聚晶鑽石

聚晶鑽石表面拋光技術研究

用傳統的機械拋光法對大面積PCD制品拋光,磨輪會先接觸其因應力變形而出現的凸起部分,造成拋光時間長、局部厚度減薄等弊端。對此,作者設計並運用了雙搖桿擺動夾具,使拋光表面在拋光過程能與磨輪端面自適應接觸,本文主要闡述這種新工藝裝備的特點和使用效果。

一、緒論

PCD制品自20世紀70年代問世以來,以其優良的性能,在航空航天、國防、能源、汽車、地質鑽探和線纜等高技術領域中得到日益廣泛的應用。尤其是大面積PCD制品的應用,使機械加工能力和水平向前邁進一大步,加工精度、加工表面質量不斷提高,加工效率幾十倍甚至上百倍提高。大面積PCD制品多用於制造切削各種材料的刀具,為了良好斷屑,提高被加工工件的精度和表面質量,大多數PCD制品的PCD面需要拋光,使其達到鏡面(表面粗糙度Ra≦0.05μm)。盡管很多資料介紹PCD面電化學拋光、超聲拋光等新技術,但在工業化的批量生產應用中,PCD面機械拋光仍占主導地位。

二、PCD面拋光參數選擇

PCD面機械拋光過程是聚晶鑽石磨耗與碳化過程,由於聚晶鑽石的硬度高,一般用鑽石拋光粉(膏)加鑄鐵盤或用磨輪進行拋光。實踐證明:用鑽石拋光粉(膏)加鑄鐵盤拋光的效率太低,大都采用磨輪拋光(磨輪與工件被拋光表面接觸面積大,被廣泛采用)。

PCD面拋光質量要求:(1)表面粗糙度Ra≦0.05μm;(2)表面光澤一致,沒有折光面;(3)沒有未拋光到的邊緣存在;(4)無光澤不均勻的環;(5)無劃痕及污染。

為達到PCD面拋光質量要求,用磨輪實施機械拋光時,要合理選擇磨輪寬度、濃度和粒度,磨輪和工件轉速,拋光壓力以及磨輪修整時機。

首先磨輪的粒度和濃度要選擇合適,粒度過粗達不到工件拋光表面粗糙度要求;粒度過細,加工效率低,磨粒保持銳利的時間短,拋光時的摩擦力大,溫升高。磨輪寬度要選擇合適,過窄,使用壽命短,磨輪修整頻次高,工件被拋光表面與磨輪接觸面小,拋光效率低;過寬,磨輪端面難於整平,磨輪內外圈的線速度差異大,磨輪內外消耗差異多,拋光中摩擦接觸面積大,工件散熱條件變差;磨輪工作層中含金剛砂濃度高,有利於縮短磨輪與被拋光表面接觸吻合時間,但成本高,會使磨輪脫粒過快,有時造成被拋光表面劃傷。

工件在拋光過程中一般低速旋轉,這對工件保持平穩運轉有利。磨輪通常高速旋轉,實現PCD面與磨輪表面相互間摩擦,產生熱作用,磨輪轉速過快,摩擦熱過高,達不到拋光表面質量要求。

拋光過程中,被拋光表面與磨輪表面接觸的同時必須施加合適的壓力,壓力過小易產生抖動,被拋光表面出現波紋;壓力過大,磨輪消耗快,不僅摩擦溫升高,還可能導致驅動電機過載。

磨輪表面修整時機要掌握合適,長時間不修整磨輪端面,磨輪不銳利,被拋光表面與磨輪端面的吻合時間長,加工效率低;過於頻繁修整磨輪端面,磨輪消耗快。磨輪端面修整的不平整、過渡不圓滑,會使被拋光表面無光澤,有時出現劃痕。

三、傳統拋光方法及設備存在的問題

傳統拋光設備的結構是磨輪高速旋轉,固定式拋光夾具夾持著工件低速旋轉,被拋光表面與磨輪端面接觸,並施加一定的接觸壓力,工件的旋轉中心與磨輪的接觸線固定,通過相互間的摩擦、熱、炭化作用,達到PCD面被拋光。

過去的PCD制品厚度大且被拋光表面的面積小(小於或接近磨輪端面環寬),用傳統拋光設備實施拋光是適宜的。隨著技術发展,大面積PCD制品的出現,使被拋光表面超過端面磨輪寬度一倍以上,而且工件的厚度比過去薄得多,當PCD制品的拋光表面積大於26cm2,厚度不大於2mm時,薄片因應力變形使得被拋光表面的平面度變差,拋光難度加大。用傳統拋光設備加工大面積PCD薄片存在下列問題:

(1) 傳統拋光設備的夾具(及其被夾持的工件)旋轉中心與磨輪端面無相對運動,當被拋光表面與磨輪接觸,初始接觸的點(或面)在整個被拋光表面上的分布具有決定意義,因為此後拋光加工將沿這些點(或面)向周圍擴展,如果初始接觸點(或面)少(稱之為吻合度差),並且在局部相對集中,那麼此後只有將這些點或面去除,其它的點(或面)才能與磨輪端面接觸,這使得本應表面拋光變成“去量拋光”,由於聚晶鑽石硬、拋光使用的磨輪切削能力差,接觸點(或面)向周圍擴展相當緩慢,造成拋光時間超長,加工效率下降。

(2) 由於工件旋轉中心與磨輪端面接觸線固定,即使被拋光表面上各處均與磨輪接觸(完全吻合),當工件被拋光表面寬度(長度或直徑)大於磨輪環寬,各處的接觸幾率不同,工件外部的接觸幾率明顯少於中部,使得被拋光表面易出現明暗不同的折光環,達不到質量要求。

(3) 由於拋光過程中,被拋光表面中部始終不離開磨輪端面,中部受摩擦熱大於周邊,且散熱條件差,對於大面積、厚度薄的PCD制品,局部受熱導致工件變形加劇。

(4) 應力變形使得被拋光表面的平面形狀不規則,伴隨有扭曲。只有通過修整磨輪端面或被拋光表面與磨輪端面相互磨耗,使磨輪端面盡可能與被拋光表面相吻合(被拋光表面取得更多的接觸點並均勻分布)。但應力變形是隨機的,表面扭曲使得各個工件表面狀況千差萬別,當磨輪端面被修整或磨耗成與某個工件的PCD表面相吻合,換另一個工件,又出現不吻合,必須再次通過磨輪修整或磨耗,達到新的吻合,這不僅加工效率低,還增加了操作者勞動強度,對大批量生產是不適宜的。

(5) 由於各個PCD制品存在表面形狀差異,同一磨輪端面被修整成與兩個工件的PCD面同時吻合的可能性很小。即使能夠同時吻合,由於一個磨輪同時拋光兩片大面積PCD制品產生的摩擦溫升更高,工件中部又不能脫開磨輪(散熱條件差),在傳統的拋光設備上(用同一個磨輪)同時拋光兩片大面積PCD制品,不僅各片所需的加工時間差異很大,而且過高的溫度,易燒傷被拋光表面。

四、改進方案的確定

由上述分析可知:在拋光過程中,提高被拋光表面與磨輪端面接觸吻合程度對提高拋光效率至關重要。在拋光過程中,讓被拋光表面的自旋轉中心在磨輪端面上沿磨輪徑向移動,並配合自適應接觸功能,對提高接觸吻合程度有利(尤其對中凸變形的被拋光表面)。當工件的自轉中心離開原來在磨輪端面上的接觸線時,被拋光表面上原來與磨輪端面的接觸點(面),有一部分就會脫開(從微觀上看,磨輪端面沿徑向高低錯落,並不是平整表面),原來形成的穩定接觸狀態被打破,在自適應接觸功能的配合下,一些未與磨輪端面接觸的點(面)此時與磨輪端面接觸,從而增加了新接觸點(面),改善了相互接觸吻合狀態,從而縮短拋光時間。

工件自轉中心在磨輪端面上位移還具有以下優點:

(1) 拋光過程是磨輪與被拋光表面相互磨耗過程,工件位移的同時,將磨輪端面高點修平,這不僅消除了被拋光表面可能出現的環形折光環,而且降低了磨輪端面平整度修整難度。

(2) 被拋光表面中部和邊緣與磨輪端面接觸幾率得到均衡,使工件各處受熱均勻;再者,被拋光表面的大部分都有移出磨輪端面的時候,改善工件的散熱條件,減小工件拋光過程產生的熱變形。

(3) 縮短表面變形狀態不同的工件同時拋光所需的時間差異。由於被拋光表面自適應與磨輪端面接觸吻合,無需用修整磨輪端面的方法來適應被拋光表面,加之工件散熱條件的改善,使得同一台拋光設備(用同一個磨輪)同時拋光兩片大面積PCD制品得以實現。

實現被拋光表面的自轉中心與磨輪端面接觸線相對位移的方法有多種:一種是在主軸(磨輪)高速旋轉的同時進行偏心擺動;另一種是在工件旋轉中心沿磨輪徑向位移或在一定的角度內(中心壓力點不脫開磨輪端面)進行擺動,據資料介紹國外生產的拋光設備采用磨輪高速旋轉同時進行偏心擺動。

我們利用雙搖桿擺動機構原理,設計了覆合片旋轉、加壓、擺動和接觸自適應夾具,讓工件在一定的角度內(中心壓力點不離開磨輪端面)擺動來實現被拋光表面的自轉中心在磨輪端面上位移,其優點:

(1) 成本低,機械結構相對簡單,可保持傳統拋光設備的基本結構不變(僅改變夾具部分)。

(2) 由於拋光環境比較惡劣(有粉塵),采用傳統絲杠、導軌傳動機構,成本較高,粉塵容易進入運動部位,降低使用壽命(防護較困難);采用凸輪或氣動、液壓機構,結構覆雜,外圍附件多;而四連桿機構不僅結構簡單,運動可靠性強,而且防護簡便、環境適應力強,適合在拋光設備上應用。

(3) 選用四連桿機構中的雙搖桿擺動機構,可以用一個驅動電機同時實現工件自旋轉和旋轉中心在一定角度內擺動。

(4) 可利用原固定式結構夾具上許多零件,不增加操作覆雜程度。

五、對比實驗與分析

我們用新結構(安裝了雙搖桿擺動拋光夾具)拋光機與傳統(安裝了固定式拋光夾具)拋光機進行加工對比實驗。

首先選擇被拋光表面與磨輪端面形狀基本吻合的工件試驗,選用新磨輪,在傳統拋光機上,新磨輪即使與被拋光表面基本吻合,由於磨輪端面不夠圓滑,拋光效果差(被拋光表面不光亮且有劃痕),而在新結構的拋光機上,拋光後表面質量達到要求,證明工件位移中,被拋光表面對磨輪端面有修整作用。

隨後我們選擇被拋光表面中凸的工件進行試驗,在傳統拋光機上,加工一段時間後觀察,被拋光表面的拋光處與未接觸處界限清晰,如果不修整磨輪端面,繼續拋光,不僅時間長,而且PCD層中部有可能厚度減薄。在新結構的拋光機上,加工相同時間觀察,表面拋光處與未接觸處界限模糊,並且邊緣有接觸痕跡,拋光後檢查被拋光表面平面度與拋光前基本一致。我們選擇被拋光表面中凹的工件試驗,情況基本相同,只是表面拋光處由邊緣向中心擴展。

我們進行加工效率對比實驗,各取10台設備,分別測算加工時間,結果表明:在傳統拋光機上即使磨輪端面基本與被拋光表面吻合,新結構拋光機平均加工效率仍比它高20%。

我們在安裝有兩個固定式拋光夾具的拋光機上同時加工兩片工件(被拋光表面變形量相同),发現工件溫升快而且高,如果不保持砂輪銳利,加工必須時常中斷(否則工件表面燒傷),當其中一件被拋光表面完全與磨輪端面接觸,另一件只有50%接觸痕跡。在安裝了兩個雙搖桿擺動拋光夾具的拋光機上同時加工兩片工件,修整磨輪周期與用傳統拋光機單片加工相同,結果表明:不僅拋光表面質量達到要求,每片加工時間比單片拋光僅增加10%左右,兩工件拋光用時差異很小,由此證明安裝兩個雙搖桿擺動拋光夾具的拋光機,加工效率比傳統拋光機提高80%。

六、結論

(1) 拋光中若被拋光表面與磨輪端面不吻合,用改進後的拋光設備實施拋光,加工效率比用傳統拋光設備明顯提高(至少提高20%),工件散熱條件得到明顯改善。

(2) 用改進後的拋光設備加工出的工件的被拋光表面不會出現環型折光光環,表面質量明顯提高。

(3) 對於改進後的拋光設備,磨輪端面修整要比傳統拋光設備的難度小,傳統拋光設備的磨輪端面不僅要求修整平滑,而且要盡可能與被拋光表面吻合。而新結構拋光設備,磨輪端面的修整只需在被拋光表面與磨輪端面相互吻合階段,讓磨輪上磨粒銳利即可。

(4) 改進後的聚晶鑽石表面拋光設備實現一台設備同時拋光兩片大面積聚晶鑽石制品,提高設備利用率80%

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