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具有磨削比的聚晶金剛石的磨削特性及工藝

隨著現代科學技術的飛速發展,由聚晶金剛石(PCD)、聚晶立方氮化硼(PCBN)等超硬材料制成的工具品種越來越多,其性能也不斷得到發展和提高。刀片的磨料粒度從幾十微米到幾納米不等;金剛石和立方氮化硼的含量分為低含量、中含量和高含量;粘合劑包括金屬、非金屬和混合材料;PCD層的厚度範圍從毫米到微米;PCD層與硬質合金基體的結合方式為平面和波紋面;PCD層具有高耐磨性、高韌性和高耐熱性等不同特性。目前,PCD和PCBN刀具的應用範圍已擴展到汽車、航空航天、精密機械、家用電器、木材、電子和電氣行業,它們用於制造車刀、鏜刀、銑刀和鉆頭、鉸刀、鍃鉆、鋸、刳刨刀、剃刀等。

盡管PCD和PCBN刀具發展迅速,但刀具高硬度帶來的磨削困難壹直困擾著大多數用戶,刀片的重磨主要由原刀具制造商完成。不僅刀具價格高,交貨時間長,而且占用企業的流動資金。因此,有必要認真研究PCD的磨削特性和PCD刀具的磨削技術。PCD刀具的生產過程壹般包括拋光、切割、固定、打磨、質檢。PCD超硬材料毛坯直徑通常為1/2、1、2、3、4英寸,表面壹般比較粗糙(Ra2-10μ m),不能直接用來制作工具。需要打磨拋光使其表面鏡面化(Ra≤0.01μm),然後需要激光切割或電火花。

PCD刀具制造技術的關鍵之壹是刃口的磨削質量。優質刀頭材料缺乏理想的磨削工藝和技術會造成資源浪費,采用好的磨削工藝會提高工具的產品質量,降低工具的使用成本。PCD是由經過特殊處理的金剛石和少量結合劑經高溫超高壓燒結而成。無序的金剛石顆粒使PCD具有均勻且極高的硬度和耐磨性。PCD可用於刀具、砂輪修整、地質鉆探、測量工具、拉絲工具、噴砂工具等。然而,PCD的高硬度和耐磨性也給其加工帶來了很大的困難。

國內外學者對PCD材料的高硬度和高耐磨性帶來的加工問題做了大量的研究和試驗,包括電火花加工、超聲波加工、電化學加工和激光加工,取得了壹定的成果。但發現目前這些加工技術大多適用於PCD材料的粗加工。為了獲得質量良好的PCD切削刃,最理想的加工方法仍然是磨削或用金剛石砂輪磨削。

PCD的研磨主要是機械和熱化學共同作用的結果。機械作用是金剛石砂輪磨粒對PCD材料的持續沖擊形成的金剛石的微破碎、磨損、脫落或解理;熱化學作用是金剛石砂輪磨削PCD形成的高溫使金剛石氧化或石墨化。兩者混合的結果導致PCD材料被移除。其磨削特點主要如下:

(1)磨削力大。

金剛石是已知礦物中硬度最高的,與各種金屬和非金屬材料配對時的磨損量僅為硬質合金的1/50-1/800。PCD的硬度(HV)為80-120kn/mm2,僅次於單晶金剛石,遠高於硬質合金。用金剛石砂輪磨削PCD時,初始切削強度很高,約為硬質合金(0.4MPa)的10倍。比磨可達1.2×104-1.4×105j/mm3;所以磨削力比磨削硬質合金高得多。

⑵研磨比很小。

由於PCD的硬度高、耐磨性好(相對耐磨性是硬質合金的16-199倍),所以PCD的磨削比只有0.005-0.033,大約是硬質合金的1/1000-1/10000。研磨效率僅為0.4-4.8 mm3/min。因此,為了保證切削刃質量和刀具的去除,磨削時間很長,加工效率很低。另外,當PCD的硬度、含量、粒度不同時,研磨時間也有很大差異。

⑶顆粒大小影響很大。

刀具所用的PCD材料按粒度主要分為粗粒度(20-50μ m)、中粒度(約10μm)和細粒度(-5μ m)三大類,其磨削力和磨削比相差幾倍到幾十倍。粗顆粒PCD的磨削比最高,磨削難度最大。磨削後鋸齒邊最嚴重,質量最差,但耐磨性最強。細晶粒PCD的磨削比最低,更容易磨削,磨削後的切削刃質量最好。基於PCD的上述磨削特性,用金剛石砂輪磨削PCD時對磨削設備的要求遠高於壹般工具磨床。主要包括:

(1)機床具有良好的工藝系統剛性。

由於PCD材料的高硬度,磨床必須具有高的抗變形能力,尤其是主軸系統和刀具夾緊系統。PCD刀具的磨削力壹般為100-500 N,因此要求機床的軸徑大,軸承的軸向剛度和強度高。

⑵機床具有行程和速度可調的短程回轉機構。

PCD的磨削比極低,PCD的磨削機理主要是金剛石砂輪對PCD材料的持續沖擊形成的微粉碎、磨損、脫落和解理以及氧化和石墨化的熱化學作用共同作用的結果。因此,采用短程擺動機構有利於提高磨削效率和刃口質量。壹般擺動距離為0-50 mm,擺動速度為20-60次/分鐘。

(3)機床的刀架具有高精度旋轉功能和在線檢測裝置。

由於PCD材料硬、脆、耐磨,其尖端通常設計成弧形,以減小刀具與工件之間的相對振動幅度。為了實現刀尖圓弧的加工,機床的刀架應具有高精度的回轉功能和刀尖圓弧半徑大小及質量的在線檢測裝置。這樣可以避免多次裝夾帶來的定位誤差,加工效率提高壹倍。5.1磨礦工藝的選擇

刀具刃磨的目的之壹是獲得高性價比的刃口質量,而質量的關鍵在於砂輪粒度的選擇。砂輪粒度越細,刃口崩刃越小,磨削效率越低。因此,根據刃口的精度、用途(見表1)或失效程度(見表2),PCD刀具的刃磨過程可分為粗、精、細三個加工階段。根據具體情況制定合理的磨削工藝,可以大大提高加工效率。

粗加工對切削刃要求不高,可選擇電加工或磨削。電加工效率高,適合加工復雜刀具,如印刷電路板的鉆頭,切割強化木地板的成型銑刀等。磨削可選用粗粒砂輪,接觸面積大,磨削力高(300-400 N),能快速去除多余的加工余量。精加工選用細粒砂輪,具有接觸面積小、磨削力低(100-200 N)、磨削熱低的優點,但材料去除率低。在這個階段,刃口的質量通過磨削和拋光得到進壹步的提高。整理介於兩者之間。

⒌2研磨工藝要點

(1)主軸精度較好,壹般砂輪端面跳動應≤ 0.02 mm,砂輪端面跳動過大,磨削時砂輪間歇沖擊刃口,容易造成刃口崩刃,難以獲得高精度的刃口。

⑵砂輪應有良好的動平衡。砂輪不平衡會導致機床振動,進而影響被加工刀具的刃口質量和加工精度。

⑶磨邊砂輪應首選陶瓷結合劑金剛石砂輪。由於陶瓷結合劑在磨削過程中容易產生微裂紋,磨粒更新自銳,使磨削過程穩定,有利於提高加工表面的精度和效率;其次,可以選擇耐熱性高的樹脂結合劑金剛石砂輪。

(4)註意及時打磨砂輪,油石粒度要合適。用金剛石砂輪加工PCD刀具時,砂輪在高溫和快速下會發生堵塞、鈍化、磨損等現象,導致加工速度降低,振動、噪聲和燒傷的發生。通常選用比所用砂輪粒度小1-2的軟碳化矽油石作為磨刀石。

5]由於金剛石容易與鐵基合金發生化學擴散,加速砂輪的磨損,所以要盡量避免同時磨削金屬和PCD。

[6]砂輪的轉向必須從刀具的前刀面轉向後刀面。從PCD刀具刃口在磨削過程中的受力可以知道,當砂輪從前刀面旋轉到刀具背面時,其磨削力(切向力和法向力之和)向內作用在刃口上,即刀具處於壓應力狀態,不容易崩刃。反之是拉應力,刃口容易崩刃。如果由於刀具結構需要反向磨削,樹脂結合劑砂輪優於金屬和陶瓷結合劑砂輪。

壹、為了保證刃口質量,提高磨削效率,刀具的前角可分為大前角和小前角。粗粒砂輪先磨削後角,由於接觸面大,磨削力大,磨削效率高;然後用細粒砂輪磨削小後角,控制小後角的邊帶寬度在0.1-0.3 mm左右,這樣小接觸面的磨削質量好。

⑻盡量在夾緊刀具的刃口加工。

⑼PCD磨削的冷卻液應首選⑼水基磨削液。由於PCD材料硬度高、耐熱性差,水基磨削液的冷卻效果優於油基磨削液,可以提高加工效率和刃口質量。另外,在磨削過程中,冷卻要充分,避免因磨削液少或間歇供給造成金剛石(砂輪和工具)的大量消耗(氧化和石墨化)和工具刃口的損壞。

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