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PCD材料放电加工等离子体特性及去除机理研究

刘嘉霖  
【摘要】:聚晶金刚石(Polycrystalline diamond,PCD)具有超高的硬度、良好的强度和韧性,常与硬质合金基体通过超高压高温技术合成为聚晶金刚石复合片材料(Polycrystalline Diamond Compact,简称PDC),作为机加工用刀坯材料,广泛应用于航空航天、集成电路、半导体、汽车工业和木材加工等制造业领域。PCD刀具具有超高的硬度和耐磨性,但导电性较差,利用机械磨削和放电加工对其进行成形、刃磨加工时存在难以同时满足高加工效率和良好表面质量的矛盾问题。另外,加工后PCD表面的热影响层将影响PCD刀具的加工精度和使用性能,这是目前PCD刀具制造领域普遍存在的共性问题,同时也是制约PCD 刀具向更多领域推广应用的重要因素。本文对目前PCD材料EDG加工中存在的关于PCD表面金刚石去除机理不清晰、EDG加工效率和表面质量不可兼得、加工后PCD表面存在热影响层等问题进行深入系统地基础理论和实验研究工作。其主要研究工作如下:(1)EDG加工等离子体诊断系统设计针对PCD材料EDG加工时瞬时、高频的放电脉冲特点和复杂、微小的工况环境,采用优化后的三透镜准直系统、光纤传导装置和光谱仪,设计开发了适应于PCD材料EDG加工的等离子体诊断系统,该系统具有较高强度和分辨率,具备连续脉冲条件下的在线检测能力,使EDG微弱光信号处理和分析、EDG加工极间等离子体时间和空间特性在线检测成为可能。研究发现,光谱仪的狭缝尺寸是影响最终特征光谱峰强的主要因素;2000μs连续脉冲加工时等离子体特征光谱,以及极间不同区域的等离子体特征光谱随加工时间的进行谱线强度发生改变,表明EDG加工过程中不同时间、不同位置的等离子体特性存在一定差异。(2)PCD材料EDG加工等离子体特性研究对PCD材料进行EDG加工时,极间等离子体通道中的粒子群是将放电能转换为热能的重要能量载体,可通过表征极间等离子体物理特性反映EDG加工过程中放电行为的变化情况。研究发现,PCD材料EDG加工等离子体成分由电极材料和放电介质组成,主要有来源于紫铜电极的Cu元素、来源于PCD工件电极的C、Co、W元素和来源于去离子水放电介质的H、O元素;采用双谱线法计算等离子体温度,在2000μs内等离子体通道温度区间为8000-8300K,等离子体通道中接近PCD电极端温度最高为8120K-8235K,通道中心温度次之为8080K-8170K,工具电极表面温度最低为8110K-8205K,PCD工件温度高于电极表面温度;利用实时Stark展宽效应计算PCD材料EDG加工时等离子体体系的电子密度,密度区间为2.5·1016-5.6·1016cm-1,PCD正极电子密度是工具负极的将近6倍;研究EDG放电工艺参数对等离子体特性的影响规律,得出增加峰值电流能够显著增加PCD中C元素的去除量;放电脉宽增大则加剧电极损耗;击穿电压对PCD去除量和电极损耗影响有限,但击穿电压增大能够提高等离子体通道中的电子密度;提高工具电极转速也能够提高PCD的去除量,当电极转速达到600rad/min以上时能够加速极间的冷却作用。(3)PCD表面热影响层形成过程、结构与性能研究根据PCD材料EDG加工的放电行为和极间温度特性,对PCD表面热影响层的形成机理、结构与性能进行实验研究。研究结果表明,PCD层EDG加工时放电蚀坑集中于导电性较好的Co聚集区,PCD层中金刚石表面不存在重铸层,但放电蚀坑内部覆盖以Co为主要成分重铸层;EDG放电热作用使PCD表面产生热影响层致使金刚石表面石墨化,PCD表面热影响层厚度与放电能量成正比,不同能量EDG加工热影响层厚度与加工PCD表面粗糙度Ra成正相关性,与PCD加工表面的硬度和电阻率成负相关性;增大放电能量造成热影响层中石墨缺陷增加,晶体无序程度变大,粗加工条件下可形成3-5层石墨烯,半精加工条件下可形成少层石墨烯,而精加工条件下则只能形成结构较完整的石墨结构;EDG放电热作用使PCD表面产生较大的残余拉应力,热腐蚀区残余拉应力值高达2.84-3.89GPa,距离热影响区最近的金刚石表面残余拉应力值越小为1420-1730MPa,小于金刚石抗拉强度,且残余应力与放电能量呈正比关系;本文首次提出PCD材料EDG放电加工先通过金刚石受热表面石墨化转变为石墨相,部分石墨在高温作用下通过气化被去除的材料除去机理。(4)PCD材料EDDG加工工艺规律及去除机理研究为了有效去除PCD表面热影响层,同时获得高的加工效率和好的PCD加工表面质量,本文提出对PCD材料进行EDDG加工,研究PCD材料EDDG加工工艺规律和去除机理。研究结果表明,EDDG加工过程中增大砂轮粒度能够提高磨削行为在加工过程中所占比重,材料去除率和表面粗糙度随放电能量的增大而增大,电极损耗率则与砂轮粒度成反比;砂轮转速与放电能量产生叠加,造成材料去除率增大,同时增加了磨粒磨损、破碎和脱落现象,导致相对电极损耗率增大;表面粗糙度与砂轮转速成反比,PCD表面硬度对砂轮转速不敏感;EDDG加工中的磨削行为在时间上具有连续性的特点,能够有效去除PCD表面因放电行为产生的热影响层,降低放电行为对PCD加工性能的影响;当砂轮粒度为28μm时PCD热影响层含量最低,EDDG加工中的磨削行为和放电行为达到动态平衡,达到EDDG加工PCD的最佳状态。(5)PCD材料EDDG加工工艺参数优化研究EDDG加工PCD的正交试验结果表明,对于表面粗糙度Ra为优化目标的最佳参数组合为:放电脉宽10μs、击穿电压225V、峰值电流15A、砂轮粒度14μm、电极转速16m/s;对于材料去除率MRR为优化目标的最佳参数组合为:砂轮转速20m/s、放电脉宽20μs、峰值电流25A、砂轮粒度14μm和击穿电压200V;对于相对电极损耗率RTW为优化目标的最佳参数组合为:砂轮转速14m/s;放电脉宽10μs、峰值电流10A、砂轮粒度40μm和击穿电压150V。


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