聚晶金剛石最佳磨削速度的試驗(yàn)研究
時(shí)間:2011-02-27 10:22:23 來源:
1 引言
聚晶金剛石(PCD)復(fù)合片兼有天然金剛石的硬度、耐磨性和硬質(zhì)合金的抗沖擊性，是理想的刀具材料。PCD刀具在高速切削有色金屬及其合金、非金屬材料等加工場(chǎng)合表現(xiàn)出優(yōu)異的切削性能，因此被廣泛應(yīng)用于汽車、航空航天等加工領(lǐng)域。然而，PCD材料的高硬度、高耐磨性也給其加工帶來了困難，目前通常采用金剛石砂輪磨削工藝加工PCD材料。砂輪中的金剛石磨料對(duì)PCD材料的磨削作用實(shí)質(zhì)上是兩種硬度及性質(zhì)相近的物質(zhì)之間的相互作用，與普通磨削過程(磨料硬度遠(yuǎn)高于被磨材料硬度)具有明顯區(qū)別，因此PCD復(fù)合片刃磨工藝具有自身的變化規(guī)律，而目前對(duì)這種規(guī)律的研究還不夠充分，認(rèn)識(shí)也不夠統(tǒng)一，一些觀點(diǎn)和結(jié)論也缺乏足夠依據(jù)。本文針對(duì)磨削速度vs對(duì)PCD材料的磨除率Q、磨耗比G 等指標(biāo)的影響進(jìn)行了較系統(tǒng)的試驗(yàn)研究，并對(duì)其作用機(jī)理進(jìn)行了深入的分析探討，其結(jié)果對(duì)優(yōu)化PCD刃磨工藝具有理論指導(dǎo)意義。
2 試驗(yàn)條件與方法
磨削工藝參數(shù)表
| 砂輪擺速(次/min) |
進(jìn)給量(mm/min) |
刀架靜剛度(N) |
| 40 |
0.08 |
387 |
磨削試驗(yàn)在臺(tái)灣產(chǎn)FC-200D 型PCD&PCBN專用工具磨床上進(jìn)行。使用型號(hào)為6A2 150×40×15×5 W20 M100 的國產(chǎn)金剛石砂輪磨削美國通用電氣(GE)公司生產(chǎn)的長方形(25mm×5mm)1300 PCD刀坯(PCD層橫截面積為2.5mm2)。采用日本產(chǎn)Mitutoyo數(shù)顯千分尺(精度0.001mm)測(cè)量PCD刀坯的磨除長度；在磨床進(jìn)給系統(tǒng)上安裝定位塊，利用進(jìn)給數(shù)顯系統(tǒng)(精度 0.001mm)測(cè)量金剛石砂輪的磨耗厚度，并通過計(jì)算分別求出PCD材料磨除率、砂輪磨耗率及磨耗比。試驗(yàn)中采用水基冷卻液，磨削工藝參數(shù)見上表。在磨削過程中，用Kistler測(cè)力儀同步測(cè)量磨削力。將磨削后的PCD試件置于日本產(chǎn)JSL-5600LV掃描電鏡上觀察其微觀形貌。
3 試驗(yàn)結(jié)果與分析
磨削試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。由圖可見，PCD磨除率Q隨磨削速度vs的提高而遞增；磨耗比G曲線存在駝峰，即中速磨削(7m/s≤vs≤14m/s)時(shí)G值最大，而高、低速磨削時(shí)G值均較小。筆者認(rèn)為產(chǎn)生這一結(jié)果的原因是隨著磨削速度的提高，PCD的磨削機(jī)理及金剛石砂輪的磨損形式發(fā)生了變化所致。
圖1 PCD磨除率、磨耗比與磨削速度的關(guān)系
圖2 低速磨削時(shí)PCD磨削表面的微觀形貌
圖3 高速磨削時(shí)PCD磨削表面的微觀形貌
圖4 砂輪磨耗率與磨削速度的關(guān)系
圖5 PVD磨削力Ft、Fn與磨削速度的關(guān)系
PCD 的磨削機(jī)理主要有四種去除方式：沖擊脆性去除、沿晶疲勞脆性去除、疲勞點(diǎn)蝕脆性去除、熱化學(xué)及機(jī)械熱去除。沖擊脆性去除主要發(fā)生在磨粒切入處(即刃口處)，在任何磨削速度下均會(huì)發(fā)生；而其它去除方式在不同磨削速度下其主次地位會(huì)發(fā)生變化。隨著磨削速度的提高，磨削區(qū)溫度將逐漸升高，由PCD的物理、化學(xué)性能可知，熱化學(xué)及機(jī)械熱去除在磨削中所占比例將逐漸增大。圖2、圖3分別為試驗(yàn)樣本在低速(vs=3.92m/s)和高速(vs=25.17m/s) 磨削時(shí)的磨削表面微觀形貌。由圖2可見，PCD磨削表面沿晶附近及金剛石表面存在大小不等的凹坑及縱橫交錯(cuò)的微裂紋，且磨削表面未見明顯的平滑區(qū)及機(jī)械劃痕。這說明低速磨削時(shí)PCD材料去除方式以沿晶脆性去除及疲勞點(diǎn)蝕脆性去除為主，以局部的熱化學(xué)及機(jī)械熱去除為輔。由圖3可見，PCD磨削表面存在許多平滑區(qū)，在平滑區(qū)上可見明顯的機(jī)械劃痕，且其上基本不存在點(diǎn)蝕坑和微裂紋；同時(shí)，在PCD磨削表面低洼處、PCD沿晶附近及金剛石顆粒表面仍存在大小不等的凹坑。這說明高速磨削時(shí)PCD材料的去除方式以熱化學(xué)及機(jī)械熱去除和沿晶疲勞脆性去除為主，以疲勞點(diǎn)蝕脆性去除為輔，這與有關(guān)文獻(xiàn)的觀點(diǎn)相吻合。因此，隨著磨削速度的提高，雖然單顆磨粒的切削厚度減小，但因PCD磨削機(jī)理發(fā)生了轉(zhuǎn)變，反而使PCD磨除率Q隨磨削速度vs的提高而遞增，但因磨粒的正常磨損也同時(shí)加劇，所以Q值增長幅度不大。
PCD磨耗比G曲線在中速(7m/s≤vs≤15m/s)磨削范圍內(nèi)存在駝峰。筆者認(rèn)為這是磨粒磨損形式發(fā)生轉(zhuǎn)變所致。圖4所示為對(duì)應(yīng)的砂輪磨耗率Qs與磨削速度vs的關(guān)系曲線。由圖可知，在對(duì)應(yīng)G曲線駝峰的磨削速度范圍內(nèi)，砂輪的磨耗率最小；而在其它磨削速度下砂輪的磨耗率均較大。由圖5所示的切向磨削力Ft與磨削速度vs的關(guān)系可知，磨削過程中，切向磨削力Ft隨磨削速度vs的提高而減小。低速磨削時(shí)，作用于單顆磨粒上的Ft較大，磨粒易產(chǎn)生過早的整體脫落磨損，因此砂輪磨耗率較大；中速磨削時(shí)，作用于單顆磨粒上的Ft減小，且磨削區(qū)溫度不太高，因此磨粒不易產(chǎn)生過早的整體脫落及過快的熱鈍化磨損，而是以微破碎磨損為主，磨粒處于最佳工作狀態(tài)，因此砂輪磨耗率最小；高速磨削時(shí)，雖然作用于單顆磨粒上的Ft進(jìn)一步減小，但因磨削速度高而導(dǎo)致磨削區(qū)溫度升高，因此磨粒將產(chǎn)生過快的熱鈍化磨損，使磨粒很快喪失磨削能力，導(dǎo)致砂輪磨耗率急劇增大。由于磨粒的磨損形式隨著磨削速度的提高而發(fā)生上述轉(zhuǎn)變，且PCD磨除率隨磨削速度的提高而增大，因此，在磨粒處于最佳工作狀態(tài)的磨削速度范圍內(nèi)，PCD材料的磨耗比G最大，即磨耗比曲線存在駝峰。
在磨削過程中，由圖5所示法向磨削力Fn與磨削速度vs的關(guān)系可知，中低速磨削(vs≤15m/s)時(shí)，F(xiàn)n隨磨削速度vs的提高而增大；高速磨削(vs>15m/s)時(shí)，F(xiàn)n隨vs的增大而減小。雖然這與傳統(tǒng)的磨削力與磨削速度關(guān)系不符，但PCD磨削機(jī)理隨磨削速度提高而發(fā)生上述轉(zhuǎn)變的結(jié)論可令人信服地解釋這一試驗(yàn)結(jié)果。眾所周知，在正常工作條件下，砂輪中金剛石磨粒的鈍化磨損程度隨vs的提高而增大；在其它磨削條件相同的前提下，磨削區(qū)溫度隨磨削速度vs的提高而升高。低速磨削時(shí)，PCD材料去除方式以沿晶脆性去除和疲勞點(diǎn)蝕脆性去除為主，以局部的熱化學(xué)及機(jī)械熱去除為輔，磨削區(qū)的平均溫度較低，PCD表面的硬度隨溫度(速度)升高而降低的幅度很小，而砂輪中金剛石磨粒的鈍化磨損程度隨vs的提高而增大，因此，低速磨削時(shí)Fn隨vs的提高而增大；高速磨削時(shí)，PCD材料去除方式以熱化學(xué)及機(jī)械熱去除和沿晶疲勞脆性去除為主，以疲勞點(diǎn)蝕脆性去除為輔，磨削區(qū)的平均溫度較高，PCD表面的硬度隨溫度(速度)升高而明顯降低，因此，高速磨削時(shí)Fn隨vs的提高而減小。綜上所述，用金剛石砂輪在加冷卻液的條件下磨削PCD材料時(shí)，對(duì)于材料磨除率Q和磨耗比G這兩個(gè)目標(biāo)函數(shù)，在中速磨削范圍內(nèi)，G值最大，Q值也較大，砂輪處于最佳工作狀態(tài)。這表明磨削PCD材料時(shí)磨削速度vs存在一個(gè)最佳范圍。
4 結(jié)論
- 隨著磨削速度vs的提高，PCD材料的去除機(jī)理將發(fā)生轉(zhuǎn)變，即由脆性去除控制PCD材料去除向由脆性去除、熱化學(xué)及機(jī)械熱去除同時(shí)控制PCD材料去除轉(zhuǎn)變，且隨著vs的提高，熱化學(xué)及機(jī)械熱去除所占比重逐漸增大。
- 隨著磨削速度vs的提高，PCD材料磨除率Q逐漸增大，但增長幅度較小。
- 對(duì)于PCD材料磨耗比G和磨除率Q，存在一個(gè)最佳磨削速度范圍。在此范圍內(nèi)，G值最大，Q值也較大，砂輪磨耗率Qs值最小，即砂輪處于最佳工作狀態(tài)。在本文試驗(yàn)條件下，最佳磨削速度范圍為：7m/s≤vs≤14m/s。
- 低速磨削時(shí)，法向磨削力Fn隨磨削速度vs的提高而增大；高速磨削時(shí)，F(xiàn)n隨vs的提高而減小。切向磨削力Ft隨磨削速度vs的提高而減小。