Перейти к содержимому 
При полировке изделий из PCD большой площади с использованием традиционных методов механической полировки шлифовальный круг в первую очередь соприкасается с выступающими частями, вызванными деформацией под напряжением, что приводит к таким недостаткам, как длительное время полировки и локальное уменьшение толщины. В связи с этим авторы спроектировали и использовали двухкоромысловое качающееся приспособление, позволяющее полирующей поверхности адаптивно контактировать с торцом шлифовального круга в процессе полировки. В данной статье в основном объясняются характеристики и эффекты использования этого нового технологического оборудования.
1. Изделия из PCD
С момента появления изделий из ПКА в 1970-х годах они все шире используются в таких высокотехнологичных областях, как аэрокосмическая промышленность, национальная оборона, энергетика, автомобилестроение, геологическое бурение и производство кабелей, благодаря своим превосходным эксплуатационным характеристикам. В частности, применение изделий из ПКА большой площади позволило сделать большой шаг вперед в возможностях и уровнях механической обработки, при этом точность обработки и качество поверхности постоянно улучшаются, а эффективность обработки увеличивается в десятки и даже сотни раз. Изделия из ПКА большой площади в основном используются для изготовления режущих инструментов для резки различных материалов. Для эффективного разрушения стружки и повышения точности и качества поверхности обрабатываемой детали поверхность PCD большинства изделий из PCD необходимо полировать до зеркального блеска (шероховатость поверхности Ra ≦ 0,05 мкм). Хотя для многих материалов используются новые технологии, такие как электрохимическая полировка и ультразвуковая полировка поверхностей ПКА, механическая полировка поверхностей ПКА по-прежнему доминирует в промышленных массовых производственных приложениях.
2. Выбор параметров полировки поверхности PCD
Процесс механической полировки поверхности PCD представляет собой процесс абразивной обработки и науглероживания поликристаллического алмаза. Из-за высокой твердости поликристаллического алмаза его обычно полируют алмазным полировальным порошком (пастой) с использованием чугунного диска или шлифовального круга. Практика показала, что эффективность полировки алмазным полировальным порошком (пастой) и чугунным диском слишком низкая, и большинство людей используют для полировки шлифовальные круги (шлифовальные круги имеют большую площадь контакта с полируемой поверхностью заготовки и получили широкое распространение).
Требования к качеству полировки поверхности PCD:
(1) Шероховатость поверхности Ra ≤ 0,05 мкм
(2) Поверхность имеет равномерный блеск и не имеет преломляющей поверхности.
(3) Нет неотшлифованных краев.
(4) Тусклый и неровный звон
(5) Отсутствие царапин и загрязнений.
Для достижения требований к качеству полировки поверхности ПКА при использовании шлифовального круга для механической полировки необходимо обоснованно выбирать ширину шлифовального круга, концентрацию и размер частиц, скорость вращения шлифовального круга и заготовки, давление полировки и время правки шлифовального круга.
Прежде всего, следует правильно выбрать размер частиц и концентрацию шлифовального круга. Если размер частиц слишком крупный, требования к шероховатости поверхности полируемой детали не могут быть выполнены; Если размер частиц слишком мал, эффективность обработки низкая, абразивные зерна недолго остаются острыми, трение при полировке большое, а температура повышается. Ширину шлифовального круга следует выбирать соответствующим образом. Если он слишком узкий, срок службы будет коротким, частота правки шлифовального круга будет высокой, площадь контакта между полированной поверхностью заготовки и шлифовальным кругом будет небольшой, а эффективность полировки будет низкой. Если он слишком широкий, то торец шлифовального круга будет трудно выровнять, разница линейной скорости между внутренним и наружным кольцами шлифовального круга будет большой, разница расхода между внутренней и наружной частью шлифовального круга будет большой, площадь фрикционного контакта при полировке будет большой, а условия отвода тепла от заготовки ухудшатся. Высокая концентрация корунда в рабочем слое шлифовального круга позволяет сократить время контакта шлифовального круга с полированной поверхностью, однако это сопряжено с большими затратами и может привести к слишком быстрому износу шлифовального круга, что иногда приводит к появлению царапин на полированной поверхности.
В процессе полировки заготовка обычно вращается с низкой скоростью, что способствует поддержанию ее стабильной работы. Шлифовальный круг обычно вращается с высокой скоростью, что приводит к трению между поверхностью PCD и поверхностью шлифовального круга, в результате чего выделяется тепло. Если шлифовальный круг вращается слишком быстро, теплота трения будет слишком высокой, и требования к качеству полируемой поверхности не будут выполнены.
В процессе полировки необходимо прикладывать соответствующее давление, пока полируемая поверхность находится в контакте с поверхностью шлифовального круга. Если давление слишком низкое, это может легко привести к дрожанию и появлению ряби на полированной поверхности; Если давление слишком высокое, шлифовальный круг быстро износится, не только повысится температура трения, но и может возникнуть перегрузка приводного двигателя.
Время правки поверхности шлифовального круга должно быть соответствующим. Если торец шлифовального круга не будет затачиваться в течение длительного времени, шлифовальный круг не будет острым, полированная поверхность и торец шлифовального круга будут долгое время находиться в контакте, а эффективность обработки будет низкой. Если торец шлифовального круга править слишком часто, шлифовальный круг быстро износится. Неровная обработка и грубый переход торцевой поверхности шлифовального круга приведут к тому, что полированная поверхность станет тусклой, а иногда и поцарапается.
3. Проблемы с традиционными методами и оборудованием полировки
Конструкция традиционного полировального оборудования такова, что шлифовальный круг вращается с высокой скоростью, а неподвижное полировальное приспособление удерживает заготовку и вращается с низкой скоростью. Полированная поверхность соприкасается с торцом шлифовального круга и оказывает определенное контактное давление. Центр вращения заготовки и линия контакта шлифовального круга фиксированы. Поверхность PCD полируется посредством взаимного трения, нагрева и карбонизации.
Раньше изделия из ПКА имели большую толщину, а площадь полируемой поверхности была небольшой (меньше или близка к ширине торцевого кольца шлифовального круга), поэтому для полировки было целесообразно использовать традиционное полировальное оборудование. С развитием технологий, появлением крупногабаритных изделий из ПКА полированная поверхность стала более чем в два раза шире торцевого шлифовального круга, а толщина заготовки стала значительно тоньше, чем раньше. Если площадь полируемой поверхности изделия из PCD превышает 26 см2, а толщина не превышает 2 мм, тонкий лист будет деформироваться из-за напряжения, что ухудшит плоскостность полируемой поверхности и усложнит полировку. При обработке крупногабаритных срезов PCD с использованием традиционного полировального оборудования возникают следующие проблемы:
(1) Центр вращения приспособления (и удерживаемой им заготовки) обычного полировального оборудования не имеет относительного движения с торцевой поверхностью шлифовального круга. При соприкосновении полированной поверхности со шлифовальным кругом решающее значение имеет распределение начальных точек контакта (или поверхностей) по всей полированной поверхности, поскольку процесс полировки затем будет распространяться вокруг этих точек (или поверхностей). Если начальных точек контакта (или поверхностей) немного (так называемая плохая пригонка) и они относительно сконцентрированы локально, то только путем удаления этих точек или поверхностей другие точки (или поверхности) могут контактировать с торцевой поверхностью шлифовального круга, что превращает полировку поверхности в «полировку удалением». Поскольку поликристаллический алмаз твердый, а шлифовальный круг, используемый для полировки, имеет плохую режущую способность, точки контакта (или поверхности) расширяются очень медленно, что приводит к чрезмерно длительному времени полировки и снижению эффективности обработки.
(2) Поскольку линия контакта между центром вращения заготовки и торцом шлифовального круга фиксирована, даже если каждая часть полированной поверхности находится в контакте со шлифовальным кругом (полностью совпадает), когда ширина (длина или диаметр) полированной поверхности заготовки больше ширины кольца шлифовального круга, вероятность контакта на каждой части различна, а вероятность контакта на внешней стороне заготовки значительно меньше, чем в середине, что позволяет легко получить на полированной поверхности рефракционные кольца разной яркости, не отвечающие требованиям качества.
(3) В процессе полировки средняя часть полированной поверхности никогда не покидает торца шлифовального круга. Тепло трения в средней части больше, чем на периферии, а условия отвода тепла плохие. Для изделий из ПКА большой площади и малой толщины локальный нагрев приводит к увеличению деформации заготовки.
(4) Деформация под напряжением делает плоскую форму полированной поверхности неровной и сопровождается искажениями. Только путем подрезки торца шлифовального круга или путем трения полируемой поверхности о торц шлифовального круга можно добиться максимального соответствия торца шлифовального круга полируемой поверхности (полируемая поверхность получает больше точек контакта и распределяется равномерно). Однако деформация под действием напряжений носит случайный характер, а искажение поверхности приводит к тому, что состояние поверхности каждой заготовки существенно различается. Если торец шлифовального круга обрезан или изношен для соответствия поверхности PCD заготовки, при замене другой заготовки возникнет несоответствие. Для достижения нового соответствия шлифовальный круг необходимо подточить или снова изнашивать. Это не только снижает эффективность обработки, но и увеличивает трудоемкость оператора, что не подходит для массового производства.
(5) Из-за различий в форме поверхности между изделиями из ПКА вероятность того, что один и тот же торец шлифовального круга будет обработан так, чтобы соответствовать поверхностям ПКА двух заготовок одновременно, очень мала. Даже если их можно совмещать одновременно, повышение температуры трения, вызванное одновременным полированием одним шлифовальным кругом двух изделий из ПКА большой площади, выше, а средняя часть заготовки не может быть отделена от шлифовального круга (плохие условия отвода тепла). На традиционном полировальном оборудовании (с использованием одного и того же шлифовального круга) при одновременной полировке двух изделий из ПКА большой площади не только время обработки, необходимое для каждой детали, существенно различается, но и высокая температура легко может привести к ожогу полированной поверхности.
4. Определение плана улучшения
Из вышеприведенного анализа следует, что в процессе полировки улучшение степени контакта между полированной поверхностью и торцом шлифовального круга имеет решающее значение для повышения эффективности полировки. В процессе полировки центр вращения полируемой поверхности перемещается радиально по торцу шлифовального круга, а функция адаптивного контакта используется для улучшения степени прилегания (особенно для полируемой поверхности с выпуклой деформацией). При выходе центра вращения заготовки за пределы исходной линии контакта на торце шлифовального круга часть исходных точек (поверхностей) контакта на полированной поверхности с торцом шлифовального круга отсоединяется (с микроскопической точки зрения торец шлифовального круга неровный по радиальному направлению и не является плоской поверхностью), и исходное устойчивое состояние контакта нарушается. Благодаря работе функции адаптивного контакта некоторые точки (поверхности), которые не контактировали с торцом шлифовального круга, контактируют с торцом шлифовального круга, тем самым добавляя новые точки (поверхности) контакта, улучшая состояние взаимного контакта и соответствия, и, таким образом, сокращая время полировки.
Смещение центра вращения заготовки на торец шлифовального круга имеет также следующие преимущества:
(1) Процесс полировки представляет собой процесс взаимного износа шлифовального круга и полируемой поверхности. При перемещении заготовки выступы на торце шлифовального круга выравниваются. Это не только устраняет кольцевое преломляющее кольцо, которое может появиться на полированной поверхности, но и снижает сложность доводки плоскостности торца шлифовального круга.
(2) Вероятность контакта между серединой и краем полированной поверхности и торцом шлифовального круга сбалансирована, благодаря чему заготовка нагревается равномерно. Кроме того, большая часть полируемой поверхности вынесена за пределы торца шлифовального круга, что улучшает условия отвода тепла от заготовки и снижает термическую деформацию, возникающую в процессе полировки.
(3) Сократить разницу во времени, необходимую для одновременной полировки деталей с разной степенью деформации поверхности. Поскольку полированная поверхность адаптивно подгоняется под торец шлифовального круга, нет необходимости подрезать торец шлифовального круга для подгонки под полированную поверхность. Кроме того, улучшение условий теплоотвода заготовки позволяет производить полировку двух изделий из ПКА большой площади одновременно на одном и том же полировальном оборудовании (с использованием одного и того же шлифовального круга).
Существует много способов достижения относительного смещения между центром вращения полированной поверхности и линией контакта торца шлифовального круга: один из них – выполнение эксцентрикового качания при вращении главного вала (шлифовального круга) с высокой скоростью; другой — смещение центра вращения заготовки вдоль радиального направления шлифовального круга или качание в пределах определенного угла (точка давления центра не отделяется от торца шлифовального круга). По имеющимся данным, полировальное оборудование зарубежного производства использует высокоскоростное вращение шлифовального круга при совершении эксцентрикового качания.
Мы используем принцип качающегося механизма с двойным коромыслом для проектирования адаптивного приспособления вращения, давления, качания и контакта ламинирующей детали, так что заготовка может качаться в пределах определенного угла (центральная точка давления не покидает торец шлифовального круга) для достижения смещения центра вращения полированной поверхности на торец шлифовального круга. Его преимущества:
(1) Низкая стоимость и относительно простая механическая конструкция, базовая структура традиционного полировального оборудования может быть сохранена без изменений (меняется только крепежная часть).
(2) Из-за суровых условий полировки (пыль) традиционный механизм передачи винта и направляющей является дорогостоящим, а пыль может легко проникать в движущиеся части, сокращая срок службы (защита затруднена); кулачковые или пневматические и гидравлические механизмы имеют сложную конструкцию и множество периферийных приспособлений; Четырехзвенный механизм не только прост по конструкции и отличается высокой надежностью движения, но также прост в защите и обладает высокой степенью адаптации к окружающей среде, что делает его пригодным для использования в полировальном оборудовании.
(3) Выбрав двухкоромысловый механизм качания в четырехзвенной рычажной передаче, можно использовать один приводной двигатель для одновременной реализации собственного вращения заготовки и качания центра вращения в пределах определенного угла.
(4) Многие детали оригинальной стационарной конструкции можно использовать без увеличения сложности операции.
5. Сравнительный эксперимент и анализ
Мы провели сравнительный эксперимент по обработке на полировальном станке с новой конструкцией (оснащенном двухкоромысловым качающимся полировальным приспособлением) и на традиционном полировальном станке (оснащенном неподвижным полировальным приспособлением).
Сначала мы выбрали заготовку, полированная поверхность которой в основном соответствовала форме торца шлифовального круга для испытаний, и выбрали новый шлифовальный круг. На традиционном полировальном станке, даже если новый шлифовальный круг в целом соответствовал полированной поверхности, эффект полировки был плохим (полированная поверхность не была блестящей и имела царапины), поскольку торец шлифовального круга был недостаточно гладким. На полировальном станке новой конструкции качество поверхности после полировки соответствовало требованиям, что свидетельствует о том, что при перемещении заготовки полированная поверхность оказывала правящее воздействие на торец шлифовального круга.
Затем для испытаний была выбрана заготовка с выпуклой поверхностью, которую нужно было отполировать. На традиционном полировальном станке после определенного периода обработки мы заметили, что между отполированными и необработанными участками полированной поверхности появилась четкая граница. Если не обработать торец шлифовального круга и продолжить полировку, то это не только займет много времени, но и может привести к уменьшению толщины средней части слоя PCD. На полировальном станке с новой конструкцией наблюдалось такое же время обработки, а граница между полированной поверхностью и необработанной поверхностью была размыта, а на кромке имелись следы контакта. После полировки плоскостность полированной поверхности была практически такой же, как и до полировки. Для испытания мы решили использовать заготовку с вогнутой полированной поверхностью. Ситуация была в целом такой же, за исключением того, что полированная поверхность расширялась от края к центру.
Мы провели сравнительный эксперимент по эффективности обработки, взяв по 10 устройств и измерив время обработки. Результаты показали, что даже если торец шлифовального круга на традиционном полировальном станке в основном соответствует полированной поверхности, средняя эффективность обработки на полировальном станке новой конструкции все равно на 20% выше, чем на традиционном полировальном станке.
Мы обрабатывали две заготовки одновременно (деформация полированных поверхностей была одинаковой) на полировальном станке, оснащенном двумя неподвижными полировальными приспособлениями, и обнаружили, что температура заготовок быстро и сильно поднималась. Если шлифовальный круг не был острым, обработку приходилось часто прерывать (иначе поверхность заготовки пригорала). Когда полированная поверхность одной из деталей полностью соприкасалась с торцом шлифовального круга, другая деталь имела только 50% следов контакта. Две заготовки обрабатывались одновременно на полировальном станке, оснащенном двумя двухкоромысловыми качающимися полировальными приспособлениями. Цикл правки шлифовального круга был таким же, как и при обработке одной детали на традиционном полировальном станке. Результаты показали, что не только качество полированной поверхности соответствовало требованиям, но и время обработки одной детали увеличилось всего на 10% по сравнению с полировкой одной детали, а разница во времени полировки двух заготовок была очень незначительной. Это доказывает, что полировальный станок, оснащенный двумя двухкоромысловыми качающимися полировальными приспособлениями, имеет на 80% более высокую эффективность обработки, чем традиционный полировальный станок.
6. Заключение
(1) Если при полировке отполированная поверхность не совпадает с торцом шлифовального круга, то для полировки можно использовать усовершенствованное полировальное оборудование. Эффективность обработки значительно повышается (не менее чем на 20%) по сравнению с традиционным полировальным оборудованием, а также существенно улучшаются условия отвода тепла от заготовки.
(2) Полированная поверхность заготовки, обработанная с помощью усовершенствованного полировального оборудования, не будет иметь кольцевого рефракционного ореола, а качество поверхности значительно улучшится.
(3) При использовании усовершенствованного полировального оборудования правка торцевой поверхности шлифовального круга выполняется проще, чем при использовании традиционного полировального оборудования. Торцевая поверхность шлифовального круга традиционного полировального оборудования должна быть не только гладкой, но и максимально точно соответствовать полируемой поверхности. Для полировального оборудования новой конструкции правку торцевой поверхности шлифовального круга необходимо выполнять только тогда, когда полированная поверхность и торцевая поверхность шлифовального круга совпадают, чтобы абразивные зерна на шлифовальном круге стали острыми.
(4) Усовершенствованное оборудование для полировки поверхности поликристаллических алмазов позволяет одному устройству полировать два поликристаллических алмазных изделия большой площади одновременно, увеличивая коэффициент использования оборудования на 80%.
