ric co nductivi2 t y. Experiment s o n WEDM of PDC were carried o ut and t he model of W EDM of PDC was p ut forward too . After W EDM ,t he specimens were polished wit h fine abrasive paper s and diamo nd powders and t hen etched in aqua regia. To facilitate t he investigatio n , t he W EDM specimens were o bserved and an2 alyzed wit h scanning elect ro n micro scop y ( SEM) and Raman spect ro scop y. Based o n t he experimental findings , t he st udy discusses t he W EDM mechanism of t he PDC specimens. Key words : polycrystalline diamo nd co mpact ( PDC) ; wire elect rical discharge machining ; SEM ; grap hitizatio n
聚晶金刚石复合片的电火花线切割机理与形貌 ———张高峰 邓朝晖
图 2 王水腐蚀后聚晶金刚石层电火花线切割表面
图 3a 为抛光后的聚晶金刚石层拉曼光谱 , 从 图中可以看到明显的金刚石峰与微弱的石墨峰 , 说明 PDC 聚晶金刚石层内有石墨存在 。图 3b 为 聚晶金刚石层线切割表面的拉曼光谱 , 可以看到 明显的石墨峰 , 说明聚晶金刚石层在电火花线切 割过程中存在明显的石墨化现象 。金刚石在常温 常压下是一种碳的亚稳态结构 ,在真空条件下 ,当 温度达到 700 ℃时金刚石颗粒表层碳就开始发生 相变 ,转变成非晶碳 ,当温度达到 1600 ℃时 ,非晶
3. 1 聚晶金刚石层电火花线切割机理 在电火花线切割过程中 , 在微小的等离子体
压缩通道内 ,在极短的放电时间内释放巨大的脉 冲能量 , 等 离 子 体 压 缩 通 道 内 的 温 度 可 达 到 10 000 ℃左右 ,高温使通道内微小区域的工件材 料瞬时熔化与汽化 ,产生很大的膨胀力 ,称之为放 电爆炸力 。对于脆性材料的放电加工 , 放电爆炸 力造成材料局部区域的破裂或碎断也是材料去除 的一种方式 。津格尔蔓推导出的放电爆炸力公 式为[13 ]
参数 热导率 ( W/ (cm ·K) )
熔点 ( K) 汽化点 ( K) 热扩散率 (cm2/ s) 密度 ( g/ cm3)
金刚石 13. 8 1608 (相变) 5100 3. 114 3. 52
WC Co 0. 42 0. 65 3413 1765 6273 3173 0. 114 0. 187 15. 63 8. 71
3 实验结果讨论与分析
电火花线切割效果与工件材料的导电性及热 物理性能有关 ,金刚石 、碳化钨与金属钴的热物理 性能见表 1 。当材料导电性差时 ,其电阻率加大 , 消耗在工件材料上的电压降增大 ,作用在放电间 隙的电压降减小 ,从而降低了单个脉冲能量 。当 材料熔点与汽化点高时 ,单个脉冲能量蚀除材料 的体积减小 ,从而降低了电火花蚀除速度 。由表
1 PDC 电火花线切割模型
在 PDC 烧结过程中 ,硬质合金层的金属钴有 往聚晶金刚石层渗透的趋势 ,并在聚晶金刚石与 硬质合金层界面处形成几十微米厚的富钴层[11] , 这里我们称之为富钴界面层 。根据材料成分的不 同可将 PDC 分成三个部分 ,即低金属含量的聚晶 金刚石层 、主要成分是钴的富钴界面层与钴含量 较高的硬质合金层 。因此 ,可建立如图 1 所示的 PDC 电火花线切割模型 ( 该模型为侧面加电方 式) ,图 1 中分别在聚晶金刚石层 、富钴界面层与 硬质合金层电极上串联了一个电阻 ,电阻大小顺 序为 R1 > R3 > R2 ,即与聚晶金刚石层串联的电阻
单个脉冲的放电能量为
∫ W M =
te 0
u(
t)
i(
t)
dt
(2)
式中 , te 为单个脉冲实际放电时间 ; u ( t) 为放电间隙中随 时间而变化的电压 ; i ( t) 为放电间隙中随时间而变化的 电流 。
从式 (1) 、式 ( 2) 可知 , 脉冲前沿越短 , 脉冲宽 度越大 , 则单个脉冲能量越高 , 放电爆炸力越大 。 对于金刚石这样的脆性材料 ,其抗拉强度低 ,爆炸 冲击波所产生的拉应力是材料去除的一种方式 。
关键词 :聚晶金刚石复合片 ;电火花线切割机理 ;扫描电镜 ;石墨化 中图分类号 : TQ164 文章编号 :1004 —132X(2007) 06 —0671 —05
Cutting Mechanism and Surface Appearance of PDC with WEDM Zhang Gaofeng1 ,2 Deng Zhao hui1
P =β
ρW L t r tf
(1)
式中 , P 为放电爆炸力的最大值 ; β为 cp / cV 的复杂积分
函数 ; cp 为质量定压热容 ; cV 为质量定容热容 ;ρ为液体的
密度 ; tr 为脉冲前沿时间 ; tf 为放电脉冲密度 ; W L 为单位
放电柱长度上的能量 ,与单个脉冲的放电能量成正比 。
图 2 为经王水腐蚀后的聚晶金刚石层电火花线切 割表面的 SEM 照片 , 从图 2 中可以看到很多尺 寸为 3μm 左右的碎米状小凸点或小凹坑 , 形状极 不规则 ,远小于所采用 PDC 的金刚石颗粒直径 (平均尺寸为 25μm 左右) , 如果聚晶金刚石层的 金刚石完全是通过局部区域的熔化或汽化方式去 除 ,则金刚石颗粒表面会留下许多圆冠状小凹坑 。 图 2 所示的情况说明 , PDC 电火花线切割过程 中 ,部分金刚石因放电爆炸冲击波所产生的拉应 力作用而被去除 。
电火花线切割加工通过电极丝与工件之间局 部区域的脉冲放电来实现工件材料的切割加工 。 尽管电火花线切割加工是 PDC 切割加工常用的 方法之一 ,然而 ,目前有关 PDC 电火花线切割的 研究主要集中在脉冲电源的改进[2 ,3 ] 、工艺参数 的合理选择 ,以及各参数对切割质量与切割速度
收稿日期 :2006 —08 —28
聚晶金刚石复合片的电火花线切割机理与形貌 ———张高峰 邓朝晖
聚晶金刚石复合片的电火花线切割机理与形貌
张高峰1 来自百度文库 2 邓朝晖1
1. 湖南大学 ,长沙 ,410082 2. 湘潭大学 ,湘潭 ,411105
摘要 :开展了聚晶金刚石复合片 ( PDC) 的电火花线切割实验 ,提出了 PDC 的电火花线切割模型 。 通过扫描电镜与拉曼光谱仪对切割试件进行显微观察与成分分析 ,发现聚晶金刚石层表面存在明显石 墨化现象 ,而且聚晶金刚石层与硬质合金层之间的富钴界面层存在严重过量去除现象 。按聚晶金刚石 层 、富钴界面层与硬质合金层三个部分剖析了 PDC 放电蚀除机理 ,并对 PDC 的电火花线切割热损伤进 行了分析 。研究表明 ,解决富钴界面层的过量去除问题是提高 PDC 电火花线切割加工质量的关键 。
(a) 抛光后
(b) 线切割表面 图 3 聚晶金刚石层拉曼光谱
碳晶化转变成石墨[14] 。在等离子体压缩通道的 中心 ,其温度可高达10 000 ℃, 远超过了石墨汽化 温度 ,在等离子体压缩通道区域内的金刚石颗粒 表面可视为真空状态 , 金刚石的氧化反应去除可 忽略不计 。因此 , 在等离子体压缩通道内金刚石 的去除过程 ,首先是放电区域的表层金刚石产生 相变 ,转变为非晶碳或石墨 ,然后非晶碳或石墨层 通过汽化被去除或熔化状态的石墨被放电爆炸力
等的影响[4Ο10 ] 这些方面 ,而未见有涉及 PDC 电火 花线切割加工机理方面的报道 。笔者通过开展 PDC 电火花线切割加工实验 ,利用材料的显微分 析与检测手段分析试件形貌与热损伤 ,探讨了 PDC 电火花线切割加工机理 ,为 PDC 电火花线 切割加工质量的提高与工艺参数的合理选择提供 了理论基础 。
首先 采 用 D K7725e 电 火 花 线 切 割 机 进 行 PDC 电火花线切割加工 ,切割试件若干 ; 然后采 用细砂纸打磨 、金刚石微粉抛光与王水腐蚀等方 法分别对试件电火花线切割表面进行处理 ;再利 用扫描电镜与拉曼光谱仪对试件电火花线切割表 面进行显微观察与成分分析 ,剖析聚晶金刚石复 合片的电火花线切割机理与损伤机理 。
从熔池内抛出从而被去除 ,这是图 3b 拉曼光谱存 在明显石墨峰的原因 。
聚晶金刚石层由通过共价键直接键合的金刚 石颗粒与填充于金刚石颗粒间隙的金属钴 (质量 比约为 5 %～8 %) 组成 。金属钴在高能脉冲放电 作用下主要以熔化与汽化方式去除 , 而且蚀除效 率比金刚石蚀除效率高得多 。在 PDC 烧结过程 中 ,金属钴呈液态均匀渗透在金刚石颗粒间隙内 , 在电火花切割刚开始时 ,这些金属钴是 PDC 聚晶 金刚石层电火花切割加工的放电点 , 由于石墨是 电的良导体 ,当切割表面层金刚石全部转化为石 墨时 ,聚晶金刚石层的切割速度达到最大值 。因 此 ,刚开始切入 PDC 时切割速度极慢 , 而且容易 造成断丝 ,当钼丝切入 PDC 之后 , 切割速度就平 稳了 。