聚晶金剛石復(fù)合片(PDC)放電修磨的實(shí)驗(yàn)研究①

黃水利,鄭利強(qiáng),安玉貴,劉燕萍

(北京凝華科技有限公司,北京102308)

聚晶金剛石復(fù)合片(PDC)放電修磨的實(shí)驗(yàn)研究①

黃水利,鄭利強(qiáng),安玉貴,劉燕萍

(北京凝華科技有限公司,北京102308)

耐磨性是衡量PDC好壞的首要指標(biāo)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證:大規(guī)準(zhǔn)高能量的放電會(huì)對(duì)聚晶金剛石層產(chǎn)生破壞,但是通過(guò)合理選用電規(guī)準(zhǔn),分級(jí)設(shè)置加工深度和相適應(yīng)的脈沖參數(shù),可以兼顧放電效率、表面粗糙度和對(duì)金剛石層的不良影響。通過(guò)對(duì)PDC的精細(xì)放電,放電后經(jīng)過(guò)鑄鐵盤(pán)拋光,以及與純粹機(jī)械研磨、鑄鐵盤(pán)拋光三者的磨耗比的對(duì)比,結(jié)果顯示三者的耐磨性沒(méi)有明顯區(qū)別。

聚晶金剛石復(fù)合片;電火花;磨耗比

0 引言

聚晶金剛石復(fù)合片(Polycrystalline Diamond Compacts,簡(jiǎn)稱為PDC),是0.1至數(shù)毫米厚的人造金剛石微粉層和1至數(shù)毫米厚的硬質(zhì)合金基體(襯底)在超高溫高壓下復(fù)合而成的超硬復(fù)合材料[1]。該材料既具有硬質(zhì)合金的韌性和可焊性,又具有金剛石的高耐磨性,廣泛應(yīng)用于石油勘探與開(kāi)發(fā)、地質(zhì)勘探和機(jī)械加工等領(lǐng)域[2]。采用PDC的工具與傳統(tǒng)硬質(zhì)合金工具相比,硬度和耐磨性更高,切削速度更快,提高了效率,降低了使用成本和工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。

盡管不同用途對(duì)PDC的性能要求不盡相同,業(yè)內(nèi)普遍將耐磨性、熱穩(wěn)定性和抗沖擊韌性作為衡量PDC質(zhì)量好壞的主要指標(biāo)。而耐磨性綜合反映了PDC材料的硬度、斷裂韌性和強(qiáng)度等指標(biāo),是衡量PDC好壞的首要指標(biāo)。影響PDC性能和質(zhì)量的因素包括兩個(gè)主要方面,一是復(fù)合片本身的制造質(zhì)量,包括金剛石與粘接劑的配比、粘接劑的種類、金剛石的粒度、金剛石與硬質(zhì)合金界面結(jié)構(gòu)以及燒結(jié)工藝等;二是復(fù)合片燒結(jié)完成后的后續(xù)加工處理,比如去除表面包覆的金屬化合物,修磨硬質(zhì)合金層,金剛石層的修磨、整平和拋光等。其中尤以金剛石層的修磨過(guò)程最為關(guān)鍵、成本最高。本文通過(guò)實(shí)驗(yàn),目的在于介紹一種放電修磨聚晶金剛石層的工藝,并討論放電參數(shù)對(duì)磨耗比的影響。

1 放電效率實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)樣件選用國(guó)內(nèi)某公司所產(chǎn)的Φ13×13mm的PDC若干片。實(shí)驗(yàn)設(shè)備采用北京凝華科技有限公司生產(chǎn)的MP25i聚晶金剛石復(fù)合片放電磨平機(jī),該設(shè)備帶有電極輪和工件共軛旋轉(zhuǎn)裝置,工作臺(tái)裝在十字滑臺(tái)上,可以在XY軸方向自動(dòng)平擺,通過(guò)平擺與旋轉(zhuǎn)加強(qiáng)排屑能力,提高放電效率,并提高加工表面的平整度。電源采用高低壓復(fù)合脈沖電路,脈沖寬度從1us到1000us連續(xù)可調(diào)。

單片粗加工實(shí)驗(yàn):加工深度0.3mm;電極輪轉(zhuǎn)速350r/min,脈寬50us,脈間70us,低壓電流5,高壓電流1,加工時(shí)間曲線見(jiàn)圖1-A。

單片精加工實(shí)驗(yàn):加工深度0.05mm;電極輪轉(zhuǎn)速200r/min,脈寬6us,脈間25us,低壓電流1,高壓電流0,加工時(shí)間曲線見(jiàn)圖1-B。

圖1-AFig.1-A

圖1-BFig.1-B

圖1-CFig.1-C

圖1-DFig.1-D

31片粗加工實(shí)驗(yàn):加工深度0.3～0.42mm;電極輪轉(zhuǎn)速450r/min,脈寬125us,脈間150us,低壓電流18,高壓電流2,加工時(shí)間曲線見(jiàn)圖1-C。

31片精加工實(shí)驗(yàn):加工深度0.05mm;電極輪轉(zhuǎn)速250r/min,脈寬8us,脈間30us,低壓電流3,高壓電流0,加工時(shí)間曲線見(jiàn)圖1-D。

2 磨耗比實(shí)驗(yàn)

測(cè)試設(shè)備:自制的花崗巖車削設(shè)備;裝有直徑60cm的G635紅色花崗巖,密度為2.7g/cm3,轉(zhuǎn)速為58r/min,最大線速度為1.82m/s,進(jìn)刀速度為35mm/min,PDC復(fù)合片裝在39°傾斜的工裝上。精密天平用來(lái)計(jì)量復(fù)合片的重量。

測(cè)試設(shè)計(jì):在復(fù)合片的每120°位置分別進(jìn)刀5次,10次,15次,每次進(jìn)刀1mm,計(jì)算車掉的花崗巖重量(g)。用精密天平計(jì)量聚晶金剛石復(fù)合片測(cè)試前后的重量(mg)。已計(jì)算好的花崗巖重量與PDC車削損失的重量比為磨耗比。

測(cè)試過(guò)程:

(1)測(cè)試僅放電粗加工過(guò)的PDC,見(jiàn)表1A列數(shù)據(jù);

(2)測(cè)試粗中精及超精放電加工過(guò)的PDC,見(jiàn)表1B列數(shù)據(jù);

(3)測(cè)試機(jī)械研磨并拋光過(guò)的PDC,見(jiàn)表1C列數(shù)據(jù);

(4)測(cè)試粗中精及超精放電加工并經(jīng)過(guò)鑄鐵盤(pán)研磨的PDC,見(jiàn)表1D列數(shù)據(jù);

表1 磨耗比測(cè)試數(shù)據(jù)Table 1 Test data of wearing ratio

3 實(shí)驗(yàn)分析

圖1-A中前0.12mm加工效率比較高,之后的速度逐漸降低,最后基本維持穩(wěn)定的加工速度,表明PDC的表面材質(zhì)較為疏松,或材料中含的金屬材料比較多;0.1mm之后材質(zhì)趨于穩(wěn)定。

圖1-B中前0.02mm加工效率比較高,之后的速度逐漸降低,最后基本維持穩(wěn)定的加工速度,表明PDC粗加工后的材質(zhì)可能發(fā)生微弱石磨化;0.02mm之后材質(zhì)又趨于穩(wěn)定的金剛石成分。

圖1-C中前0.18mm加工效率比較高,但是這0.18mm內(nèi)的速度下降也較為明顯,說(shuō)明31片的PDC高度并不一致,因?yàn)榉烹娂庸さ募舛朔烹娫?總是高點(diǎn)先放電,后期才全部加工到。

圖1-D與圖1-B的加工曲線基本一致,但是總的時(shí)間加長(zhǎng),說(shuō)明金剛石的成分變化趨勢(shì)一致,而數(shù)量的變化影響了總的加工時(shí)間。

表1A列中的三組磨耗比數(shù)據(jù)與其余三組的數(shù)據(jù)相比明顯偏低,說(shuō)明放電粗加工對(duì)金剛石層有所破壞,可能導(dǎo)致部分金剛石石墨化。而隨著加工次數(shù)的增加,磨耗比也在加大,說(shuō)明隨著金剛石層的磨損,石墨化的部分磨損掉了,參與切削工作的金剛石成分增加,磨耗比就增加了。

表1B、1C、1D三列的磨耗比數(shù)據(jù)基本接近,都在128×104左右。說(shuō)明經(jīng)過(guò)放電超精加工,原來(lái)的放電粗加工造成金剛石層的變質(zhì)層已經(jīng)被精加工和超精加工去除,基本保持了金剛石的原有狀態(tài)。表1B和1D的數(shù)據(jù)對(duì)比表明,超精放電加工和鑄鐵盤(pán)拋光后的耐磨性能基本一致。

4 結(jié)論

聚晶金剛石的超硬特性,是其得以在工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用的物理基礎(chǔ)。但是事物都具有兩面性,其超硬特性也制約或限制了對(duì)它的加工。放電加工以其“以柔克剛”的非接觸加工的特點(diǎn),受到人們的青睞。但是放電過(guò)程對(duì)金剛石的石墨化影響和可能的變質(zhì),使得人們對(duì)放電加工聚晶金剛石持懷疑態(tài)度。本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了:

1.大規(guī)準(zhǔn)高能量的放電會(huì)對(duì)聚晶金剛石層產(chǎn)生破壞,其放電時(shí)產(chǎn)生的高溫不易轉(zhuǎn)移,導(dǎo)致金剛石高溫還原為石墨。

2.通過(guò)合理選用電規(guī)準(zhǔn),分級(jí)設(shè)置加工深度和相適應(yīng)的脈沖參數(shù),可以兼顧放電效率、表面粗糙度和對(duì)金剛石層的不良影響。

3.通過(guò)對(duì)聚晶金剛石復(fù)合片的精細(xì)放電,放電后經(jīng)過(guò)鑄鐵盤(pán)拋光,以及與純粹機(jī)械研磨、鑄鐵盤(pán)拋光三者的磨耗比的對(duì)比,三者的耐磨性沒(méi)有明顯區(qū)別。

4.與機(jī)械加工相比,放電加工聚晶金剛石的日常使用成本明顯低于使用金剛砂研磨的成本。

[1] 江文清,呂智,林峰,等.聚晶金剛石復(fù)合體的主要性能研究狀況[J],表面技術(shù),2006,35(5):65-68.

[2] 鄧福銘,陳啟武。PDC材料燒結(jié)過(guò)程中鈷在金剛石層中的擴(kuò)散熔滲遷移機(jī)制[J],高壓物理學(xué)報(bào),2004(18):53-58.

Experimental Study of the Electric Discharging Grinding of Polycrystalline Diamond Compact(PDC)

HUANG Shui-li,ZHENG Li-qiang,AN Yu-gui,Liu Yan-ping
(Beijing Ninghua Science and Technology Co.,Ltd,Beijing 102308,China)

Wear resistance is the primary indicator of PDC quality.Experiment confirms that large gauge high energy discharge will damage the polycrystalline diamond layer. However,proper choice of electric gauge and hierarchical design of depth of processing and corresponding pulse parameter will compromise between discharging efficiency,surfaceness and the adverse effect to the diamond layer.The PDC is polished by three different ways,which are respectively,cast iron plate polishing after fine discharging,purely mechanical polishing and purely cast iron plate polishing.Comparison of these three wearing ratios shows little difference between the abrasive resistance of them.

Polycrystalline Diamond Compact;electric spark;wearing ratio

TQ164

A

1673-1433(2014)03-0019-03

2014-06-18

黃水利(1971—),男,北京凝華科技有限公司專業(yè)技術(shù)人員,主要從事聚晶金剛石材料電火花加工機(jī)床的研發(fā)與管理。E-mail:hsl @ninghua.com.cn