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电火花成形机床在硬质合金刀片模具上应用

发布时间:2020-07-29人气:1173

刀具刃磨工艺推动PCD刀具的发展和应用

 

聚晶金刚石(PCD)是将粒度为微米级的金刚石微粉与少量金属粉末(CO)混合后在高温(1400)爱游戏平台官网登陆爱游戏平台官网登陆、高压(6000MPa)下烧结而成的聚晶体爱游戏平台官网登陆爱游戏平台官网登陆。与其它刀具材料相比爱游戏平台官网登陆,聚晶金刚石具有如下性能特点:①极高的硬度和耐磨性爱游戏平台官网登陆爱游戏平台官网登陆;②高导热性和低热膨胀系数爱游戏平台官网登陆,切削时散热快爱游戏平台官网登陆,切削温度低,热变形?爱游戏平台官网登陆爱游戏平台官网登陆爱游戏平台官网登陆?爱游戏平台官网登陆;③摩擦系数小,可降低加工表面粗糙度。但由于聚晶金刚石与铁族元素有很强亲和力,因此不适合加工黑色金属及其合金爱游戏平台官网登陆爱游戏平台官网登陆。已实现商品化供货的PCD复合片是将0.50.7mm厚的 PCD层烧结在硬质合金基体上制备而成爱游戏平台官网登陆,因此兼具了PCD的高硬度、高耐磨性和硬质合金的良好强度与韧性爱游戏平台官网登陆。

    PCD刀具在有色金属及其合金、非金属材料的高速切削中体现出优良的切削性能爱游戏平台官网登陆爱游戏平台官网登陆,因此已广泛应用于汽车爱游戏平台官网登陆、航空爱游戏平台官网登陆、航天爱游戏平台官网登陆、建材等工业领域爱游戏平台官网登陆爱游戏平台官网登陆。但是爱游戏平台官网登陆爱游戏平台官网登陆爱游戏平台官网登陆,PCD的高硬度爱游戏平台官网登陆爱游戏平台官网登陆、高耐磨性使刀具的刃磨相当困难爱游戏平台官网登陆爱游戏平台官网登陆爱游戏平台官网登陆爱游戏平台官网登陆,主要体现在材料磨除率小爱游戏平台官网登陆、砂轮损耗大爱游戏平台官网登陆、刃磨效率低爱游戏平台官网登陆、刃口呈锯齿状。PCD刀具的刃磨工艺性已成为其推广应用的障碍之一。为了突破这一工艺瓶颈,国内外学者进行了大量研究开发工作爱游戏平台官网登陆爱游戏平台官网登陆。

    PCD刀具的主要刃磨工艺有放电刃磨爱游戏平台官网登陆、金刚石砂轮机械刃磨、电解刃磨等爱游戏平台官网登陆,其中放电刃磨和金刚石砂轮机械刃磨在技术上已较为成熟爱游戏平台官网登陆,放电刃磨(EDG)是电火花放电加工技术(EDM)(特别是电火花线切割和放电磨削)已广泛应用于刀具制造爱游戏平台官网登陆,电火花放电加工技术用于刃磨PCD刀具称为放电刃磨(EDG)爱游戏平台官网登陆。放电刃磨是通过在电介质分离的砂轮电极与刀具电极间放电产生瞬时高温爱游戏平台官网登陆爱游戏平台官网登陆,将刀具材料熔化和气化。刃磨PCD刀具时,由于金刚石不导电爱游戏平台官网登陆,所以刀具电极即为PCD中的金属相构成的导电网络爱游戏平台官网登陆爱游戏平台官网登陆爱游戏平台官网登陆,由此可见爱游戏平台官网登陆,放电刃磨是一种热蚀加工过程爱游戏平台官网登陆。由于电火花放电的温度可高达800012000℃,因此PCD刀具刃磨时可能引起热损和石墨化,尤其在PCD与硬质合金基底的界面处侵蚀速度更快爱游戏平台官网登陆,可在表面形成深约0.05mm的微裂纹爱游戏平台官网登陆,这是放电刃磨加工方法的主要缺陷爱游戏平台官网登陆爱游戏平台官网登陆。由于放电刃磨是一种非接触刃磨过程爱游戏平台官网登陆,磨削力小到可忽略不计爱游戏平台官网登陆,故刃磨效率很高爱游戏平台官网登陆爱游戏平台官网登陆。 R.Wyss等人在一定实验条件下得到的磨除率达4mm3/min爱游戏平台官网登陆爱游戏平台官网登陆,磨耗比为0.2mm3/mm3爱游戏平台官网登陆;而V.Baar等人在实验中则得到了1.0mm3 /mm3的磨耗比爱游戏平台官网登陆。

    放电刃磨时爱游戏平台官网登陆,通常采用碳氢化合物(如石蜡)作为砂轮电极与工具电极间的电介质爱游戏平台官网登陆爱游戏平台官网登陆,工作电压一般为直流80200V爱游戏平台官网登陆,砂轮电极采用铜爱游戏平台官网登陆爱游戏平台官网登陆爱游戏平台官网登陆、钨爱游戏平台官网登陆爱游戏平台官网登陆、石墨等导电材料。根据刀具刃磨时的位置,放电刃磨可分为圆周放电刃磨和端面放电刃磨爱游戏平台官网登陆爱游戏平台官网登陆。刃磨过程中爱游戏平台官网登陆,砂轮作旋转运动爱游戏平台官网登陆,使其能均匀磨损。在端面放电刃磨中,砂轮还需左右摆动爱游戏平台官网登陆。脉冲电源是影响刃磨效率和刃磨质量的关键设备爱游戏平台官网登陆,因此脉冲电源的设计已成为放电刃磨的研究热点。

    国外学者对PCD刀具的放电刃磨技术开展了大量试验研究爱游戏平台官网登陆,其中英国伯明翰大学的T.B.Thoe等人的研究成果较具代表性爱游戏平台官网登陆爱游戏平台官网登陆。他们的试验在伯明翰大学机械学院研制的EDG机床上进行爱游戏平台官网登陆。用于刃磨的PCD样品牌号为SynditeCTB002爱游戏平台官网登陆、010爱游戏平台官网登陆爱游戏平台官网登陆、025 Compax1500爱游戏平台官网登陆、1600爱游戏平台官网登陆。通过试验得出如下结论:①对于细晶粒PCD样品爱游戏平台官网登陆,端面放电刃磨可获得较好刃口质量爱游戏平台官网登陆;对于粗晶粒PCD样品,圆周放电刃磨可获得较好刃口质量。②增大电流、电压或脉冲宽度爱游戏平台官网登陆爱游戏平台官网登陆,可增大磨除率,提高刃磨效率爱游戏平台官网登陆,但同时会导致PCD刀具表面产生更深爱游戏平台官网登陆、更宽的裂纹。③细晶粒PCD样品容易引起放电爱游戏平台官网登陆爱游戏平台官网登陆爱游戏平台官网登陆爱游戏平台官网登陆,砂轮电极磨损量小爱游戏平台官网登陆爱游戏平台官网登陆,放电中脱落的晶粒平均尺寸等于晶粒本身的尺寸爱游戏平台官网登陆爱游戏平台官网登陆,因此可获得较好的刃磨质量爱游戏平台官网登陆爱游戏平台官网登陆爱游戏平台官网登陆。④粗晶粒PCD样品与硬质合金交界面的侵蚀程度较大爱游戏平台官网登陆。

    脉冲电源及刃磨工艺步骤对PCD放电刃磨的质量有较大影响。德国学者E.Beck等人对此作了大量试验研究爱游戏平台官网登陆爱游戏平台官网登陆爱游戏平台官网登陆。他们在VollmerQR20P专用火花放电工具磨床上分别采用普通型和改进型两种脉冲电源对PCD放电刃磨质量进行了对比试验研究爱游戏平台官网登陆爱游戏平台官网登陆,试验采用硅基合成油作为电介质爱游戏平台官网登陆,以石墨作为砂轮电极(负极),主轴转速为500r/min,样品材料去除量为0.5mm爱游戏平台官网登陆爱游戏平台官网登陆。此外,在Microspark200通用火花放电磨床上进行了刃磨工艺步骤对PCD刃磨质量影响的试验研究爱游戏平台官网登陆,试验采用刃磨PCD专用脉冲电源,并根据磨除量及刃磨后的刃口粗糙度将脉冲电源设置为5级;试验样品牌号为SynditeCTC002爱游戏平台官网登陆、CTB002爱游戏平台官网登陆、CTB010爱游戏平台官网登陆、CTB025,每种粒度PCD各取4件样品爱游戏平台官网登陆,试验中采用不同脉冲电源设置组合(即不同工艺步骤)进行刃磨爱游戏平台官网登陆,然后测量刃口及刀面粗糙度。通过试验得出如下结论:①脉冲电源的设计及可控性对刃磨质量可起到决定性作用,对比试验结果表明,配备改进型脉冲电源的工具磨床刃磨出的PCD样品的刃口及刀面粗糙度均接近金刚石砂轮机械刃磨的质量。②通过调节脉冲电源的设置进行多级刃磨爱游戏平台官网登陆,并合理分配每级磨除量比例及刃磨时间爱游戏平台官网登陆爱游戏平台官网登陆,可获得较高的刃磨质量爱游戏平台官网登陆。

金刚石砂轮机械刃磨是目前使用最广泛的PCD刀具刃磨方法,与放电刃磨相比,其刃磨效率较低(磨除率约为1.5mm3/min)、加工成本较高(磨耗比约为0.02min3/min3),但可获得良好的刀具刃口质量和完整光洁的前爱游戏平台官网登陆、后刀面爱游戏平台官网登陆。金刚石砂轮机械刃磨PCD刀具的机理比较复杂爱游戏平台官网登陆,国内外学者对此进行了大量研究爱游戏平台官网登陆爱游戏平台官网登陆,目前主要存在以下几种观点:①德国学者 M.Kenter认为,金刚石砂轮磨削PCD刀具的过程中发生了刻划作用和滑动作用爱游戏平台官网登陆,材料的去除方式主要为粘结爱游戏平台官网登陆、刻划爱游戏平台官网登陆爱游戏平台官网登陆、摩擦化学反应和表面断裂爱游戏平台官网登陆。用扫描电子显微镜(SEM)观察3种被刃磨工件PCD-1(粒度2μm)、PCD-2(粒度10μm)PCD-3(粒度25μm)的表面微观形貌时爱游戏平台官网登陆,在PCD- 1上可观察到犁沟爱游戏平台官网登陆,而在其它两种PCD工件上观察不到犁沟爱游戏平台官网登陆。因此Kenter认为:在绝大多数情况下爱游戏平台官网登陆爱游戏平台官网登陆,PCD材料的去除是以摩擦化学反应和表面断裂为主爱游戏平台官网登陆爱游戏平台官网登陆。随着磨削的进行爱游戏平台官网登陆,金刚石磨粒逐渐钝化,即使在PCD-1上也不易观察到犁沟。由于PCD材料脆性大爱游戏平台官网登陆爱游戏平台官网登陆爱游戏平台官网登陆,在金刚石磨粒的挤压下容易诱发裂纹爱游戏平台官网登陆爱游戏平台官网登陆爱游戏平台官网登陆,裂纹在机械和热应力作用下扩展爱游戏平台官网登陆,最终导致小片PCD材料剥落爱游戏平台官网登陆爱游戏平台官网登陆爱游戏平台官网登陆,同时摩擦热会使PCD发生石墨化和其它摩擦化学反应。GE公司的K.J.Dunn等人用扫描电子显微镜对刃磨后的PCD复合片的表面微观形貌进行观察后认为爱游戏平台官网登陆,PCD材料的破坏机理主要为微观脆性破碎和疲劳破损爱游戏平台官网登陆。 ③我国艾兴院士等人用开槽的金刚石砂轮磨削PCD爱游戏平台官网登陆爱游戏平台官网登陆爱游戏平台官网登陆,同时用超声波振动和激光照射来模拟磨削时的机械冲击和热冲击,根据试验结果爱游戏平台官网登陆,将PCD材料的去除方式归纳如下:当砂轮与PCD接触的瞬间爱游戏平台官网登陆爱游戏平台官网登陆,磨削力突然增大爱游戏平台官网登陆,剧烈的机械冲击使PCD表面产生裂纹爱游戏平台官网登陆,甚至有碎片产生。在稳定磨削期爱游戏平台官网登陆,砂轮磨粒在PCD表面上进行挤压和摩擦爱游戏平台官网登陆爱游戏平台官网登陆爱游戏平台官网登陆,当压力达到一定程度,PCD表面上会形成裂纹爱游戏平台官网登陆爱游戏平台官网登陆;当摩擦温度达到一定程度爱游戏平台官网登陆爱游戏平台官网登陆,PCD会发生石墨化和其它化学反应爱游戏平台官网登陆。通过实验发现,用开槽的金刚石砂轮进行磨削时爱游戏平台官网登陆,由于磨削力不连续爱游戏平台官网登陆,加之冷却液的周期冷却作用爱游戏平台官网登陆爱游戏平台官网登陆爱游戏平台官网登陆爱游戏平台官网登陆,有利于裂纹扩展,从而使开槽砂轮比非开槽砂轮的磨削效率高12倍爱游戏平台官网登陆爱游戏平台官网登陆爱游戏平台官网登陆爱游戏平台官网登陆。

    PCD材料的特性决定了对PCD刀具刃磨机床的要求不同于普通工具磨床爱游戏平台官网登陆,即:①要求砂轮主轴及机床整体具有很高的刚性和稳定性爱游戏平台官网登陆,以保持刃磨时砂轮对PCD材料的恒定压力爱游戏平台官网登陆。②砂轮架可作横向摆动,以保证砂轮端面磨损均匀爱游戏平台官网登陆;砂轮架的摆动频率和摆动幅度可调。③机床上应配置光学投影装置和高精度回转工作台爱游戏平台官网登陆爱游戏平台官网登陆。④应采用专用金刚石砂轮爱游戏平台官网登陆。

德国学者M.Kenter通过试验爱游戏平台官网登陆,研究了金刚石砂轮机械刃磨PCD的工艺参数对磨除率爱游戏平台官网登陆、磨耗比的影响爱游戏平台官网登陆。由于PCD刀具刃磨为恒定压力磨削爱游戏平台官网登陆,因此M.Kenter采用磨除率和磨耗比作为试验评价标准。根据试验结果得出如下结论:①为使杯状金刚石砂轮径向磨损均匀爱游戏平台官网登陆爱游戏平台官网登陆,应使砂轮与刀具的重合度≥1爱游戏平台官网登陆爱游戏平台官网登陆,通过调节刃磨机床砂轮摆动架的摆幅和频率可达到这一要求爱游戏平台官网登陆爱游戏平台官网登陆。②分别增大砂轮旋转速度VC、恒定压力FAPCD粒度,磨除率和磨耗比均随之增大爱游戏平台官网登陆。由于这三个工艺参数对磨除率和磨耗比影响程度最大爱游戏平台官网登陆爱游戏平台官网登陆,因此可通过改变其大小来提高刃磨效率爱游戏平台官网登陆,降低刃磨成本爱游戏平台官网登陆爱游戏平台官网登陆。③砂轮粒度爱游戏平台官网登陆爱游戏平台官网登陆、金刚石浓度爱游戏平台官网登陆、结合剂种类爱游戏平台官网登陆爱游戏平台官网登陆爱游戏平台官网登陆、冷却液浓度等均对磨除率和磨耗比有一定影响爱游戏平台官网登陆爱游戏平台官网登陆。

    随着PCD刀具应用领域的不断扩展爱游戏平台官网登陆,对PCD刀具刃磨工艺的研究显得日益重要爱游戏平台官网登陆爱游戏平台官网登陆,而此项研究的成果也必将有力推动PCD刀具的发展和推广应用爱游戏平台官网登陆爱游戏平台官网登陆爱游戏平台官网登陆。

电火花加工法刃磨PCD刀具.pdf


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