聚晶金刚石刀具刃磨工艺:刀具刃磨更难
脉冲电源及刃磨工艺步骤对PCD放电刃磨的质量有较大影响。德国学者E.Beck等人对此作了大量试验研究。他们在VollmerQR20P专用火花放电工具磨床上分别采用普通型和改进型两种脉冲电源对PCD放电刃磨质量进行了对比试验研究,试验采用硅基合成油作为电介质,以石墨作为砂轮电极(负极),主轴转速为500r/min,样品材料去除量为0.5mm。此外,在Microspark200通用火花放电磨床上进行了刃磨工艺步骤对PCD刃磨质量影响的试验研究,试验采用刃磨PCD专用脉冲电源,并根据磨除量及刃磨后的刃口粗糙度将脉冲电源设置为5级;试验样品牌号为SynditeCTC002、CTB002、CTB010、CTB025,每种粒度PCD各取4件样品,试验中采用不同脉冲电源设置组合(即不同工艺步骤)进行刃磨,然后测量刃口及刀面粗糙度。通过试验得出如下结论:①脉冲电源的设计及可控性对刃磨质量可起到决定性作用,对比试验结果表明,配备改进型脉冲电源的工具磨床刃磨出的PCD样品的刃口及刀面粗糙度均接近金刚石砂轮机械刃磨的质量。②通过调节脉冲电源的设置进行多级刃磨,并合理分配每级磨除量比例及刃磨时间,可获得较高的刃磨质量。
2.2 金刚石砂轮机械刃磨
金刚石砂轮机械刃磨是目前使用最广泛的PCD刀具刃磨方法,与放电刃磨相比,其刃磨效率较低(磨除率约为1.5mm3/min)、加工成本较高(磨耗比约为0.02min3/min3),但可获得良好的刀具刃口质量和完整光洁的前、后刀面。
(1)刃磨机理
金刚石砂轮机械刃磨PCD刀具的机理比较复杂,国内外学者对此进行了大量研究,目前主要存在以下几种观点:
①德国学者M.Kenter认为,金刚石砂轮磨削PCD刀具的过程中发生了刻划作用和滑动作用,材料的去除方式主要为粘结、刻划、摩擦化学反应和表面断裂。用扫描电子显微镜(SEM)观察3种被刃磨工件PCD-1(粒度2μm)、PCD-2(粒度10μm)和PCD-3(粒度25μm)的表面微观形貌时,在PCD-1上可观察到犁沟,而在其它两种PCD工件上观察不到犁沟。因此Kenter认为:在绝大多数情况下,PCD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,即使在PCD-1上也不易观察到犁沟。由于PCD材料脆性大,在金刚石磨粒的挤压下容易诱发裂纹,裂纹在机械和热应力作用下扩展,最终导致小片PCD材料剥落,同时摩擦热会使PCD发生石墨化和其它摩擦化学反应。
②GE公司的K.J.Dunn等人用扫描电子显微镜对刃磨后的PCD复合片的表面微观形貌进行观察后认为,PCD材料的破坏机理主要为微观脆性破碎和疲劳破损。
③我国艾兴院士等人用开槽的金刚石砂轮磨削PCD,同时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,根据试验结果,将PCD材料的去除方式归纳如下:当砂轮与PCD接触的瞬间,磨削力突然增大,剧烈的机械冲击使PCD表面产生裂纹,甚至有碎片产生。
在稳定磨削期,砂轮磨粒在PCD表面上进行挤压和摩擦,当压力达到一定程度,PCD表面上会形成裂纹;当摩擦温度达到一定程度,PCD会发生石墨化和其它化学反应。通过实验发现,用开槽的金刚石砂轮进行磨削时,由于磨削力不连续,加之冷却液的周期冷却作用,有利于裂纹扩展,从而使开槽砂轮比非开槽砂轮的磨削效率高1~2倍。
(2)刃磨设备
PCD材料的特性决定了对PCD刀具刃磨机床的要求不同于普通工具磨床,即:①要求砂轮主轴及机床整体具有很高的刚性和稳定性,以保持刃磨时砂轮对PCD材料的恒定压力。②砂轮架可作横向摆动,以保证砂轮端面磨损均匀;砂轮架的摆动频率和摆动幅度可调。③机床上应配置光学投影装置和高精度回转工作台。④应采用专用金刚石砂轮。
