聚晶金剛石的精密鏡面磨削

1前言
　　聚晶金剛石(Polycrystalline Diamond，簡(jiǎn)稱PCD)是由特殊處理的單晶金剛石微粉與少量粘結(jié)劑在高溫高壓條件下燒結(jié)而成的新型超硬材料。采用K類硬質(zhì)合金刀片為基底，在基底上面壓制而成的PCD稱之為PCD復(fù)合片。PCD中無(wú)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(yīng)用于刀具、工具和模具等行業(yè)。而PCD復(fù)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(qiáng)度和韌性，從而進(jìn)一步擴(kuò)大了應(yīng)用領(lǐng)域，加之造價(jià)低廉，所以更具使用價(jià)值和應(yīng)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(wú)能為力。隨著加工技術(shù)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(zhì)量更難盡如人意。因此，為滿足工業(yè)發(fā)展對(duì)PCD材料日益增長(zhǎng)的需要，引入了金屬結(jié)合劑超硬磨料砂輪在線電解修整(ELID)精密鏡面磨削技術(shù)，旨在通過(guò)該技術(shù)的試驗(yàn)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(shí)驗(yàn)
　　PCD-1500物理機(jī)械性能表
　　指標(biāo)
　　威氏硬度
　　熱膨脹系數(shù)
　　(×10-6℃-1)
　　抗彎強(qiáng)度
　　(MPa)
　　彈性模量
　　(GPa)
　　抗壓強(qiáng)度
　　(MPa)
　　熱導(dǎo)率
　　[W/(m·K)]
　　PCD-1500系列
　　6500～8000
　　3～3.6
　　2800
　　5600
　　4200
　　100～109
　　實(shí)驗(yàn)材料實(shí)驗(yàn)中采用美國(guó)GE公司生產(chǎn)的PCD-1500系列聚晶金剛石復(fù)合片。其物理機(jī)械性能如右表所示。
　　實(shí)驗(yàn)條件在MM7120A臥軸矩臺(tái)精密平面磨床上加裝自行開(kāi)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(shí)驗(yàn)用砂輪為鑄鐵纖維結(jié)合劑金剛石砂輪CIFB，規(guī)格?240mm×90mm×10mm×5mm，粒度W5。實(shí)驗(yàn)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(rùn)滑劑外，尚需一定數(shù)量的無(wú)機(jī)鹽，以使磨削液具有電解能力。
　　實(shí)驗(yàn)過(guò)程應(yīng)用ELID磨削裝置對(duì)PCD復(fù)合片進(jìn)行磨削實(shí)驗(yàn)時(shí)，首先對(duì)砂輪進(jìn)行電火花精密整形，消除砂輪的圓度和圓柱度誤差，使微細(xì)磨料盡可能等高地分布在砂輪表面上。然后接通電源，進(jìn)行電解預(yù)修銳，在砂輪表面形成充分的氧化膜，時(shí)間大約30～45min。接著進(jìn)行在線電解動(dòng)態(tài)磨削。由于PCD材料的硬度高，該階段時(shí)間較長(zhǎng)，并要嚴(yán)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(tái)速度，依靠砂輪表面的氧化膜對(duì)工件光磨30～45min。
　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果采用日本Kosaka Laboratory Ltd.公司制造的SE-3H型輪廓儀進(jìn)行表面粗糙度檢測(cè)，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(zhǎng)度R0=0.25mm，測(cè)量長(zhǎng)度L=2.5mm。經(jīng)測(cè)量，磨后PCD復(fù)合片表面粗糙度達(dá)到Ra0.012μm。3 PCD材料ELID磨削的去除機(jī)理
　　由于PCD材料的高硬度，其磨削加工與硬質(zhì)合金、工程陶瓷、光學(xué)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(shù)，使得整個(gè)磨削過(guò)程十分復(fù)雜，作用因素眾多，因此PCD材料的加工去除機(jī)理具有其特殊性。
　　盡管砂輪中金剛石磨粒與PCD復(fù)合片的金剛石層硬度相近，但兩者的微觀結(jié)構(gòu)迥然不同。前者是靠有一定塑性的金屬結(jié)合劑對(duì)金剛石磨粒進(jìn)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(qiáng)固結(jié)構(gòu)形式將金剛石微粒固結(jié)在一起，故PCD復(fù)合片的金剛石層整體硬度極高，幾乎無(wú)塑性，極不耐沖擊。磨削加工時(shí)，由于接觸壓力高，隨著砂輪的高速旋轉(zhuǎn)，砂輪表面磨粒對(duì)PCD材料表面產(chǎn)生強(qiáng)烈的撞擊和摩擦，形成對(duì)PCD復(fù)合片劇烈的機(jī)械交變沖擊。期間還伴隨有劇烈的摩擦、相互的擠壓和滑動(dòng)，并產(chǎn)生粘結(jié)、刻劃、摩擦化學(xué)反應(yīng)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(shí)，由于劇烈的摩擦和滑動(dòng)，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(zhì)量和效率：形成的氧化膜具有一定的厚度、強(qiáng)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(xì)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(dāng)于對(duì)工件進(jìn)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(jī)械、熱化學(xué)和電解反應(yīng)綜合作用的結(jié)果，特別是電解反應(yīng)生成的氧化膜，對(duì)最終精密鏡面的形成起了關(guān)鍵的作用。4結(jié)論
　　通過(guò)對(duì)PCD復(fù)合片的ELID精密鏡面磨削實(shí)驗(yàn)和分析，得出以下結(jié)論:
　　用金屬結(jié)合劑金剛石砂輪和在線電解修整(ELID)精密磨削技術(shù)對(duì)聚晶金剛石進(jìn)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(jià)值和應(yīng)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(shù)時(shí)，材料的去除是機(jī)械、熱化學(xué)和電解反應(yīng)綜合作用的結(jié)果。
　　由于在線電解修整作用，砂輪表面形成一層具有一定強(qiáng)度、厚度和致密性的氧化膜，該氧化膜對(duì)整個(gè)磨削過(guò)程以及最終的表面質(zhì)量都起到了極其重要的作用。