聚晶金刚石表面抛光技术研究

lingxue

用传统的机械抛光法对大面积PCD制品抛光，磨轮会先接触其因应力变形而出现的凸起部分，造成抛光时间长、局部厚度减薄等弊端。对此，作者设计并运用了双摇杆摆动夹具，使抛光表面在抛光过程能与磨轮端面自适应接触，本文主要阐述这种新工艺装备的特点和使用效果。
" V" j  x0 S" {6 ]0 [一、绪论
PCD制品自20世纪70年代问世以来，以其优良的性能，在航空航天、国防、能源、汽车、地质钻探和线缆等高技术领域中得到日益广泛的应用。尤其是大面积PCD制品的应用，使机械加工能力和水平向前迈进一大步，加工精度、加工表面质量不断提高，加工效率几十倍甚至上百倍提高。大面积PCD制品多用于制造切削各种材料的刀具，为了良好断屑，提高被加工工件的精度和表面质量，大多数PCD制品的PCD面需要抛光，使其达到镜面(表面粗糙度Ra≦0.05μm)。尽管很多资料介绍PCD面电化学抛光、超声抛光等新技术，但在工业化的批量生产应用中，PCD面机械抛光仍占主导地位。
3 e. ~. I7 Y6 w0 ?3 `; `二、PCD面抛光参数选择
PCD面机械抛光过程是聚晶金刚石磨耗与炭化过程，由于聚晶金刚石的硬度高，一般用金刚石抛光粉（膏）加铸铁盘或用磨轮进行抛光。实践证明：用金刚石抛光粉（膏）加铸铁盘抛光的效率太低，大都采用磨轮抛光（磨轮与工件被抛光表面接触面积大，被广泛采用）。
PCD面抛光质量要求：(1)表面粗糙度Ra≦0.05μm；(2)表面光泽一致，没有折光面；(3)没有未抛光到的边缘存在；(4)无光泽不均匀的环；(5)无划痕及污染。
为达到PCD面抛光质量要求，用磨轮实施机械抛光时，要合理选择磨轮宽度、浓度和粒度，磨轮和工件转速，抛光压力以及磨轮修整时机。
& v1 r$ h' R' c' _' ~- x+ a首先磨轮的粒度和浓度要选择合适，粒度过粗达不到工件抛光表面粗糙度要求；粒度过细，加工效率低，磨粒保持锐利的时间短，抛光时的摩擦力大，温升高。磨轮宽度要选择合适，过窄，使用寿命短，磨轮修整频次高，工件被抛光表面与磨轮接触面小，抛光效率低；过宽，磨轮端面难于整平，磨轮内外圈的线速度差异大，磨轮内外消耗差异多，抛光中摩擦接触面积大，工件散热条件变差；磨轮工作层中含金刚砂浓度高，有利于缩短磨轮与被抛光表面接触吻合时间，但成本高，会使磨轮脱粒过快，有时造成被抛光表面划伤。
& d+ Q% ~" }0 W& v+ K) R/ s' h3 x工件在抛光过程中一般低速旋转，这对工件保持平稳运转有利。磨轮通常高速旋转，实现PCD面与磨轮表面相互间摩擦，产生热作用，磨轮转速过快，摩擦热过高，达不到抛光表面质量要求。
抛光过程中，被抛光表面与磨轮表面接触的同时必须施加合适的压力，压力过小易产生抖动，被抛光表面出现波纹；压力过大，磨轮消耗快，不仅摩擦温升高，还可能导致驱动电机过载。
磨轮表面修整时机要掌握合适，长时间不修整磨轮端面，磨轮不锐利，被抛光表面与磨轮端面的吻合时间长，加工效率低；过于频繁修整磨轮端面，磨轮消耗快。磨轮端面修整的不平整、过渡不圆滑，会使被抛光表面无光泽，有时出现划痕。
三、传统抛光方法及设备存在的问题
% K- S( N, z8 h9 B传统抛光设备的结构是磨轮高速旋转，固定式抛光夹具夹持着工件低速旋转，被抛光表面与磨轮端面接触，并施加一定的接触压力，工件的旋转中心与磨轮的接触线固定，通过相互间的摩擦、热、炭化作用，达到PCD面被抛光。
9 s) q! [7 q2 D$ q) d过去的PCD制品厚度大且被抛光表面的面积小（小于或接近磨轮端面环宽），用传统抛光设备实施抛光是适宜的。随着技术发展，大面积PCD制品的出现，使被抛光表面超过端面磨轮宽度一倍以上，而且工件的厚度比过去薄得多，当PCD制品的抛光表面积大于26cm2，厚度不大于2mm时，薄片因应力变形使得被抛光表面的平面度变差，抛光难度加大。用传统抛光设备加工大面积PCD薄片存在下列问题：
(1) 传统抛光设备的夹具（及其被夹持的工件）旋转中心与磨轮端面无相对运动，当被抛光表面与磨轮接触，初始接触的点（或面）在整个被抛光表面上的分布具有决定意义，因为此后抛光加工将沿这些点（或面）向周围扩展，如果初始接触点（或面）少（称之为吻合度差），并且在局部相对集中，那麽此后只有将这些点或面去除，其它的点（或面）才能与磨轮端面接触，这使得本应表面抛光变成“去量抛光”，由于聚晶金刚石硬、抛光使用的磨轮切削能力差，接触点（或面）向周围扩展相当缓慢，造成抛光时间超长，加工效率下降。
(2) 由于工件旋转中心与磨轮端面接触线固定，即使被抛光表面上各处均与磨轮接触（完全吻合），当工件被抛光表面宽度（长度或直径）大于磨轮环宽，各处的接触几率不同，工件外部的接触几率明显少于中部，使得被抛光表面易出现明暗不同的折光环，达不到质量要求。
! u/ I  y8 X; K(3) 由于抛光过程中，被抛光表面中部始终不离开磨轮端面，中部受摩擦热大于周边，且散热条件差，对于大面积、厚度薄的PCD制品，局部受热导致工件变形加剧。
(4) 应力变形使得被抛光表面的平面形状不规则，伴随有扭曲。只有通过修整磨轮端面或被抛光表面与磨轮端面相互磨耗，使磨轮端面尽可能与被抛光表面相吻合（被抛光表面取得更多的接触点并均匀分布）。但应力变形是随机的，表面扭曲使得各个工件表面状况千差万别，当磨轮端面被修整或磨耗成与某个工件的PCD表面相吻合，换另一个工件，又出现不吻合，必须再次通过磨轮修整或磨耗，达到新的吻合，这不仅加工效率低，还增加了操作者劳动强度，对大批量生产是不适宜的。
& W  x/ W8 ~) P) y) E" e" p% E/ x(5) 由于各个PCD制品存在表面形状差异，同一磨轮端面被修整成与两个工件的PCD面同时吻合的可能性很小。即使能够同时吻合，由于一个磨轮同时抛光两片大面积PCD制品产生的摩擦温升更高，工件中部又不能脱开磨轮（散热条件差），在传统的抛光设备上（用同一个磨轮）同时抛光两片大面积PCD制品，不仅各片所需的加工时间差异很大，而且过高的温度，易烧伤被抛光表面。
四、改进方案的确定
( B+ \: c" ]$ V; m, Z, z# U+ h1 ^由上述分析可知：在抛光过程中，提高被抛光表面与磨轮端面接触吻合程度对提高抛光效率至关重要。在抛光过程中，让被抛光表面的自旋转中心在磨轮端面上沿磨轮径向移动，并配合自适应接触功能，对提高接触吻合程度有利（尤其对中凸变形的被抛光表面）。当工件的自转中心离开原来在磨轮端面上的接触线时，被抛光表面上原来与磨轮端面的接触点（面），有一部分就会脱开（从微观上看，磨轮端面沿径向高低错落，并不是平整表面），原来形成的稳定接触状态被打破，在自适应接触功能的配合下，一些未与磨轮端面接触的点（面）此时与磨轮端面接触，从而增加了新接触点（面），改善了相互接触吻合状态，从而缩短抛光时间。
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* l* b& B: A7 }7 s% M5 z/ n& [我国生产的迪蒙特佳牌聚晶金刚石拉丝模
& y; D/ ?# f6 F: f; b工件自转中心在磨轮端面上位移还具有以下优点：
(1) 抛光过程是磨轮与被抛光表面相互磨耗过程，工件位移的同时，将磨轮端面高点修平，这不仅消除了被抛光表面可能出现的环形折光环，而且降低了磨轮端面平整度修整难度。
(2) 被抛光表面中部和边缘与磨轮端面接触几率得到均衡，使工件各处受热均匀；再者，被抛光表面的大部分都有移出磨轮端面的时候，改善工件的散热条件，减小工件抛光过程产生的热变形。
* B* B3 ]8 y+ d$ _  z( R3 X! r(3) 缩短表面变形状态不同的工件同时抛光所需的时间差异。由于被抛光表面自适应与磨轮端面接触吻合，无需用修整磨轮端面的方法来适应被抛光表面，加之工件散热条件的改善，使得同一台抛光设备（用同一个磨轮）同时抛光两片大面积PCD制品得以实现。
实现被抛光表面的自转中心与磨轮端面接触线相对位移的方法有多种：一种是在主轴（磨轮）高速旋转的同时进行偏心摆动；另一种是在工件旋转中心沿磨轮径向位移或在一定的角度内（中心压力点不脱开磨轮端面）进行摆动，据资料介绍国外生产的抛光设备采用磨轮高速旋转同时进行偏心摆动。
我们利用双摇杆摆动机构原理，设计了复合片旋转、加压、摆动和接触自适应夹具，让工件在一定的角度内（中心压力点不离开磨轮端面）摆动来实现被抛光表面的自转中心在磨轮端面上位移，其优点：
* g* V' c: Y# u+ `& ~$ g(1) 成本低，机械结构相对简单，可保持传统抛光设备的基本结构不变（仅改变夹具部分）。
2 h+ y+ p0 i% T" V# O(2) 由于抛光环境比较恶劣（有粉尘），采用传统丝杠、导轨传动机构，成本较高，粉尘容易进入运动部位，降低使用寿命（防护较困难）；采用凸轮或气动、液压机构，结构复杂，外围附件多；而四连杆机构不仅结构简单，运动可靠性强，而且防护简便、环境适应力强，适合在抛光设备上应用。
9 w9 E/ L4 y  }" q' P) Q(3) 选用四连杆机构中的双摇杆摆动机构，可以用一个驱动电机同时实现工件自旋转和旋转中心在一定角度内摆动。
(4) 可利用原固定式结构夹具上许多零件，不增加操作复杂程度。
五、对比实验与分析
我们用新结构（安装了双摇杆摆动抛光夹具）抛光机与传统（安装了固定式抛光夹具）抛光机进行加工对比实验。
首先选择被抛光表面与磨轮端面形状基本吻合的工件试验，选用新磨轮，在传统抛光机上，新磨轮即使与被抛光表面基本吻合，由于磨轮端面不够圆滑，抛光效果差（被抛光表面不光亮且有划痕），而在新结构的抛光机上，抛光后表面质量达到要求，证明工件位移中，被抛光表面对磨轮端面有修整作用。
随后我们选择被抛光表面中凸的工件进行试验，在传统抛光机上，加工一段时间后观察，被抛光表面的抛光处与未接触处界限清晰，如果不修整磨轮端面，继续抛光，不仅时间长，而且PCD层中部有可能厚度减薄。在新结构的抛光机上，加工相同时间观察，表面抛光处与未接触处界限模糊，并且边缘有接触痕迹，抛光后检查被抛光表面平面度与抛光前基本一致。我们选择被抛光表面中凹的工件试验，情况基本相同，只是表面抛光处由边缘向中心扩展。
9 n3 z0 v  C) N* j3 b/ X我们进行加工效率对比实验，各取10台设备，分别测算加工时间，结果表明：在传统抛光机上即使磨轮端面基本与被抛光表面吻合，新结构抛光机平均加工效率仍比它高20%。
我们在安装有两个固定式抛光夹具的抛光机上同时加工两片工件（被抛光表面变形量相同），发现工件温升快而且高，如果不保持砂轮锐利，加工必须时常中断（否则工件表面烧伤），当其中一件被抛光表面完全与磨轮端面接触，另一件只有50%接触痕迹。在安装了两个双摇杆摆动抛光夹具的抛光机上同时加工两片工件，修整磨轮周期与用传统抛光机单片加工相同，结果表明：不仅抛光表面质量达到要求，每片加工时间比单片抛光仅增加10%左右，两工件抛光用时差异很小，由此证明安装两个双摇杆摆动抛光夹具的抛光机，加工效率比传统抛光机提高80%。
* K; q) q' J* R) E六、结论
(1) 抛光中若被抛光表面与磨轮端面不吻合，用改进后的抛光设备实施抛光，加工效率比用传统抛光设备明显提高（至少提高20%），工件散热条件得到明显改善。
1 N; \. G9 p* g4 F5 X(2) 用改进后的抛光设备加工出的工件的被抛光表面不会出现环型折光光环，表面质量明显提高。
(3) 对于改进后的抛光设备，磨轮端面修整要比传统抛光设备的难度小，传统抛光设备的磨轮端面不仅要求修整平滑，而且要尽可能与被抛光表面吻合。而新结构抛光设备，磨轮端面的修整只需在被抛光表面与磨轮端面相互吻合阶段，让磨轮上磨粒锐利即可。
(4) 改进后的抛光设备实现一台设备同时抛光两片大面积聚晶金刚石制品，提高设备利用率80%。
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