聚晶金刚石研磨工艺及机理研究

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图1 PCD材料去除量与研磨时间的关系

9 ]8 ^0 v9 z+ U! T图2 干研磨PCD表面粗糙度与研磨时间的关系
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. M7 r1 t! `( g( x/ }/ x- e, L% m图3 PCD干研磨去除量d与法向载荷F的关系
. t: m% q% S. |. U2 M* _0 P3 r. b聚晶金刚石(PCD)具有接近天然金刚石的硬度、耐磨性以及与硬质合金相当的抗冲击性，是一种被广泛应用于有色金属和非金属材料精密加工的新型刀具材料。为充分发挥PCD刀具的优良性能，提高加工零件的表面质量，刀具前刀面(PCD表面)需加工成镜面。目前，PCD镜面通常采用树脂基金刚石砂轮进行研磨加工，但由于PCD与所用的金刚石磨料硬度、性质相近，因而与传统的研磨加工有着很大的不同，其研磨机理、研磨工艺具有自身的变化规律。本文对PcD研磨工艺进行了较系统的研究，并对其研磨机理进行了较深入的分析。
: a- ]* ]8 Y* D6 B9 j6 s1 试验条件
试验在BDJP-902聚晶金刚石研磨机上进行；金刚石砂轮的类型、规格、尺寸为6A2 250×36×50×5 120 B 100，砂轮速度为18.3m/s、；试件为美国GE公司生产的三角形1600PCD90T5/1.6标准刀坯。为提高试验精度，减小试验误差，在一个夹头上同时研磨3个尺寸相同的PCD刀坯，用光较仪测量每片刀坯的去除厚度，取其平均值作为去除量。用干涉仪观察、测量PCD研磨表面形态及粗糙度Rz值，采用JSM-5600LV扫描仪观察PCD研磨表面微观形貌。
2 试验结果
* P' Q9 i5 g8 _& v, P! u2 L冷却液对去除率及表面粗糙度的影响
图1所示为PCD干研磨(研磨前砂轮修整10秒钟，冷却液未加在研磨区)和湿研磨(研磨前砂轮修整10秒钟，冷却液加在研磨区)两种条件下材料去除量随研磨时间的变化情况。试验时作用在试件夹头上的法向载荷为20N。
- j" g" p8 y* d% y' A1 z8 L5 n! H: c由图1可知，干研磨材料去除率Q干与湿研磨材料去除率Q湿的关系为：研磨初期Q干=2.54Q湿；中期Q干=1.6Q湿；稳态期Q干=1.68µm/min，Q湿≈O。用干涉仪观察、测量PCD表面形态及粗糙度：湿研磨时PCD表面上存在许多深凹坑，研磨130分钟后其表面干涉条纹仍呈断续状态，即Rz>0.3µm，达不到镜面要求；干研磨时表面粗糙度Rz随研磨时间的延长而降低，其关系曲线如图2所示。由图2可知，研磨20分钟时，PCD表面达镜面(Rz≯0.05µm),且再延长研磨时间表面粗糙度基本无变化，但根据表面形态观察结果可知，其平面度有所提高。因此，PCD镜面加工应采用干研磨工艺，在试验条件下，研磨20～30分钟其表面可达镜面；若对研磨表面的平面度要求较高，可适当延长研磨时间。
法向载荷对去除率的影响
6 ?4 s" H  a9 e, Q/ Y' p5 N图3所示为PCD干研磨时作用在试件夹头上的法向载荷F与材料去除率Q的关系。由图3可知，材料去除率Q随着法向载荷F的增大而增加，且存在一个折点A(F=15N)，当≤15N时，其去除率Q以较小的幅度随着F的增大而增加，当F>15N时，其去除率O随着F的增大而大幅度增加。
3 M4 y  ?; D' u2 i3 结果分析及机理探讨
3 s, }+ u+ @# F; t4 S* g, P为了弄清产生上述试验结果的原因，需对PCD材料去除机理进行探讨。
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图4 PCD未研磨表面形貌
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图5 PCD湿研磨表面形貌
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图6 PCD干研磨表面形貌