PCD刀具前刀面焊后拋光試驗(yàn)研究

陳 乾， 李 嫚， 趙 敏， 王風(fēng)奇

(大連理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 遼寧 大連116024)

PCD刀具是由天然或人工合成的金剛石粉末和結(jié)合劑(如鎳、鈷等金屬)按一定的比例在高溫、高壓下燒結(jié)在硬質(zhì)合金基體上制成的，所以PCD刀具兼具金剛石的高硬度、高耐磨性和硬質(zhì)合金良好的韌性、強(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn)。由于其優(yōu)越的性能，PCD刀具的加工范圍已從傳統(tǒng)的金屬切削加工擴(kuò)展到金屬基復(fù)合材料、木材、工程陶瓷等非金屬材料的加工上，尤其是在汽車和木材加工工業(yè)中，PCD刀具已成為傳統(tǒng)硬質(zhì)合金刀具的高性能替代品?？梢灶A(yù)見，隨著 PCD刀具的制造與應(yīng)用技術(shù)研究日益深入，PCD刀具在超硬刀具領(lǐng)域的地位將更加突出[1-3]。

PCD刀具的制作過程主要包括PCD復(fù)合片的切割、焊接、PCD刀具刃磨等，其中PCD 復(fù)合片釬焊是PCD刀具制作的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在PCD復(fù)合片的各種焊接方法中，高頻感應(yīng)釬焊以投資少、成本低、操作簡單的優(yōu)勢在生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用[4-6]。但該過程往往在空氣環(huán)境中進(jìn)行，金剛石表面在高溫常壓狀態(tài)下易被氧化或石墨化，導(dǎo)致焊接之后的PCD刀具前刀面的鏡面易被破壞，形成熱損傷層，在切削例如鈦等高塑性金屬時(shí)易與工件材料發(fā)生粘連，影響工件的加工質(zhì)量和刀具壽命[7]。因此，去除其熱損傷層是目前高頻感應(yīng)釬焊PCD刀具技術(shù)中亟待解決的問題。

為了消除熱損傷層對(duì)PCD刀具的不良影響，提升刀具質(zhì)量，需要一種既能去除熱損傷層，同時(shí)又能保證前刀面鏡面質(zhì)量的光整加工方法。通常PCD熱損傷層厚度很薄，拋光方法是首選。目前，金剛石的拋光工藝包括接觸式和非接觸式拋光。常見的接觸式拋光工藝包括機(jī)械拋光、化學(xué)機(jī)械拋光、熱化學(xué)拋光等，其特點(diǎn)是拋光精度高，但柔性差。因此，上述方法對(duì)于具有不同前角的PCD刀具來說并不適用。常見的非接觸式拋光工藝包括電火花拋光、激光拋光、離子束拋光、反應(yīng)離子刻蝕等，其特點(diǎn)是柔性好，但拋光精度較低，達(dá)不到鏡面要求且成本高，所以上述拋光工藝也不適用。而布輪拋光的方法，不僅可以同時(shí)滿足鏡面的拋光質(zhì)量以及柔性拋光的要求，而且成本較低、容易實(shí)現(xiàn)，可滿足焊后PCD刀具前刀面的光整加工要求[8]。

采用布輪拋光工藝并且選用尺寸為1.3 μm的金剛石磨料對(duì)PCD刀具前刀面進(jìn)行拋光試驗(yàn)，設(shè)計(jì)3因素4水平正交試驗(yàn)，探究拋光參數(shù)對(duì)PCD刀具前刀面表面粗糙度變化值的影響規(guī)律，并通過極差分析法研究各拋光參數(shù)對(duì)表面粗糙度變化值的影響程度；建立PCD刀具前刀面拋光粗糙度變化值的三元二次預(yù)測模型，并采用復(fù)相關(guān)系數(shù)檢驗(yàn)法和F檢驗(yàn)法對(duì)粗糙度變化值預(yù)測模型進(jìn)行可信度檢驗(yàn)。

1 頁輪拋光原理

拋光原理示意圖如圖1所示：在拋光過程中轉(zhuǎn)速為ω的布輪在離心力的作用下半徑由r0增大為r0+Δr，此時(shí)布輪相當(dāng)于一個(gè)彈性體，表面受刀具前刀面的擠壓產(chǎn)生了變形，沿半徑方向的最大變形量稱為壓縮量，用ap表示；布輪沿著壓縮量方向作用于刀具前刀面的力稱為拋光力，用Fa表示，拋光力是拋光過程中材料去除作用的動(dòng)力，對(duì)拋光質(zhì)量有最直接的影響[9]。拋光力Fa由布輪轉(zhuǎn)速ω和壓縮量ap決定，在壓縮量過小或者過大時(shí)，拋光力的大小受布輪圓柱度誤差的影響而不穩(wěn)定。在拋光力較為穩(wěn)定的范圍內(nèi)，當(dāng)轉(zhuǎn)速一定時(shí)，拋光力隨壓縮量的增大而增大；當(dāng)壓縮量一定時(shí)，拋光力隨轉(zhuǎn)速的增大而增大。

圖1 拋光原理

2 布輪拋光正交試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

(1)試驗(yàn)條件

試驗(yàn)選用的PCD刀具共16把，結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。選用由50張直徑為25 cm的圓布片壓制縫合而成的柔性較好的純棉基白布輪，中心孔直徑為10 mm，外緣需經(jīng)過絨化處理以便磨料附著；選用含粒度尺寸為1.3 μm金剛石磨料的研磨膏，按膏油體積比1∶1加鉆石油稀釋備用。

表1 PCD刀具的結(jié)構(gòu)參數(shù)

正交試驗(yàn)在CA6140車床上進(jìn)行，試驗(yàn)前使刀桿平行于主軸裝夾，刀尖與機(jī)床主軸中心線在同一平面上，刀具前刀面與布輪外緣相切。

(2)表面粗糙度測量

選用型號(hào)為NV5000 5022S的ZYGO表面輪廓儀測量拋光前后的PCD刀具前刀面的表面粗糙度和其三維幾何形貌，ZYGO表面輪廓儀及測得的表面三維幾何形貌如圖2所示。

由于在實(shí)際使用時(shí)，PCD刀具前刀面與工件母材的粘連集中在刀尖靠主切削刃一側(cè)，故表面粗糙度的測量位置如圖3所示：1號(hào)測量點(diǎn)為刀尖圓弧的圓心，2號(hào)測量點(diǎn)為距離主切削刃中點(diǎn)一定距離的位于刀尖圓弧半徑上的點(diǎn)。

圖3 表面粗糙度的測量位置

測量過程中，為減少測量誤差，每個(gè)測量點(diǎn)的表面粗糙度值需經(jīng)過多次測量，然后取平均值作為該點(diǎn)的表面粗糙度值。最后再取2個(gè)測量點(diǎn)的表面粗糙度值的平均值作為PCD刀具前刀面的表面粗糙度值。

(3)正交試驗(yàn)方案

只有在拋光力穩(wěn)定時(shí)才能獲得較好的刀具拋光質(zhì)量，所以在正交試驗(yàn)中轉(zhuǎn)速ω的4個(gè)水平確定為710、900、1 120、1 400 r/min，布輪壓縮量ap的4個(gè)水平確定為1.0、1.5、2.0、2.5 mm。經(jīng)前期試驗(yàn)驗(yàn)證，上述轉(zhuǎn)速ω、壓縮量ap對(duì)應(yīng)的各水平可以保證正交試驗(yàn)時(shí)拋光力穩(wěn)定。

轉(zhuǎn)速ω與壓縮量ap共同決定了拋光力Fa的大小，進(jìn)而影響拋光質(zhì)量；除此之外，拋光時(shí)間t也對(duì)拋光質(zhì)量有重要影響。確定正交試驗(yàn)方案如表2所示。

表2 正交試驗(yàn)方案

2.2 表面粗糙度試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.2.1 拋光參數(shù)對(duì)表面粗糙度影響規(guī)律及分析

試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 表面粗糙度試驗(yàn)結(jié)果

本試驗(yàn)以ΔRa(拋光前的表面粗糙度-拋光后的表面粗糙度)為因變量，探究各試驗(yàn)參數(shù)對(duì)拋光后PCD刀具前刀面的表面質(zhì)量的影響。ΔRa值越大說明該參數(shù)條件下的拋光質(zhì)量越好，相較于未經(jīng)拋光的刀具，表面粗糙度值下降得越多。反之，ΔRa越小則說明該參數(shù)條件下的拋光質(zhì)量越差，和未經(jīng)拋光的刀具相比，表面粗糙度值下降得很少，且當(dāng)ΔRa<0時(shí)，拋光之后的刀具表面質(zhì)量不如未經(jīng)拋光的刀具。

圖4為轉(zhuǎn)速ω對(duì)表面粗糙度的影響。由圖4可知：轉(zhuǎn)速ω增大，ΔRa先變大后變小，即同未經(jīng)拋光的刀具相比，經(jīng)拋光后的刀具表面粗糙度隨轉(zhuǎn)速ω的增大先減小后增大。當(dāng)ω<900 r/min時(shí)，轉(zhuǎn)速較低，拋光過程較為平穩(wěn)；隨著轉(zhuǎn)速的升高，布輪半徑增量逐漸增加，剛性變好，拋光力變大，拋光效率提高；同時(shí)該階段轉(zhuǎn)速較低，拋光力總體較小，使得細(xì)小磨料嵌入到絨布中的概率較小，其對(duì)拋光效率的影響可忽略。所以，當(dāng)ω<900 r/min時(shí)，隨轉(zhuǎn)速提高拋光質(zhì)量變好，即和未經(jīng)拋光的刀具相比表面粗糙度值進(jìn)一步降低。當(dāng)ω>900 r/min時(shí)，首先由試驗(yàn)觀察可知，隨著轉(zhuǎn)速的增大，經(jīng)油液稀釋的研磨膏的飛濺現(xiàn)象越來越嚴(yán)重，造成實(shí)際參與拋光的磨料比低速時(shí)大大減小；同時(shí)隨著轉(zhuǎn)速增大，布輪半徑增量增加、剛性變好、拋光力進(jìn)一步變大，拋光效率提高；但此時(shí)拋光力較大，使得細(xì)小磨料嵌入到絨布中概率及程度變大，造成實(shí)際參與拋光的是尺寸較大的顆粒，這樣不僅抵消了因轉(zhuǎn)速提高造成的拋光效率提高的正面影響，并且因大尺寸顆粒的刻劃作用加強(qiáng)，導(dǎo)致拋光質(zhì)量變差。所以，同ω為900 r/min時(shí)相比，表面粗糙度值開始上升；在ω為1 400 r/min時(shí)，出現(xiàn)拋光之后刀具表面質(zhì)量不如未經(jīng)拋光刀具的現(xiàn)象。

圖4 轉(zhuǎn)速ω對(duì)表面粗糙度的影響

圖5為壓縮量對(duì)表面粗糙度的影響。如圖5所示：壓縮量ap增大，ΔRa先增大、后減小、再增大，即同未經(jīng)拋光的刀具相比，經(jīng)拋光后的刀具表面粗糙度隨壓縮量ap的增加先減小、后增大、再減小。

當(dāng)ap<1.5 mm時(shí)，隨著壓縮量的增大，拋光力隨之增大，提高了拋光效率；同時(shí)壓縮量較小，拋光力總體較小，使得細(xì)小磨料嵌入到絨布中的概率較小，其對(duì)拋光效率的影響可忽略。所以，當(dāng)ap<1.5 mm時(shí)，隨著壓縮量的增大，拋光質(zhì)量越來越好，即和未經(jīng)拋光的刀具相比表面粗糙度值逐漸降低。

當(dāng)1.5 mm

當(dāng)ap>2.0 mm時(shí)，隨著壓縮量繼續(xù)增大，拋光力仍呈增大趨勢，但此時(shí)細(xì)小磨料嵌入到絨布中的概率及程度已達(dá)到飽和狀態(tài)，而且實(shí)際參與拋光的尺寸較大的顆粒的尖端多被磨平，因此大顆粒的刻劃作用減弱；同時(shí)隨著壓縮量增大，拋光效率提高。所以壓縮量2.0 mm之后拋光質(zhì)量變好，但幅度并不大。

圖5 壓縮量ap對(duì)表面粗糙度的影響

圖6為拋光時(shí)間對(duì)表面粗糙度的影響。如圖6所示：拋光時(shí)間t延長，ΔRa先增大后減小，即同未經(jīng)拋光的刀具相比，經(jīng)拋光后的刀具表面粗糙度隨拋光時(shí)間t的延長先減小后增大。當(dāng)t<2 min時(shí)，隨著拋光時(shí)間的延長，刀具前刀面的凸起和其他非金剛石物質(zhì)被進(jìn)一步去除，拋光質(zhì)量越來越好，對(duì)比未經(jīng)拋光的刀具，表面粗糙度值逐漸降低。

當(dāng)t>2 min時(shí)，隨著拋光時(shí)間的延長，熱損傷層被完全去除后，布輪實(shí)際上在拋光金剛石，而現(xiàn)有的試驗(yàn)條件下，由布輪旋轉(zhuǎn)帶來的剛性無法提供拋光金剛石所需的拋光力，所以此時(shí)布輪掃過前刀面起到的不是拋光的作用，而僅僅是大尺寸顆粒的機(jī)械劃擦的作用，這樣不僅不能夠進(jìn)一步提高前刀面的表面質(zhì)量，反而使前刀面的表面質(zhì)量出現(xiàn)下降，所以2 min之后，隨著拋光時(shí)間的延長，前刀面的拋光質(zhì)量開始變差。

圖6 拋光時(shí)間t對(duì)表面粗糙度的影響

綜上所述，當(dāng)拋光參數(shù)ω=900 r/min、ap=1.5 mm、t=2 min時(shí)，可以獲得優(yōu)于未經(jīng)拋光刀具的最好的拋光質(zhì)量。這不僅說明了布輪拋光去除熱損傷層的可行性，也為今后該工藝的實(shí)際應(yīng)用提供了最佳工藝參數(shù)組合。

2.2.2 拋光參數(shù)對(duì)表面粗糙度的影響程度

采用極差分析法研究各拋光參數(shù)對(duì)表面粗糙度變化的影響。極差R的大小反映了試驗(yàn)中各因素作用的大小，極差大表明該因素對(duì)指標(biāo)的影響大，通常為主要因素；極差小表明該因素對(duì)指標(biāo)的影響小，通常為次要因素[10]。

首先計(jì)算3 個(gè)因素的每個(gè)水平對(duì)應(yīng)的粗糙度平均值K。再求出得到的各K值中的最大值和最小值的差，即極差R。比較所求極差值的大小，極差值越大，則對(duì)應(yīng)因素的影響程度越大，計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4 各水平極差值計(jì)算結(jié)果

由表4結(jié)果比較可得：布輪轉(zhuǎn)速ω對(duì)拋光質(zhì)量的影響最大，壓縮量ap的次之，拋光時(shí)間t的最小。

2.3 粗糙度變化值預(yù)測模型

在正交試驗(yàn)中由于因變量ΔRa存在負(fù)值，所以應(yīng)用三元二次線性回歸建立PCD刀具前刀面拋光試驗(yàn)粗糙度變化值預(yù)測模型，并對(duì)其進(jìn)行相關(guān)性檢驗(yàn)。將布輪轉(zhuǎn)速ω、壓縮量ap、拋光時(shí)間t作為回歸分析中的自變量，粗糙度變化值ΔRa作為因變量。所以，本試驗(yàn)粗糙度變化值的三元二次預(yù)測模型為：

ΔRa=K+m1ω+m2ap+m3t+m4ω·ap+m5ω·t+m6ap·t+m7·ω2+m8·ap2+m9·t2

(1)

其中：K為與磨料粒度、種類、布輪材質(zhì)和半徑等因素有關(guān)的系數(shù)；m1～m9為各個(gè)自變量的相關(guān)系數(shù)。

分別令y=ΔRa，m0=K，x1=ω，x2=ap，x3=t，x4=ω·ap，x5=ω·t，x6=ap·t，x7=ω2，x8=ap2，x9=t2，代入式(1)得到：

y=m0+m1x1+m2x2+m3x3+m4x4+m5x5+m6x6+m7x7+m8x8+m9x9

(2)

將拋光后PCD刀具前刀面的表面粗糙度變化值ΔRa的試驗(yàn)數(shù)據(jù)代入式(2)，得到如下方程組：

(3)

然后對(duì)上述方程組進(jìn)行矩陣變換得到式(4)為誤差矩陣：

Y=XM+ε，ε=(ε1、ε2……ε16)T

(4)

其中：X為獨(dú)立變量矩陣，Y為粗糙度變化值矩陣，M為回歸系數(shù)的參數(shù)估計(jì)矩陣。使用matlab軟件分析計(jì)算得出粗糙度變化值預(yù)測模型為：

ΔRa=3.345 1-0.001 7ω-2.001 5ap-0.460 8t+0.001 3ωap+0.000 9ωt+0.078 7apt-1.400 3×10-6ω2+0.192 8ap2-0.092 4t2

(5)

用復(fù)相關(guān)系數(shù)檢驗(yàn)法和F檢驗(yàn)法對(duì)粗糙度變化值預(yù)測模型進(jìn)行可信度檢驗(yàn)。查閱相關(guān)表格可得，在置信度α=0.05時(shí)，F(xiàn)0.05(3,12)=3.49，R0.05=0.72。由matlab軟件分析計(jì)算得出F=4.107 7>3.490 0；R2=0.860 4，R=0.927 6>0.720 0。故自變量X和因變量Y之間存在較好的線性相關(guān)關(guān)系，粗糙度變化值預(yù)測模型對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合效果顯著，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)粗糙度變化值ΔRa的準(zhǔn)確預(yù)測。

使用matlab軟件對(duì)所得粗糙度變化值預(yù)測模型進(jìn)行曲線擬合，具體擬合曲線如圖7所示，其中虛線表示擬合值，實(shí)線表示實(shí)際值。通過圖7的結(jié)果可以判斷粗糙度變化值曲線擬合程度較好。

圖7 粗糙度變化值ΔRa的擬合曲線

3 結(jié)論

通過3因素4水平正交試驗(yàn)探究拋光參數(shù)即布輪轉(zhuǎn)速、壓縮量、拋光時(shí)間對(duì)PCD刀具前刀面表面粗糙度變化值的影響規(guī)律，并通過極差分析法研究了各拋光參數(shù)對(duì)表面粗糙度變化值的影響程度；建立了PCD刀具前刀面粗糙度變化值的三元二次預(yù)測模型，并采用復(fù)相關(guān)系數(shù)檢驗(yàn)法和F檢驗(yàn)法對(duì)預(yù)測模型進(jìn)行了可信度檢驗(yàn)。其結(jié)論為：

(1)粗糙度變化值隨轉(zhuǎn)速增大先增大后減小，粗糙度變化值隨壓縮量增大先增大后減小再增大，粗糙度變化值隨拋光時(shí)間延長先增大后減小。

(2)由3因素4水平的正交試驗(yàn)極差分析可得：布輪轉(zhuǎn)速對(duì)粗糙度變化值的影響程度最大，壓縮量的次之，拋光時(shí)間的最小。

(3)建立了PCD刀具前刀面粗糙度變化值的預(yù)測模型。應(yīng)用matlab軟件分析可知：壓縮量、布輪轉(zhuǎn)速、拋光時(shí)間與粗糙度變化值的相關(guān)性比較顯著；粗糙度變化值預(yù)測模型與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合效果較好。