黃水利,鄭利強,安玉貴,劉燕萍

(北京凝華科技有限公司,北京102308)

聚晶金剛石復合片(PDC)放電修磨的實驗研究①

黃水利,鄭利強,安玉貴,劉燕萍

(北京凝華科技有限公司,北京102308)

耐磨性是衡量PDC好壞的首要指標。通過實驗驗證:大規(guī)準高能量的放電會對聚晶金剛石層產(chǎn)生破壞,但是通過合理選用電規(guī)準,分級設置加工深度和相適應的脈沖參數(shù),可以兼顧放電效率、表面粗糙度和對金剛石層的不良影響。通過對PDC的精細放電,放電后經(jīng)過鑄鐵盤拋光,以及與純粹機械研磨、鑄鐵盤拋光三者的磨耗比的對比,結果顯示三者的耐磨性沒有明顯區(qū)別。

聚晶金剛石復合片;電火花;磨耗比

0 引言

聚晶金剛石復合片(Polycrystalline Diamond Compacts,簡稱為PDC),是0.1至數(shù)毫米厚的人造金剛石微粉層和1至數(shù)毫米厚的硬質合金基體(襯底)在超高溫高壓下復合而成的超硬復合材料[1]。該材料既具有硬質合金的韌性和可焊性,又具有金剛石的高耐磨性,廣泛應用于石油勘探與開發(fā)、地質勘探和機械加工等領域[2]。采用PDC的工具與傳統(tǒng)硬質合金工具相比,硬度和耐磨性更高,切削速度更快,提高了效率,降低了使用成本和工人的勞動強度。

盡管不同用途對PDC的性能要求不盡相同,業(yè)內普遍將耐磨性、熱穩(wěn)定性和抗沖擊韌性作為衡量PDC質量好壞的主要指標。而耐磨性綜合反映了PDC材料的硬度、斷裂韌性和強度等指標,是衡量PDC好壞的首要指標。影響PDC性能和質量的因素包括兩個主要方面,一是復合片本身的制造質量,包括金剛石與粘接劑的配比、粘接劑的種類、金剛石的粒度、金剛石與硬質合金界面結構以及燒結工藝等;二是復合片燒結完成后的后續(xù)加工處理,比如去除表面包覆的金屬化合物,修磨硬質合金層,金剛石層的修磨、整平和拋光等。其中尤以金剛石層的修磨過程最為關鍵、成本最高。本文通過實驗,目的在于介紹一種放電修磨聚晶金剛石層的工藝,并討論放電參數(shù)對磨耗比的影響。

1 放電效率實驗

實驗樣件選用國內某公司所產(chǎn)的Φ13×13mm的PDC若干片。實驗設備采用北京凝華科技有限公司生產(chǎn)的MP25i聚晶金剛石復合片放電磨平機,該設備帶有電極輪和工件共軛旋轉裝置,工作臺裝在十字滑臺上,可以在XY軸方向自動平擺,通過平擺與旋轉加強排屑能力,提高放電效率,并提高加工表面的平整度。電源采用高低壓復合脈沖電路,脈沖寬度從1us到1000us連續(xù)可調。

單片粗加工實驗:加工深度0.3mm;電極輪轉速350r/min,脈寬50us,脈間70us,低壓電流5,高壓電流1,加工時間曲線見圖1-A。

單片精加工實驗:加工深度0.05mm;電極輪轉速200r/min,脈寬6us,脈間25us,低壓電流1,高壓電流0,加工時間曲線見圖1-B。

圖1-AFig.1-A

圖1-BFig.1-B

圖1-CFig.1-C

圖1-DFig.1-D

31片粗加工實驗:加工深度0.3～0.42mm;電極輪轉速450r/min,脈寬125us,脈間150us,低壓電流18,高壓電流2,加工時間曲線見圖1-C。

31片精加工實驗:加工深度0.05mm;電極輪轉速250r/min,脈寬8us,脈間30us,低壓電流3,高壓電流0,加工時間曲線見圖1-D。

2 磨耗比實驗

測試設備:自制的花崗巖車削設備;裝有直徑60cm的G635紅色花崗巖,密度為2.7g/cm3,轉速為58r/min,最大線速度為1.82m/s,進刀速度為35mm/min,PDC復合片裝在39°傾斜的工裝上。精密天平用來計量復合片的重量。

測試設計:在復合片的每120°位置分別進刀5次,10次,15次,每次進刀1mm,計算車掉的花崗巖重量(g)。用精密天平計量聚晶金剛石復合片測試前后的重量(mg)。已計算好的花崗巖重量與PDC車削損失的重量比為磨耗比。

測試過程:

(1)測試僅放電粗加工過的PDC,見表1A列數(shù)據(jù);

(2)測試粗中精及超精放電加工過的PDC,見表1B列數(shù)據(jù);

(3)測試機械研磨并拋光過的PDC,見表1C列數(shù)據(jù);

(4)測試粗中精及超精放電加工并經(jīng)過鑄鐵盤研磨的PDC,見表1D列數(shù)據(jù);

表1 磨耗比測試數(shù)據(jù)Table 1 Test data of wearing ratio

3 實驗分析

圖1-A中前0.12mm加工效率比較高,之后的速度逐漸降低,最后基本維持穩(wěn)定的加工速度,表明PDC的表面材質較為疏松,或材料中含的金屬材料比較多;0.1mm之后材質趨于穩(wěn)定。

圖1-B中前0.02mm加工效率比較高,之后的速度逐漸降低,最后基本維持穩(wěn)定的加工速度,表明PDC粗加工后的材質可能發(fā)生微弱石磨化;0.02mm之后材質又趨于穩(wěn)定的金剛石成分。

圖1-C中前0.18mm加工效率比較高,但是這0.18mm內的速度下降也較為明顯,說明31片的PDC高度并不一致,因為放電加工的尖端放電原理,總是高點先放電,后期才全部加工到。

圖1-D與圖1-B的加工曲線基本一致,但是總的時間加長,說明金剛石的成分變化趨勢一致,而數(shù)量的變化影響了總的加工時間。

表1A列中的三組磨耗比數(shù)據(jù)與其余三組的數(shù)據(jù)相比明顯偏低,說明放電粗加工對金剛石層有所破壞,可能導致部分金剛石石墨化。而隨著加工次數(shù)的增加,磨耗比也在加大,說明隨著金剛石層的磨損,石墨化的部分磨損掉了,參與切削工作的金剛石成分增加,磨耗比就增加了。

表1B、1C、1D三列的磨耗比數(shù)據(jù)基本接近,都在128×104左右。說明經(jīng)過放電超精加工,原來的放電粗加工造成金剛石層的變質層已經(jīng)被精加工和超精加工去除,基本保持了金剛石的原有狀態(tài)。表1B和1D的數(shù)據(jù)對比表明,超精放電加工和鑄鐵盤拋光后的耐磨性能基本一致。

4 結論

聚晶金剛石的超硬特性,是其得以在工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應用的物理基礎。但是事物都具有兩面性,其超硬特性也制約或限制了對它的加工。放電加工以其“以柔克剛”的非接觸加工的特點,受到人們的青睞。但是放電過程對金剛石的石墨化影響和可能的變質,使得人們對放電加工聚晶金剛石持懷疑態(tài)度。本文通過實驗驗證了:

1.大規(guī)準高能量的放電會對聚晶金剛石層產(chǎn)生破壞,其放電時產(chǎn)生的高溫不易轉移,導致金剛石高溫還原為石墨。

2.通過合理選用電規(guī)準,分級設置加工深度和相適應的脈沖參數(shù),可以兼顧放電效率、表面粗糙度和對金剛石層的不良影響。

3.通過對聚晶金剛石復合片的精細放電,放電后經(jīng)過鑄鐵盤拋光,以及與純粹機械研磨、鑄鐵盤拋光三者的磨耗比的對比,三者的耐磨性沒有明顯區(qū)別。

4.與機械加工相比,放電加工聚晶金剛石的日常使用成本明顯低于使用金剛砂研磨的成本。

[1] 江文清,呂智,林峰,等.聚晶金剛石復合體的主要性能研究狀況[J],表面技術,2006,35(5):65-68.

[2] 鄧福銘,陳啟武。PDC材料燒結過程中鈷在金剛石層中的擴散熔滲遷移機制[J],高壓物理學報,2004(18):53-58.

Experimental Study of the Electric Discharging Grinding of Polycrystalline Diamond Compact(PDC)

HUANG Shui-li,ZHENG Li-qiang,AN Yu-gui,Liu Yan-ping
(Beijing Ninghua Science and Technology Co.,Ltd,Beijing 102308,China)

Wear resistance is the primary indicator of PDC quality.Experiment confirms that large gauge high energy discharge will damage the polycrystalline diamond layer. However,proper choice of electric gauge and hierarchical design of depth of processing and corresponding pulse parameter will compromise between discharging efficiency,surfaceness and the adverse effect to the diamond layer.The PDC is polished by three different ways,which are respectively,cast iron plate polishing after fine discharging,purely mechanical polishing and purely cast iron plate polishing.Comparison of these three wearing ratios shows little difference between the abrasive resistance of them.

Polycrystalline Diamond Compact;electric spark;wearing ratio

TQ164

A

1673-1433(2014)03-0019-03

2014-06-18

黃水利(1971—),男,北京凝華科技有限公司專業(yè)技術人員,主要從事聚晶金剛石材料電火花加工機床的研發(fā)與管理。E-mail:hsl @ninghua.com.cn