聚晶金剛石表面研磨拋光試驗(yàn)研究

魏 杰,張國威,李彥濤

(1.新鄉(xiāng)市慧聯(lián)電子科技股份有限公司，河南 新鄉(xiāng) 453200；2.白鴿磨料磨具有限公司, 河南 鄭州 450100；3.河南工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，河南 鄭州 450001)

聚晶金剛石(PCD)復(fù)合片是采用金剛石微粉與硬質(zhì)合金襯底為原料用粉末冶金的方法燒結(jié)而成的復(fù)合超硬材料[1]。在聚晶金剛石(PCD)復(fù)合片中 ,金剛石晶體呈無序排列、各向同性 ,克服了金剛石體積小、有解理面、各向異性等缺點(diǎn)[2]。聚晶金剛石復(fù)合片具有接近天然金剛石的硬度、耐磨性、化學(xué)性能穩(wěn)定以及與硬質(zhì)合金相當(dāng)?shù)目箾_擊性[3]，因此在現(xiàn)代工業(yè)、國防和高新技術(shù)等領(lǐng)域得到日益廣泛的應(yīng)用[4]，其中用于制造各種切削刀具是聚晶金剛石最具潛力的應(yīng)用領(lǐng)域[5-7]。當(dāng)今，切削精度和加工質(zhì)量逐步要求刀具材料PCD表面要進(jìn)行鏡面研磨拋光，而鑒于PCD的高硬度和高耐磨性，其研磨拋光加工難度極大[8]。目前，PCD產(chǎn)品表面研磨拋光常采用金剛石砂輪拋光技術(shù)。雖然對(duì)于PCD產(chǎn)品表面研磨拋光技術(shù)研究國內(nèi)外均有報(bào)道，但主要集中于磨削機(jī)理方面的研究，而對(duì)于研磨拋光加工工藝過程中更深層次的細(xì)節(jié)問題卻鮮有報(bào)道，故而對(duì)一線的拋光工作者缺乏有效的指導(dǎo)。

本文主要通過考察研磨拋光工藝中負(fù)載對(duì)砂輪和PCD表面拋光質(zhì)量的影響，結(jié)合拋光磨削機(jī)制，探究如何精準(zhǔn)控制負(fù)載來提高拋光效率和拋光質(zhì)量。

1 實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)采用的設(shè)備是BDJP-04聚晶金剛石鏡面拋光機(jī)，拋光輪采用規(guī)格為6A2 250×50×35×5180M100；拋光對(duì)象為國產(chǎn)010PCD產(chǎn)品，尺寸規(guī)格為圓形Φ60×4mm，金剛石層厚度0.7mm。在相同的工藝條件下，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)一次裝夾四個(gè)產(chǎn)品進(jìn)行拋光，以保證提高實(shí)驗(yàn)精度，減小操作誤差。實(shí)驗(yàn)的負(fù)載分別為180N、240N、300N、360N、420N。拋光實(shí)驗(yàn)過程中，用國產(chǎn)型號(hào)為UT301A紅外測溫儀測量砂輪、夾具和PCD的溫度變化，并根據(jù)設(shè)定拋光時(shí)段內(nèi)，肉眼觀察及采用韓國表面粗糙度儀測量PCD達(dá)到鏡面的程度，明確PCD表面拋光進(jìn)度變化，并統(tǒng)計(jì)負(fù)載對(duì)拋光效率的影響。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 負(fù)載對(duì)溫度的影響

2.1.1 負(fù)載對(duì)砂輪溫度的影響

實(shí)驗(yàn)過程中，不同負(fù)載下砂輪表面溫度變化關(guān)系如表1所示。

表1 不同負(fù)載下砂輪表面溫度變化關(guān)系

由表1可以看出：隨著負(fù)載的增大，砂輪表面的溫度逐步提高，砂輪的正常工作時(shí)間逐步縮短。原因在于：隨著負(fù)載的增大，磨削載荷增大，磨削熱逐漸增加。當(dāng)產(chǎn)生的熱量能夠散失，砂輪溫度合理，可以在狀態(tài)良好的工況下工作較長時(shí)間；而當(dāng)產(chǎn)生的熱量過大且不能及時(shí)散失時(shí)，熱量積聚，造成砂輪溫度快速升高，超出允許使用溫度范圍，砂輪變形量就會(huì)增大，進(jìn)而出現(xiàn)震動(dòng)和異常噪音，工作穩(wěn)定性也會(huì)下降，甚至砂輪表面會(huì)被燒傷或損壞。同時(shí)，由表1也可以看出，砂輪溫度處于70℃～100℃時(shí)，砂輪運(yùn)行穩(wěn)定，噪音較小，工作狀態(tài)較好，另外，如360N或420N，砂輪溫度升高較快，運(yùn)行噪音較大，穩(wěn)定性差，工作狀態(tài)較差。不同表面狀態(tài)的砂輪如圖1所示。

圖1可以看出，溫度過高，砂輪造成燒傷后，對(duì)砂輪危害極大。燒傷會(huì)加劇砂輪表面平整度的降低，還會(huì)導(dǎo)致砂輪金剛石層出現(xiàn)分層，甚至脫落，造成砂輪報(bào)廢。因此，聚晶金剛石拋光操作時(shí)，要選擇合適的負(fù)載，避免對(duì)砂輪造成燒傷。

2.1.2 負(fù)載對(duì)夾具和PCD溫度的影響

負(fù)載對(duì)夾具和PCD溫度的影響如表2所示。

表2 負(fù)載對(duì)夾具和PCD溫度的影響

圖1 不同表面狀態(tài)的砂輪(a)表面完好(b)表面輕微燒傷(c)表面局部重度燒傷(d)表面整體重度燒傷Fig．1 Wheels in different surface states(a)surface intact(b)slight surface burn (c)severe surface burns(d)severe overall surface burn

由表2可以看出，隨著壓力的增加，夾具和PCD溫度均增大，且PCD溫度總高于夾具溫度。工作中，可以用夾具和PCD溫度點(diǎn)做參照，判斷當(dāng)前的磨削狀態(tài)是否較好。以夾具溫度作參照時(shí)，65℃～100℃時(shí)，狀態(tài)較好；以PCD溫度作參照時(shí)，70℃～115℃，狀態(tài)較好。

2.2 負(fù)載對(duì)PCD拋光效率的影響

負(fù)載與拋光效率關(guān)系如表3所示。

表3 負(fù)載與拋光效率的關(guān)系

由表3可以看出，負(fù)載在一定范圍內(nèi)，隨著負(fù)載的增大，拋光用時(shí)逐漸減少，效率逐漸提高，負(fù)載過大，拋光用時(shí)增加，效率反而降低。PCD材料主要是通過破碎作用、磨粒的機(jī)械磨耗、熱物理和熱化學(xué)作用去除的[9]。當(dāng)負(fù)載較低時(shí)，生成磨削熱量較少，容易散失，這時(shí)，PCD去除主要以破碎作用、磨粒的機(jī)械磨耗為主。這種狀態(tài)下，砂輪表面及磨削區(qū)溫度較低，運(yùn)行狀態(tài)較好，但是拋光效率偏低。當(dāng)負(fù)載較高時(shí)，生成磨削熱量較多，這時(shí)，PCD去除是以破碎作用、磨粒的機(jī)械磨耗、熱物理和熱化學(xué)作用共同完成的。這種狀態(tài)下，砂輪表面及磨削區(qū)溫度較高，運(yùn)行狀態(tài)良好，拋光效率較高。當(dāng)負(fù)載過高時(shí)，生成磨削熱量過大，砂輪表面和PCD溫度均過高，砂輪表面金剛石與PCD表面均出現(xiàn)石墨化，硬度降低，不利于機(jī)械磨削，這時(shí)，PCD去除以熱物理和熱化學(xué)作用為主，同時(shí)，由于溫度過高，拋光時(shí)PCD變形量較大，PCD表面磨削不均衡量增大，拋光時(shí)間延長[10]，效率降低。

2.3 負(fù)載過大拋光效率降低的分析

以420N的負(fù)載進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，圖2為420N負(fù)載下6～8h PCD拋光效率的對(duì)比。

由圖2可以看出，在420N壓力下，6～8h(2小時(shí))之間拋光形成鏡面的速度非常緩慢，即拋光效率低下。原因在于：壓力過高，造成磨削區(qū)溫度過高，致使PCD變形量增大，特別是中間部位溫度最高，熱應(yīng)力推動(dòng)其向上鼓起，致使中間PCD面與砂輪面分離，造成中間部位磨削不到，只能由外向內(nèi)逐層磨削，當(dāng)磨削到中間的時(shí)候，用時(shí)已經(jīng)過長，效率低下，同時(shí)外圓PCD磨除較多，造成PCD層中間厚邊緣薄，降低了產(chǎn)品質(zhì)量。

將420N的壓力逐步降低繼續(xù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。壓力降低后，相應(yīng)拋光時(shí)間內(nèi)拋光效率對(duì)比如圖3所示。

圖2 420N負(fù)載下6-8hPCD拋光效率的對(duì)比(a)6h(b)6．5h(c)8hFig．2 Comparison of polishing efficiency of 6-8hPCD under 420Nload(a)6h(b)6．5h(c)8h

圖3 壓力降低后，相應(yīng)拋光時(shí)間內(nèi)拋光效率對(duì)比Fig．3 Comparison of polishing efficiency in the corresponding polishing time after the pressure is reduced(a)壓力由420N降至330N，拋光30min；(b)壓力由330N降低至300N，拋光20min；(c)壓力由300N降低至270N，拋光10min，達(dá)到合格鏡面

由圖2(a)～(c)和圖3中(a)可以看出， 壓力由420N降至330N，30min內(nèi)拋光形成鏡面的面積明顯大于圖2(a)～(c)2小時(shí)形成的面積，效率提高相當(dāng)明顯。由圖2和圖3綜合對(duì)比可以看出，壓力由420N降至270N，圖3(a)～(c)拋光形成鏡面的速度很快，并在較短時(shí)間(60min)內(nèi)使PCD表面達(dá)到合格的鏡面，即無麻點(diǎn)，無坑點(diǎn)，無劃傷，檢測表面粗糙度達(dá)到0.02～0.05μm，且表面顏色均勻一致。原因分析：降低壓力后，磨削區(qū)溫度降低，PCD變形量減小，中間PCD面與砂輪面接觸，得到磨削，從而加快了拋光速度，同時(shí)，也驗(yàn)證了磨削區(qū)溫度過高，PCD變形量大，不利于拋光。

3 結(jié)論

(1)負(fù)載在一定范圍內(nèi)時(shí)，拋光效率隨著負(fù)載的增大而提高；負(fù)載過大時(shí)，拋光效率反而降低，且容易損害砂輪，降低產(chǎn)品質(zhì)量。

(2)磨削區(qū)溫度過高，PCD變形量大，易導(dǎo)致PCD中間部位與砂輪面分離，不利于拋光。

(3)精準(zhǔn)控制負(fù)載，控制磨削區(qū)溫度，進(jìn)而控制PCD變形量，有利于提高拋光效率和拋光質(zhì)量。