超硬材料網(wǎng)

　　摘要：在分析聚晶金剛石(PCD)材料的微觀結(jié)構(gòu)和去除機(jī)理的基礎(chǔ)上，對(duì)PCD材料的超聲振動(dòng)研磨機(jī)理進(jìn)行了深入研究。通過(guò)試驗(yàn)證明，采用超聲振動(dòng)研磨PCD可顯著提高研磨效率，認(rèn)為研磨軌跡的加長(zhǎng)和超聲振動(dòng)的脈沖力作用是提高研磨效率的主要原因。
　　
　　1 引言
　　
　　聚晶金剛石(PCD)具有接近天然金剛石的硬度、耐磨性以及與硬質(zhì)合金相當(dāng)?shù)目箾_擊性能，PCD刀具的應(yīng)用范圍已逐漸擴(kuò)展到有色金屬和非金屬材料的精加工領(lǐng)域，尤其適用于鋁合金材料的精密及超精密加工。然而，由于PCD刀具材料特有的高硬度、高耐磨性及低斷裂韌性，使對(duì)PCD刀具進(jìn)行研磨時(shí)材料去除率極低，嚴(yán)重影響生產(chǎn)效率。本文通過(guò)分析PCD材料的去除機(jī)理，將超聲振動(dòng)引入PCD刀具材料的研磨工藝。試驗(yàn)證明，采用超聲振動(dòng)研磨PCD刀具材料可在保證加工表面粗糙度的同時(shí)獲得較高的加工效率。2 超聲振動(dòng)研磨試驗(yàn)及結(jié)果分析
　　
　　試驗(yàn)條 試驗(yàn)設(shè)備與材料
　　
　　超聲振動(dòng)研磨試驗(yàn)在經(jīng)過(guò)改裝的轉(zhuǎn)速可調(diào)的高精度靜壓式研磨機(jī)上進(jìn)行；研磨盤采用直徑D=300mm 的高磷鑄鐵盤；磨料為W7 粒度的金剛石研磨粉；試件材料為鄭州新亞復(fù)合超硬材料有限公司生產(chǎn)的JFER1308DF-IV(規(guī)格為Ø13.44×0.8mm，粒度W40)和美國(guó)GE 公司生產(chǎn)的PC1308DA(規(guī)格為Ø13×0.8mm，粒度W20)；超聲振動(dòng)研磨系統(tǒng)由J923025型電子管式超聲波發(fā)生器(最大額定輸出功率為250W)、自行研制的磁致伸縮超聲換能器及相應(yīng)的夾具組成；由于研磨加工要求的材料去除量極微小，且PCD材料具有高耐磨性，因此采用ES120G-4型電子天平(稱量可精確到10-4g)來(lái)測(cè)量PCD試件的質(zhì)量變化，并以此評(píng)價(jià)研磨加工效率。試驗(yàn)方法與參數(shù)研磨時(shí)，試件沿研磨盤徑向水平方向(垂直于研磨盤線速度方向)作高頻振動(dòng)，工作頻率為19KHz，靜載荷為15N，研磨時(shí)間為60min。試驗(yàn)時(shí)，研磨盤選取三種不同轉(zhuǎn)速(80r/min、320r/min 和500r/min)，超聲波發(fā)生器輸出不同功率，分別研磨不同粒度的PCD試樣，并分別測(cè)量試驗(yàn)結(jié)果。

圖1 超聲波發(fā)生器輸出功率變化時(shí)的PCD材料去除率

圖2 超聲振動(dòng)研磨不同粒度PCD時(shí)的材料去除率 
　　試驗(yàn)結(jié)果分 超聲振動(dòng)研磨試驗(yàn)結(jié)果如圖1和圖2所示。由圖1可知，超聲振動(dòng)研磨工藝可明顯提高研磨PCD的材料去除率。試驗(yàn)數(shù)據(jù)還顯示，隨著超聲波發(fā)生器輸出功率的增大，PCD材料去除率有較大幅度的提高(超聲波發(fā)生器輸出功率為250W時(shí)，PCD材料去除率比普通研磨提高一倍以上)，即采用超聲振動(dòng)研磨比普通研磨可獲得更高的加工效率。這是因?yàn)槌暡òl(fā)生器輸出功率的提高使PCD試件的振幅增大，說(shuō)明在超聲振動(dòng)研磨中振幅對(duì)PCD材料去除率的影響很大；由圖1還可看出，在相同試驗(yàn)條件下，隨著研磨盤轉(zhuǎn)速的提高，PCD材料去除率也相應(yīng)提高。 
　　 
　　由圖2可知，在相同試驗(yàn)條件下，超聲振動(dòng)研磨粗粒度PCD時(shí)的材料去除率比研磨細(xì)粒度PCD的材料去除率更高，這說(shuō)明合成PCD的金剛石晶粒粒度對(duì)PCD材料的耐磨性和強(qiáng)度有很大影響。 
　　 
　　3 超聲振動(dòng)研磨PCD的去除機(jī)理分析 
　　 
　　PCD是由經(jīng)預(yù)處理的、具有一定粒度的金剛石微粉為原料，以鎳、鈷、鈦、硅、硼等作為粘結(jié)劑，在高溫、高壓下燒結(jié)而成。PCD是金剛石微粒隨機(jī)排列的金剛石密集體(見(jiàn)圖3)，具有“混凝土”式的微觀結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)使PCD材料具有各向同性的特點(diǎn)，因而可獲得比天然金剛石更高的耐磨性和較高的抗沖擊強(qiáng)度。研磨PCD材料的去除機(jī)理 
　　 
　　研磨PCD材料的去除機(jī)理主要包括機(jī)械作用和熱化學(xué)作用。在研磨初期，由于PCD的表面粗糙度較大，金剛石晶粒凸出PCD表面較多，使高速運(yùn)動(dòng)的磨粒很容易著力，促使金剛石晶粒容易在底部間接粘結(jié)部分產(chǎn)生應(yīng)力集中。PCD晶粒間的結(jié)合部位是其薄弱環(huán)節(jié)，其結(jié)合能小于組成PCD的金剛石單晶體最易解理的(1 1 1)晶面的結(jié)合能。當(dāng)受到磨粒高速撞擊時(shí)，由于應(yīng)力逐步集中，使微裂紋沿金剛石晶粒間的結(jié)合部位擴(kuò)展，在磨粒的反復(fù)高速?zèng)_擊下，將發(fā)生沿晶疲勞斷裂，使金剛石微粒發(fā)生整體松動(dòng)并脫落(如圖4 所示)。隨著研磨的繼續(xù)進(jìn)行，PCD表面粗糙度逐步下降，發(fā)生金剛石晶粒整體脫落的情況也逐漸減少。根據(jù)Griffith斷裂力學(xué)理論，某些固體的共價(jià)鍵和離子鍵強(qiáng)度很高，其缺陷相對(duì)來(lái)說(shuō)受到束縛，因而容易在較低應(yīng)力下發(fā)生斷裂(相對(duì)其強(qiáng)度而言)，此類固體稱為脆性固體。如果斷裂的阻力主要取決于固體的固有鍵強(qiáng)度，則該固體可稱為高脆性固體。由于PCD材料中金剛石晶粒所占比例高達(dá)80%～90%，去除阻力主要取決于構(gòu)成PCD的金剛石晶粒本身的強(qiáng)度，因此可將PCD材料劃歸為高脆性固體。PCD屬于高脆性多晶固體材料，各個(gè)金剛石晶粒的晶向不同，當(dāng)裂紋遇到兩個(gè)晶粒的邊界時(shí)，或者穿過(guò)它在第二個(gè)晶粒中繼續(xù)擴(kuò)展(對(duì)于小角度晶界及高強(qiáng)度晶界，易發(fā)生穿晶斷裂)，或者裂紋沿晶界擴(kuò)展。由于金剛石微粒的(1 1 1)晶面裸露的機(jī)率最大，相對(duì)于高速運(yùn)動(dòng)的磨粒較容易著力，高速運(yùn)動(dòng)的磨粒產(chǎn)生與(1 1 1)晶面垂直的拉應(yīng)力，當(dāng)該拉應(yīng)力超過(guò)其臨界值時(shí)，即產(chǎn)生裂紋，裂紋沿(1 1 1)晶面方向產(chǎn)生穿晶裂紋，在PCD表面產(chǎn)生光滑的解理斷裂平面和解理臺(tái)階(如圖5所示)。金剛石晶粒的解理性脆斷是在拉應(yīng)力作用下裂紋擴(kuò)展的結(jié)果。由于受孿晶帶的影響以及金剛石的隨機(jī)排列方式，金剛石顆粒的斷裂表面往往呈“之”字形，即在解理面上形成微小的解理臺(tái)階。這是由于許多孿晶帶相互交叉，使裂紋擴(kuò)展方向不得不發(fā)生改變，因此阻礙了裂紋貫穿整個(gè)金剛石。金剛石晶粒的解理性脆斷是研磨PCD的主要去除方式之一。 
　　在研磨過(guò)程中，鋒利的磨粒以很高的速度和適當(dāng)?shù)膲毫澾^(guò)PCD，在金剛石晶粒表面產(chǎn)生大量損傷性劃痕(如圖6所示)，這些劃痕可分為塑性劃痕和脆性劃痕，這種機(jī)械去除方式也是研磨PCD的一種主要材料去除方式。此外，在PCD的研磨過(guò)程中還存在石磨化去除、熱蝕去除、擴(kuò)散去除、氧化去除等多種熱化學(xué)去除方式，但熱化學(xué)去除方式在PCD材料去除中不占主要地位。

圖3 PCD的微觀形貌

圖4 晶粒整體剝落后留下的空穴

圖5 PCD解理性脆斷形貌

圖6 PCD表面微觀損傷性劃痕

　　超聲振動(dòng)研磨PCD材料的去除機(jī)理 
　　 
　　在超聲振動(dòng)研磨中，由超聲換能器及相應(yīng)夾具組成的超聲振動(dòng)系統(tǒng)對(duì)PCD材料施加一個(gè)振幅為A(通常A=10～20µm)、頻率為f(通常f=20KHz)的高頻振動(dòng)，使PCD材料沿研磨盤徑向產(chǎn)生一個(gè)振幅為A 的高頻往復(fù)運(yùn)動(dòng)，研磨時(shí)，這一往復(fù)運(yùn)動(dòng)與研磨盤線速度V合成，研磨軌跡由普通研磨時(shí)的圓變?yōu)樵趫A上疊加的以f/V為頻率、以A為振幅的高頻諧波，從而使磨粒在單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)PCD材料表面的研磨軌跡加長(zhǎng)，研磨效率相應(yīng)提高；同時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)研磨軌跡的加長(zhǎng)也使研磨速度增大，使磨粒具有比普通研磨條件下更高的沖擊動(dòng)能，由此提高了研磨PCD的材料去除率。對(duì)于材料破壞而言，能量的大小固然是一重要因素，而能量對(duì)時(shí)間的作用梯度在某種意義上更為重要。將超聲振動(dòng)引入PCD研磨中，就是通過(guò)超聲波的能量激波作用提高能量梯度和能量聚集，使磨粒在短時(shí)間內(nèi)克服晶間結(jié)合能，使晶粒發(fā)生疲勞破壞(特別是解理性脆斷和微觀損傷性去除)的機(jī)率增大。有學(xué)者指出：金剛石在沖擊載荷的循環(huán)作用下，產(chǎn)生裂紋的應(yīng)力值大大低于所需的靜應(yīng)力。在超聲振動(dòng)研磨中，PCD中的金剛石晶粒始終處于高頻交變沖擊載荷的作用下，加速了PCD材料的疲勞破壞，特別是金剛石晶粒的解理性脆斷。 
　　 
　　由超聲振動(dòng)研磨軌跡的特點(diǎn)可知，研磨速度方向是在一定夾角內(nèi)(最大可達(dá)60°)以超聲振動(dòng)頻率f高頻擺動(dòng)，因此可在金剛石晶粒表面看到大量交錯(cuò)的損傷性劃痕(見(jiàn)圖6)，不斷變化的研磨速度方向使金剛石晶粒的易加工晶向經(jīng)常處于研磨速度方向，使金剛石較易去除，從而提高了PCD的材料去除率。 
　　 
　　從宏觀能量的角度分析，研磨過(guò)程實(shí)質(zhì)上是一個(gè)能量消耗過(guò)程。普通研磨時(shí)能量的輸入全部來(lái)自帶動(dòng)研磨盤轉(zhuǎn)動(dòng)的電機(jī)；而在超聲振動(dòng)加工中，系統(tǒng)的能量輸入不僅來(lái)自帶動(dòng)研磨盤轉(zhuǎn)動(dòng)的電機(jī)，同時(shí)還來(lái)自超聲波發(fā)生器。因此，在其它加工條件相同的情況下，超聲振動(dòng)研磨系統(tǒng)在單位時(shí)間內(nèi)對(duì)研磨區(qū)的輸入功率比普通研磨時(shí)更多，即輸入功率增大；而且由于超聲振動(dòng)研磨的摩擦系數(shù)較普通研磨有減小的趨勢(shì)，消耗在摩擦熱上的能量并未因振動(dòng)的引入而發(fā)生較大變化。由于超聲振動(dòng)研磨中的能量聚集和應(yīng)力波作用，使系統(tǒng)消耗在裂紋擴(kuò)展和新表面形成上的能量增加，從而使超聲振動(dòng)研磨的材料去除率增大。 
　　 
　　此外，超聲振動(dòng)研磨也加劇了研磨過(guò)程中的熱化學(xué)作用，使多種熱化學(xué)去除方式所起的作用相應(yīng)增加，這也是超聲振動(dòng)研磨效率提高的原因之一。 
　　 
　　由圖2可知，在相同條件下，粗粒度(W40)PCD的材料去除率明顯高于細(xì)粒度(W20)PCD的材料去除率，這是因?yàn)榇至６萈CD的表面粗糙度值較大，研磨時(shí)相應(yīng)的摩擦系數(shù)也較大，研磨時(shí)磨粒與PCD表面的金剛石撞擊產(chǎn)生較大的脈沖力；同時(shí)由于細(xì)粒度PCD比粗粒度PCD的結(jié)合更為致密，可較好抑制制造過(guò)程中PCD內(nèi)部產(chǎn)生的微小裂紋和不規(guī)則空穴對(duì)其強(qiáng)度的影響，使金剛石微粒在超聲振動(dòng)研磨中不易發(fā)生脫落和解理性脆斷，因此細(xì)粒度PCD的材料去除率較低。 
　　 
　　4 結(jié)論 
　　 
　　將超聲振動(dòng)技術(shù)應(yīng)用于PCD刀具材料的研磨，可顯著提高研磨PCD的加工效率。與普通研磨相比，超聲振動(dòng)研磨具有單位時(shí)間內(nèi)研磨軌跡加長(zhǎng)、沖擊動(dòng)能增大、超聲波能量激波作用等特點(diǎn)，加速和增強(qiáng)了研磨中PCD材料的解理性脆斷和微觀損傷去除這兩種主要去除方式的作用，從而提高了研磨效率；同時(shí)，超聲振動(dòng)研磨也加速了熱化學(xué)去除方式在PCD去除中的作用，使研磨PCD的加工效率顯著提高。研磨試驗(yàn)證明，超聲振動(dòng)研磨PCD技術(shù)具有很好的生產(chǎn)應(yīng)用前景。