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聚晶金刚石的超声振动研磨机理研究 |
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作者：季远 张德远 王娜君 |
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摘要：在分析聚晶金刚石(PCD)材料的微观结构和去除机理的基础上，对PCD材料的超声振动研磨机理进行了深入研究。通过试验证明，采用超声振动研磨PCD可显著提高研磨效率，认为研磨轨迹的加长和超声振动的脉冲力作用是提高研磨效率的主要原因。
1 引言
聚晶金刚石(PCD)具有接近天然金刚石的硬度、耐磨性以及与硬质合金相当的抗冲击性能，PCD刀具的应用范围已逐渐扩展到有色金属和非金属材料的精加工领域，尤其适用于铝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、高耐磨性及低断裂韧性，使对PCD刀具进行研磨时材料去除率极低，严重影响生产效率。本文通过分析PCD材料的去除机理，将超声振动引入PCD刀具材料的研磨工艺。试验证明，采用超声振动研磨PCD刀具材料可在保证加工表面粗糙度的同时获得较高的加工效率。
2 超声振动研磨试验及结果分析
2.1 试验条件
1) 试验设备与材料
超声振动研磨试验在经过改装的转速可调的高精度静压式研磨机上进行；研磨盘采用直径D=300mm 的高磷铸铁盘；磨料为W7 粒度的金刚石研磨粉；试件材料为郑州新亚复合超硬材料有限公司生产的JFER1308DF-IV(规格为Ø13.44×0.8mm，粒度W40)和美国GE 公司生产的PC1308DA(规格为Ø13×0.8mm，粒度W20)；超声振动研磨系统由J923025型电子管式超声波发生器(最大额定输出功率为250W)、自行研制的磁致伸缩超声换能器及相应的夹具组成；由于研磨加工要求的材料去除量极微小，且PCD材料具有高耐磨性，因此采用ES120G-4型电子天平(称量可精确到10-4g)来测量PCD试件的质量变化，并以此评价研磨加工效率。
2) 试验方法与参数
研磨时，试件沿研磨盘径向水平方向(垂直于研磨盘线速度方向)作高频振动，工作频率为19KHz，静载荷为15N，研磨时间为60min。试验时，研磨盘选取三种不同转速(80r/min、320r/min 和500r/min)，超声波发生器输出不同功率，分别研磨不同粒度的PCD试样，并分别测量试验结果。
2.2 试验结果分析
超声振动研磨试验结果如图1和图2所示。由图1可知，超声振动研磨工艺可明显提高研磨PCD的材料去除率。试验数据还显示，随着超声波发生器输出功率的增大，PCD材料去除率有较大幅度的提高(超声波发生器输出功率为250W时，PCD材料去除率比普通研磨提高一倍以上)，即采用超声振动研磨比普通研磨可获得更高的加工效率。这是因为超声波发生器输出功率的提高使PCD试件的振幅增大，说明在超声振动研磨中振幅对PCD材料去除率的影响很大；由图1还可看出，在相同试验条件下，随着研磨盘转速的提高，PCD材料去除率也相应提高。
图1 超声波发生器输出功率变化时的PCD材料去除率
图2 超声振动研磨不同粒度PCD时的材料去除率
由图2可知，在相同试验条件下，超声振动研磨粗粒度PCD时的材料去除率比研磨细粒度PCD的材料去除率更高，这说明合成PCD的金刚石晶粒粒度对PCD材料的耐磨性和强度有很大影响。
3 超声振动研磨PCD的去除机理分析
PCD是由经预处理的、具有一定粒度的金刚石微粉为原料，以镍、钴、钛、硅、硼等作为粘结剂，在高温、高压下烧结而成。PCD是金刚石微粒随机排列的金刚石密集体，具有“混凝土”式的微观结构，这种结构使PCD材料具有各向同性的特点，因而可获得比天然金刚石更高的耐磨性和较高的抗冲击强度。
3.1 研磨PCD材料的去除机理
研磨PCD材料的去除机理主要包括机械作用和热化学作用。在研磨初期，由于PCD的表面粗糙度较大，金刚石晶粒凸出PCD表面较多，使高速运动的磨粒很容易着力，促使金刚石晶粒容易在底部间接粘结部分产生应力集中。PCD晶粒间的结合部位是其薄弱环节，其结合能小于组成PCD的金刚石单晶体最易解理的(1 1 1)晶面的结合能。当受到磨粒高速撞击时，由于应力逐步集中，使微裂纹沿金刚石晶粒间的结合部位扩展，在磨粒的反复高速冲击下，将发生沿晶疲劳断裂，使金刚石微粒发生整体松动并脱落。随着研磨的继续进行，PCD表面粗糙度逐步下降，发生金刚石晶粒整体脱落的情况也逐渐减少。
根据Griffith断裂力学理论，某些固体的共价键和离子键强度很高，其缺陷相对来说受到束缚，因而容易在较低应力下发生断裂(相对其强度而言)，此类固体称为脆性固体。如果断裂的阻力主要取决于固体的固有键强度，则该固体可称为高脆性固体。由于PCD材料中金刚石晶粒所占比例高达80%～90%，去除阻力主要取决于构成PCD的金刚石晶粒本身的强度，因此可将PCD材料划归为高脆性固体。PCD属于高脆性多晶固体材料，各个金刚石晶粒的晶向不同，当裂纹遇到两个晶粒的边界时，或者穿过它在第二个晶粒中继续扩展(对于小角度晶界及高强度晶界，易发生穿晶断裂)，或者裂纹沿晶界扩展。由于金刚石微粒的(1 1 1)晶面裸露的机率最大，相对于高速运动的磨粒较容易着力，高速运动的磨粒产生与(1 1 1)晶面垂直的拉应力，当该拉应力超过其临界值时，即产生裂纹，裂纹沿(1 1 1)晶面方向产生穿晶裂纹，在PCD表面产生光滑的解理断裂平面和解理台阶。金刚石晶粒的解理性脆断是在拉应力作用下裂纹扩展的结果。由于受孪晶带的影响以及金刚石的随机排列方式，金刚石颗粒的断裂表面往往呈“之”字形，即在解理面上形成微小的解理台阶。这是由于许多孪晶带相互交叉，使裂纹扩展方向不得不发生改变，因此阻碍了裂纹贯穿整个金刚石。金刚石晶粒的解理性脆断是研磨PCD的主要去除方式之一。
在研磨过程中，锋利的磨粒以很高的速度和适当的压力划过PCD，在金刚石晶粒表面产生大量损伤性划痕，这些划痕可分为塑性划痕和脆性划痕，这种机械去除方式也是研磨PCD的一种主要材料去除方式。此外，在PCD的研磨过程中还存在石磨化去除、热蚀去除、扩散去除、氧化去除等多种热化学去除方式，但热化学去除方式在PCD材料去除中不占主要地位。
3.2 超声振动研磨PCD材料的去除机理
在超声振动研磨中，由超声换能器及相应夹具组成的超声振动系统对PCD材料施加一个振幅为A(通常A=10～20µm)、频率为f(通常f=20KHz)的高频振动，使PCD材料沿研磨盘径向产生一个振幅为A 的高频往复运动，研磨时，这一往复运动与研磨盘线速度V合成，研磨轨迹由普通研磨时的圆变为在圆上叠加的以f/V为频率、以A为振幅的高频谐波，从而使磨粒在单位时间内通过PCD材料表面的研磨轨迹加长，研磨效率相应提高；同时，单位时间内研磨轨迹的加长也使研磨速度增大，使磨粒具有比普通研磨条件下更高的冲击动能，由此提高了研磨PCD的材料去除率。对于材料破坏而言，能量的大小固然是一重要因素，而能量对时间的作用梯度在某种意义上更为重要。将超声振动引入PCD研磨中，就是通过超声波的能量激波作用提高能量梯度和能量聚集，使磨粒在短时间内克服晶间结合能，使晶粒发生疲劳破坏(特别是解理性脆断和微观损伤性去除)的机率增大。有学者指出：金刚石在冲击载荷的循环作用下，产生裂纹的应力值大大低于所需的静应力。在超声振动研磨中，PCD中的金刚石晶粒始终处于高频交变冲击载荷的作用下，加速了PCD材料的疲劳破坏，特别是金刚石晶粒的解理性脆断。
由超声振动研磨轨迹的特点可知，研磨速度方向是在一定夹角内(最大可达60°)以超声振动频率f高频摆动，因此可在金刚石晶粒表面看到大量交错的损伤性划痕(见图6)，不断变化的研磨速度方向使金刚石晶粒的易加工晶向经常处于研磨速度方向，使金刚石较易去除，从而提高了PCD的材料去除率。
从宏观能量的角度分析，研磨过程实质上是一个能量消耗过程。普通研磨时能量的输入全部来自带动研磨盘转动的电机；而在超声振动加工中，系统的能量输入不仅来自带动研磨盘转动的电机，同时还来自超声波发生器。因此，在其它加工条件相同的情况下，超声振动研磨系统在单位时间内对研磨区的输入功率比普通研磨时更多，即输入功率增大；而且由于超声振动研磨的摩擦系数较普通研磨有减小的趋势，消耗在摩擦热上的能量并未因振动的引入而发生较大变化。由于超声振动研磨中的能量聚集和应力波作用，使系统消耗在裂纹扩展和新表面形成上的能量增加，从而使超声振动研磨的材料去除率增大。
此外，超声振动研磨也加剧了研磨过程中的热化学作用，使多种热化学去除方式所起的作用相应增加，这也是超声振动研磨效率提高的原因之一。
由图2可知，在相同条件下，粗粒度(W40)PCD的材料去除率明显高于细粒度(W20)PCD的材料去除率，这是因为粗粒度PCD的表面粗糙度值较大，研磨时相应的摩擦系数也较大，研磨时磨粒与PCD表面的金刚石撞击产生较大的脉冲力；同时由于细粒度PCD比粗粒度PCD的结合更为致密，可较好抑制制造过程中PCD内部产生的微小裂纹和不规则空穴对其强度的影响，使金刚石微粒在超声振动研磨中不易发生脱落和解理性脆断，因此细粒度PCD的材料去除率较低。
4 结论
将超声振动技术应用于PCD刀具材料的研磨，可显著提高研磨PCD的加工效率。与普通研磨相比，超声振动研磨具有单位时间内研磨轨迹加长、冲击动能增大、超声波能量激波作用等特点，加速和增强了研磨中PCD材料的解理性脆断和微观损伤去除这两种主要去除方式的作用，从而提高了研磨效率；同时，超声振动研磨也加速了热化学去除方式在PCD去除中的作用，使研磨PCD的加工效率显著提高。研磨试验证明，超声振动研磨PCD技术具有很好的生产应用前景。
本文作者:北京航空航天大学 季远 张德远 哈尔滨工业大学 王娜君(end)
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(7/2/2007) |
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