聚晶金剛石的精密鏡面磨削

1前言
　　聚晶金剛石(Polycrystalline Diamond，簡稱PCD)是由特殊處理的單晶金剛石微粉與少量粘結劑在高溫高壓條件下燒結而成的新型超硬材料。采用K類硬質合金刀片為基底，在基底上面壓制而成的PCD稱之為PCD復合片。PCD中無序排列的金剛石顆粒使其具有均勻的高硬度和高耐磨性，被廣泛應用于刀具、工具和模具等行業(yè)。而PCD復合片由于基底的作用，在保證硬度和耐磨性的前提下又在一定程度上兼顧了強度和韌性，從而進一步擴大了應用領域，加之造價低廉，所以更具使用價值和應用前景。
　　但是，超硬度和超耐磨性始終是PCD材料精密加工的最大障礙，傳統(tǒng)的加工方法幾乎無能為力。隨著加工技術的發(fā)展，特種工藝逐漸用于PCD材料的加工，但仍存在許多不足，加工質量更難盡如人意。因此，為滿足工業(yè)發(fā)展對PCD材料日益增長的需要，引入了金屬結合劑超硬磨料砂輪在線電解修整(ELID)精密鏡面磨削技術，旨在通過該技術的試驗與研究，探索PCD材料精密加工的新途徑。
　　2 PCD材料的ELID精密鏡面磨削實驗
　　PCD-1500物理機械性能表
　　指標
　　威氏硬度
　　熱膨脹系數(shù)
　　(×10-6℃-1)
　　抗彎強度
　　(MPa)
　　彈性模量
　　(GPa)
　　抗壓強度
　　(MPa)
　　熱導率
　　[W/(m·K)]
　　PCD-1500系列
　　6500～8000
　　3～3.6
　　2800
　　5600
　　4200
　　100～109
　　實驗材料實驗中采用美國GE公司生產(chǎn)的PCD-1500系列聚晶金剛石復合片。其物理機械性能如右表所示。
　　實驗條件在MM7120A臥軸矩臺精密平面磨床上加裝自行開發(fā)的ELID磨削電解電極裝置，配以自行研制的砂輪、磨削液和電源，組成ELID磨削系統(tǒng)。
　　實驗用砂輪為鑄鐵纖維結合劑金剛石砂輪CIFB，規(guī)格?240mm×90mm×10mm×5mm，粒度W5。實驗中使用的修整電源是自行研制的ELID磨削專用高頻脈沖電源，電源輸出電壓為0～140V，電流0～10A，脈沖頻率0～500kHz。磨削液使用自行研制的專用磨削液。由于ELID磨削的磨削液兼作電解液，因此，使用堿性水溶型磨削液，除添加防銹劑、鈍化劑、極壓添加劑和合成潤滑劑外，尚需一定數(shù)量的無機鹽，以使磨削液具有電解能力。
　　實驗過程應用ELID磨削裝置對PCD復合片進行磨削實驗時，首先對砂輪進行電火花精密整形，消除砂輪的圓度和圓柱度誤差，使微細磨料盡可能等高地分布在砂輪表面上。然后接通電源，進行電解預修銳，在砂輪表面形成充分的氧化膜，時間大約30～45min。接著進行在線電解動態(tài)磨削。由于PCD材料的硬度高，該階段時間較長，并要嚴格控制加工參數(shù)，保證冷卻充分。磨削完畢后，切斷電源，并增大工作臺速度，依靠砂輪表面的氧化膜對工件光磨30～45min。
　　實驗結果采用日本Kosaka Laboratory Ltd.公司制造的SE-3H型輪廓儀進行表面粗糙度檢測，其中微觀尺寸放大倍數(shù)V=50000，走紙方向放大倍數(shù)H=10，采樣長度R0=0.25mm，測量長度L=2.5mm。經(jīng)測量，磨后PCD復合片表面粗糙度達到Ra0.012μm。3 PCD材料ELID磨削的去除機理
　　由于PCD材料的高硬度，其磨削加工與硬質合金、工程陶瓷、光學玻璃等硬脆材料有明顯的不同。這主要表現(xiàn)在，PCD材料磨削壓力高，磨削效率低，砂輪消耗大，磨削比小。特別是引入在線電解修整技術，使得整個磨削過程十分復雜，作用因素眾多，因此PCD材料的加工去除機理具有其特殊性。
　　盡管砂輪中金剛石磨粒與PCD復合片的金剛石層硬度相近，但兩者的微觀結構迥然不同。前者是靠有一定塑性的金屬結合劑對金剛石磨粒進行把持，并且在砂輪表面形成具有良好彈性和塑性的氧化膜，而后者則是以金剛石C-C鍵強固結構形式將金剛石微粒固結在一起，故PCD復合片的金剛石層整體硬度極高，幾乎無塑性，極不耐沖擊。磨削加工時，由于接觸壓力高，隨著砂輪的高速旋轉，砂輪表面磨粒對PCD材料表面產(chǎn)生強烈的撞擊和摩擦，形成對PCD復合片劇烈的機械交變沖擊。期間還伴隨有劇烈的摩擦、相互的擠壓和滑動，并產(chǎn)生粘結、刻劃、摩擦化學反應和表面斷裂等作用。在這種情況下，PCD材料表面的部分晶粒產(chǎn)生解理、剝落或斷裂。同時，由于劇烈的摩擦和滑動，使磨削溫度急劇上升，PCD表面的部分金剛石由于熱穩(wěn)定性差而發(fā)生石墨化或氧化，從而被去除。
　　由于在線電解修整作用，砂輪始終保持鋒利狀態(tài)參與磨削，克服了砂輪易堵塞的障礙，有利于提高加工質量和效率：形成的氧化膜具有一定的厚度、強度和致密性，覆蓋在砂輪表面，減小了砂輪的損耗：氧化膜中容納了大量的微細粒度磨料，一方面增加了參加磨削的磨粒數(shù)，有利于提高磨削效率，另一方面相當于對工件進行研磨拋光，有利于精密鏡面的形成。所以ELID磨削方式下去除PCD材料是機械、熱化學和電解反應綜合作用的結果，特別是電解反應生成的氧化膜，對最終精密鏡面的形成起了關鍵的作用。4結論
　　通過對PCD復合片的ELID精密鏡面磨削實驗和分析，得出以下結論:
　　用金屬結合劑金剛石砂輪和在線電解修整(ELID)精密磨削技術對聚晶金剛石進行精密磨削加工可以得到很好的效果，磨削表面粗糙度值很小，是一種聚晶金剛石精密加工新途徑，具有很大的推廣價值和應用前景。
　　由于PCD材料的超硬性，使得其磨削加工較一般硬脆材料有很大不同。采用ELID磨削技術時，材料的去除是機械、熱化學和電解反應綜合作用的結果。
　　由于在線電解修整作用，砂輪表面形成一層具有一定強度、厚度和致密性的氧化膜，該氧化膜對整個磨削過程以及最終的表面質量都起到了極其重要的作用。