聚晶金剛石PCD表面拋光技術

　　用傳統(tǒng)的機械拋光法對大面積PCD制品拋光，磨輪會先接觸其因應力變形而出現(xiàn)的凸起部分，造成拋光時間長、局部厚度減薄等弊端。

　　PCD制品自20世紀70年代問世以來，以其優(yōu)良的性能，在航空航天、國防、能源、汽車、地質鉆探和線纜等高技術領域中得到日益廣泛的應用。尤其是大面積PCD制品的應用，使機械加工能力和水平向前邁進一大步，加工精度、加工表面質量不斷提高，加工效率幾十倍甚至上百倍提高。大面積PCD制品多用于制造切削各種材料的刀具，為了良好斷屑，提高被加工工件的精度和表面質量，大多數(shù)PCD制品的PCD面需要拋光，使其達到鏡面(表面粗糙度Ra≦0.05μm)。盡管很多資料介紹PCD面電化學拋光、超聲拋光等新技術，但在工業(yè)化的批量生產(chǎn)應用中，PCD面機械拋光仍占主導地位。

　　一、PCD面拋光參數(shù)選擇

　　PCD面機械拋光過程是聚晶金剛石磨耗與炭化過程，由于聚晶金剛石的硬度高，一般用金剛石拋光粉(膏)加鑄鐵盤或用磨輪進行拋光。實踐證明：用金剛石拋光粉(膏)加鑄鐵盤拋光的效率太低，大都采用磨輪拋光(磨輪與工件被拋光表面接觸面積大，被廣泛采用)。

　　PCD面拋光質量要求：

　　1、表面粗糙度Ra≦0.05μm;

　　2、表面光澤一致，沒有折光面;

　　3、沒有未拋光到的邊緣存在;

　　4、無光澤不均勻的環(huán);

　　5、無劃痕及污染。

　　為達到PCD面拋光質量要求，用磨輪實施機械拋光時，要合理選擇磨輪寬度、濃度和粒度，磨輪和工件轉速，拋光壓力以及磨輪修整時機。

　　首先磨輪的粒度和濃度要選擇合適，粒度過粗達不到工件拋光表面粗糙度要求;粒度過細，加工效率低，磨粒保持銳利的時間短，拋光時的摩擦力大，溫升高。磨輪寬度要選擇合適，過窄，使用壽命短，磨輪修整頻次高，工件被拋光表面與磨輪接觸面小，拋光效率低;過寬，磨輪端面難于整平，磨輪內(nèi)外圈的線速度差異大，磨輪內(nèi)外消耗差異多，拋光中摩擦接觸面積大，工件散熱條件變差;磨輪工作層中含金剛砂濃度高，有利于縮短磨輪與被拋光表面接觸吻合時間，但成本高，會使磨輪脫粒過快，有時造成被拋光表面劃傷。

　　工件在拋光過程中一般低速旋轉，這對工件保持平穩(wěn)運轉有利。磨輪通常高速旋轉，實現(xiàn)PCD面與磨輪表面相互間摩擦，產(chǎn)生熱作用，磨輪轉速過快，摩擦熱過高，達不到拋光表面質量要求。

　　拋光過程中，被拋光表面與磨輪表面接觸的同時必須施加合適的壓力，壓力過小易產(chǎn)生抖動，被拋光表面出現(xiàn)波紋;壓力過大，磨輪消耗快，不僅摩擦溫升高，還可能導致驅動電機過載。

　　磨輪表面修整時機要掌握合適，長時間不修整磨輪端面，磨輪不銳利，被拋光表面與磨輪端面的吻合時間長，加工效率低;過于頻繁修整磨輪端面，磨輪消耗快。磨輪端面修整的不平整、過渡不圓滑，會使被拋光表面無光澤，有時出現(xiàn)劃痕。

　　二、傳統(tǒng)拋光方法及設備存在的問題

　　傳統(tǒng)拋光設備的結構是磨輪高速旋轉，固定式拋光夾具夾持著工件低速旋轉，被拋光表面與磨輪端面接觸，并施加一定的接觸壓力，工件的旋轉中心與磨輪的接觸線固定，通過相互間的摩擦、熱、炭化作用，達到PCD面被拋光。

　　過去的PCD制品厚度大且被拋光表面的面積小(小于或接近磨輪端面環(huán)寬)，用傳統(tǒng)拋光設備實施拋光是適宜的。隨著技術發(fā)展，大面積PCD制品的出現(xiàn)，使被拋光表面超過端面磨輪寬度一倍以上，而且工件的厚度比過去薄得多，當PCD制品的拋光表面積大于26cm2，厚度不大于2mm時，薄片因應力變形使得被拋光表面的平面度變差，拋光難度加大。用傳統(tǒng)拋光設備加工大面積PCD薄片存在下列問題：

　　1、傳統(tǒng)拋光設備的夾具(及其被夾持的工件)旋轉中心與磨輪端面無相對運動，當被拋光表面與磨輪接觸，初始接觸的點(或面)在整個被拋光表面上的分布具有決定意義，因為此后拋光加工將沿這些點(或面)向周圍擴展，如果初始接觸點(或面)少(稱之為吻合度差)，并且在局部相對集中，那麼此后只有將這些點或面去除，其它的點(或面)才能與磨輪端面接觸，這使得本應表面拋光變成“去量拋光”，由于聚晶金剛石硬、拋光使用的磨輪切削能力差，接觸點(或面)向周圍擴展相當緩慢，造成拋光時間超長，加工效率下降。

　　2、由于工件旋轉中心與磨輪端面接觸線固定，即使被拋光表面上各處均與磨輪接觸(完全吻合)，當工件被拋光表面寬度(長度或直徑)大于磨輪環(huán)寬，各處的接觸幾率不同，工件外部的接觸幾率明顯少于中部，使得被拋光表面易出現(xiàn)明暗不同的折光環(huán)，達不到質量要求。

　　3、由于拋光過程中，被拋光表面中部始終不離開磨輪端面，中部受摩擦熱大于周邊，且散熱條件差，對于大面積、厚度薄的PCD制品，局部受熱導致工件變形加劇。

　　4、應力變形使得被拋光表面的平面形狀不規(guī)則，伴隨有扭曲。只有通過修整磨輪端面或被拋光表面與磨輪端面相互磨耗，使磨輪端面盡可能與被拋光表面相吻合(被拋光表面取得更多的接觸點并均勻分布)。但應力變形是隨機的，表面扭曲使得各個工件表面狀況千差萬別，當磨輪端面被修整或磨耗成與某個工件的PCD表面相吻合，換另一個工件，又出現(xiàn)不吻合，必須再次通過磨輪修整或磨耗，達到新的吻合，這不僅加工效率低，還增加了操作者勞動強度，對大批量生產(chǎn)是不適宜的。

　　5、 由于各個PCD制品存在表面形狀差異，同一磨輪端面被修整成與兩個工件的PCD面同時吻合的可能性很小。即使能夠同時吻合，由于一個磨輪同時拋光兩片大面積PCD制品產(chǎn)生的摩擦溫升更高，工件中部又不能脫開磨輪(散熱條件差)，在傳統(tǒng)的拋光設備上(用同一個磨輪)同時拋光兩片大面積PCD制品，不僅各片所需的加工時間差異很大，而且過高的溫度，易燒傷被拋光表面。

　　三、改進方案的確定

　　由上述分析可知：在拋光過程中，提高被拋光表面與磨輪端面接觸吻合程度對提高拋光效率至關重要。在拋光過程中，讓被拋光表面的自旋轉中心在磨輪端面上沿磨輪徑向移動，并配合自適應接觸功能，對提高接觸吻合程度有利(尤其對中凸變形的被拋光表面)。當工件的自轉中心離開原來在磨輪端面上的接觸線時，被拋光表面上原來與磨輪端面的接觸點(面)，有一部分就會脫開(從微觀上看，磨輪端面沿徑向高低錯落，并不是平整表面)，原來形成的穩(wěn)定接觸狀態(tài)被打破，在自適應接觸功能的配合下，一些未與磨輪端面接觸的點(面)此時與磨輪端面接觸，從而增加了新接觸點(面)，改善了相互接觸吻合狀態(tài)，從而縮短拋光時間。

　　我國生產(chǎn)的聚晶金剛石拉絲模

　　工件自轉中心在磨輪端面上位移還具有以下優(yōu)點：

　　1、拋光過程是磨輪與被拋光表面相互磨耗過程，工件位移的同時，將磨輪端面高點修平，這不僅消除了被拋光表面可能出現(xiàn)的環(huán)形折光環(huán)，而且降低了磨輪端面平整度修整難度。

　　2、被拋光表面中部和邊緣與磨輪端面接觸幾率得到均衡，使工件各處受熱均勻;再者，被拋光表面的大部分都有移出磨輪端面的時候，改善工件的散熱條件，減小工件拋光過程產(chǎn)生的熱變形。

　　3、縮短表面變形狀態(tài)不同的工件同時拋光所需的時間差異。由于被拋光表面自適應與磨輪端面接觸吻合，無需用修整磨輪端面的方法來適應被拋光表面，加之工件散熱條件的改善，使得同一臺拋光設備(用同一個磨輪)同時拋光兩片大面積PCD制品得以實現(xiàn)。

　　實現(xiàn)被拋光表面的自轉中心與磨輪端面接觸線相對位移的方法有多種：一種是在主軸(磨輪)高速旋轉的同時進行偏心擺動;另一種是在工件旋轉中心沿磨輪徑向位移或在一定的角度內(nèi)(中心壓力點不脫開磨輪端面)進行擺動，據(jù)資料介紹國外生產(chǎn)的拋光設備采用磨輪高速旋轉同時進行偏心擺動。

　　我們利用雙搖桿擺動機構原理，設計了復合片旋轉、加壓、擺動和接觸自適應夾具，讓工件在一定的角度內(nèi)(中心壓力點不離開磨輪端面)擺動來實現(xiàn)被拋光表面的自轉中心在磨輪端面上位移，其優(yōu)點：

　　1、成本低，機械結構相對簡單，可保持傳統(tǒng)拋光設備的基本結構不變(僅改變夾具部分)。

　　2、由于拋光環(huán)境比較惡劣(有粉塵)，采用傳統(tǒng)絲杠、導軌傳動機構，成本較高，粉塵容易進入運動部位，降低使用壽命(防護較困難);采用凸輪或氣動、液壓機構，結構復雜，外圍附件多;而四連桿機構不僅結構簡單，運動可靠性強，而且防護簡便、環(huán)境適應力強，適合在拋光設備上應用。

　　3、選用四連桿機構中的雙搖桿擺動機構，可以用一個驅動電機同時實現(xiàn)工件自旋轉和旋轉中心在一定角度內(nèi)擺動。

　　4、可利用原固定式結構夾具上許多零件，不增加操作復雜程度。