基于表面質(zhì)量分析的聚晶金剛石刀具電火花放電磨削試驗(yàn)研究

賈云海，郭建梅，張勤儉，孫 越

（1.北京市電加工研究所，北京 100191；2.北京信息科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，北京 100192）

聚晶金剛石（PCD）是金剛石微粉在高溫高壓條件下，經(jīng)觸媒作用生長而成的人工合成物，其結(jié)構(gòu)與天然金剛石極為相似，通過C-C鍵結(jié)合而成，具有很好的韌性。以PCD刀具為代表的超硬刀具，具有比高速鋼刀具、硬質(zhì)合金刀具更高的硬度、更優(yōu)的耐磨性能、更強(qiáng)的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性及導(dǎo)熱性能，體現(xiàn)了現(xiàn)代先進(jìn)切削技術(shù)“高效、精密和柔性”的基本特征和清潔化生產(chǎn)特點(diǎn)，代表了現(xiàn)代高效、高速、綠色切削工具的發(fā)展方向[1-2]。發(fā)達(dá)國家在航空航天、汽車制造、機(jī)械加工等精密加工領(lǐng)域，特別是加工有色金屬及其合金時(shí)，廣泛采用PCD刀具替代硬質(zhì)合金刀具，將加工效率提升兩倍以上[1]，刀具壽命可提至傳統(tǒng)硬質(zhì)合金刀具的十倍，并降低了刀具的磨損和失效率[3-4]。

由于聚晶金剛石的硬度、耐磨性很高，采用電火花放電磨削對其進(jìn)行加工，達(dá)到以柔克剛?cè)コ牧系男Ч?，是目前較為通用的方法。電火花放電加工是一種基于脈沖放電蝕除原理的自激放電過程，放電蝕除的物理過程是電磁學(xué)、熱力學(xué)、流體動(dòng)力學(xué)等綜合作用的過程[5-7]。不同于機(jī)械加工，電火花加工屬于非接觸式加工，無機(jī)械切削力，具有工具電極成形簡單、相對損耗小等優(yōu)勢，可有效應(yīng)用于尖細(xì)刃口和復(fù)雜形狀刃口的PCD刀具加工。但盤狀電極與線電極加工有所區(qū)別，適合加工的刀具也有不同，加工刀具的刃口也表現(xiàn)出不同的形貌。

國內(nèi)外專家在PCD材料電火花放電磨削加工、電火花線切割加工等方面進(jìn)行了許多探索，取得了許多有價(jià)值的研究成果。這些研究基本可分為三類：第一類是圍繞PCD材料去除的加工機(jī)理而開展的[2，7-10]，采用加工試驗(yàn)與材料學(xué)測試分析相結(jié)合的方式，通過PCD材料加工前后的SEM觀測、XRD分析、能譜分析及拉曼光譜分析等而進(jìn)行加工前后元素的對比、組份和晶界的分析，以此判斷PCD材料在電火花加工中的去除機(jī)理；第二類是以試驗(yàn)為主要形式，研究PCD材料的加工工藝[11-13]，將工件的加工表面質(zhì)量（如表面粗糙度、直線度等）、加工效率、材料去除率等作為評價(jià)指標(biāo)，建立加工工藝參數(shù)（如開路電壓、峰值電流、脈沖寬度、脈沖間隔等）與評價(jià)指標(biāo)間的關(guān)系模型，尋找工藝規(guī)律；第三類是研究電火花放電加工電極材料的選擇[2，14，15]，例如白銅、紫銅電極、石墨電極對放電加工的影響，以及旋轉(zhuǎn)電極對加工效率的影響。這些研究均關(guān)注了重要的放電加工影響因素，但都忽略了看似不重要的電極的極性、電極的轉(zhuǎn)速及金剛石的粒度等加工參數(shù)。對于電火花精密加工而言，上述這些“次要因素”對加工的表面質(zhì)量和加工效率也有著重要的影響。對于聚合型材料-聚晶金剛石而言，其粒度也在一定程度上影響加工的質(zhì)量和效率。

本文以兩種粒度的聚晶金剛石材料作為研究對象，通過加工試驗(yàn)結(jié)合材料學(xué)分析的方法，簡單分析對比了盤電極和線電極加工表面質(zhì)量的差異，探索了金剛石粒度、電極極性及電極轉(zhuǎn)速對聚晶金剛石電火花放電磨削加工的表面質(zhì)量和材料去除率的影響，為合理地制定聚晶金剛石電火花放電磨削加工工藝提供了試驗(yàn)基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)方法及設(shè)備

試樣選用了粒度分別為2μm和10μm的菱形PCD復(fù)合片，其材料特性見表1。試驗(yàn)電極一方面采用盤狀紫銅電極和銅絲在端面放電磨削加工PCD層，另一方面采用線電極切割加工PCD刀具刃口。試驗(yàn)設(shè)備選用BDM-903精密數(shù)控電火花盤電極超硬刀具磨床和ALN400Q線電極機(jī)床。試驗(yàn)分析儀器選用S-4800型掃描電子顯微鏡、D/max-rA型X射線衍射分析儀及國產(chǎn)TR240表面粗糙度儀。

表1 不同粒度PCD材料的特性

2 不同電極加工的表面質(zhì)量分析

采用直徑0.2 mm的黃銅絲加工粒度10μm的PCD刀具試樣。分別采用粗加工、半精加工及精加工三種模式加工得到的刀具刃口形貌見圖1。可見，加工后的PCD刀具，其刃口出現(xiàn)了明顯的熔融狀態(tài)；刃口的直線度較好，刃口均出現(xiàn)了不同程度的蝕除坑，而這些蝕除坑的大小及數(shù)量多少與加工工藝的不同有必然聯(lián)系。

圖2是采用直徑200 mm紫銅盤電極加工PCD后的表面形貌，也同樣采用了粗加工、半精加工及精加工三種方式。可見，加工表面也出現(xiàn)了熔融態(tài)的物質(zhì)以及不同大小的蝕除坑，但刃口的直線度一般，刃口處出現(xiàn)了弧面。

對比圖1和圖2可見，采用盤電極加工的刃口直線度要差于線電極加工的，而兩種加工方法得到的蝕除坑的大小基本相同；從表面粗糙度來看，采用盤電極加工的要好于線電極加工的。

圖1 線電極加工PCD后的刃口形貌

圖2 線電極加工PCD后的刃口形貌

3 電極極性的影響

與傳統(tǒng)電火花成形加工不同，電火花放電磨削是以旋轉(zhuǎn)的盤狀紫銅電極作為工具電極，通常采用沖液式加工，其工作介質(zhì)采用燃點(diǎn)更高的N32機(jī)械油。加工試驗(yàn)采用的工藝參數(shù)見表2。一般選用被加工材料的表面粗糙度WRa作為加工質(zhì)量的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)；選擇被加工材料的去除量VW作為加工效率的評價(jià)指標(biāo)。

表2 盤電極加工試驗(yàn)工藝參數(shù)

圖3和圖4分別是粒度10μm的PCD試樣采用負(fù)極性、正極性放電加工后的掃描電鏡圖?？梢?，負(fù)極性加工時(shí)，加工表面沒有出現(xiàn)多孔結(jié)構(gòu)，但正極性加工時(shí)，加工表面出現(xiàn)明顯的多孔結(jié)構(gòu)，且負(fù)極性加工的表面粗糙度要好于正極性加工。這說明在正極性加工條件下，放電蝕除是有選擇的，且聚晶金剛石的蝕除不均勻，特別是在小電流狀態(tài)時(shí)，幾乎只有很少的金剛石（幾微米）被蝕除。

圖3 粒度為10μm試樣負(fù)極性加工SEM圖

圖4 粒度為10μm試樣正極性加工SEM圖

圖5和圖6分別是粒度10μmPCD試樣采用正極性和負(fù)極性放電加工后的XRD圖?？煽闯觯瑢τ谡龢O性加工，金剛石與石墨的比例會(huì)降低，而鈷、鎢及氧化物的比例會(huì)提高，這些氧化物主要是放電過程中的高溫氧化反應(yīng)所形成的化合物，最終沉積在金剛石表面，與石墨組成了變質(zhì)層。

圖5 粒度10μm正極性加工后的XRD圖

圖6 粒度為10μm負(fù)極性加工后的XRD圖

4 電極轉(zhuǎn)速、金剛石粒度的影響

圖7和圖8是在統(tǒng)一放電加工工藝參數(shù)試驗(yàn)下得到的電極轉(zhuǎn)速v、金剛石與放電磨削加工質(zhì)量和效率的關(guān)系曲線。由圖7可知，隨著電極旋轉(zhuǎn)線速度的增加，粒度2μm的PCD材料樣件的表面粗糙度值先減少后增加，特別是在v=60 m/min，樣件表面粗糙度值達(dá)到最小值。同樣，對于粒度10μm的PCD材料樣件而言，其表面粗糙度值也是先減少后增加，但該樣件的表面粗糙度值達(dá)到最小值時(shí)，v=80 m/min，這也說明，在相同放電加工條線下，粒度不同，工件的表面粗糙度也不同。因此，最優(yōu)化的加工工藝要隨著材料粒度的改變作相應(yīng)的調(diào)整。

圖7 電極轉(zhuǎn)速、金剛石粒度與工件表面質(zhì)量的關(guān)系曲線

從圖8可見，當(dāng)電極不旋轉(zhuǎn)時(shí)，PCD材料的去除量最低；隨著電極旋轉(zhuǎn)線速度的提升，PCD材料的去除量逐步增加，當(dāng)v達(dá)到80m/min后，PCD材料的去除量增加幅度逐漸變緩。這是由于電極旋轉(zhuǎn)改善了放電加工條件，加速了材料的蝕除速度，但當(dāng)電極旋轉(zhuǎn)線速度與放電參數(shù)相匹配時(shí)，電極旋轉(zhuǎn)速度對材料蝕除速度的作用就不明顯了。從圖5也可知道，隨著電極旋轉(zhuǎn)線速度提升，大粒度金剛石蝕除速度較快，但變化趨勢相同。

圖8 電極轉(zhuǎn)速、金剛石粒度與工件材料去除量的關(guān)系曲線

5 結(jié)論

通過以上分析，得到如下結(jié)論：

（1）采用負(fù)極性加工，加工表面沒有出現(xiàn)多孔結(jié)構(gòu)，表面質(zhì)量好，放電蝕除沒有選擇性。

（2）隨著電極轉(zhuǎn)速的增加，PCD材料的表面粗糙度值先減少后增加，在電極轉(zhuǎn)速為60~80 m/min時(shí)，樣件表面粗糙度值達(dá)到最小值。隨著粒度的增加，在相同放電加工工藝條件下，獲得最佳表面質(zhì)量的電極轉(zhuǎn)速也提升。

（3）隨著電極轉(zhuǎn)速的增加，PCD材料的去除量逐步增加，當(dāng)電極轉(zhuǎn)速達(dá)到80 m/min后，PCD材料的去除量增加幅度逐漸變緩。