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 聚晶金刚石刀具制造的关键技术

聚晶金刚石刀具制造的关键技术

作者:admin    来源:磨商网    发布时间:2020-05-08 15:24    浏览量:

        聚晶金刚石刀具的关键制造技术是刃磨工艺,由于聚晶金刚石(PCD)具有接近单晶金刚石的硬度与耐磨性,使刀具的刃磨相当困难,主要体现在材料磨除率小,砂轮损耗大,刃磨效率低与刃口呈锯齿状。PCD刀具的刃磨工艺困难性已成为其推广应用的障碍之一,为了突破这一瓶颈,国内外学者作了大量研究开发工作。但是迄今为止,任何PCD刀具的刃磨工艺都无法加工出ρ≤1μm的锋锐刃口,因此难以达到超精密镜面切削加工的要求。优点是制造成本可大大低于单晶金刚石刀具。

  

  PCD刀具的主要刃磨方法目前用得最多的是放电刃磨(EDG)和金刚石砂轮机械刃磨。

  

  1.放电刃磨

  

  (1)放电刃磨的机理

  

  放电刃磨是通过在电介质分离的砂轮电极与刀具电极间放电产生瞬时高温,将PCD材料中的金属相熔化和气化,同时也可将部分金刚石晶体中的碳原子从晶格中轰逸。刃磨PCD刀具时,由于金刚石不导电,所以刀具电极即为PCD中的金属相构成的导电网络。由此可见放电刃磨实质是热蚀加工过程。由于放电刃磨的温度瞬时可高达8000~12000℃,因此PCD刀具刃磨时可能引起金刚石周边晶体的热损和石墨化,尤其在PCD与硬质合金基体的界面处侵蚀速度更快,这是放电刃磨的主要缺陷。由于放电刃磨是一种非接触刃磨过程,磨削力小到可忽略不计,故刃磨效率很高。

  

  (2)放电刃磨的设备

  

  放电刃磨时,通常采用碳氢化合物作为砂轮电极与刀具电极间的电介质,工作电压一般为直流80~200V,砂轮电极采用铜、钨、石墨等导电材料。根据刃磨时的位置,放电刃磨可分为圆周(线)放电刃磨和端面(轮)放电刃磨。在端面放电刃磨中,砂轮旋转还需左右摆动。脉冲电源是影响刃磨效率和刃磨质量的关键设备。德国Vollmer公司的七轴数控六轴联动的QWD760就是圆周放电刃磨机床,可以加工各种形状曲面的PCD刀刃;QM110则是端面放电刃磨机床。

  

  国外学者对PCD放电刃磨技术作了大量的试验研究,英国学者T.B.Thoe等人得到下列结论:

  

  ①、 对于细晶粒PCD刀具,端面放电刃磨可获得较好刃口质量;对于粗晶粒PCD刀具,圆周放电刃磨可获得较好刃口质量。

  

  ②、 增大电流、电压或脉冲宽度,可增大磨除率,但同时会导致PCD刀具表面产生更深更宽的裂纹。

  

  ③、 细晶粒PCD容易放电,砂轮电极磨损量小,放电中脱落的晶粒平均尺寸等于晶粒尺寸,故刃口质量较好。

  

  ④、 粗晶粒PCD与硬质合金交界面的侵蚀程度较大。

  

  另外,德国学者E.Beck等人认为:脉冲电源及刃磨工艺步骤对放电刃磨的质量有较大影响。

  

  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,但可获得良好的刃口质量和完整光洁的刀面。

  

  (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。通过对刃磨后的PCD刀具用扫描电子显微镜(SEM)观察其表面的微观形貌后得出结论:金刚石砂轮在磨削PCD刀具的过程中发生了刻划和滑动、摩擦和挤压、化学反应和微小散裂。当砂轮与PCD接触的瞬间,磨削力突然增大,剧烈的机械冲击易使表面产生微小裂纹,只有当磨削深度和磨削压力较大时才会发生PCD碎片剥落。当进入稳定磨削期间,由于砂轮的金刚石磨粒不断在PCD表面上进行刻划、挤压和摩擦,当压力达到一定程度时,PCD表面上的初期微小裂纹越来越大,直至剥落。当磨削继续进行,磨粒钝化使磨削温度达到金刚石石墨化临界值时,PCD会发生石墨化和其它化学反应。因此,机械刃磨PCD刀具的去除材料方式主要是刻划、摩擦、化学反应和微小片状剥落。

  

  (2)机械刃磨设备

  

  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,即要求:①砂轮主轴和回转工作台以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,弹性变形减小到最少;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,实现在机测量刀尖圆弧R和角度;④机床工作台面和回转工作台直线进给数值由光栅显示,示值精度达1μm;⑤采用特殊的专用金刚石砂轮。瑞士EWAG-RS系列和台湾远山机械生产的FC-200D/500D能基本满足PCD刀具机械刃磨的需要。

  

  德国学者M.Kenter通过大量试验,得出下列结论:①为使杯状金刚石砂轮径向磨损均匀,应使砂轮与刀具的重合度≥1,通过调节刃磨机床砂轮摆动的振幅和频率可达到这一要求;②砂轮旋转速度VC、恒定压力FA和PCD材料的粒度,将会影响磨除率和磨耗比的大小,因此实际加工时可改变VC和FA来提高刃磨效率、降低刃磨成本;③砂轮的粒度、硬度、结合剂种类和冷却液浓度等均对磨除率和磨耗比有一定影响。

  

  3.PCD刀具的设计

  

  PCD刀具的设计应遵循下列原则:①前角大小应根据工件材料的物理力学特性和刀具制作工艺的难易程度来合理选择;②后角根据已加工表面质量要求的高低,特别是表面粗糙度、微观形状精度和弹性变形量的大小来巧妙合理组合;③刀尖R的大小应根据不同工件材质、切削加工余量、表面光亮度、切削力大小和工艺系统刚性来正确选用;④主偏角应根据工艺刚性、切削力大小、切削温度高低综合选择;⑤刃倾角应根据刀尖强度、排屑方向、刀刃锋利度等正确设计。总之,PCD刀具几何参数的设计应根据切削加工要求、工件材料、切削条件和切削用量、制造设备的精度等综合考虑,最终应体现在刀具的刃口既锋利又强固;加工质量要好,刀具寿命要长。

 

 

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