聚晶金剛石PCD表面拋光技術(shù)

發(fā)布日期:2013-09-10    蘭生客服中心    瀏覽:4624

  用傳統(tǒng)的機(jī)械拋光法對(duì)大面積PCD制品拋光,磨輪會(huì)先接觸其因應(yīng)力變形而出現(xiàn)的凸起部分,造成拋光時(shí)間長、局部厚度減薄等弊端。

  PCD制品自20世紀(jì)70年代問世以來,以其優(yōu)良的性能,在航空航天、國防、能源、汽車、地質(zhì)鉆探和線纜等高技術(shù)領(lǐng)域中得到日益廣泛的應(yīng)用。尤其是大面積PCD制品的應(yīng)用,使機(jī)械加工能力和水平向前邁進(jìn)一大步,加工精度、加工表面質(zhì)量不斷提高,加工效率幾十倍甚至上百倍提高。大面積PCD制品多用于制造切削各種材料的刀具,為了良好斷屑,提高被加工工件的精度和表面質(zhì)量,大多數(shù)PCD制品的PCD面需要拋光,使其達(dá)到鏡面(表面粗糙度Ra≦0.05μm)。盡管很多資料介紹PCD面電化學(xué)拋光、超聲拋光等新技術(shù),但在工業(yè)化的批量生產(chǎn)應(yīng)用中,PCD面機(jī)械拋光仍占主導(dǎo)地位。

  一、PCD面拋光參數(shù)選擇

  PCD面機(jī)械拋光過程是聚晶金剛石磨耗與炭化過程,由于聚晶金剛石的硬度高,一般用金剛石拋光粉(膏)加鑄鐵盤或用磨輪進(jìn)行拋光。實(shí)踐證明:用金剛石拋光粉(膏)加鑄鐵盤拋光的效率太低,大都采用磨輪拋光(磨輪與工件被拋光表面接觸面積大,被廣泛采用)。

  PCD面拋光質(zhì)量要求:

  1、表面粗糙度Ra≦0.05μm;

  2、表面光澤一致,沒有折光面;

  3、沒有未拋光到的邊緣存在;

  4、無光澤不均勻的環(huán);

  5、無劃痕及污染。

  為達(dá)到PCD面拋光質(zhì)量要求,用磨輪實(shí)施機(jī)械拋光時(shí),要合理選擇磨輪寬度、濃度和粒度,磨輪和工件轉(zhuǎn)速,拋光壓力以及磨輪修整時(shí)機(jī)。

  首先磨輪的粒度和濃度要選擇合適,粒度過粗達(dá)不到工件拋光表面粗糙度要求;粒度過細(xì),加工效率低,磨粒保持銳利的時(shí)間短,拋光時(shí)的摩擦力大,溫升高。磨輪寬度要選擇合適,過窄,使用壽命短,磨輪修整頻次高,工件被拋光表面與磨輪接觸面小,拋光效率低;過寬,磨輪端面難于整平,磨輪內(nèi)外圈的線速度差異大,磨輪內(nèi)外消耗差異多,拋光中摩擦接觸面積大,工件散熱條件變差;磨輪工作層中含金剛砂濃度高,有利于縮短磨輪與被拋光表面接觸吻合時(shí)間,但成本高,會(huì)使磨輪脫粒過快,有時(shí)造成被拋光表面劃傷。

  工件在拋光過程中一般低速旋轉(zhuǎn),這對(duì)工件保持平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)有利。磨輪通常高速旋轉(zhuǎn),實(shí)現(xiàn)PCD面與磨輪表面相互間摩擦,產(chǎn)生熱作用,磨輪轉(zhuǎn)速過快,摩擦熱過高,達(dá)不到拋光表面質(zhì)量要求。

  拋光過程中,被拋光表面與磨輪表面接觸的同時(shí)必須施加合適的壓力,壓力過小易產(chǎn)生抖動(dòng),被拋光表面出現(xiàn)波紋;壓力過大,磨輪消耗快,不僅摩擦溫升高,還可能導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)電機(jī)過載。

  磨輪表面修整時(shí)機(jī)要掌握合適,長時(shí)間不修整磨輪端面,磨輪不銳利,被拋光表面與磨輪端面的吻合時(shí)間長,加工效率低;過于頻繁修整磨輪端面,磨輪消耗快。磨輪端面修整的不平整、過渡不圓滑,會(huì)使被拋光表面無光澤,有時(shí)出現(xiàn)劃痕。

  二、傳統(tǒng)拋光方法及設(shè)備存在的問題

  傳統(tǒng)拋光設(shè)備的結(jié)構(gòu)是磨輪高速旋轉(zhuǎn),固定式拋光夾具夾持著工件低速旋轉(zhuǎn),被拋光表面與磨輪端面接觸,并施加一定的接觸壓力,工件的旋轉(zhuǎn)中心與磨輪的接觸線固定,通過相互間的摩擦、熱、炭化作用,達(dá)到PCD面被拋光。

  過去的PCD制品厚度大且被拋光表面的面積小(小于或接近磨輪端面環(huán)寬),用傳統(tǒng)拋光設(shè)備實(shí)施拋光是適宜的。隨著技術(shù)發(fā)展,大面積PCD制品的出現(xiàn),使被拋光表面超過端面磨輪寬度一倍以上,而且工件的厚度比過去薄得多,當(dāng)PCD制品的拋光表面積大于26cm2,厚度不大于2mm時(shí),薄片因應(yīng)力變形使得被拋光表面的平面度變差,拋光難度加大。用傳統(tǒng)拋光設(shè)備加工大面積PCD薄片存在下列問題:

  1、傳統(tǒng)拋光設(shè)備的夾具(及其被夾持的工件)旋轉(zhuǎn)中心與磨輪端面無相對(duì)運(yùn)動(dòng),當(dāng)被拋光表面與磨輪接觸,初始接觸的點(diǎn)(或面)在整個(gè)被拋光表面上的分布具有決定意義,因?yàn)榇撕髵伖饧庸⒀剡@些點(diǎn)(或面)向周圍擴(kuò)展,如果初始接觸點(diǎn)(或面)少(稱之為吻合度差),并且在局部相對(duì)集中,那麼此后只有將這些點(diǎn)或面去除,其它的點(diǎn)(或面)才能與磨輪端面接觸,這使得本應(yīng)表面拋光變成“去量拋光”,由于聚晶金剛石硬、拋光使用的磨輪切削能力差,接觸點(diǎn)(或面)向周圍擴(kuò)展相當(dāng)緩慢,造成拋光時(shí)間超長,加工效率下降。

  2、由于工件旋轉(zhuǎn)中心與磨輪端面接觸線固定,即使被拋光表面上各處均與磨輪接觸(完全吻合),當(dāng)工件被拋光表面寬度(長度或直徑)大于磨輪環(huán)寬,各處的接觸幾率不同,工件外部的接觸幾率明顯少于中部,使得被拋光表面易出現(xiàn)明暗不同的折光環(huán),達(dá)不到質(zhì)量要求。

  3、由于拋光過程中,被拋光表面中部始終不離開磨輪端面,中部受摩擦熱大于周邊,且散熱條件差,對(duì)于大面積、厚度薄的PCD制品,局部受熱導(dǎo)致工件變形加劇。

  4、應(yīng)力變形使得被拋光表面的平面形狀不規(guī)則,伴隨有扭曲。只有通過修整磨輪端面或被拋光表面與磨輪端面相互磨耗,使磨輪端面盡可能與被拋光表面相吻合(被拋光表面取得更多的接觸點(diǎn)并均勻分布)。但應(yīng)力變形是隨機(jī)的,表面扭曲使得各個(gè)工件表面狀況千差萬別,當(dāng)磨輪端面被修整或磨耗成與某個(gè)工件的PCD表面相吻合,換另一個(gè)工件,又出現(xiàn)不吻合,必須再次通過磨輪修整或磨耗,達(dá)到新的吻合,這不僅加工效率低,還增加了操作者勞動(dòng)強(qiáng)度,對(duì)大批量生產(chǎn)是不適宜的。

  5、 由于各個(gè)PCD制品存在表面形狀差異,同一磨輪端面被修整成與兩個(gè)工件的PCD面同時(shí)吻合的可能性很小。即使能夠同時(shí)吻合,由于一個(gè)磨輪同時(shí)拋光兩片大面積PCD制品產(chǎn)生的摩擦溫升更高,工件中部又不能脫開磨輪(散熱條件差),在傳統(tǒng)的拋光設(shè)備上(用同一個(gè)磨輪)同時(shí)拋光兩片大面積PCD制品,不僅各片所需的加工時(shí)間差異很大,而且過高的溫度,易燒傷被拋光表面。

  三、改進(jìn)方案的確定

  由上述分析可知:在拋光過程中,提高被拋光表面與磨輪端面接觸吻合程度對(duì)提高拋光效率至關(guān)重要。在拋光過程中,讓被拋光表面的自旋轉(zhuǎn)中心在磨輪端面上沿磨輪徑向移動(dòng),并配合自適應(yīng)接觸功能,對(duì)提高接觸吻合程度有利(尤其對(duì)中凸變形的被拋光表面)。當(dāng)工件的自轉(zhuǎn)中心離開原來在磨輪端面上的接觸線時(shí),被拋光表面上原來與磨輪端面的接觸點(diǎn)(面),有一部分就會(huì)脫開(從微觀上看,磨輪端面沿徑向高低錯(cuò)落,并不是平整表面),原來形成的穩(wěn)定接觸狀態(tài)被打破,在自適應(yīng)接觸功能的配合下,一些未與磨輪端面接觸的點(diǎn)(面)此時(shí)與磨輪端面接觸,從而增加了新接觸點(diǎn)(面),改善了相互接觸吻合狀態(tài),從而縮短拋光時(shí)間。

  我國生產(chǎn)的聚晶金剛石拉絲模

  工件自轉(zhuǎn)中心在磨輪端面上位移還具有以下優(yōu)點(diǎn):

  1、拋光過程是磨輪與被拋光表面相互磨耗過程,工件位移的同時(shí),將磨輪端面高點(diǎn)修平,這不僅消除了被拋光表面可能出現(xiàn)的環(huán)形折光環(huán),而且降低了磨輪端面平整度修整難度。

  2、被拋光表面中部和邊緣與磨輪端面接觸幾率得到均衡,使工件各處受熱均勻;再者,被拋光表面的大部分都有移出磨輪端面的時(shí)候,改善工件的散熱條件,減小工件拋光過程產(chǎn)生的熱變形。

  3、縮短表面變形狀態(tài)不同的工件同時(shí)拋光所需的時(shí)間差異。由于被拋光表面自適應(yīng)與磨輪端面接觸吻合,無需用修整磨輪端面的方法來適應(yīng)被拋光表面,加之工件散熱條件的改善,使得同一臺(tái)拋光設(shè)備(用同一個(gè)磨輪)同時(shí)拋光兩片大面積PCD制品得以實(shí)現(xiàn)。

  實(shí)現(xiàn)被拋光表面的自轉(zhuǎn)中心與磨輪端面接觸線相對(duì)位移的方法有多種:一種是在主軸(磨輪)高速旋轉(zhuǎn)的同時(shí)進(jìn)行偏心擺動(dòng);另一種是在工件旋轉(zhuǎn)中心沿磨輪徑向位移或在一定的角度內(nèi)(中心壓力點(diǎn)不脫開磨輪端面)進(jìn)行擺動(dòng),據(jù)資料介紹國外生產(chǎn)的拋光設(shè)備采用磨輪高速旋轉(zhuǎn)同時(shí)進(jìn)行偏心擺動(dòng)。

  我們利用雙搖桿擺動(dòng)機(jī)構(gòu)原理,設(shè)計(jì)了復(fù)合片旋轉(zhuǎn)、加壓、擺動(dòng)和接觸自適應(yīng)夾具,讓工件在一定的角度內(nèi)(中心壓力點(diǎn)不離開磨輪端面)擺動(dòng)來實(shí)現(xiàn)被拋光表面的自轉(zhuǎn)中心在磨輪端面上位移,其優(yōu)點(diǎn):

  1、成本低,機(jī)械結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單,可保持傳統(tǒng)拋光設(shè)備的基本結(jié)構(gòu)不變(僅改變夾具部分)。

  2、由于拋光環(huán)境比較惡劣(有粉塵),采用傳統(tǒng)絲杠、導(dǎo)軌傳動(dòng)機(jī)構(gòu),成本較高,粉塵容易進(jìn)入運(yùn)動(dòng)部位,降低使用壽命(防護(hù)較困難);采用凸輪或氣動(dòng)、液壓機(jī)構(gòu),結(jié)構(gòu)復(fù)雜,外圍附件多;而四連桿機(jī)構(gòu)不僅結(jié)構(gòu)簡單,運(yùn)動(dòng)可靠性強(qiáng),而且防護(hù)簡便、環(huán)境適應(yīng)力強(qiáng),適合在拋光設(shè)備上應(yīng)用。

  3、選用四連桿機(jī)構(gòu)中的雙搖桿擺動(dòng)機(jī)構(gòu),可以用一個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)同時(shí)實(shí)現(xiàn)工件自旋轉(zhuǎn)和旋轉(zhuǎn)中心在一定角度內(nèi)擺動(dòng)。

  4、可利用原固定式結(jié)構(gòu)夾具上許多零件,不增加操作復(fù)雜程度。

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