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       聚晶金刚石(PCD)具有接近天然金刚石的硬度和耐磨性。聚晶金刚石复合片(PDC)是PCD与硬质合金经高温高压复合而成的一种新型刀具材料,在汽车、航空、航天、建材等领域被广泛应用于有色金属、合金、非金属等材料的精密加工 [1] 。

       PCD本身的高硬度、高耐磨性给其加工带来了很大困难。目前PCD复合片的表面精整加工主要是以研磨为主,但由于PCD本身具有与金刚石磨料相近的性质,因而与普通材料的研磨加工有很大的不同,其研磨机理、研磨工艺均有自身的规律。本文对PCD研磨机理进行了初步探讨,并通过大量试验,分析了研磨工艺参数对PCD研磨效率和研磨质量的影响。

       1.试验条件

       试验设备:单面加压研磨机。该设备配置了转数计数器,可间接计算研磨时间;配置了气动加压装置,可显示研磨压力;配置了砂泵及搅拌装置,可实现研磨粉与研磨液的均匀混合及循环供应。

       研磨工具:球墨铸铁研磨盘。

       试件:美国GE公司提供的PDC。

       磨粉:聚晶金刚石微粉。

       为使PCD层能均匀去除,保证层厚一致,研磨机每个压头下同时研磨厚度相同的同系列(同粒度微粒合成)的PCD复合片。

       2.PCD研磨机理初步探讨

       在研究研磨参数对研磨质量和研磨效率的影响之前,有必要对PCD的研磨机理进行初步探讨。对于普通材料的研磨,一般认为研磨过程是磨粒微刃的切削作用、被研磨工件表面微小起伏的塑性流动、表面活性物质的化学作用及研磨工具堵塞物与工件表面划擦作用的综合结果[2]。

       对于聚晶金刚石这种超硬材料,主要是机械作用和疲劳脆性去除,且机械去除为主要去除方式。在研磨初期,工件表面粗糙,金刚石晶粒突出,快速移动的磨粒极易着力,促使金刚石晶粒之间粘结部位(或D-D结合)应力集中,而此部位结合相对薄弱,易发生沿晶断裂,使金刚石微粒发生整体松动并脱落;但随着工件表面粗糙度降低,晶粒微粒脱落减少。此外在研磨过程中,锋利的磨粒以较高速度和适当的切削力划过PCD表面,对表层金刚石晶粒产生大量损伤性划痕,这也是PCD材料机械去除的重要方式[3]。

       英国学者Cooper[4]曾通过试验指出:金刚石在冲击载荷的循环作用下,产生裂纹的应力值大大低于所需的静应力。研磨过程中PCD表面承受交变冲击载荷,因此将会产生疲劳脆性去除。

       对PCD表面研磨通常采用研磨盘加游离研磨粉,分湿研磨和干研磨。所谓湿研磨是将研磨粉与研磨液混合,同时加入研磨区,研磨产生的摩擦热大部分被研磨液带走,研磨区温度迅速降低,但仍有局部高温接触点,使PCD材料发生氧化、石墨化等热化学去除,湿研磨PCD表面去除方式以疲劳脆性去除为主,同时伴有局部热化学去除。所谓干研磨是研磨区只加入研磨粉。干研磨时,研磨区无研磨液,PCD表面产生的摩擦热只能通过研磨盘和工件扩散出去,研磨区平均温度高。高温致使PCD表面发生氧化、石墨化等,高温对PCD表面还有一定的软化作用,这些共同作用对PCD层产生化学和机械热去除,干研磨PCD表面去除方式以氧化和石墨化去除为主。

       图1~图3所示分别为PCD未研磨、湿研磨及干研磨表面形貌的SEM照片[5]。从图2可看出,湿研磨PCD表面虽也有凹凸不平,但与未研磨表面凹凸状态完全不同,明显存在大量的剥落坑,这种现象说明了PCD表面发生了疲劳脆性去除。从图3可看出,干研磨PCD表面呈平滑形貌,基本无剥落坑,说明干研磨时PCD材料发生疲劳脆性去除很少。疲劳脆性去除是PCD颗粒一层层剥落,而氧化和石墨化去除是PCD颗粒的表层发生热化学变化,显然湿研磨的去除效率高于干研磨,本试验以效率优先,因此,我们选择湿研磨方法。

       研磨工艺参数分析

       过去PCD表面研磨工艺参数的选择主要是根据操作者的经验,研磨质量和研磨效率都依赖于操作者的水平与经验,从而导致效率低、成本高、质量不稳定,因此有必要对研磨工艺参数与研磨质量和效率之间的关系进行研究。

       3.1研磨工具

       研磨工具的选用直接关系到研磨的质量。本试验选用球墨铸铁研磨盘作为研磨工具。铸铁具有良好的经济性、耐磨性、可加工性以及嵌砂性能,铁还是一种聚晶金刚石合成触媒,在研磨产生瞬间高温状态下可促使金刚石石墨化。在研磨盘上开一定数量和形状的槽,槽的形状有菱形、放射线、螺旋线等,其作用是贮存研磨粉,避免工件塌边及保持良好的散热,本试验选取的球墨铸铁研磨盘表面开菱形沟槽。

       3.2研磨粉

       研磨粉与研磨液混合成研磨剂。循环泵的搅拌作用使研磨粉与研磨液均匀混合并悬浮于研磨液中,研磨液起到冷却和润滑的作用。研磨粉的粒度对研磨效率和研磨质量有重要影响。试验表明,同一系列(用同粒度微粒合成)的PCD复合片,用粗粒度的研磨粉加工比细粒度的研磨粉研磨去除效率高;不同系列(用不同粒度微粒合成)的PCD复合片采用同一粒度研磨粉加工,效果不同。图4所示为不同系列PCD复合片在其他条件相同时,研磨去除量与研磨粉粒度粗细的关系。

       要提高研磨效率选粗粒度的研磨粉较好,但是研磨粉粒度粗时PCD表面粗糙度大,因此精研磨时应选取细粒度研磨粉来降低PCD表面粗糙度。另外,研磨剂要含有足够浓度的研磨粉,浓度太低研磨盘上研磨粉密度不够会使PCD表面与研磨盘直接接触,使摩擦力增大,PCD表面产生过高的热量,这会影响PCD表面研磨质量,也会造成研磨盘不均匀磨损;当然,研磨粉浓度增大,PCD层去除效率提高,但成本也随之加大。实际生产中,要根据加工余量确定合适的研磨粉浓度,从而使成本和效率达到最佳匹配。

       3.3研磨速度和研磨轨迹

       研磨运动中,研磨速度和研磨轨迹对研磨质量和效率的影响密不可分,故将其一起讨论,单面加压研磨机运动原理如图5所示 [6] 。研磨时,研磨运动轨迹和研磨速度都有一定的要求[7]:研磨运动轨迹是周期性的,其运动方向在每一瞬时都不断改变,以保证被研磨工件表面获得均匀无主导方向的研磨条纹,使研磨条纹充分交错,这样有利于降低表面粗糙度;工件研磨运动应力求平稳,避免曲率过大的转角;研磨运动轨迹应遍及整个研磨盘表面,以利于研磨盘相对均匀磨损,保证工件平面度。

       工件的运动速度应尽可能均匀,最大速度和最小速度之差应尽可能小;研磨运动在其轨迹上曲率半径较小的拐点处速度应最小,运动速度和方向不应有突变,避免冲击产生抖动。在一定条件下(即研磨盘转速允许范围内),研磨速度与研磨效率成正比,研磨速度提高,研磨效率相应提高。但当研磨速度过高时,在一定研磨压力下,摩擦热提高,研磨液挥发加快,PCD表面的疲劳脆性去除减少,氧化和石墨化去除增加,研磨效率反而降低,同时运动平稳性降低,研磨盘急剧磨损,影响研磨精度。此外,过高的研磨速度会使加工区的研磨粉所受离心力加大,从而使大部分研磨粉被甩离加工区,不能进入工件与研磨盘之间参与加工,造成研磨粉利用率降低。

       3.4研磨时间

       研磨时间是通过研磨机配置的转数计数器显示的转数值与研磨盘角速度的比值间接得到的。试验在投入研磨粉的数量和规格相同的条件下进行,试验过程中,每隔一段时间测量一次工件尺寸,根据测量结果得到研磨去除量与研磨时间的关系曲线(图6)。由图可知,在研磨初期,PCD层去除量很小,因为前期研磨粉被破碎和向铸铁盘镶嵌,对PCD表面产生损伤性划伤作用少。随着研磨的继续,大量的研磨粉进入加工区,切削作用增强,故中期研磨去除量最大,到了后期研磨粉颗粒失去锐利,去除作用减弱并逐渐失效,摸索研磨加工时间与研磨粉失效关系可确定新研磨粉投入的时机和投入量,充分发挥研磨粉的有效作用,避免无效做功,提高研磨效率。

       3.5研磨压力

       一般来说,在研磨剂浓度和研磨盘转速等参数确定条件下,研磨效率随着研磨压力的增加而提高,但PCD表面平面度随压力增高逐渐变差。在压力允许范围内,研磨效率和研磨压力成正比。研磨压力过大,研磨粉破碎严重,同时研磨粉难以进入工件和研磨盘之间,大部分研磨粉在工件边缘停留时间长,不仅导致研磨效率下降,也会使工件边缘的去除厚度大于中部去除厚度,PCD表面逐渐中凸。

       表1为采用不同研磨压力时,PCD表面平面度的变化情况;压力过小,研磨粉难以在PCD表面产生损伤性划痕,研磨效率极低。图7所示为在压力允许范围内,研磨去除厚度与研磨压力的关系。在加压研磨时,要尽可能使每个压头下的复合片整体厚度一致,目的是使PCD层厚度的去除量尽量保持一致。试验发现:如果某一压头下复合片整体厚度不一致,则PCD层去除量差异大,多数情况下,较厚复合片的PCD层去除量比较薄复合片多。

       结论

       (1)PCD表面湿研磨时,材料的去除机理以疲劳脆性去除为主,同时存在局部的热化学去除。湿 研磨比干研磨效率高。

       (2)研磨粉粒度越粗、浓度越大,研磨效率越高。但研磨粉粒度粗,研磨表面粗糙度差。因此,粗研磨时应选用粗粒度研磨粉提高研磨效率;精研磨时,用细粒度研磨粉降低表面粗糙度。研磨粉浓度越高成本越大,实际生产中可根据加工余量取适合的研磨粉浓度。

       (3)在适合的研磨盘转速范围内,研磨速度增加,研磨效率提高,但速度过高会使工件表面温度过高,PCD疲劳脆性去除减少,氧化和石墨化去除增加,研磨效率反而降低。另外过高的研磨速度使研磨粉所受离心力加大,难以进入加工区,研磨粉利用下降。

       (4)随着研磨时间延长,研磨粉逐渐失效。因此,每隔一段时间要投入一定量新的研磨粉,确保整个研磨过程中都有足够的研磨粉参与研磨。

       (5)在压力允许范围内,增大研磨压力,研磨效率提高。但必须以满足工件被研磨表面的平面度要求为前提,避免压力过大,导致PCD表面中凸严重