（機(jī)械電子工程專業(yè)論文）pcd刀具磨削機(jī)理及刃磨工藝研究.pdf

大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 摘要 聚晶金剛石 p o l y c r y s t a l l i n ed i a m o n d 是一種理想的刀具材料 自上世紀(jì)7 0 年代 出現(xiàn)以來 用其制作的刀具憑借極高的硬度和出色的耐磨性 迅速在汽車 航空和木材 加工領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用 在切削技術(shù)的發(fā)展過程中起著重要的推動(dòng)作用 目前 金 剛石砂輪磨削加工依然是p c d 刀具的主要成型方法 但是該工藝同樣存在磨削效率低 刃磨質(zhì)量相對較差 加工成本高等缺陷 尤其是刃磨質(zhì)量相對較差 己成為其在精密和 超精密加工領(lǐng)域進(jìn)一步推廣應(yīng)用的一大障礙 鑒于此 本論文以晶體結(jié)構(gòu)學(xué)和材料斷裂 性能為理論基礎(chǔ) 基于p c d 刀具的微觀磨削形貌 對其磨削機(jī)理和刃磨質(zhì)量影響因素 進(jìn)行了深入的研究 研究結(jié)果對全面了解p c d 的去除形式 改進(jìn)p c d 刀具的磨削工藝 和提高p c d 刀具的刃磨質(zhì)量具有一定的指導(dǎo)意義 首先 本文采用合理的腐蝕清洗方法 去除了覆蓋在磨削表面的粘結(jié)物和粘結(jié)劑 c o 獲得了清晰真實(shí)的p c d 磨削表面形貌 在此基礎(chǔ)上 通過對不同磨削條件下p c d 磨削表面微觀形貌的分析 按產(chǎn)生機(jī)理的不同將p c d 的去除形式分為微細(xì)破碎 沿晶 破碎 疲勞去除 刻劃作用 滑擦作用和機(jī)械熱化學(xué)去除六種 進(jìn)而結(jié)合磨削參數(shù) 詳 細(xì)介紹了每種去除形式的典型形貌 形成機(jī)理及產(chǎn)生條件 最后 以磨削機(jī)理為理論依 據(jù) 通過對p c d 刀具后刀面和刃口形貌的對比分析 系統(tǒng)研究了磨削液 砂輪轉(zhuǎn)速及 磨削壓力對p c d 刀具刃磨質(zhì)量的影響規(guī)律 研究結(jié)果表明 磨削液和磨削壓力對p c d 刀具刃磨質(zhì)量的影響規(guī)律相似 當(dāng)去除形式以微細(xì)破碎為主時(shí) 磨削液和較大的磨削壓 力會(huì)增大磨削表面的粗糙度 當(dāng)去除形式以滑擦作用為主時(shí) 兩者對磨削表面質(zhì)量的影 響并不明顯 同時(shí)兩者都能增大刀具的刃口鋸齒度 而隨著磨削速度的增大 p c d 刀具 后刀面粗糙度和刀具刃口鋸齒度都顯示出先增大后減小的趨勢 在中速下可以得到最好 的刀具刃磨質(zhì)量 關(guān)鍵詞 p c d p c d 刀具 磨削機(jī)理 刃磨質(zhì)量 p c d 刀具磨削機(jī)理及刃磨l 藝研究 s t u d y o nt h er e m o v a lm e c h a n i s ma n dg r i n d i n gt e c h n i q u eo f t h ep c d c u t t i n gt o o l s a b s t r a c t p o l y c r y s t a l l i n ed i a m o n di sa ni d e a lc u t t i n gt o o lm a t e r i a lw i t he x t r e m e l yh i g hh a r d n e s s a n dw e a rr e s i s t a n c e s i n c ei t sf i r s ta p p e a r a n c ei nt h ee a r l y19 7 0 s t h ec u t t i n gt o o l sm a d eb yi t h a v eb e e nk e yr o l e si nt h ed e v e l o p m e n to fm o d e mc u t t i n gt e c h n o l o g ya n da l r e a d yw i d e l y u s e di na u t o m o b i l e a v i a t i o na n dw o o di n d u s t r i e s n o w a d a y s m e c h a n i c a lg r i n d i n gw i t h d i a m o n dw h e e li ss t i l lt h em a i nm e t h o dt om a n u f a c t u r ep c dc u t t i n gt o o l s b u ti ta l s oh a s s o m ed r a w b a c k ss u c ha sl o wr e m o v a l r a t e r e l a t i v e l yl o wg r i n d i n gq u a l i t y a n dh i g hc o s t e t c e s p e c i a l l yt h el o wq u a l i t yr e s u l t e df r o mg r i n d i n g h a sb e c o m eab a r r i c a d et ot h eu s eo fp c d t o o l si nt h ep r e c i s i o na n du l t r a p r e c i s i o nm a c h i n i n g a i m i n gt os o l v et h e s ep r o b l e m s t h e t h e o r i e sa b o u tt h ec r y s t a ls t r u c t u r ea n df r a c t u r eb e h a v i o ro fd i a m o n dw e r ed i s c u s s e d a n dt h e r e m o v a lm e c h a n i s ma n dg r i n d i n gt e c h n i q u eo fp c d c u t t i n gt o o l sw e r es t u d i e di nt h i sp a p e r b yc a r e f u l l ya n a l y z i n gt h em i c r om o r p h o l o g yo fp c dt o o l s g r o u n ds u r f a c e t h eo u t c o m e so f t h i ss t u d ya r eh e l p f u lf o rp e o p l et ou n d e r s t a n dh o wp c di sr e m o v e da n dh o wi t sg r i n d i n g s e t t i n g sc a nb eo p t i m i z e dt oa c h i e v eab e t t e rg r i n d i n gq u a l i t y f i r s t l y an e we t c h i n gm e t h o dw a su s e dt or e m o v et h ea t t a c h m e n ta n dc a t a l y s tc oo nt h e g r o u n ds u r f a c eo fp c dt o o l s t h r o u g hw h i c ht h er e a lm o r p h o l o g yo fp c dw a sa c h i e v e d t h e n as e r i e so fg r i n d i n ge x p e r i m e n t sw e r ec o n d u c t e d a n dt h em i c r om o r p h o l o g yo ft h eg r o u n d s u r f a c e so fd i f f e r e n ts p e c i m e n sw a ss t u d i e d a c c o r d i n gt ot h e i ru n i q u eg e n e r a t i o nm e c h a n i s m t h er e m o v a lf o r m so fp c dw e r ec l a s s i f i e di n t os i xc a t e g o r i e s i n c l u d i n gm i c r oc r a c k i n g g r a i n b o u n d a r yc r a c k i n g f a t i g u ee f f e c t s c o r i n g s l i d i n ga n dm e c h a n i c a lt h e r m o c h e m i s t r ye f f e c t a n dt h e n t h et y p i c a lm i c r om o r p h o l o g y g e n e r a t i o nr e a s o n sa n df o r m i n gc o n d i t i o n sf o re a c h m e c h a n i s mw e r ed i s c u s s e db a s e do nt h e i rr e l a t i o n s h i pw i t ht h eg r i n d i n gp a r a m e t e r s l a s t l y t a k i n gt h er e m o v a lm e c h a n i s ma st h et h e o r yb a s i s t h ef l a n ks u r f a c e si n t e g r i t ya n dt h ec u t t i n g e d g e ss e r r a t i o no fd i f f e r e n tp c d t o o l sw e r ec o m p a r e d a n dt h ei n f l u e n c eo ft h eg r i n d i n gf l u i d g r i n d i n gs p e e da n dg r i n d i n gf o r c eo nt h eq u a l i t yo fp c dt o o l sw e r es y s t e m a t i c a la n a l y z e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ef l u i da n dg r i n d i n gf o r c es e e m e dt oh a v et h es a m ea f f e c t i n gp a t t e r n o nt h eq u a l i t yo fp c dt o o l s f l a n kf a c e w h e nt h em a i nr e m o v a lm e c h a n i s mw a sm i c r o c r a c k i n g t h ee x i s t e n c eo ft h ef l u i da n dal a r g e rg r i n d i n gf o r c ew o u l dd e t e r i o r a t et h e s m o o t h n e s so fp c dt o o l s f l a n kf a c e w h i l ew h e nt h em a i nr e m o v a lm e c h a n i s mw a ss l i d i n g i i 大連理工大學(xué)碩十學(xué)位論文 w e a r t h e ys e e m e dt ob o t hh a v el i t t l ei n f l u e n c eo nt h ei n t e g r i t yo ft h ef l a n kf a c e b u to nt h e o t h e rs i d e b o t ho ft h e mw o u l de n l a r g et h es e r r a t i o no fp c dt o o l s u n l i k et h eg r i n d i n gf l u i d a n dg r i n d i n gf o r c e t h eg r i n d i n gs p e e da f f e c t e dt h eg r i n d i n gp r o c e s si nad i f f e r e n tw a y a st h e g r i n d i n gs p e e di n c r e a s i n g t h eq u a l i t yo ft h ef l a n kf a c ea n dc u t t i n ge d g eo fp c dt o o l s i m p r o v e df i r s t l ya n dd e t e r i o r a t e da f t e r w a r d a n dt h eb e s tg r i n d i n gq u a l i t yo fp c dc u t t i n g t o o l sc o u l db ea c h i e v e dw i t ham e d i u mg r i n d i n gs p e e d k e yw o r d s p c d p c dt o o ls r e m o r a lm e c h a n is i n g r i n d i n gq u a l i t y 大連理工大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 大連理工大學(xué)學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本人完全了解學(xué)校有關(guān)學(xué)位論文知識產(chǎn)權(quán)的規(guī)定 在校攻讀學(xué)位期間 論文工作的知識產(chǎn)權(quán)屬于大連理工大學(xué) 允許論文被查閱和借閱 學(xué)校有 權(quán)保留論文并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版 可以將 本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索 可以采用影印 縮印 或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文 學(xué)位論文題目 旦塑絲廛魚l 越堡 翌廛蝴紅 作者簽名 盆籃日期 立墮盤年 坐月上立日 導(dǎo)師簽名 大連理工大學(xué)學(xué)位論文獨(dú)創(chuàng)性聲明 作者鄭重聲明 所呈交的學(xué)位論文 是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下進(jìn)行研究 工作所取得的成果 盡我所知 除文中已經(jīng)注明引用內(nèi)容和致謝的地方外 本論文不包含其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表的研究成果 也不包含其他已申請 學(xué)位或其他用途使用過的成果 與我一同工作的同志對本研究所做的貢獻(xiàn) 均已在論文中做了明確的說明并表示了謝意 若有不實(shí)之處 本人愿意承擔(dān)相關(guān)法律責(zé)任 學(xué)位論文題目 里望叢鏖刻碰壘鯉壘受鏖圭些趕紐 作者簽名 乏金越日期 進(jìn)金年j 互月 2 互日 大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 緒論 人類科技的進(jìn)步 核心的是制造技術(shù)的進(jìn)步 近幾十年來 在各種高新技術(shù)的帶動(dòng) 下 現(xiàn)代機(jī)械加工技術(shù)正朝著 高速 高效 智能 環(huán)保 的方向迅猛發(fā)展 而在現(xiàn)代 機(jī)械制造中 金屬切削加工始終占有著重要的地位 1 刀具作為機(jī)床的 牙齒 在推 動(dòng)金屬切削的快速發(fā)展中扮演著重要的角色 可以說 切削加工發(fā)展的歷史其實(shí)就是刀 具技術(shù)發(fā)展的歷史 1 6 0 多年來 刀具材料從碳素工具鋼 發(fā)展到高速鋼 再到硬質(zhì)合 金 再到今天的陶瓷刀具 涂層刀具和以p c d 和p c b n 刀具為代表的超硬材料刀具 刀具材料的革新使切削速度由最初的每分鐘幾米提高到現(xiàn)在的幾百米甚至一二千米的 水平 推動(dòng)著切削加工技術(shù) 包括切削機(jī)床 的發(fā)展 1 1p c d 刀具簡介 p c d p o l y c r y s t a l l i n ed i a m o n d 是采用高品級的金剛石 0 5 p m 一5 0 1 a m 加 入一定成分的催化劑 在高溫 高壓 1 4 5 0 1 7 0 0 5 5 7 0 g p a 下燒結(jié)而成的一種 多晶金剛石聚合體 2 生產(chǎn)p c d 最常用的方法 在硬質(zhì)合金基體上高溫高壓燒結(jié)一層厚 度為0 3 o 7 m m 的金剛石微粉 讓硬質(zhì)合金中的鈷熔融并以波浪方式掃越推移金剛石 層 使金剛石再結(jié)晶并在再結(jié)晶過程中交互生長在一起 這種方法后來被稱之為掃越式 催化再結(jié)晶法 即s t c r 法 s w e e pt h r o u g h c a t a l y s tr e c r y s t a l l i z a t i o n 其典型產(chǎn)品為 c o m p a x 系列p c d 復(fù)合片 目前市場上大部分的p c d 復(fù)合片都是采用s t c r 法燒結(jié)而 成 1 1 1 p c d 刀具的發(fā)展現(xiàn)狀 自1 9 7 2 年g e 公司開發(fā)出第一片p c d 復(fù)合片以來 p c d 憑借其極高的硬度和出色 的耐磨性 很快應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域 尤其是在切削用刀具領(lǐng)域正發(fā)揮著越來越重要的作用 p c d 不僅可用來生產(chǎn)車刀 鏜刀 而且也可生產(chǎn)銑刀 鉆頭 鉸刀 鋸 鏤刀 沖頭等 復(fù)雜刀具 在汽車 航空和木材加工領(lǐng)域 p c d 刀具已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用 加工材料包 括鋁 銅等有色金屬及其合金 也可應(yīng)用于木材 塑料 石墨 石材 陶瓷 橡膠等非 金屬及纖維增強(qiáng)材料 硬質(zhì)合金 金屬基復(fù)合材料等材料的加工 p c d 的出色性能還使 其在高速切削和精密切削領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力 如使用p c d 銑削鋁合金 切削速 度可高達(dá)4 0 0 0 7 0 0 0 r n m i n 集美大學(xué)的王大鎮(zhèn)用p c d 刀具切削a 1 s i c 復(fù)合材料時(shí) 曾使最低表面粗糙度達(dá)到0 0 0 8 微米的水平 3 據(jù)估計(jì) 日本在2 0 0 2 年p c d 刀具的使用量即已超過1 0 0 萬把 4 1 1 9 9 7 年 全球p c d 切削刀具年銷售額達(dá)2 2 億美元 到2 0 0 3 年p c d 刀具銷售額已經(jīng)增長到4 億美元 2 0 0 6 p c d 刀具磨削機(jī)理及刃磨工藝研究 年美國刀具消耗中刀片的材料消耗分別是 硬質(zhì)合金占7 6 7 陶瓷刀片6 7 金屬陶 瓷刀片4 7 c b n 和p c d 等超硬刀片8 8 其它刀片占3 1 糾5 1 目前 p c d 和p c b n 已被公認(rèn)為當(dāng)代提高生產(chǎn)效率最有效的兩種刀具材料 1 1 2p o d 刀具的 陛能 由于金剛石顆粒在燒結(jié)的過程中會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈的塑性變形 以及石墨化和再結(jié)晶等現(xiàn) 象 6 1 并在晶粒之間形成牢固的c c 鍵結(jié)合 因此p c d 具有接近天然金剛石的硬度 耐磨性以及導(dǎo)熱能力 同時(shí)還兼具各向同性 強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn) 是一種理想的刀具材料 p c d 與其它刀具材料的主要性能對比如表1 1 所示 7 j 表1 1不同切削刀具材料性能比較 t a b l e1 1t h ep e r p o r i t i e so fd i f f e r e n tc u t t i n gt o o lm a t e r i a l s 除表1 1 中所列的幾種性能之外 p c d 的其它主要性能還包括 1 較大的殘余應(yīng)力 由于金剛石的膨脹系數(shù)約為1 2 1 0 擊k c o 為1 3 x1 0 擊k 而y g 類硬質(zhì)合金的 膨脹系數(shù)通常為4 5 7 1 0 6 k 三者之間存在較大的差異 所以在燒結(jié)的p d c 中 必然 存在較大的殘余應(yīng)力 8 1 l i n 等人的研究發(fā)現(xiàn) s t c r 法燒結(jié)而成的復(fù)合片中 其p c d 層存在的殘余壓應(yīng)力可高達(dá)1 4 g p a 而硬質(zhì)合金基體中的殘余拉應(yīng)力也可達(dá)到 5 0 0 m p a 9 1 2 熱穩(wěn)定性較差 人璉理i j 學(xué)碩士學(xué)位論文 真空中 金剛石即使被加熱到15 0 0 c 左右也不會(huì)出現(xiàn)石墨化 但由于人造臺剛 石中包裹體及p c d 中粘結(jié)劑c o 的影響 p c d 的熱穩(wěn)定性比單晶金剛石要差很多從 表11 中可以看出 常用的四種刀具材料中 p c d 的耐熱性能最差 通常 以c o 為粘 結(jié)劑的p c d 在字氣中的氧化和石墨化溫度僅為7 0 0 7 5 0 c 真空中約為8 1 0 并伴隨有明顯熱裂紋 由于選用材料和燒鮚工藝的不同 不同p c d 材料的各項(xiàng)性能會(huì)表現(xiàn)出很 的差異 例如 d e e b e e r s 公司牛產(chǎn)的c y n d i t e 系列p c d 復(fù)臺片 c t b 0 0 2 c t b 0 1 0 和c t b 0 2 5 囡古c o 量的不同 熱穩(wěn)定性會(huì)出現(xiàn)一定的差異 j dm i e s s 發(fā)現(xiàn) p c d 的斷裂強(qiáng)度會(huì) 隨p c d 中盒剛石顆粒的增大而增大 切削花崗巖時(shí) p c d 顆粒越大 耐磨性越低 但 是在加丁a i s i c 復(fù)合材料時(shí) 隨著村度的增大 p c d 的耐磨件會(huì)先刑高后降低 粘度 為2 5 p m 時(shí)能得到最好的耐磨性 113p o d 刀具的制造工藝 p c d 復(fù)合片的性能很大程度上決定了p c d 刀具的性能 因此p c d 復(fù)合片的制造j 藝非常關(guān)鍵 p c d 復(fù)合片的制造過程非常復(fù)雜 主要包括余剛石微粉的選取 燒結(jié)及復(fù) 臺j 的拋光等 其中燒結(jié)工藝是其關(guān)鍵 i j 前 s t c r 法由于技術(shù)相對成熟 已為大多 數(shù)p c d 廠商所采用 國際上著名的p c d 生產(chǎn)商有英國d e b e e r 公司 美國的g e 公i 同本住友電工株式會(huì)社等 而國內(nèi)由于起步較晚 產(chǎn)品質(zhì)量還不太穩(wěn)定 削1 1p c d 刀具制造流程 f i g l i m a n u f a c t u n n gp r o c e s s o f p c d t 0 l s p c d 刀具的生產(chǎn)過程包括p c d 復(fù)合片的切割 焊接和刃磨三道工序 如巨1l 所 不 p c d 復(fù)合片的切割主要采用電火花加上 激光加工等幾種工藝方法 日前應(yīng)用較 廣泛的是激光加工 它具有加工效率高和加工變形小等優(yōu)點(diǎn) 焊接方法主要有真空釬焊 高頻感應(yīng)釬焊 激光焊 真空擴(kuò)散焊等 目前投資少 成本低 工藝易于掌握的高額感 p c d 刀具磨削機(jī)理及刃磨工藝研究 應(yīng)釬焊在p c d 刀片的焊接中得到了廣泛的應(yīng)用 p c d 刀具的刃磨是p c d 刀具制造過程 中的關(guān)鍵工藝 刃磨的主要目的是為了去除p c d 復(fù)合片由于激光或電火花切割而留下 的損傷層以及使刀具獲得需要的幾何形狀和表面質(zhì)量 文獻(xiàn) 1 3 通過研究發(fā)現(xiàn) 激光切 割的p c d 復(fù)合片 最小刃磨余量約為1 0 p m 而e d m 切割的p c d 復(fù)合片 最小刃磨余 量約為1 5 2 0 9 m 1 1 4p o d 刀具的發(fā)展趨勢 盡管p c d 具有諸多優(yōu)良性能 但也存在熱穩(wěn)定性較差 焊接工藝較難控制 加工 成本高等缺點(diǎn) 為進(jìn)一步改善p c d 刀具的性能 降低p c d 刀具的加工成本 國內(nèi)外學(xué) 者進(jìn)行了大量的研究 其主要研究方向包括以下幾點(diǎn) 1 開發(fā)更薄p c d 層的p c d 復(fù)合片 傳統(tǒng)的復(fù)合片p c d 層的厚度通常在0 4 0 6 m m 之間 這一厚度主要是為了工藝上的需要 而p c d 刀具實(shí)際參與切削的p c d 厚 度卻只有0 0 5 一 0 3 m m 因此將來有望通過改進(jìn)工藝制造出更薄p c d 層的p c d 復(fù)合片 以大幅度降低p c d 刀具的加工成本 1 4 2 新型p c d 材料的開發(fā) 以c o 為粘結(jié)劑的p c d 復(fù)合片熱穩(wěn)定性較差 內(nèi)應(yīng)力 大 很容易在高溫下失效 因此 國外正加緊開發(fā)非c o 粘結(jié)劑的p c d 產(chǎn)品 m a k a i s h i 發(fā)現(xiàn)以m g c 0 3 和c a c 0 3 為粘結(jié)劑的復(fù)合片耐熱性能會(huì)有很大的提高 1 5 1 7 w e s t r a a d t 等人的研究也表明 采用c a c 0 3 為粘結(jié)劑燒結(jié)得到的p c d 在1 2 0 0 的高溫處理3 0 分鐘后其機(jī)械性能與未處理前基本相同 引 3 p c d 刀具焊接新工藝的開發(fā) p c d 的焊接技術(shù)是制約p c d 刀具廣泛應(yīng)用的 關(guān)鍵因素之一 這是因?yàn)?p c d 耐熱性較差 允許的焊接溫度一般不超過7 5 0 同時(shí) p d c 的硬質(zhì)合金基體的焊接性能較差 目前復(fù)雜p c d 刀具 如p c d 鉆頭一般采用真空 擴(kuò)散焊的方式進(jìn)行焊接 但是該種焊接方法費(fèi)時(shí) 設(shè)備復(fù)雜 成本較高 l9 1 激光焊接 真空釬焊 高頻感應(yīng)釬焊等焊接方式的研究 都有望在將來進(jìn)一步降低p c d 刀具的焊 接成本 提高焊接質(zhì)量 2 0 4 形狀結(jié)構(gòu)多樣化 過去的聚晶金剛石產(chǎn)品一般是片狀和圓柱狀 由于尺寸大型化和加工技術(shù) 電火花 激光切割加工技術(shù) 的提高 三角形 人字形 山墻形球面 曲面以及其它各種異形坯 料增多 為了適應(yīng)特殊切削刀具的需要 還出現(xiàn)了包裹式 夾心式與花卷式聚晶金剛石 產(chǎn)品 2 1 1 結(jié)構(gòu)形式的多樣化 進(jìn)一步拓寬了p c d 刀具的應(yīng)用領(lǐng)域 5 p c d 刃磨工藝的改進(jìn) 大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 p c d 的高硬度 高耐磨性使p c d 刀具的刃磨相當(dāng)困難 主要體現(xiàn)在材料的磨除率 小 砂輪損耗大 刀具效率低 刃口鋸齒度較難控制等 金剛石砂輪機(jī)械刃磨目前仍然 是p c d 刀具刃磨的主要方式 但是刃磨效率很低 如k e n t e r 在其試驗(yàn)條件下得到的磨 除率o w 僅為o 5 2 5 m m 3 m i n 磨耗比為0 0 0 5 0 0 2 5 m m 3 m m 3 2 2 超聲振動(dòng)研磨和電火 花加工 以及在線電解修 e l i d 等都可以用來加工p c d 刀具 這些加工方法可以大 幅度提高p c d 的磨削效率 但是目前還存在一些缺陷 如加工表面質(zhì)量達(dá)不到切削刀 具的要求 鋸齒度太大 或技術(shù)不成熟 精度難以控制等 2 3 2 5 但將來有望通過進(jìn)一步 改進(jìn)工藝將這些新的工藝方法應(yīng)用于p c d 刀具的加工 1 2p c d 刀具的刃磨 1 2 1p c d 刀具的砂輪磨削加工工藝 p c d 的砂輪磨削 是指用金剛石砂輪 在專用的p c d 刀具磨床上對p c d 刀具進(jìn)行 直接磨削 由于p c d 的磨削是一個(gè)金剛石磨削金剛石的過程 與普通的磨削工藝有很 大的不同 因此對磨床 金剛石砂輪及刃磨工藝都提出了很高的要求 p c d 工具磨床一 般需要具有很高的剛性 精度 還應(yīng)具有砂輪架擺動(dòng)裝置及數(shù)顯裝置 以保證加工精度 而金剛石砂輪的性能同樣重要 砂輪的粒度 濃度和結(jié)合劑類型等參數(shù)都可能對p c d 刀具的刃磨質(zhì)量和刃磨效率產(chǎn)生很大的影響 目前常用的p c d 刀具用金剛石砂輪有陶 瓷基 樹脂基和金屬基三種 粒度一般在w 4 0 2 0 0 0 之間 刃磨工藝是保證p c d 刀具 刃磨質(zhì)量的關(guān)鍵 也是當(dāng)前p c d 刀具研究的熱點(diǎn) 其中k e n t e r 對p c d 的磨削進(jìn)行過系 統(tǒng)研究 得出了許多權(quán)威性的研究成果 2 2 2 6 2 7 1 1 2 2p c d 刀具砂輪磨削加工的特點(diǎn) p c d 的特殊性能使得p c d 刀具砂輪磨削加工具有以下幾個(gè)特點(diǎn) 1 磨削力大 金剛石是己知礦物中硬度最高的物質(zhì) 與各種金屬 非金屬材料配對摩擦的磨損量 僅為硬質(zhì)合金的1 5 0 1 8 0 0 2 8 p c d 的硬度 h v 為8 0 1 2 0 k n m m 2 僅次于單晶 金剛石 遠(yuǎn)高于硬質(zhì)合金 采用金剛石砂輪磨削p c d 時(shí) 起始切削強(qiáng)度很高 約為硬 質(zhì)合金 o 4 m p a 的1 0 倍以上 2 9 比磨削能達(dá)1 2 1 0 4 1 4 1 0 5 j r a m 3 3 0 因此磨削 p c d 時(shí)的磨削力遠(yuǎn)高于磨削硬質(zhì)合金的磨削力 2 磨耗比小 由于p c d 的硬度和耐磨性很高 相對耐磨性為硬質(zhì)合金的1 6 1 9 9 倍 3 1 1 磨削 p c d 時(shí)其磨削比很低 僅約為硬質(zhì)合金的1 1 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 磨除率也很低 因此 為 p c d 刀具磨削機(jī)理及刃磨工藝研究 保證切削刀具的刃口質(zhì)量和去除量 磨削時(shí)間會(huì)很長 造成加工效率低下 再加上金剛 石砂輪比較昂貴 使得p c d 刀具的加工成本居高不下 3 對粒度的影響較為敏感 切削刀具用p c d 按粒度主要分為三類 即粗粒度 2 0 一5 0 9 m 中粒度 1 0 r n 作用 和細(xì)粒度 5 岬 不同粒度的p c d 其磨削力 磨削比相差幾倍至數(shù)十倍 其中 粗粒度p c d 磨削比最高 磨削最困難 且磨削后刃口鋸齒度最大 但耐磨性最 強(qiáng) 細(xì)粒度p c d 磨削比相對最低 磨削較易 磨削后刃口質(zhì)量也最好 3 2 1 但耐磨性差 適合于精加工的場合 1 3 本課題的研究現(xiàn)狀 1 3 1p c d 磨削機(jī)理的研究現(xiàn)狀 為進(jìn)一步提高p c d 的磨削效率和刃磨質(zhì)量 必須深入了解p c d 刀具的磨削機(jī)理 但是 目前p c d 磨削機(jī)理的研究還不是很充分 這主要有以下兩方面的原因 一是砂 輪磨削p c d 時(shí) 砂輪材料和工件材料相同 其微觀去除機(jī)理非常復(fù)雜 與普通的磨削 過程有很大的不同 第二個(gè)原因是對各種去除機(jī)理的研究目前似乎還缺乏有效的研究手 段 例如 磨削區(qū)域的磨削高溫很可能使p c d 發(fā)生石墨化 但是由于產(chǎn)生的石墨非常 少 并且很快被砂輪帶走 再加上砂輪磨損的速度較快 因此在磨削表面和磨屑中都很 難探測到石墨的存在 正是由于上述種種困難 國內(nèi)外學(xué)者投入了大量科研力量對p c d 的磨削機(jī)理進(jìn)行研究 截止目前 對p c d 磨削機(jī)理的解釋主要存在以下幾種觀點(diǎn) 1 德國學(xué)者m k e n t e r 對p c d 的磨削過程做了系統(tǒng)研究 他通過對比各種參數(shù)對 p c d 去除率q w 和磨耗比g r a t i o 的影響以及對磨削表面形貌的分析后認(rèn)為 砂輪磨削 p c d 時(shí) 主要去除機(jī)理有四種 分別為粘結(jié)去除 磨粒去除 化學(xué)去除以及裂紋擴(kuò)展引 起的微細(xì)剝落 并且在實(shí)際磨削過程中 通常是多種去除機(jī)理同時(shí)作用 關(guān)于粘結(jié)去除 和化學(xué)去除 k e n t e r 未做進(jìn)一步解釋 但其對磨粒去除進(jìn)行了較深入的分析 并得出以 下幾點(diǎn)結(jié)論 1 由于p c d 的高硬度和高脆性 磨削過程中砂輪上的金剛石磨粒直接 壓入p c d 并形成切屑的現(xiàn)象幾乎不可能存在 2 磨粒去除的方式主要有滾壓 震動(dòng) 滑擦和刻劃四種 如圖1 2 所示 其中起主要作用的是滑擦和刻劃作用 3 當(dāng)金剛 石砂輪被修銳以后 金剛石磨粒比較鋒利 這時(shí)磨粒壓入p c d 一定微小深度 并形成 切屑的現(xiàn)象在p c d 的刃口處是可能存在的 作者在c t b 0 0 2 型p c d 的刃口處發(fā)現(xiàn)了少 量的與磨削方向相同的劃痕 但當(dāng)砂輪被磨損以后 滑擦效應(yīng)會(huì)成為p c d 去除的主 大連理 j 大學(xué)碩士學(xué)位論文 要形式 由于p c d 磨削時(shí)砂輪磨損非?？?7 0 0 r m i n 時(shí) u 將大于2 必能滿足砂輪磨損均勻性要求 表2 1 砂輪參數(shù) t a b l e 2 1p a r a m a t e r so ft h eg r i n d i n gw h e e l 砂輪型號 平均粒度 i n n 尺寸 m m 濃度粘結(jié)劑 w 4 04 0 1 5 0 4 0 1 5 5 1 0 0 陶瓷 w 1 41 4 1 5 0 4 0 1 5 5 1 0 0 陶瓷 2 0 0 0 2 5 1 5 0 4 0 1 5 5 1 0 0 金屬 p c d 刀具磨削機(jī)理及刃磨工藝研究 在本文試驗(yàn)中 根據(jù)試驗(yàn)的需要并結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際 榴磨加工我們選用w 4 0 hw 1 4 兩種陶瓷基會(huì)剛石砂輪 精磨加工選用2 0 0 0 金屬基砂輪 三種砂輪的參數(shù)見表21 堅(jiān) 23 為三種砂輪的外觀圖 霹黑璺舅 邕2 3 二種試驗(yàn)用砂輪 f i 9 23 t l a et h r e et y p e so f g n n d i n gw h e e l su s e di nt h i se x p m m e m 213 磨削液的選擇 磨削液在磨削過程中的作用主要有 清洗堵塞的砂輪 帶走磨屑以及降低群削匕域 的溫度 p c d 的厝削是金剛石磨削金剛掃的過程 磨削力大 砂輪磨損快 磨削區(qū)域的 溫度高 為防止過高的溫度對p c d 刀具的性能產(chǎn)生不良影響 需要使用磨削液對磨自i 區(qū)域進(jìn)行冷卻 同時(shí)對砂輪進(jìn)行沖洗 憧其保持鋒利狀態(tài) 一直以來人們把p c d 的麝 削液稱為冷卻液 認(rèn)為在p c d 的磨削過程中磨削液主要起冷卻作用 但是劉峰斌的研 究發(fā)現(xiàn)i 磨削液的存在能人幅降低堵削力 這表明磨削液在p c d 的磨削過程中也能 起到潤滑作片j 由于磨削液的潤滑性能太強(qiáng)會(huì)使p c d 的去除效率急劇下降口 因此 常用的磨削液大多采用冷卻能力較強(qiáng)且不含潤滑劑的水基溶液 本試驗(yàn)中 我們選用的 磨削液為臺t s m l 水劑1 的水溶液 t s m 1 水荊的作用是為了防止磨床生銹 214 砂輪轉(zhuǎn)速的選擇 f c 2 0 0 c 磨床的轉(zhuǎn)速可以在7 0 0 4 0 0 0 r m i n 之間進(jìn)行調(diào)節(jié) 由于轉(zhuǎn)速越高磨睞的 0 定性越低 同時(shí)磨削區(qū)域的溫度也會(huì)急劇升高 因此 生產(chǎn)實(shí)際中常用的轉(zhuǎn)速都在7 0 0 2 0 0 0 f r a i n 之間 為與生產(chǎn)實(shí)際相符 奉文試驗(yàn)中選取的三個(gè)轉(zhuǎn)速分別為 低速 7 0 0 r m i r l 中速 1 2 0 0 r m i n 高速 2 0 0 0 r m i n 大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 215 磨削壓力的選擇 p c d 刃磨時(shí) p c d 刀片與砂輪的實(shí)際作用力稱為磨削壓力 f n 如圖24 所示 f 的大小需用測力儀進(jìn)行測量 而磨床工作臺及刀架通過磨床上的施力裝置施加給砂輪 的壓力被稱為工作臺調(diào)定壓力 f 由于傳力裝置具有一定的剛性 因此通常f f 圖2 5 所示為工作臺凋定壓力與磨削壓力之 日 的關(guān)系曲線 從圖2 5 中可以看到 實(shí)際磨削壓力與調(diào)定壓力基本成 f 比關(guān)系 由于調(diào)定壓力可 以從磨床上直接讀出 因此本文試驗(yàn)中為方便試驗(yàn)的進(jìn)行 選取了工作臺調(diào)定壓力f 一 作為試驗(yàn)參數(shù) 以定性地研究磨削壓力對p c d 刀具磨削質(zhì)量的影響 考慮到磨床的剛 性和生產(chǎn)實(shí)際 我們選取大磨削壓力為1 2 9 4 n 小磨削壓力選為1 2 9 n 磨床壓力調(diào)定 閥上的一個(gè)刻度表示1 2 9 n 的調(diào)定壓力 圖2 4p c d 磨削時(shí)的每個(gè)分刀 f i g2 4 k i n e m a t i c s 曲d f o r c e s i n t h eg n n d i n g o f p o l y c r y s t a l l t h e d i a m o n d e 圖2 5 詞定f j 三力與磨削慷力的天系 f i 9 25 t h er e l a t i o n s h i p b e t w e e n h a n t i t 22p c d 復(fù)合片的選取 p c d 的粒度越小 強(qiáng)度越高 也越容易磨出鋒利的刃口 但是由于細(xì)晶粒的p c d 燒結(jié)比較困難 因此早期的p c d 粒度都比較大 平均粒度一般在5 0 1 a m 以上 隨著 燒結(jié)工藝的不斷改進(jìn) p c d 的粒度也越柬越細(xì) 目前常用的切削用p c d 萁粒度通常為 1 5 0 u m 粗粒度p c d 的金剛石臺量高 耐磨性好 熱導(dǎo)性高 但用其制作的7 j 具州門總有微 小崩刃 難以形成高精度刀填 相反 細(xì)粒度p c d 抗彎強(qiáng)度高 磨削性能和韌性都較好 中粒度p c d 介于以上兩者之問 園此 粗粒度p c d 刀具主要用于要求刀具耐磨性局的 p c d 刀縣蘑削機(jī)理及刃磨工藝研j 場臺中粒度p c d 刀具屬于通用型 主要用于工件表面質(zhì)量及刀具耐磨性適中的場 細(xì)粒度p c d 刀具則用于工件表面質(zhì)量要求特別高的場合 本文試驗(yàn)中我們選用d e b e e r 公司生產(chǎn)的s y n d i t e c t b 0 0 2 c t b 0 1 0 c t b q 2 種p c d 復(fù)合片作為試驗(yàn)材料 平均粒度分別為2 9 m 1 0 9 i n 和2 5 9 i n 這也是巨n i 1 i 界上應(yīng)用最為廣泛的幾種p c d 復(fù)臺片 只有較強(qiáng)的代表性 隧潮 m 1c r b 0 2 5 酎2 6p c d 粒度劉磨削表面形駛的影響 w 1 4 顯磨 19 4 7 r r a i n f i 9 26 t h ee f f e c to f g r a i ns i z eo n t h eg r o u n ds u r f a c e s m o r p h o l o g yo f p c d 從圖2 6 可以看出 即使往相i 司的磨削參數(shù)下 p c d 粒度的不同 磨削表面的形藐 也會(huì)表現(xiàn)出很大的差異 放大5 0 0 0 倍后 c t b 0 0 2 由于晶粒較小 依然不能看到清晰的 晶粒和晶界 而c t b 0 2 5 l 于耗度較大 晶粒和晶界都能清楚地被分辨出柬 對p c d 磨h0 機(jī)理及磨削表而質(zhì)量的研究 由于涉及單個(gè)金剛右顆粒上形成的裂紋 剝落坑及對晶界的微觀分析 我們主要選用品粒相對較大的c t b 0 2 5 和c t b 0 1 0 兩種復(fù) 臺片進(jìn)行試驗(yàn) 對p c d 刀具刃口質(zhì)量的研究 本文試騎則主要選用c t b 0 1 0 復(fù)臺片 返是因?yàn)閏 t b 0 1 0 通用性好 尤其是其刃1 7 鋸齒度對各種磨削參數(shù)都較敏感 有利 試 驗(yàn)的分析 23 磨削試驗(yàn)過程 231 試樣的制備 對磨自j 機(jī)理的研究 為方便試驗(yàn)的進(jìn)行 我們將選取的三種p c d 復(fù)臺片 用滿尤 切割機(jī)切割成30 x 25 m m 大小的方形試樣 焊接于丌槽的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)央刀片上 焊接溫度為 連理一九學(xué)碩士學(xué)付論文 7 2 0 c 隨后將力片的兩端磨平 并保證兩端平面基本平行 以方便試樣在s e m 觀察時(shí) 用導(dǎo)電膠固定 試樣的外觀如圖27 所示 刃磨質(zhì)量試驗(yàn)用試樣的外形如圖2 8 所示 之所以制成標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)夾刀片 是為了完 全模擬實(shí)際的生產(chǎn)過程 m 真實(shí)地了解磨削參數(shù)對p c d 刃磨質(zhì)量的影響規(guī)律 圖27 磨削機(jī)理塒試樣幽2 8 刃磨質(zhì)撾分析用試樣 f i 9 27 s h a p eo f t h es p e c i m e nu s e di nt h es t u d yf i 9 28s p c c w a e nu s e di nt h es t u d yo f o f r c r t l o v a l m e c h a n i s m g r i n d i n gq u a l i t y 232 砂輪的修銳 開始試驗(yàn)前 需先用油石對砂輪進(jìn)行仞磨f 圖2 9 使砂輪表面變平整 同時(shí)在 磨削過程中還需定時(shí)對砂輪進(jìn)行修銳 如圖21 0 使砂輪保持鋒利狀態(tài) 這是因?yàn)?p c d 的高硬度和高耐磨性使金剛石砂輪磨損非?？?有研究認(rèn)為 直徑為1 2 5 r a m 耗 度為w 4 0 的金剛石砂輪 當(dāng)砂輪轉(zhuǎn)速為2 0 m r a i n 磨削壓力為3 75 n r a m 2 時(shí) 摩削時(shí) 間超過15 s 砂輪就會(huì)被嚴(yán)重磨損 顯然 生產(chǎn)實(shí)際中幣可能每1 5 s 重新修銳一次砂輪 因此 p c d 刀具白勻磨削通常都 是在砂輪并不完全鋒利的情況下完成的 本文試驗(yàn)中 p c d 刀具刃磨質(zhì)量的試駐部分 我們以磨除量作為每一試樣的磨削標(biāo)準(zhǔn) 若采用的是耦砂輪 w 4 0 或w 1 4 去除厚 度達(dá)到2 0 9 m 即停止磨削 若采用細(xì)砂輪 2 0 0 0 則當(dāng)去除厚度達(dá)到5 m 時(shí)即停止 磨削 每磨完一個(gè)試樣 砂輪重新修銳一次 修銳時(shí)日j 為2 0 s 之所以選擇這樣的磨除 量是為了避免試樣上已有的損傷層對新的磨削表面質(zhì)量產(chǎn)生影響 同時(shí)又幣至于使磨削 叫訓(xùn)過長 坩w p c d 刀具磨削機(jī)琿及刃磨i 藝研究 例2 9 砂輪的初磨 f i 9 29 p r e g n n d i n go f t h e w h e e l 圖2 1 0 砂托的修銳 f i g21 0r e s h a r p e n i n go f t h ew h e e l 233 磨削參數(shù) 本文試驗(yàn)分為兩大部分 對p c d 磨削機(jī)理的研究 部分試驗(yàn)參數(shù)按表21 和2 3 選取 轉(zhuǎn)速 磨削壓力和去除量則鹿根據(jù)不同的磨削機(jī)理臺理選取 對p c d 磨日j 工藝 的研究 則采用單因素法 按表22 分組進(jìn)行進(jìn)行磨削試驗(yàn) 2 2蘑削試驗(yàn)變爆 t a b l e 22v a r i a b l es e t t i n g s 24 試樣的腐蝕處理 預(yù)試驗(yàn)中 我們選用w 4 0 陶瓷基砂輪對c t b 0 2 5 進(jìn)行濕磨 砂輪轉(zhuǎn)速為1 0 0 0 r m i n 磨削壓力為j 2 9 2 n 剛28 a 足醣試樣磨削表面的s e m 圖h 可以看到磨削喪面非 t 大連理 i 大學(xué)碩十學(xué)位論文 模糊 根本看不到真實(shí)的金剛石晶粒和晶界 造成這一現(xiàn)象可能的原閎有以f 幾點(diǎn) ri 磨削過程中粘結(jié)劑c o 由于具有較強(qiáng)的塑性變形能力而黏附于磨削表面 2 p c d 在 磨削過程中可能旋生了一定程度的氧化 石墨化 無定型碳化及其它化學(xué)反應(yīng) 形成一 層非盒剛石薄膜 3 磨削液 砂輪在磨削高溫k 與p c d 磨削表面的直接接觸也可能 帶來粘結(jié)物覆蓋在磨削區(qū)域 4 由于粘結(jié)劑c o 的電子反射率較高 而c 原子的電 子反射能力較弱州 從而造成p c d 中會(huì)剛石顆粒的相對亮度下降 并旱深黑色 至于 是哪一種原因起主要作用 則還有待進(jìn)步分析 鑒于真實(shí)的磨削表面為粘結(jié)物 粘結(jié)劑c o 等所覆蓋 因此必須對p c d 原始磨削表 面進(jìn)行腐蝕和清洗 經(jīng)過反復(fù)的對比試驗(yàn)我們發(fā)現(xiàn) 選用工水對p c d 進(jìn)行腐蝕可以得 到較好的效果 如圖2 8 所示j 這是因?yàn)橥跛诔叵聦 o 有較強(qiáng)的腐蝕能力 對 會(huì)剛石幾乎不起作用 4 6 1 但試驗(yàn)中我們發(fā)現(xiàn) 若腐蝕時(shí)旬過長 如1 0 m i n p c d 中的 金剮石也會(huì)被腐蝕 如圖28 c 所示 使原有的表面形貌遭到破壞 金剛石的腐蝕 與p c d 中的包裹體有很大的莢系 文獻(xiàn) 4 7 發(fā)現(xiàn)p c d 中的金川石晶粒 不論是原始晶 粒 還是燒結(jié)過程中再結(jié)晶形成的晶粒 都存在大量的包裹體 劉一波等人用x 射線緹 測量了國產(chǎn)高品紱金剛石與國外中等和高等品繳金剛石中包裹體的含量發(fā)現(xiàn) 包裹體的 古量通常在1 2 v 0 1 之問f 4 由于包裹體的成分都是咀金屬為主的催化劑或粘結(jié)劑 抗腐蝕能力較差 從而導(dǎo)致p c d 在時(shí) 日 較長時(shí)也會(huì)被腐蝕 a 腐蝕前 m 1 膳蝕2 分鐘后 c 腐蝕1 0 分鐘幣 圖21 i 腐蝕前斤彳磨削表面形貌對比 f i 9 2 1 1 t h ee f f e c to f e i c h i n g t e c h n i q u eo n t h es p e c i m e n s m i e r o g r a p h 經(jīng)過腐蝕的試樣 在丙酮中用微波清洗儀清洗后 即可用s e m 進(jìn)行顯微觀測 p c d 刀具磨削機(jī)理及刃磨工藝研究 3 金剛石的解理和疲勞現(xiàn)象 從1 3 1 節(jié)有關(guān)p c d 去除機(jī)理的介紹中可知 在p c d 的磨削過程中金剛石晶粒的 破碎和疲勞現(xiàn)象起著重要作用 而p c d 的破碎現(xiàn)象又與金剛石的解理密切相關(guān) 因此 在探討p c d 的去除機(jī)理之