聚晶金剛石的ELID精密磨削試驗(yàn)研究*

關(guān)佳亮　朱　磊　孫魯青　陳　玲

(①北京工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程與應(yīng)用電子技術(shù)學(xué)院，北京 100124；②山東省濱州學(xué)院機(jī)電工程系，山東 濱州 256600)

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聚晶金剛石的ELID精密磨削試驗(yàn)研究*

關(guān)佳亮①朱磊①孫魯青②陳玲①

(①北京工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程與應(yīng)用電子技術(shù)學(xué)院，北京 100124；②山東省濱州學(xué)院機(jī)電工程系，山東 濱州 256600)

針對(duì)聚晶金剛石刃口加工的精度低、效率低、刃磨質(zhì)量差的問(wèn)題，采用同步電解修銳(ELID)精密磨削技術(shù)，對(duì)聚晶金剛石進(jìn)行了精密磨削試驗(yàn)研究。首先，通過(guò)單因素試驗(yàn)探究砂輪粒度、磨削角度、磨削深度、砂輪轉(zhuǎn)速以及工件移動(dòng)速度對(duì)加工刃口質(zhì)量的影響；然后，利用正交試驗(yàn)獲得各因素的優(yōu)組合與優(yōu)水平，確定了最優(yōu)工藝參數(shù)；最后，以最優(yōu)試驗(yàn)參數(shù)對(duì)聚晶金剛石刃口進(jìn)行精密磨削加工，獲得刃口崩缺平均值0.042 μm的加工表面。研究表明：應(yīng)用ELID精密磨削加工工藝，當(dāng)采用與被磨金剛石粒度相當(dāng)或略小粒度的鑄鐵結(jié)合劑金剛石砂輪，砂輪轉(zhuǎn)速為1 400 r/min、45°磨削角、磨削深度為0.1 μm、進(jìn)給速度為2 m/min時(shí)，磨削效果最佳。

聚晶金鋼石刃口；ELID磨削；刃口崩缺；磨削參數(shù)

聚晶金剛石具有高硬度、高耐磨性、高抗壓強(qiáng)度、高導(dǎo)熱性及小摩擦系數(shù)等優(yōu)良特性，用其制作的刀具憑借極高的硬度和出色的耐磨性，迅速在汽車、航空和木材加工領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用,在切削技術(shù)的發(fā)展過(guò)程中起著重要的推動(dòng)作用[1-2]。

聚晶金剛石的優(yōu)良性能也給它的加工帶來(lái)了難度，尤其是加工過(guò)程中刃口崩缺導(dǎo)致的刃磨質(zhì)量差，已成為其在精密和超精密加工領(lǐng)域進(jìn)一步推廣應(yīng)用的一大障礙。近年來(lái)，各國(guó)學(xué)者進(jìn)行了大量研究并取得了一定的成果。目前，對(duì)于聚晶金剛石的加工方法主要有電火花加工、研磨加工和磨削加工。賈云海等[3]通過(guò)電火花加工聚晶金剛石刀具，得到了該工藝下聚晶金剛石刀具加工的適合參數(shù)；Jason Sowers等[4]對(duì)聚晶金剛石復(fù)合片的研磨過(guò)程進(jìn)行了研究，探討了材料去除率的均勻性；鄧朝暉等[5]利用金剛石砂輪對(duì)聚晶金剛石進(jìn)行精密平面磨削試驗(yàn)，得到了磨削參數(shù)、砂輪特性與磨削力的關(guān)系。目前的方法仍存在著效率低、精度低、刃磨質(zhì)量差、成本高等問(wèn)題。

同步電解修銳ELID(electrolytic in-process dressing)金屬結(jié)合劑超硬磨料超微細(xì)粒度砂輪的超精密鏡面磨削技術(shù)，利用同步電解的微量修整作用，使得微米級(jí)、亞微米級(jí)甚至納米級(jí)超微細(xì)粒度砂輪在磨削過(guò)程中始終保持良好的切削性，充分發(fā)揮了超微細(xì)粒度砂輪穩(wěn)定的微量切削作用，具有效率高、精度高、表面質(zhì)量好、加工裝置簡(jiǎn)單及加工材料適應(yīng)性廣等特點(diǎn)[6-9]。ELID精密磨削加工實(shí)際上是將機(jī)械作用、熱化學(xué)反應(yīng)、電解加工相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)聚晶金剛石的材料去除。本文采用ELID 精密磨削技術(shù)，對(duì)聚晶金剛石片刃口進(jìn)行精密磨削試驗(yàn)，獲得了刃口崩缺平均值為0.042 μm的加工刃口，證明了ELID精密磨削的優(yōu)越性。

1　加工基本原理

ELID磨削原理如圖1所示，鑄鐵結(jié)合劑金剛石砂輪與電源正極相接作為陽(yáng)極，電解電極與電源負(fù)極相接作陰極，電極與砂輪之間通過(guò)電解液，利用陽(yáng)極溶解原理，砂輪表面的金屬結(jié)合劑被不斷去除，逐漸露出新磨粒，從而使砂輪始終保持很好的磨削狀態(tài)，同時(shí)在砂輪表面電解形成鈍化膜，有效地抑制砂輪的過(guò)度電解，達(dá)到平衡狀態(tài)，從而達(dá)到最佳磨削效果[7]。

2　試驗(yàn)加工

試驗(yàn)采用硬度8 000 HV、抗彎強(qiáng)度7.4 GPa、彈性模量800 GPa、斷裂韌度6.9 MPa/m的聚晶金剛石試件，以砂輪粒度、磨削角度、砂輪轉(zhuǎn)速、磨削深度、工件移動(dòng)速度為試驗(yàn)因素，以試件加工刃口的崩缺值為試驗(yàn)指標(biāo)，首先進(jìn)行加工刃口崩缺值的單因素試驗(yàn)，為了進(jìn)一步研究各因素的影響大小及規(guī)律，設(shè)計(jì)并進(jìn)行刃口磨削五因素三水平正交試驗(yàn)研究。試驗(yàn)設(shè)備及磨削條件如表1所示。

3　單因素實(shí)驗(yàn)

采用控制單一變量法，探究砂輪粒度、磨削角度、砂輪轉(zhuǎn)速、磨削深度、工件移動(dòng)速度對(duì)刃口崩缺影響規(guī)律。

表1　試驗(yàn)設(shè)備及磨削條件

3.1磨削方式對(duì)刃口崩缺的影響

分別采用ELID磨削和傳統(tǒng)磨削兩種方式對(duì)聚晶金剛石刃口進(jìn)行磨削，其崩缺平均值與磨削方式的關(guān)系、傳統(tǒng)磨削后SEM圖和ELID精密磨削后SEM圖分別如圖2、3和4所示。從圖中可以看出，采用ELID磨削得到的刃口磨削質(zhì)量?jī)?yōu)于采用傳統(tǒng)磨削的質(zhì)量。

采用ELID磨削時(shí)，材料的去除過(guò)程中很少形成金剛石的破碎以及整塊的剝落，主要以金剛石顆粒塑性切削去除。這是因?yàn)镋LID磨削過(guò)程中能夠不斷地修銳砂輪，使砂輪磨粒始終保持良好的切削狀態(tài)，且不會(huì)堵塞砂輪。磨削過(guò)程是微切削過(guò)程，磨削力較小，對(duì)聚晶金剛石的沖擊較小，不易造成表面的脆性破壞及應(yīng)力集中，從宏觀上觀察金剛石的去除大部分是整齊切斷去除，不易造成金剛石的粉末破碎及金剛石顆粒的剝落，所以磨削效果優(yōu)于其他磨削。

3.2砂輪粒度對(duì)刃口崩缺的影響

采用不同粒度的金剛石砂輪對(duì)聚晶金剛石刃口進(jìn)行磨削，砂輪粒度對(duì)刃口崩缺的影響曲線如圖5所示。試驗(yàn)表明，與磨削的金剛石片自身粒度相比，當(dāng)采用較大粒度砂輪時(shí)，在砂輪金剛石微粉的沖擊下，金剛石片中的金剛石顆粒受到劃入、擠壓和摩擦作用，金剛石顆粒局部破碎或整體剝落時(shí)，容易出現(xiàn)崩邊和塌邊現(xiàn)象，影響刃口質(zhì)量。

當(dāng)采用超細(xì)粒度砂輪時(shí)，磨削加工的刃口質(zhì)量只能達(dá)到某一閾值而不能繼續(xù)提升，甚至出現(xiàn)反彈，導(dǎo)致磨削阻滯。這是由于砂輪粒度太細(xì)引起自身磨粒大量剝落，砂輪變鈍導(dǎo)致磨削加工變得不穩(wěn)定，影響了磨削效果。所以，應(yīng)采用與被加工金剛石顆粒粒度相當(dāng)或略小的金剛石砂輪，才可獲得高質(zhì)量的加工刃口。

3.3磨削角度對(duì)刃口崩缺的影響

磨削角度對(duì)刃口崩缺的影響曲線如圖6所示。從曲線圖可以發(fā)現(xiàn)：刃口崩缺平均值隨著磨削角度的增大先減小后增大。當(dāng)采用的磨削角度為45°時(shí)，磨削效果最好。由于金剛石片的刃口磨削是金剛石磨削金剛石的過(guò)程，磨削沖擊大、磨削力大。磨削角度的變化能夠?qū)崿F(xiàn)磨削過(guò)程中磨削沖擊、磨削力大小的變化。當(dāng)磨削角度為90°，磨削沖擊、磨削力最大，被加工件中顆粒以較大面積的剝落為主，刃口質(zhì)量低；當(dāng)磨削角度為45°時(shí)，磨削沖擊、磨削力最小，被加工件中顆粒主要以微細(xì)破碎去除為主，刃口質(zhì)量高；當(dāng)磨削角度為180°時(shí)，工件刃口切割砂輪，砂輪磨損嚴(yán)重，導(dǎo)致加工不穩(wěn)定，無(wú)法正常磨削。

3.4砂輪轉(zhuǎn)速對(duì)刃口崩缺的影響

改變砂輪轉(zhuǎn)速，對(duì)聚晶金剛石刃口進(jìn)行磨削試驗(yàn)。刃口崩缺平均值與砂輪轉(zhuǎn)速的關(guān)系如圖7所示。從圖中可以看出，刃口崩缺平均值隨著砂輪轉(zhuǎn)速的提高先減小后增大，當(dāng)砂輪轉(zhuǎn)速為1 400 r/min時(shí)，刃口崩缺平均值最小，磨削質(zhì)量最好。砂輪轉(zhuǎn)速較低時(shí)，金剛石片所受的實(shí)際徑向磨削壓力較大，磨削區(qū)域的溫度也較低，使金剛石片的崩刃傾向增大，易發(fā)生金剛石顆粒的剝落；而砂輪轉(zhuǎn)速較高時(shí)，會(huì)導(dǎo)致磨削區(qū)域溫度升高，形成熱應(yīng)力，使聚晶金剛石產(chǎn)生裂紋，而且磨床的振動(dòng)隨之增大，也會(huì)使聚晶金剛石崩缺平均值增大。

3.5磨削深度對(duì)刃口崩缺的影響

在相同條件下，改變磨削深度對(duì)聚晶金剛石刃口進(jìn)行磨削加工，得到如圖8所示的聚晶金剛石刃口崩缺平均值隨磨削深度的變化圖。由圖可以看出，刃口崩缺平均值基本上隨著磨削深度的增大而增大，當(dāng)磨削深度為0.1 μm時(shí)，磨削效果最好。這是因?yàn)殡S著磨削深度的增大，磨削表層硬化程度和硬化深度增大而且金剛石顆粒剝落、破碎現(xiàn)象增多。金剛石顆粒剝落后在工件的表面形成不規(guī)則的凹坑，使刃口崩缺平均值增大。另外，當(dāng)磨削深度增大時(shí)，砂輪與工件接觸所產(chǎn)生的磨削力也隨即增大，導(dǎo)致砂輪和工件變形嚴(yán)重，不利于砂輪保持良好工作狀態(tài)，損壞聚晶金剛石刃口質(zhì)量。所以，在一定范圍內(nèi)，隨著磨削深度的增大，聚晶金剛石刃口的崩缺平均值也增大。

3.6工件進(jìn)給速度對(duì)刃口崩缺的影響

采用控制單一變量法，改變磨床進(jìn)給速度對(duì)聚晶金剛石進(jìn)行磨削加工，得到聚晶金剛石崩缺平均值隨進(jìn)給速度的變化情況，如圖9所示。由圖可以看出，刃口崩缺平均值隨進(jìn)給速度的增大而呈增大趨勢(shì)。這是由于：一方面，當(dāng)提高進(jìn)給速度時(shí)，會(huì)使單顆磨粒未變形切削厚度加大，單顆磨粒的磨削力增大，總磨削力增大，根據(jù)壓痕斷裂力學(xué)理論，將導(dǎo)致金剛石顆粒脆性斷裂產(chǎn)生破碎去除，聚晶金剛石刃口磨削質(zhì)量變差；另一方面，增大進(jìn)給速度使得磨粒的磨削力增大，磨削時(shí)在聚晶金剛石刃口留下的劃痕加深而且磨粒留下的軌跡密度降低，從而刃口崩缺平均值增大。

另外由于聚晶金剛石脆性較大，在金剛石磨粒的擠壓下容易誘發(fā)裂紋，該裂紋在機(jī)械和熱應(yīng)力作用下擴(kuò)展，并最終剝落下小片的聚晶金剛石，摩擦熱會(huì)使聚晶金剛石發(fā)生石墨化和其他摩擦化學(xué)反應(yīng)。所以刃口崩缺平均值隨著磨床進(jìn)給速度的提高而增大，適當(dāng)降低進(jìn)給速度可以獲得高質(zhì)量的加工表面。

4　正交試驗(yàn)

基于上述單因素實(shí)驗(yàn)得到砂輪粒度、砂輪轉(zhuǎn)速n、磨削深度ap、工件移動(dòng)速度vw與磨削角度γ五因素對(duì)刃口崩缺的影響規(guī)律，設(shè)計(jì)如表2所示五因素三水平正交試驗(yàn)表。

表2　五因素三水平正交試驗(yàn)表

根據(jù)各因素水平分別求解因素各水平下的總響應(yīng)值K和平均響應(yīng)值k，并根據(jù)各水平下的k值求出因素水平對(duì)目標(biāo)的效應(yīng)極差，根據(jù)極差的大小判斷主次因素的順序。分析A(砂輪粒度)因素各水平對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響。由表2可以看出，A1的影響反映在第1、2、3號(hào)試驗(yàn)中，A2的影響反映在第4、5、6號(hào)試驗(yàn)中，A3的影響反映在第7、8、9號(hào)試驗(yàn)中。

A因素的1水平所對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)指標(biāo)之和為：

KA1=y1+y2+y3=0.072+0.115+0.093=0.280，kA1=KA1/3=0.093；

A因素的2水平所對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)指標(biāo)之和為：

KA2=y4+y5+y6=0.053+0.128+0.311=0.492，kA2=KA2/3=0.164；

A因素的3水平所對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)指標(biāo)之和為：

KA3=y7+y8+y9=0.088+0.143+0.201=0.432，kA3=KA3/3=0.144。

根據(jù)kA1、kA2、kA3的大小可以判斷A1、A2、A3對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響大小。由于試驗(yàn)指標(biāo)為崩缺值，而kA1

利用得到的優(yōu)水平組合進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，得到刃口崩缺平均值為0.042 μm，加工后刃口的SEM圖，如圖10所示。從圖中可以看出，金剛石顆粒破碎去除較少。

5　結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)聚晶金剛石刃口進(jìn)行ELID精密超精密磨削試驗(yàn)，得到以下結(jié)論：

(1) 采用ELID磨削技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)金剛石刃口的高效精密加工，磨削缺陷小，表面質(zhì)量好。

(2) 高質(zhì)量的工件是由綜合因素相互影響而形成的，不能僅僅追求某一單一磨削參數(shù)的改變。應(yīng)該綜合考慮不同磨削工藝參數(shù)的組合。在ELID磨削過(guò)程中，當(dāng)采用與被磨金剛石粒度相當(dāng)或略小粒度的鑄鐵結(jié)合劑金剛石砂輪，砂輪轉(zhuǎn)速為1 400 r/min，磨削角為45°，磨削深度為0.1 μm，進(jìn)給速度為2 m/min時(shí)，磨削狀態(tài)較好，可獲得平均刃口崩缺0.042 μm的加工刃口。

(3)砂輪粒度、磨削深度、砂輪轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度、磨削角度是影響表面加工質(zhì)量的主要因素。減小磨削深度、進(jìn)給速度，適當(dāng)增加砂輪速度，進(jìn)而減小單顆磨粒未變形切削厚度，減小磨削力，提高磨削比能，實(shí)現(xiàn)該材料的塑性域切削。

[1]徐龍. PCD刀具磨削機(jī)理及刃磨工藝研究[D].大連:大連理工大學(xué),2008.

[2]王海龍,鄒華兵.單晶金剛石刀具切削有色金屬磨損機(jī)理研究[J].工具技術(shù)，2015(1):7-10.

[3]Yun Haijia, Jian Gangli, Xue Junlu. Study on EDM machining techniques of polycrystalline diamond cutting tool and PCD cutting tool's life[J].Advanced Materials Research,2011,265(26),309-315.

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[5]鄧朝暉,安磊,胡中偉.聚晶金剛石復(fù)合片磨削試驗(yàn)研究[J].金剛石與磨料磨具工程，2007(6):31-33.

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(編輯劉文元)

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·名詞解釋·

CAD/CAPP/CAM集成技術(shù)CAD/CAPP/CAM集成是指將計(jì)算機(jī)輔助產(chǎn)品設(shè)計(jì)(CAD)、計(jì)算機(jī)輔助工藝過(guò)程設(shè)計(jì)(CAPP)、計(jì)算機(jī)輔助制造(CAM)以及零件加工等有關(guān)信息實(shí)現(xiàn)自動(dòng)傳遞和轉(zhuǎn)換的技術(shù)。CAD 、CAPP、CAM分別在產(chǎn)品設(shè)計(jì)自動(dòng)化、工藝過(guò)程設(shè)計(jì)自動(dòng)化和數(shù)控編程自動(dòng)化方面起到了重要作用。但是，這些各自獨(dú)立的系統(tǒng)，不能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)之間信息的自動(dòng)傳遞和交換。CAD/CAPP/CAM集成技術(shù)能夠解決這一問(wèn)題。CAD/CAPP/CAM的集成使產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造緊密結(jié)合，其目標(biāo)是產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工程分析、工程模擬直至產(chǎn)品制造過(guò)程中的數(shù)據(jù)一致性，且數(shù)據(jù)直接在計(jì)算機(jī)間傳遞，從而跨越由圖紙、語(yǔ)言、編碼造成的信息傳遞的"鴻溝"，減少信息傳遞差和編輯出錯(cuò)的可能性。

CAE技術(shù)CAE技術(shù)即計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，是以計(jì)算機(jī)為工具，對(duì)工程過(guò)程進(jìn)行仿真建模、數(shù)據(jù)模擬、結(jié)果顯示與處理的技術(shù)。對(duì)于機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，仿真建模主要是用現(xiàn)代力學(xué)的理論和方法對(duì)產(chǎn)品的使用過(guò)程、生產(chǎn)過(guò)程及事故過(guò)程等進(jìn)行數(shù)學(xué)描述，并根據(jù)數(shù)值模擬方法的要求將所涉及的工程過(guò)程的幾何、物理等參數(shù)進(jìn)行量化。數(shù)值模擬是根據(jù)仿真模型的特點(diǎn)選擇合適的數(shù)值求解技術(shù)，對(duì)仿真過(guò)程進(jìn)行求解；目前應(yīng)用最廣泛的方法包括有限無(wú)法(FEM)、有限差分法(FDM)等。結(jié)果顯示與處理就是將數(shù)值模擬的結(jié)果可視化處理得出工程上有意義的量和結(jié)論。仿真技術(shù)的本質(zhì)是對(duì)真實(shí)的物理、化學(xué)系統(tǒng)或其他系統(tǒng)在某一層次上的抽象，在這個(gè)抽象出來(lái)的模型上，可以更高級(jí)、更靈活、更安全地對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)和了解。

氣壓傳動(dòng)機(jī)器人以壓縮空氣作為動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的機(jī)器人，具有動(dòng)作迅速、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉的特點(diǎn)，適用于高速輕載、高溫和粉塵大的環(huán)境作業(yè)。

Research on ELID precision processing technology of polycrystalline diamond

GUAN Jialiang①, ZHU Lei①, SUN Luqing②, CHEN Ling①

(①College of Mechanical and Electronic Application, Beijing University of Technology，Beijing 100124, CHN;②Department of Mechanical and Electrical Engineering, Binzhou University, Binzhou 256600, CHN)

According to the problems of low accuracy, low efficiency and poor quality of grinding that given in polycrystalline diamond cutting edge processing, on-line electrolytic dressing (ELID) precision grinding processing technology is used to carry on precision grinding experimental study for polycrystalline diamond. First, with the method of single factor experiment, explores the influence of grinding wheel granularity, grinding angle, cutting depth, speed of grinding wheel and workpiece speed on cutting edge quality. Then, uses orthogonal test to obtain optimal combination and optimum level of various factors, so as to determine the optimal process parameters. Finally, for polycrystalline diamond precision grinding processing with optimal parameters, gets the edge collapse processing surface with low average of 0.042μm. Study shows that while applying ELID precision grinding processing technology, uses cast iron fund corundum grinding wheel that is slightly lower than or equal to ground diamond granularity, speed of grinding wheel is 1 400 r/min, grinding angle is 45°, cutting depth is 0.1 μm, workpiece speed is 2 m/min, the best grinding effect can be obtained.

polycrystalline diamond；ELID grinding；edge collapse；grinding parameters

TH161.14

A

關(guān)佳亮，男，1964年生，博士、教授，主要從事超硬、硬脆、復(fù)合材料等難加工材料的精密超精密鏡面磨削加工技術(shù)研究。

2015-06-15)

160122

*國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)-中國(guó)工程物理研究院聯(lián)合基金資助項(xiàng)目(10676001)