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              單晶金剛石刀具的研磨工藝

              2019-01-14 09:06:48
              摘要   1金剛石刀具的研磨方法  單晶金剛石刀具的制造工序一般包括選料、定向、鋸割、開坯、裝卡、粗磨、精磨和檢驗。將選定的金剛石原石經定向后沿最大平面鋸割開,可得到兩把刀具的坯料,這樣...

                1 金剛石刀具的研磨方法
                單晶金剛石刀具的制造工序一般包括選料、定向、鋸割、開坯、裝卡、粗磨、精磨和檢驗。將選定的金剛石原石經定向后沿最大平面鋸割開,可得到兩把刀具的坯料,這樣既能提高金剛石材料的利用率,又可減少總研磨量。通過開坯可使刀具形狀達到裝卡(鑲嵌或釬焊)要求。開坯和粗、精磨加工均采用研磨的方法。
                金剛石的研磨加工在鑄鐵研磨盤上進行。研磨盤的直徑約為300mm,由材料組織中孔隙的形狀、大小和比例均經過優化的研磨金剛石專用高磷鑄鐵制成。研磨盤的表面鑲嵌有金剛石研磨粉,其顆粒尺寸可從小于1µm直到40µm。粗顆粒的金剛石粉具有較高的研磨速率,但研磨質量較差,因此粗磨時一般采用粗粉,而精磨時則采用尺寸小于1µm的細粉。研磨前,首先將金剛石粉與橄欖油或其它類似物質混合成研磨膏,然后涂敷在研磨盤表面,放置一段時間使研磨膏充分滲入研磨盤的鑄鐵孔隙中,再用一較大的金剛石在研磨盤表面進行來回預研磨,以進一步強化金剛石粉在鑄鐵孔隙中的鑲嵌作用。研磨時,一般將被研磨的金剛石包埋在錫斗中,只露出需研磨的面。研磨時的研磨盤轉速約為2500r/min,研磨壓力約為1kg/mm2。
                金剛石的研磨與其它刀具材料的加工有很大區別,其研磨機理至今尚未得到令人信服的闡釋,影響研磨質量的因素也是多方面的。下面就金剛石刀具研磨的一些工藝問題進行討論。
                2 磨削量的影響因素
                通過實驗發現,磨削量與研磨條件的關系為
                V=kvp
                式中 V——研磨體積
                k——磨削率
                v——磨削速度
                p——研磨壓力
                此外,金剛石的磨向、磨料的粒度、磨粒在鑄鐵孔隙中的鑲嵌狀況等因素也會改變磨削率的大小,從而影響磨削量。
                3 研磨質量的影響因素
                金剛石硬度高、脆性大,研磨時雖然刀具表面粗糙度較易保證,但刀刃容易出現崩口,刀刃鋸齒度不易降低。超精密加工要求刀具刃口在500倍顯微鏡下觀察無崩口,因此需要從各方面優化研磨過程,以獲得平直完美的刀刃。
                研磨粉粒度和研磨盤表面狀態對研磨質量的影響
                可以看出,由于粗粉對刀刃的沖擊性較大,研磨后刀刃鋸齒度也較大,基本上難以研磨出無崩口的刀刃;而采用細粉時,經過幾分鐘的研磨后刀刃即變得平直,鋸齒度趨向于零。
                新制造的研磨盤因加工精度的限制,其盤面不平度較大,對于研磨的穩定性有一定影響。此外,剛涂敷在盤面上的磨粒本身的等高性也較差。經過一段時間的研磨后,盤面上的高點被研平,磨粒中的較大顆粒也被打碎或鏟離盤面,從而使磨粒的等高性得到改善,刀刃鋸齒度穩定減小。所以對于金剛石刀具的開刃或精磨等關鍵工序,必須在穩定的研磨盤盤面上進行。
                由于研磨過程中磨粒會被不斷打碎或損失,若不及時加以補充,將導致因盤面磨粒密度不夠而使金剛石直接與鑄鐵接觸,不但會影響刀具研磨質量,還會因金剛石的擠刮作用破壞或堵塞盤面上的孔隙,從而降低研磨盤的使用壽命。因此,在研磨過程中需要經常向盤面添加新的研磨膏。
                此外,在涂粉之前對研磨盤盤面的預處理也至關重要,一般需用油石或較粗的SiC研磨粉對盤面進行推磨,以去除車削溝紋,提高盤面的平整性。通過用各種油石和SiC粉研磨盤面的比較試驗,發現用TL280ZY1油石推磨盤面1小時后再涂以W1細金剛石粉,可獲得最理想的研磨盤面,此時盤面達到穩定的時間最短,研磨后的刀刃鋸齒度最小。而采用游離的SiC研磨粉則容易堵塞盤面上的孔隙,使金剛石粉難以大量而牢固地鑲嵌于研磨盤上。
                刃磨角對研磨質量的影響
                刃磨角q是研磨的線速度方向與刀刃的夾角。當q>0°時,研磨方向從刀體指向刀刃,稱為順磨;當q<0°時,研磨方向從刀刃指向刀體,稱為逆磨。圖2所示為刀刃鋸齒度與刃磨角的關系。由于金剛石的抗拉強度極高,順磨時,刀刃承受拉應力,因此磨后鋸齒度較??;逆磨時,刀刃承受壓應力,因此磨后鋸齒度較大。從圖2可看出,當q大于且接近于0°時刀刃可獲得最小的鋸齒度,此時刃口處的應力方向與刀刃基本平行,而刀刃在此方向上有最高的抗拉應力強度。平行于刀刃研磨的另一個好處是刀面的磨痕也與刀刃平行,在切削加工中不會復映到已加工表面,有助于提高切削加工質量。
                盤面端跳和機床振動對研磨質量的影響
                研磨盤面的端跳和機床的振動會引起研磨時盤面對刀刃的沖擊,從而破壞刀刃的平直性,其中尤以盤面端跳的影響更為直接,這是因為由端跳引起的沖擊方向垂直于盤面。圖3和圖4分別為刀刃鋸齒度與盤面端跳和機床振動的關系。從圖中可見,盤面端跳和機床振動對刀刃鋸齒度的影響都分別存在一個臨界值,當小于臨界值時,刀刃鋸齒度趨向于零;而當大于臨界值時,刀刃鋸齒度急劇上升。
                為了減小盤面端跳,在用油石研磨盤面時,應同時檢測盤面的端跳情況,并盡可能通過研磨消除端跳。然后還需進行研磨盤的在線動平衡,以減小運轉時因機構不平衡而產生的振動。
                端跳和振動還與研磨機的精度及減振性能有關。傳統的木制頂尖研磨機因頂尖與轉軸之間需要墊以纖維襯墊,同時由于木材剛性的限制,會導致研磨盤在高速旋轉時產生0.05~0.1mm的動態跳動;此外,木材和纖維物質的耐熱性差,在高速滑動條件下很容易磨損而使轉軸與頂尖之間產生間隙,因此需要經常調整間隙、更換襯墊或木制頂尖。由于使用此類設備時不穩定因素較多,只有在設備狀態最佳的某些不長的時間段內才能研磨出基本合格的天然金剛石刀具,即使是技術熟練的操作人員,也只能達到30%~50%的加工合格率。
                靜壓空氣軸承的精度高于0.5µm,旋轉平穩,且承托主軸的高壓空氣具有較強的吸振能力。所以采用靜壓空氣軸承的研磨機即使研磨刀刃楔角只有45°的金剛石刀具,也能獲得完美無缺的刀刃。對于一般的民用金剛石刀具,基本上可以達到100%的加工合格率。
                偏向角對研磨質量的影響
                偏向角w是在金剛石的被研磨面上實際研磨方向與最好磨方向之間的夾角。對于(1 1 0)面,當在最好磨方向(w=0°)研磨時,金剛石表面非常光潔,且表面有較大起伏,這是因為在最好磨方向上,研磨盤面的不平度在金剛石表面得到了充分復映;當w=45°時,金剛石表面仍然相當光潔,但起伏程度變小,并出現細小溝痕;當w=60°時,金剛石表面產生密集的深溝,研磨速率變得很低;在最難磨方向,金剛石表面充滿一個個凹坑,研磨速率基本為零。w<45°的區域均可認為是好磨方向,可以獲得光潔的表面。對于(1 0 0)面,其好磨區域為w<15°。
                在好磨區域內鋸齒度趨向于零,當w>45°后,刀刃上迅速出現較大崩口。對于(1 0 0)面同樣可得到類似結果。
                偏向角對表面質量的影響規律還可用于判斷金剛石的最好磨方向,因為在最好磨方向研磨時,金剛石表面光亮且有較大起伏。
                綜上所述,金剛石刀具的研磨質量對各種加工條件都相當敏感,特別在研磨小刀刃楔角的金剛石刀具(如眼科手術刀、光纖切割刀和生物切片刀等)時尤其如此。因此,在研磨時必須仔細處理研磨盤表面,使用極細的金剛石研磨粉,找到最好磨方向,并采用精度高、運轉平穩且振動小的研磨機床(如空氣靜壓軸承研磨機),在保證各種加工條件處于較理想狀態時,即可研磨出無崩口、刀刃鋸齒度小的高質量金剛石刀具。
               


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