聚晶金剛石的特點及應用

聚晶金剛石的特點及應用

1聚晶金剛石的其它加工20世紀70年代以來，該公司已在國際上開發(fā)和使用了一種新的硬度材料。它是在高溫下由1400和6gpah中形成的。聚晶金剛石(PCD)具有接近天然金剛石的硬度、耐磨性以及與硬質(zhì)合金相當?shù)目箾_擊性,化學性能穩(wěn)定,在精密切削等領域應用廣泛聚晶金剛石具有優(yōu)良的特殊性能,但是由于其成型和表面光整加工非常困難,嚴重妨礙了它的推廣應用。因此,研究其加工方法顯得特別重要。目前國內(nèi)外學者針對PCD材料的高硬度和高耐磨性所帶來的加工難題進行了大量的研究和試驗,其中包括電火花加工、激光加工、化學加工、超聲加工等,并取得了一定效果。但綜合分析發(fā)現(xiàn),這些加工技術(shù)目前多適用于PCD材料的粗加工。要想獲得好的PCD表面質(zhì)量,最理想的加工方法仍是磨削或研磨加工。本文主要針對聚晶金剛石的磨削和研磨加工技術(shù)現(xiàn)狀進行了綜述,并對其它加工方法作簡要概括。2目前的聚晶鉆石加工2.1聚晶金剛石的制備鑒于聚晶金剛石的高硬度和耐磨性,其磨削加工主要有金剛石砂輪磨削、放電磨削和電解磨削等方式,其中最簡單、有效的磨削加工方式是金剛石砂輪磨削。在實際加工過程中,也可根據(jù)需求采用不同磨削方式組合加工(1)金剛石砂輪磨削金剛石砂輪磨削加工聚晶金剛石時,在砂輪和工件之間的接觸壓力和磨削力較大,要求磨削加工系統(tǒng)具有足夠的剛度和高精度。近年來,許多國家都在研制和發(fā)展磨削加工聚晶金剛石(也包括聚晶立方氮化硼)的專用磨床和砂輪。如日本大阪金剛石工業(yè)公司研制的CPG系列高剛度金剛石工具精密磨床和CP系列高效專用金剛石砂輪國內(nèi)外學者對PCD的磨削機理和規(guī)律進行了大量研究。I.M.Kenter認為在PCD材料的磨削過程中,存在刻劃和滑擦作用。這兩種作用使材料的去除有四種方式:粘結(jié)、刻劃、摩擦化學反應和表面斷裂。他認為PCD材料的去除以摩擦化學反應和表面斷裂為主。對磨粒去除進行了較深入的分析后認為:磨粒去除的方式主要有滾壓、震動、滑擦和刻劃四種(見圖1)。其中起主要作用的是滑擦和刻劃作用;當金剛石砂輪被修銳以后,金剛石磨粒比較鋒利,刻劃作用比較明顯,但當砂輪被磨損以后,滑擦效應會成為PCD去除的主要形式K.J.Dunn等用掃描電子顯微鏡研究了磨削后的PCD表面微觀形貌,認為PCD的去除機理主要是微觀脆性破碎和疲勞破損Y-KangLiu和Pei-LumTso研究了不同結(jié)合劑的金剛石砂輪對磨削聚晶金剛石的影響,認為采用陶瓷結(jié)合劑的金剛石砂輪磨削最好,樹脂結(jié)合劑砂輪易磨損,金屬結(jié)合劑砂輪自銳差且易損傷PCD的邊緣。砂輪粒度選擇1000時,磨削的效率和表面質(zhì)量最優(yōu)。砂輪結(jié)構(gòu)對磨削的影響也很大,粗砂輪一般選擇硬度等級為P保證砂輪的自銳能力,細砂輪硬度等級選擇Q以保證砂輪的磨削能力由于PCD材料的高硬度,PCD材料的磨削加工與硬質(zhì)合金、工程陶瓷以及聚晶立方氮化硼不同,需要很高的磨削壓力,要求高剛性的磨削系統(tǒng),而且磨削效率低,砂輪消耗大,但磨削加工方便靈活、易控制加工質(zhì)量,仍是目前PCD材料最好的加工方法。(2)聚晶金剛石的ELID鏡面磨削在線電解修整砂輪(ELID)精密鏡面磨削技術(shù)是日本理化學研究所大森整博士八十年代末期開發(fā)的超精密加工新技術(shù)。其基本原理是在磨削過程中,利用非線性電解修整作用和金屬結(jié)合劑超硬磨料砂輪表層氧化物絕緣層對電解抑制作用的動態(tài)平衡,對砂輪進行連續(xù)修銳修整,使砂輪磨粒獲得恒定的突出量,從而使砂輪始終以最佳磨削狀態(tài)連續(xù)進行加工,它適用于硬脆材料的精密鏡面磨削大連理工大學周曙光等人對采用金屬結(jié)合劑超硬磨料砂輪ELID精密鏡面磨削加工聚晶金剛石進行了研究用金屬結(jié)合劑的金剛石砂輪和ELID精密鏡面磨削技術(shù)加工聚晶金剛石可以得到很好的效果,是一種聚晶金剛石精密加工的新途徑,具有很大的推廣價值和應用前景。(3)電火花磨削電火花加工過程中脈沖發(fā)生器的特性非常重要,特別是加工PCD材料,PCD具有一定的導電率、好的導熱率和很高的熔點,因此傳統(tǒng)的電火花加工聚晶金剛石非常困難。F.Cao教授發(fā)明了一種增加放電爆炸力的脈沖發(fā)生器,有效地提高了電火花加工PCD的效率電火花磨削PCD的蝕除機理包括:金剛石的氣化、金剛石的氧化、金剛石向石墨和非晶碳的轉(zhuǎn)化、電火花放電產(chǎn)生的拋出力作用、熱應力在金剛石表面產(chǎn)生微裂紋以及金剛石晶粒的斷裂破碎等。其中金剛石的石墨化在電火花拋光金剛石膜的過程中起關鍵作用,不僅起導電作用,維持放電通道的存在,使金剛石膜凸出尖峰頂部得以氣化,而且金剛石的石墨化—氧化過程不斷地進行,從而將金剛石蝕除上海交通大學裴景玉等人對電火花磨削人造聚晶金剛石的加工性能進行了研究電火花加工和電火花磨削加工聚晶金剛石是高效低成本的加工方法,但是,它們不能有效地加工大面積的聚晶金剛石。Y.H.Liu、Y.F.Guo和J.C.Liu等人提出了一種新型的電加工大面積聚晶金剛石的方法:電火花銑削加工工具電極和工件分別接到直流電源的正負兩極,齒形工具電極安裝在交流電機的轉(zhuǎn)軸上,工件固定在數(shù)控工作臺上。加工過程中齒形工具高速旋轉(zhuǎn),通過工具和工件間的相對運動直接將直流電源轉(zhuǎn)換成連續(xù)可控的脈沖放電來去除PCD材料。當工具和工件間的間隙達到放電間隙時產(chǎn)生放電,間隙變大時不放電(見圖6)。電火花銑削多片大面積聚晶金剛石原理如圖7所示。電火花銑削的影響因素主要有:直流電壓、工具轉(zhuǎn)速、工具形狀、齒寬、工具齒間寬度和限流電阻。電火花銑削的特點在于:使用直流電源用機械的方法替代較貴的脈沖發(fā)生器,使用鋼作為加工工具的材料,制造簡單費用低;工具在旋轉(zhuǎn)過程中能及時清理碎屑維持穩(wěn)定的脈沖放電;通過特殊的運動控制電火花銑削還可以用來加工圓柱、圓錐和球面;用適當?shù)碾娊赓|(zhì)還可以有效地加工低導電率的PCD。2.2超聲研磨聚晶金剛石目前,聚晶金剛石的研磨加工主要有三種方法:一種是使用樹脂結(jié)合劑細粒度的金剛石砂輪進行精密研磨;另一種是使用淬火的高硬度鋼盤(或瑪瑙盤),并且不加任何磨料直接進行研磨加工;還有一種是使用高速旋轉(zhuǎn)的鑄鐵盤,輔之以金剛石微粉進行研磨加工(1)聚晶金剛石的金剛石砂輪研磨加工金剛石砂輪研磨加工聚晶金剛石與砂輪磨削加工類似,只是選擇砂輪的型號不同,研磨一般選用濃度為50%-70%,粒度為W40-W7的樹脂結(jié)合劑的砂輪李女曼等對PCD表面干研磨與濕研磨進行了對比試驗,結(jié)果表明:干研磨去除率遠大于濕研磨去除率,并可使PCD表面達到鏡面;濕研磨、鈍濕研磨不能使其達到鏡面。干研磨時,材料的去除機理以熱化學去除為主,基本不發(fā)生疲勞脆性去除;濕研磨時,材料去除機理以疲勞脆性去除為主,同時存在局部的熱化學去除(2)聚晶金剛石的高速鋼盤研磨加工高速鋼盤研磨加工聚晶金剛石,其基本原理是PCD工件在一定的壓力下與高速旋轉(zhuǎn)的高速鋼盤之間發(fā)生摩擦,產(chǎn)生摩擦熱,使滑動界面的溫度升高,滑動界面(研磨面)上產(chǎn)生的高溫,有利于PCD中滑動界面的金剛石晶粒產(chǎn)生氧化、石墨化、擴散、粘結(jié)以及熱應力破碎等,從而達到研磨的目的。Y.Chen、L.C.Zhang等人對采用動摩擦技術(shù)利用金屬盤研磨聚晶金剛石作了系統(tǒng)研究研磨加工時,滑動界面的溫度隨著研磨壓力p、研磨盤線速度v、研磨加工時間t的增加而升高,隨PCD導熱率的增大溫升變慢,隨PCD初始表面粗糙度的增大溫升變快由金剛石的化學性質(zhì)可知,一些金屬元素能與其產(chǎn)生化學反應,促使其解體。如果研磨盤本身材料中含有上述金屬元素成分,會促使研磨滑動界面的金剛石產(chǎn)生擴散、粘結(jié)、熱蝕等作用,有助于提高研磨加工的效率。但研磨滑動界面的溫度不宜過高,否則會影響研磨加工表面質(zhì)量(3)聚晶金剛石的磨料研磨加工聚晶金剛石的磨料研磨加工是傳統(tǒng)的加工方法之一,在磨料研磨加工過程中,晶粒的解理性脆斷是研磨PCD過程中主要的去除方式之一;鋒利的磨粒以很高的速度和適當?shù)膲毫澾^PCD,在金剛石晶粒表面產(chǎn)生大量的損傷性劃痕,這些劃痕可以分為塑性劃痕和脆性劃痕,這種方式也是PCD材料重要的機械去除方式磨料研磨加工精度較高,但效率極低。但當輔助以超聲進行研磨時,效率會大大提高。季遠等人將超聲振動引入普通聚晶金剛石的磨料研磨中去,并在分析PCD材料的微觀結(jié)構(gòu)和去除機理的基礎上,對超聲振動研磨PCD機理進行了深入研究。研究結(jié)果表明2.3激光加工電火花線切割加工通過電極絲與工件之間局部區(qū)域的脈沖放電來實現(xiàn)工件材料的切割加工。它是PCD切割加工常用的方法之一。電火花線切割聚晶金剛石大多用來制作機加工刀具、地質(zhì)鉆頭以及拉絲磨具,這些工件模具形狀復雜、多變,用電火花線切割機床進行成形加工是目前經(jīng)濟可行的良好途徑(2)激光加工激光加工聚晶金剛石的機理是:一束能量密度極高的激光束照射到聚晶金剛石表面上,部分光能即被表面吸收并轉(zhuǎn)化成熱能,照射斑點的局部區(qū)域溫度迅速上升到上萬度,使聚晶金剛石材料局部熔化甚至汽化并形成陷坑。與此同時也開始了熱擴散,結(jié)果斑點周圍材料也熔化。隨著激光能量的繼續(xù)吸收,陷坑中蒸汽膨脹,壓力加大,熔融物以爆炸形式被高速噴射出來,噴射所產(chǎn)生的反沖壓力又在工件內(nèi)部形成一個方向很強的沖擊波。這樣聚晶金剛石就在高溫熔融汽化和沖擊波的作用下蝕除部分物質(zhì),形成激光蝕坑激光加工屬非接觸加工,在PCD材料加工中具有優(yōu)異的特點,可加工高純度的PCD材料(如多晶金剛石膜),加工變形及熱變形均很小,而且激光加工速度快、效率高,是一種較為有效的加工方法。特別是在微孔加工和不導電的超硬材料加工方面更顯示出其優(yōu)越性。但還存在尺寸精度和重復精度難以控制,以及加工表面有微石墨化現(xiàn)象等問題,還需精修。目前只能用于粗加工或半精加工。激光加工材料時起決定作用的激光參數(shù)是脈沖寬度、最大脈沖功率及平均脈沖功率(3)化學加工聚晶金剛石的化學加工是根據(jù)金剛石可溶于熔融的鉀硝石、鈉硝石和磷酸鈉這一特性,采用熔融硝鹽對聚晶金剛石進行溶解,鑒于表面自由能分布狀態(tài)及自由焓降低原理,可使聚晶金剛石表面逐漸由粗糙變光滑。同時由于氧化反應可在金剛石表面生成一種氧化膜,可通過研磨去除,再繼續(xù)溶解。實驗表明(4)超聲加工聚晶金剛石的超聲波加工是采用金剛石微粉(1-50μm)作游離磨粒進行加工,影響超聲波加工PCD材料的因素主要有振動頻率、振幅、金剛石微粉尺寸、PCD材質(zhì)、單位壓力、加工面積等。目前聚晶金剛石超聲加工包括超聲磨削和超聲研磨加工等方式,多用于PCD內(nèi)孔和PCD拉絲模具、噴砂模具的加工3聚晶金剛石的加工聚晶金剛