工作台调定压力对刃磨聚晶金刚石刀具的影响

魔神

    

1 引言

聚晶金刚石(Polycrystalline Diamond ，简称PCD)是将金刚石微粉(粒度为微米级)与少量的金属粉末(如Co)混合后在高温(1400℃)高压(几个G帕)下烧结而成的聚晶体。聚晶金刚石具有其它刀具材料不可比拟的优良性能：①极高的硬度和耐磨性(比硬质合金及切削用陶瓷的硬度高几倍)；②高的导热性及低的热膨胀系数，使切削热容易散出，切削温度低，切削加工时不易产生很大的热变形；③较低的摩擦系数，可减小工件的加工表面粗糙度。而作为商品供应的PCD复合片，就是采用高温高压技术在硬质合金基体上烧结一层PCD，使二者形成一体的刀坯。PCD复合片兼具了PCD的高硬度、高耐磨性及硬质合金良好的强度和韧性，用其制作的PCD刀具在高速切削有色金属(及其合金)以及非金属材料时体现了良好的切削加工性能，被广泛用于汽车、航空、航天、建材等工业领域。

与此同时，PCD刀具具有的高硬度及高耐磨性也给刃磨带来了极大的困难。刃磨时磨除效率低、刃磨成本高，形成了PCD刀具推广的瓶颈。解决PCD的刃磨难题，对于加速PCD刀具的普及、提高切削加工效率、降低生产成本有着重要的现实意义。合理选择工艺参数是解决PCD刃磨问题的一个重要环节，而工艺参数中对刃磨影响最大的因素之一是工作台调定压力。因此，需要系统研究磨床工作台调定压力对PCD刃磨的影响。

2 刃磨试验

1. 试验设计
   1. 试验条件：采用FC2200D型PCD&PCBN专用刀具磨床，金刚石砂轮型号为6A2150×40×15×5W20 M100；试样为英国DeBeers公司生产的010型PCD复合片，尺寸为512×015×25mm。
   2. 工艺参数：取砂轮线速度为180m/min，进给量为2µm/摆，砂轮架摆动速度为40次/分钟；除调定压力在130N时出现退刀需修磨砂轮外，其余调定压力下每磨除0.05mmPCD复合片修磨砂轮一次；试件总磨削厚度为0.25mm；试验中分别取工作台调定压力F_a为130N、260N、325N、390N、455N和520N。
   3. 测量:记录试验时每次修磨砂轮后的磨削力，并测量对应每组调定压力下的PCD磨除率Q(单位时间内磨除PCD的体积)与磨耗比G(PCD磨除体积与砂轮损耗体积之比)，这两个量分别反应了刃磨效率和刃磨成本。
2. 试验结果
   1. 通过试验得到工作台调定压力与磨削力的关系曲线(见图1)。从图1可知：随着调定压力的增大，法向磨削力F_n和切向磨削力F_t均增大，且法向磨削力比切向磨削力大得多。

      图1 调定压力与磨削力的关系

      图2 砂轮修磨次数与磨削力的关系 (调定压力为130N时)

   2. 在试验中观察到，当调定压力为130N时，会很快出现退刀的情况，此时磨削力与砂轮修磨次数的关系如图2所示。随着刃磨的不断进行，法向磨削力F_n和切向磨削力F_t随砂轮修磨次数的增加均无太大变化。需要特别指出的是：与调定压力为130N时相比，调定压力为260N时的法向磨削力和切向磨削力反而变小。
   3. 试验所得工作台调定压力与磨除率、磨耗比的关系分别如图3a、图3b所示。由图3a可知:随着调定压力的增加，PCD复合片磨除率Q一开始随之增大；当调定压力为325N时，Q值达到最大；以后随着调定压力的继续增加，磨除率Q逐渐减小。由图3b可知磨耗比与砂轮调定压力的关系是:随着调定压力的增加，磨耗比G先呈逐渐增大趋势；当调定压力为325N时，G值达到最大；而后随着调定压力的继续增加，磨耗比G逐渐减小。也就是说:当调定压力为325N时，磨除率和磨耗比均出现峰值。

      (a)	(b)
      图3 调定压力与磨除率、磨耗比的关系 (调定压力为130N时)

3 结果分析

1. PCD刃磨机理
   在刃磨聚晶金刚石刀具时，砂轮与PCD材料之间通过极其复杂的摩擦、变形(甚至断裂)并伴随着力和热的作用实现PCD材料的去除。单个磨粒会在磨削过程中产生三种作用，即弹性摩擦挤压、脆性断裂去除和高温下的塑性变形。由于PCD材料的高弹性模量，弹性摩擦挤压阶段持续时间很短，且在温度很低时，由于PCD的高硬度，磨削中不会出现塑性变形。随着磨削的进行，当磨削力超过某个临界载荷时，磨粒周围的PCD表层将出现纵向和横向的脆性裂纹并不断扩展，出现局部材料碎裂、剥落，进入脆性断裂阶段。磨削继续进行，消耗的功率不断增大，产生大量的磨削热，使切削区温度升高，高温使PCD材料表层位错运动加强，硬度降低，在磨削力的作用下出现塑性变形，表现为在磨粒挤压和摩擦的作用下，磨粒侧面出现类似切削塑性金属材料时的隆起现象，在PCD表面形成犁沟。另外，聚晶金刚石经过高温高压的烧结过程后，由于金刚石与催化剂等元素有着不同的热膨胀系数，导致聚晶金刚石体内产生残余应力，残留一些微小裂纹以及不规则的空穴等缺陷。当磨削过程中产生的冲击载荷作用在PCD上时，这些缺陷对材料的破裂起着重要的作用。从热的方面来说，磨削过程中，砂轮磨粒与PCD表面产生剧烈的摩擦，根据摩擦学理论：滑动物体间摩擦力的产生实质上是一种能量消耗，而摩擦力是导致滑动界面上热效应的主要原因。由于金刚石的热稳定性差，当磨削区温度达到700℃时，可导致PCD表面碳化，金刚石表面有石墨生成。另外，金刚石在空气中燃烧，加速了PCD表面的去除。磨削过程中，PCD表面受到温升和冷却的反复交替作用，形成很大的热应力，也会诱发裂纹的产生和扩展。
2. 试验结果分析
   根据上述PCD磨削机理对试验结果作如下分析。
   调定压力实际上反映了工作台刀架的刚性。调定压力为130N时，由于工作台刀架刚性差，参与切削的有效磨粒数量少、实际的切入深度小，砂轮和PCD材料的接触为少量点接触，磨粒与PCD的相互作用为弹性摩擦挤压，磨削力主要为摩擦力和弹性变形抗力，此时的法向磨削力和切向磨削力都很小，每次PCD的进给量并没有被完全磨除掉。随着磨削的进行，进给量不断积累，磨粒实际切入深度不断增加，砂轮与PCD接触面积增大，有效切削磨粒增多，使法向磨削力不断增大，增大的法向磨削力又使摩擦力(即切向磨削力)不断增大。当法向磨削力增大到超过工作台调定压力时，工作台出现了退刀现象，此时PCD的磨削状态处于无进给的“光磨”状态，法向磨削力不再增大，摩擦力、切向磨削力也不再增大。由于试验中每次从磨削开始到出现“退刀”的过程基本一致，所以每次出现“退刀”时测到的法向磨削力和切向磨削力基本无变化，法向磨削力F_n维持在大于调定压力的某一数值附近。当调定压力大于130N时，随着调定压力的增大，有效磨粒数增加，砂轮与PCD复合片的接触面积不断加大，同时磨粒的实际切入深度增大，导致法向磨削力F_n不断增大。增大的接触面积和法向磨削力又使砂轮与PCD复合片之间的摩擦力、切向磨削力F_t增大。在这个过程中，虽然也有进给量的积累现象，但随着调定压力的增大，每次剩余的进给量越来越小，进给量积累速度变慢，在开始修磨砂轮时积累的进给量不会产生能使工作台出现退刀现象所需的法向力，即法向磨削力一直小于调定压力(F_na)。
   与调定压力为130N时相比，当调定压力为260N时对应的法向磨削力和切向磨削力变小，这是因为在调定压力为130N时进给量积累很大并且积累速度很快，到出现工作台退让现象时，实际的进给量已经很大；而调定压力为260N时，进给量积累较少，积累速度也较慢，到修磨砂轮时，实际进给量比在130N调定压力下要小得多，从而使磨粒实际切入深度较小，导致法向磨削力、切向磨削力比130N调定压力时要小。
   另外，当调定压力很小时，砂轮与PCD的实际接触为少量的点接触，磨粒的实际切入深度很小，此时PCD的去除只是砂轮在PCD表面上的滑擦去除，磨除率很低。随着调定压力的增大，磨粒的实际切入深度增大，引起法向磨削力F_n增大；当法向磨削力超过临界载荷时，PCD的去除方式变为脆性破裂去除，产生表层局部碎裂和剥落。调定压力的增大还使砂轮与PCD的接触点增多，在施加冷却液的情况下，这些点为局部高温点，容易石墨化和氧化，故由热引起的局部点蚀加强。同时，在切向磨削力F_t增大、其他条件不变的情况下，使磨削功率增加，这时用于磨削PCD复合片的能量增加，导致磨削热增大，磨削区温度升高。这一方面导致PCD表层硬度下降，产生塑性变形、出现犁沟，金刚石石墨化、氧化及热应力作用去除增强，另一方面使PCD表层原子位错运动加强，增大的磨削力引起拉应力增大，使横向裂纹扩张，当裂纹出现搭接时，产生PCD表层局部剥落。高温时金属溶媒还加速了金刚石的石墨化转变，并且由于金属溶媒和金刚石有着大小不同的弹性模量，切向磨削力增大引起冲击载荷的作用加强，容易使晶界处的残留裂纹扩展，当裂纹扩展到一定程度，也会产生晶粒脱落。上述力和热综合作用的加强使磨除率Q增大。在这个过程中，砂轮也经受着机械和热作用下引起的磨损和破损:机械作用主要表现在磨粒的磨损、断裂甚至整体脱落，热的作用表现在温度升高引起砂轮表面金刚石磨粒的氧化和石墨化。因此，砂轮的磨损也随着调定压力的增大而增大。但由于砂轮磨粒在磨削的大部分时间处于不工作状态，砂轮磨损增大速度不如PCD磨除增大速度快，因此磨耗比G也随调定压力的增大而增大。但调定压力过大(>325N)时，PCD复合片表面金刚石晶粒对砂轮表层工作磨粒的反切削作用加强，法向磨削力超过金刚石砂轮的硬度或磨粒的断裂强度时会加剧砂轮表层有效磨粒的整体脱落或有效磨粒的断裂，热引起的砂轮表层温度不断升高使有效磨粒石墨化和氧化的加剧，都使砂轮损耗加快，有效磨粒变少，砂轮表层形貌由参差不齐的磨粒分布变为磨粒钝化后较平整的表面，砂轮与PCD接触面积增大，法向磨削力与切向磨削力均继续增大，而磨粒的切削深度变小，材料的机械去除只保留在弹性摩擦挤压状态，导致PCD复合片的磨除率Q和磨耗比G下降。综上所述，在调定压力为325N时，磨除率Q和磨耗比G都达到峰值，在这个调定压力下进行PCD刀具刃磨，能得到较高的刃磨效率和较低的刃磨成本。

4 结论

根据以上磨削试验及结果分析，可得到如下结论：

1. 工作台调定压力对PCD的刃磨有很大影响；当调定压力为325N时，能获得最优磨除率和磨耗比，即得到最高的磨除效率和最低的刃磨成本。
2. 工作台调定压力越大，法向磨削力F_n和切向磨削力F_t越大，磨床消耗的功率越大，磨削热导致的磨削温度升高越快，此时由热作用引起的PCD的去除以及砂轮的损耗变大，当砂轮变钝后，PCD的去除和砂轮的损耗主要由磨削热引起。

通过试验研究得到的磨床工作台调定压力最优值为综合研究各工艺参数对PCD磨削的影响以及优化工艺参数打下了基础。

【MechNet】