聚晶金刚石电火花加工技术的研究

聚晶金刚石电火花加工技术的研究

一般来说，超过硬材料是指高度、硬度和柔软度。它通常含有大量的多组元素和高含量（如ni、cr、v、mo、co、al、ti等）以及未金属材料和金属材料。同时添加金属和阴离子材料。热能加工技术聚晶金刚石电火花加工的原理电火花成形加工技术在聚晶金刚石的加工中效果显著。众所周知,金刚石材料是不导电的,但在大量金刚石晶粒中加入添加剂(如W、Co、Ni等金属)时,在高温高压下烧结的聚晶金刚石则是导电的。在各晶粒交错生长之间,形成一个个导电的“网络”(如图1所示),它们主要是由添加剂中的金属和一些碳化物组成,聚晶金刚石电火花加工的原理是靠火花放电时的高温将导电的粘结剂熔化、气化蚀除掉,同时电火花高温使金刚石微粉“碳化”为可加工的石墨,也可能因粘结剂被蚀除掉后而使整个金刚石微粒自行脱落下来普通的电火花加工工艺加工聚晶金刚石的效率也很低,北京市电加工研究所曹凤国研究员对聚晶金刚石电火花加工技术进行了深入研究,并于20世纪80年代提出了增爆电火花磨削工艺,其基本原理是当在导电“网络”上放电时,以增加放电爆炸力的方法去破坏聚晶金刚石各晶粒之间的结合,从而达到快速加工的目的。近年来,曹凤国研究员又负责开发了高效、绿色脉冲电源(其电源原理框图如图2所示),聚晶金刚石加工材料去除率达到了8.8mm高频电源的影响电火花线切割主要用来切割聚晶金刚石以制作机加工刀具、地质钻头以及拉丝磨具。用电火花线切割机床进行成形加工是目前一种经济可行的良好途径。PCD材料的电加工性主要取决于金刚石的粒度及导电金属相的含量,金刚石粒度粗,不易脱落,放电电极丝磨损大,断丝频繁,金刚石中导电金属含量大、导电性好,切割速度就快。高频电源是电火花加工设备的关键部件,直接影响切割速度和切割质量,采用加大高频电压及高频电流的方法,加大发电能量,可取得较好的效果。实验表明(1)金刚石复合片的厚度与切割速度大致成反比,PCD层越厚,切割速度越慢。(2)电极丝质量对切割速度有影响,随着切割时间的延长,电极丝变得细、硬、脆,导致切割速度减慢。(3)电极丝松紧程度对加工表面质量也有影响,电极丝过松,会出现严重跳动,加工表面会出现条纹;电极丝过紧,丝的张力过大,易断丝,并引起导轮、轴承的损坏,一般采用人工控制,达到近似恒张力,改善表面质量。(4)切割速度对表面质量有影响,切割速度增加,表面粗糙度增大,切割速度过慢,易产生“拱丝”,并在加工表面留下深深的沟槽,加工效率低。激光加工技术聚晶金刚石拉丝模的激光加工激光加工聚晶金刚石的机理是:一束能量密度极高的激光束照射到聚晶金刚石表面上,部分光能即被表面吸收并转化成热能,照射斑点的局部区域温度迅速上升到上万度,使聚晶金刚石材料局部熔化甚至汽化并形成陷坑。与此同时也开始了热扩散,结果斑点周围材料也熔化。随着激光能量的继续吸收,陷坑中蒸汽膨胀,压力加大,熔融物以爆炸形式被高速喷射出来,喷射所产生的反冲压力又在工件内部形成一个方向很强的冲击波。这样聚晶金刚石就在高温熔融汽化和冲击波的作用下蚀除部分物质,形成激光蚀坑。激光加工材料时起决定作用的激光参数是脉冲宽度、最大脉冲功率及平均脉冲功率。由于激光加工是高能密度热加工,加工后金刚石表面有微石墨层,还需精修,所以,激光加工多用于聚晶金刚石的粗加工用激光加工聚晶金刚石拉丝模是一种典型的工艺技术,早在20世纪70年代就已经在国内发展起来了。最先应用的是红宝石激光器,用红宝石激光器在金刚石拉丝模上打孔不仅效率高,而且锥形边比较平滑,模具正反面的锥形同心度好。聚晶金刚石(PCD)一般被用于制作孔径(φ)大于0.08mm以上的拉丝模(激光加工预孔(φ)直径为0.03mm左右),对于聚晶金刚石拉丝模的激光打孔,一般采取分层去除的方法,即将复杂的拉丝模孔形正面分成几个区,每个区水平分成若干层(如图3所示[7))。一般把孔径(φ)≤0.03mm的金刚石拉丝模统称为微孔模。这类模具通常用天然金刚石(ND)或大颗粒人造单晶金刚石(MCD)材料制作。目前所采用的裸料加工方法是20世纪50年代从前苏联引进的一项专做微孔模的特殊工艺。国内大多数加工微孔模的厂家仍延续使用这一工艺。具体的做法是在激光加工前,将金刚石晶体按其解理面(111)磨出两个相互平行的定位面,作为拉丝模的上下面,再磨出一个与定位面垂直的平面作为窗口,通过窗口可以对激光打孔的情况进行观察随时修正加工程序。加工时,不用夹具预先固定金刚石坯料,以便在加工过程中检验成孔情况聚晶金刚石复合片的切割目前,聚晶金刚石复合片的激光切割技术应用已经成熟,可以实现聚晶金刚石复合片的大批量工业化切割,采用激光切割聚晶金刚石复合片切缝窄,出品率高;切缝边棱平直光滑,切缝面美观洁净;切割效率高;可进行曲线切割。如图4所示。金刚石薄膜加工法激光抛光是随着激光技术的发展而出现的一种新型材料表面处理技术,它是用一定能量密度和波长的激光束辐照特定工件,使其表面一薄层物质熔化或蒸发而获得光滑表面。激光抛光可用于抛光传统抛光方法很难或根本不可能抛光的、具有非常复杂形貌的表面,并且提供了自动加工的可能性,因此是一种很有前途的新型材料加工技术目前激光抛光应用较多的是金刚石薄膜的抛光。由于大多数金刚石薄膜都是用化学气相沉积法在硅晶片上获得的,由粗大的晶粒和晶界处的非金刚石相组成。表面非常粗糙,很难直接应用于实际。又由于金刚石硬度高,化学性质不活泼,用传统的抛光方法很难获得满意的抛光效果。用激光对金刚石膜进行抛光,金刚石薄膜的表面粗糙度大大降低,可获得十分光滑的表面。各度的限制金刚石锯片刀头与钢基的结合通常采用两种方法:烧结和钎焊。烧结法只能生产较小直径的锯片,而钎焊锯片接头的抗弯及高温强度不足,承受机械载荷的能力低,因而受到一定程度的限制。金刚石锯片的激光焊接是20世纪80年代末出现的新技术。激光焊接锯片的优越性,在于采用小孔深熔焊原理,焊缝深度比大,故刀头与基体结合强度高,焊接牢靠,不易掉刀头。激光光束直径小而功率高,焊接比能小且速度快,热影响区小,冷却速度快,焊接区不易变形,生产效率高,锯片不易产生热应力与变形。这些优越性正适宜于建筑工程、高速公路与机场跑道对干切锯片的安全、可靠性要求,而得到美国与欧洲市场的认可。据统计,在发达国家建筑工程施工领域中,该类工具中的用量已超过1/5。金刚石砂轮的修整金刚石砂轮在机械加工中有许多优点,但金刚石砂轮的自锐性能较普通砂轮差,又加上金刚石的高硬度,使得金刚石砂轮的修整比较困难。激光修整金刚石砂轮时,结合剂材料的去除过程也要经过激光照射和光能吸收、光能转换和材料加热、材料破坏或去除几个阶段。研究结果表明,激光修整对于树脂基和青铜基金刚石砂轮都有良好的效果超声波清洗机制造技术超声抛光超声加工技术在聚晶金刚石拉丝模的加工中具有重要而广泛的应用。聚晶金刚石拉丝模加工工艺流程中的几个主要工序均是应用超声加工技术来完成的,每道工序都具有不同的特点和作用,在加工过程中每个工序间都设有严格的检验,待合格后再进入下道工序进行加工,最终才能使聚晶金刚石拉丝模达到要求超声整形加工的作用是:(1)将模具预孔存在的偏差进行修整使其靠近标准孔形;(2)将上道工序(电火花或激光加工)遗留的烧蚀痕迹去除;(3)给下道工序预留适当的加工余量。由于整形加工以去量为主,故选用较粗的磨料进行加工。超声过渡加工是使模具被加工面的表面粗糙度逐渐降低,同时适当去除所留余量逐步靠近成品尺寸的过程。在超声过渡加工中,掌握由粗到细每种粒度磨料的加工程度很重要。按照一般规律,粒度较大的磨料加工时间短,随着不断更换较细的磨料加工时间逐渐延长。但具体加工时间还要根据具体情况而定,因为影响加工质量的因素错综复杂,如模具孔径的大小,坯料质地的粗细,超声加工状况的好坏以及磨料本身质量的优劣,磨料悬浮液浓度的大小等都会影响到加工效果,所以在加过程中要及时对加工区进行测量、检验、观察,为抛光工序打好基础,留出合适的抛光量并达到尽可能低的表面粗糙度。超声抛光加工的目的主要是在保证模具孔形精度的前提下,最大限度地降低加工区表面粗糙度。为了便于抛光加工,减少操作难度,在超声加工设备中一般加入工作台摆动(摆动量为±3°)装置,实践证明这一举措可以收到非常好的抛光效果。在超声抛光加工过程中,超声振动的位移振幅越小,模具被加工面的粗糙度越低。故在抛光加工时,注意加大工具针与工件之间的工作压力,同时通过减小超声功率来降低超声振动的位移振幅,促使模具被加工表面的粗糙度快速有效地降低。超声研磨研磨聚晶金刚石复合片超声研磨的基本原理就是将超声振动引入普通研磨中,使研磨工具和工件之间产生一定振幅的高频振动,从而实现超声振动研磨。振动研磨装置工作时,由超声波发生器将50Hz的普通交流电转化为频率高达20kHz的高频交流电,再通过换能器将电能转化为机械能产生小振幅(通常小于5mm)的高频振动,通过变幅杆将振幅放大到加工要求的范围(通常为20～80mm),最后通过夹具将振动传到工件上,从而实现工具和工件之间的超声振动,完成超声振动研磨熔盐浴加热处理根据金刚石可溶于熔融的钠硝石、钾硝石和磷酸钠这一特性,可采用熔融硝盐浴对聚晶金刚石的溶解实现对其表面的加工。将PCD工件置于熔融的硝盐浴中,在溶解过程中,根据表面自由能的分布状态及自由焓降低原理,工件表面会逐渐由粗糙变光滑,使粗糙度下降,表面质量提高。聚晶金刚石在熔融硝盐浴中溶解过程是由电化学腐蚀控制的氧化过程,熔盐提供一定活性氧原子,与金刚石表面处于不平衡状态的碳原子发生氧化反应。反应过程中金刚石表面生成一种氧化膜,可通过机械研磨去除,再继续溶解。实验表明刀具精度和质量要求随着超精密加工技术的不断发展以及加工精度的不断提高,对金刚石刀具的精度及质量要求也更为苛刻。因此,新的特种加工方法也应运而生。下面介绍的几种方法主要是针对单晶金刚石的特种加工方法因子束加工表面电流密度及加工速率离子束溅蚀法是利用高能离子的轰击作用直接对被单晶金刚石进行物理溅蚀,以实现原子级的微细加工。加工速率及质量与离子束能量、工件表面电流密度及离子束相对于被加工表面的夹角有关。离子束溅蚀法最适于加工关键尺寸小于1mm的微小金刚石并可达到很高的形状精度。磨盘材质的选择真空等离子化学抛光法的加工原理(如图5所示),转动的磨盘被中间的高真空区分为左右两部分,左边为沉积区,采用真空等离子物理气相沉积法在磨盘表面镀上一层细晶粒氧化硅;右边为研磨区,金刚石表面处于活化状态的碳原子通过与磨盘上的氧化硅发生分子级化学反应而形成磨削作用。该方法的研磨速度为1～3000mm铁晶圆盘法研磨在温度为800℃时,若使金刚石表面与铁接触,金刚石晶体中的碳原子能够摆脱自身晶格的约束,扩散到铁晶体晶格中去。热化学抛光法即是运用此机理对金刚石表面进行研磨加工。研磨时,在氢气气氛中将铁质研磨盘加热到800℃,使被加工金刚石表面与铁质研磨盘接触并相对滑动,金刚石晶格中的碳原子就会扩散到铁晶体晶格中,达到磨削金刚石的目的进入铁晶格中的碳又与氢气反应生成甲烷并随气流散发到空气中。该