聚晶金刚石的精密镜面磨削

HEATS

　　1前言

　　聚晶金刚石(Polycrystalline Diamond，简称PCD)是由特殊处理的单晶金刚石微粉与少量粘结剂在高温高压条件下烧结而成的新型超硬材料。采用K类硬质合金刀片为基底，在基底上面压制而成的PCD称之为PCD复合片。PCD中无序排列的金刚石颗粒使其具有均匀的高硬度和高耐磨性，被广泛应用于刀具、工具和模具等行业。而PCD复合片由于基底的作用，在保证硬度和耐磨性的前提下又在一定程度上兼顾了强度和韧性，从而进一步扩大了应用领域，加之造价低廉，所以更具使用价值和应用前景。

# v0 ~) e' m3 s2 l

　　但是，超硬度和超耐磨性始终是PCD材料精密加工的最大障碍，传统的加工方法几乎无能为力。随着加工技术的发展，特种工艺逐渐用于PCD材料的加工，但仍存在许多不足，加工质量更难尽如人意。因此，为满足工业发展对PCD材料日益增长的需要，引入了金属结合剂超硬磨料砂轮在线电解修整(ELID)精密镜面磨削技术，旨在通过该技术的试验与研究，探索PCD材料精密加工的新途径。

+ r' N3 n6 X. R; H8 D3 P( t

　　2 PCD材料的ELID精密镜面磨削实验

6 B/ [5 F, Y: c. k8 m* v: ]

　　PCD-1500物理机械性能表

　　指标

7 n4 t7 _" T, z / }* x8 [! o) s7 N

　　威氏硬度

- z6 `0 S9 F3 I/ Y4 q

　　热膨胀系数

# H* y$ B6 D' ^: [- |' J ' u* z1 w, d1 v- U

　　(×10-6℃-1)

) G( a9 d/ Q- I' n1 c. {# s

　　抗弯强度

2 c% }0 k+ x- Z6 K ) F3 M# I, O: d7 t# P" Z& A

　　(MPa)

　　弹性模量

, i0 i- }: w+ e( _) e ( A9 V4 }3 m7 {

　　(GPa)

" l. I% `2 X* m) y, J6 O- Z& L- ^

　　抗压强度

. A% N: c; h+ H2 E( A# Y3 N

　　(MPa)

　　热导率

　　[W/(m·K)]

　　PCD-1500系列

　　6500～8000

/ D9 u! K- s6 \: i$ A7 O2 [, J 7 Z; P( I" w3 v

　　3～3.6

: A: [6 ^- ^8 {9 X0 ?9 f, L) I N" L% k5 h' z. J, z

　　2800

　　5600

7 o+ E& X! f; q) N: d

　　4200

; }- G C9 g8 j% a/ s! o2 E) u; ?2 f5 N # C# p7 c8 y( k. M- t: `* o0 Y$ e Q$ H

　　100～109

" z$ g* c1 q4 |* g. s ! h4 a; @$ g) [! T7 F; F2 ^, s

　　实验材料实验中采用美国GE公司生产的PCD-1500系列聚晶金刚石复合片。其物理机械性能如右表所示。

　　实验条件在MM7120A卧轴矩台精密平面磨床上加装自行开发的ELID磨削电解电极装置，配以自行研制的砂轮、磨削液和电源，组成ELID磨削系统。

　　实验用砂轮为铸铁纤维结合剂金刚石砂轮CIFB，规格?240mm×90mm×10mm×5mm，粒度W5。实验中使用的修整电源是自行研制的ELID磨削专用高频脉冲电源，电源输出电压为0～140V，电流0～10A，脉冲频率0～500kHz。磨削液使用自行研制的专用磨削液。由于ELID磨削的磨削液兼作电解液，因此，使用碱性水溶型磨削液，除添加防锈剂、钝化剂、极压添加剂和合成润滑剂外，尚需一定数量的无机盐，以使磨削液具有电解能力。

6 w$ F$ ^' ? B 2 r. @- c% y7 C. u! F2 a( D% ~

　　实验过程应用ELID磨削装置对PCD复合片进行磨削实验时，首先对砂轮进行电火花精密整形，消除砂轮的圆度和圆柱度误差，使微细磨料尽可能等高地分布在砂轮表面上。然后接通电源，进行电解预修锐，在砂轮表面形成充分的氧化膜，时间大约30～45min。接着进行在线电解动态磨削。由于PCD材料的硬度高，该阶段时间较长，并要严格控制加工参数，保证冷却充分。磨削完毕后，切断电源，并增大工作台速度，依靠砂轮表面的氧化膜对工件光磨30～45min。

& m5 Z* b1 r, p: u2 e

　　实验结果采用日本Kosaka Laboratory Ltd.公司制造的SE-3H型轮廓仪进行表面粗糙度检测，其中微观尺寸放大倍数V=50000，走纸方向放大倍数H=10，采样长度R0=0.25mm，测量长度L=2.5mm。经测量，磨后PCD复合片表面粗糙度达到Ra0.012μm。3 PCD材料ELID磨削的去除机理

　　由于PCD材料的高硬度，其磨削加工与硬质合金、工程陶瓷、光学玻璃等硬脆材料有明显的不同。这主要表现在，PCD材料磨削压力高，磨削效率低，砂轮消耗大，磨削比小。特别是引入在线电解修整技术，使得整个磨削过程十分复杂，作用因素众多，因此PCD材料的加工去除机理具有其特殊性。

, i" \3 a$ Z+ ~8 Q( L ( Z7 x$ O8 |: @

　　尽管砂轮中金刚石磨粒与PCD复合片的金刚石层硬度相近，但两者的微观结构迥然不同。前者是靠有一定塑性的金属结合剂对金刚石磨粒进行把持，并且在砂轮表面形成具有良好弹性和塑性的氧化膜，而后者则是以金刚石C-C键强固结构形式将金刚石微粒固结在一起，故PCD复合片的金刚石层整体硬度极高，几乎无塑性，极不耐冲击。磨削加工时，由于接触压力高，随着砂轮的高速旋转，砂轮表面磨粒对PCD材料表面产生强烈的撞击和摩擦，形成对PCD复合片剧烈的机械交变冲击。期间还伴随有剧烈的摩擦、相互的挤压和滑动，并产生粘结、刻划、摩擦化学反应和表面断裂等作用。在这种情况下，PCD材料表面的部分晶粒产生解理、剥落或断裂。同时，由于剧烈的摩擦和滑动，使磨削温度急剧上升，PCD表面的部分金刚石由于热稳定性差而发生石墨化或氧化，从而被去除。

: y! ]: ?# R( P1 h8 o0 |4 L. x f7 o) m- U( K- b# B- u

　　由于在线电解修整作用，砂轮始终保持锋利状态参与磨削，克服了砂轮易堵塞的障碍，有利于提高加工质量和效率：形成的氧化膜具有一定的厚度、强度和致密性，覆盖在砂轮表面，减小了砂轮的损耗：氧化膜中容纳了大量的微细粒度磨料，一方面增加了参加磨削的磨粒数，有利于提高磨削效率，另一方面相当于对工件进行研磨抛光，有利于精密镜面的形成。所以ELID磨削方式下去除PCD材料是机械、热化学和电解反应综合作用的结果，特别是电解反应生成的氧化膜，对最终精密镜面的形成起了关键的作用。4结论

　　通过对PCD复合片的ELID精密镜面磨削实验和分析，得出以下结论:

　　用金属结合剂金刚石砂轮和在线电解修整(ELID)精密磨削技术对聚晶金刚石进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，是一种聚晶金刚石精密加工新途径，具有很大的推广价值和应用前景。

! c+ w4 f. |5 ]3 L8 E

　　由于PCD材料的超硬性，使得其磨削加工较一般硬脆材料有很大不同。采用ELID磨削技术时，材料的去除是机械、热化学和电解反应综合作用的结果。

9 U, Z" T S8 C

　　由于在线电解修整作用，砂轮表面形成一层具有一定强度、厚度和致密性的氧化膜，该氧化膜对整个磨削过程以及最终的表面质量都起到了极其重要的作用。【MechNet】