PDC的強(qiáng)度檢測(cè)與電磨工藝研究

劉 錕

(北京安泰鋼研超硬材料制品有限責(zé)任公司，北京 102200)

1 引言

PDC是聚晶金剛石復(fù)合片的英文縮寫，又稱PCD復(fù)合片，主要有刀具片和鉆探片，另外還有拉絲模片等等。刀具用復(fù)合片的硬質(zhì)合金襯底厚度較薄，一般1.0～3.2mm；鉆探用復(fù)合片的硬質(zhì)合金襯底較厚，一般3～18mm；一般含鈷結(jié)合劑的復(fù)合片導(dǎo)電可電加工，含硅的復(fù)合片不導(dǎo)電不可電加工。PDC工具包括PDC鋸片(刀具)、PDC磨輪、PDC鉆頭等，主要加工難加工的有色金屬和非金屬材料，具體見表1，一般不加工黑色金屬材料。PDC工具具有加工表面質(zhì)量好、尺寸精度高、換刀時(shí)間短及比硬質(zhì)合金工具壽命長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)，國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)前景極為廣闊(表1)。

表1 PDC工具的加工對(duì)象

PDC工具的制作一般分四步：PDC的選材、加工、焊接、刃磨[3]。選材是指如何確定復(fù)合片的優(yōu)劣，包括聚晶金剛石的強(qiáng)度、硬質(zhì)合金襯底的強(qiáng)度以及兩者結(jié)合強(qiáng)度、合金焊接面是否磨平磨光等四個(gè)方面；加工一般采用線切割和激光切割；焊接一般采用高頻感應(yīng)釬焊，但也有激光焊接、真空釬焊等；刃磨方法主要有電火花(瑞士伊瓦格)、陶瓷砂輪(臺(tái)灣遠(yuǎn)山、北京凝華)等。本文主要研究如何簡(jiǎn)易選材和如何減少刃磨時(shí)間。

2 PDC的選材

2.1 原材料

(1)PDC：選用進(jìn)口/國(guó)產(chǎn)的刀具片、鉆探片各20粒，焊接面積6～142mm2不等。

(2)45鋼焊接實(shí)驗(yàn)塊。

2.2 設(shè)備

高頻感應(yīng)焊機(jī)、萬能試驗(yàn)機(jī)、掃描電鏡。

2.3 萬能試驗(yàn)機(jī)強(qiáng)度測(cè)試

PDC不進(jìn)行預(yù)處理，采用高頻感應(yīng)焊機(jī)，將其硬質(zhì)合金襯底面焊接到磨平的45鋼[4]實(shí)驗(yàn)塊上，其中銀焊片含銀量49%，焊接溫度690℃[5]、焊接時(shí)間16s[6]。冷卻后強(qiáng)度檢測(cè)安裝在萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行焊縫抗剪強(qiáng)度測(cè)試。

圖1 國(guó)外三家知名公司的PDC抗剪強(qiáng)度測(cè)試(3種焊接面積)Fig.1 PDC shear strength test of three well-known foreign companies (three welding areas)

圖2 國(guó)內(nèi)五家公司的PDC抗剪強(qiáng)度測(cè)試(3種焊接面積)Fig.2 PDC shear strength test of five domestic companies (three welding areas)

表2 八家公司的PDC抗剪試驗(yàn)現(xiàn)象

分析：

(1)圖1中的A、B、C為國(guó)外著名品牌，圖2中的D、E、F、G、H為國(guó)內(nèi)某五家公司。從表中數(shù)據(jù)分析可看出，作為國(guó)外頂級(jí)代表的A、B、C三家公司PDC的結(jié)合強(qiáng)度很好，但其價(jià)格貴不易推廣。而國(guó)內(nèi)刀具片E公司和鉆探片H公司產(chǎn)品≥120MPa足以承受一般難加工有色金屬或非金屬材料的破壞性沖擊，因此刀具不妨選用國(guó)產(chǎn)E公司，鉆探片不妨選國(guó)產(chǎn)H公司。

(2)G公司樣品在測(cè)試強(qiáng)度未達(dá)到120MPa聚晶已裂，可能生產(chǎn)工藝有問題，如溫度壓力不夠，導(dǎo)致生成的聚晶強(qiáng)度不夠。

(3)D公司樣品在測(cè)試強(qiáng)度未達(dá)到120MPa合金已裂，可能采用的硬質(zhì)合金較為劣質(zhì)，需要更換硬質(zhì)合金襯底。

(4)F公司在測(cè)試強(qiáng)度未達(dá)到120MPa焊縫已開，說明PDC后續(xù)加工時(shí)，合金面未進(jìn)行磨平磨光或噴砂處理。

(5)采用本方法測(cè)試的靜抗剪強(qiáng)度與焊接面積在一定范圍內(nèi)(如6-140mm2)并無太大關(guān)系。

(6)焊接面的預(yù)處理對(duì)焊接強(qiáng)度的影響很大，如焊接面有激光切割燒傷層、氧化皮等灰渣，則強(qiáng)度極低。

2.4 聚晶斷面的掃描電鏡物相分析

由圖3中的A、E、G公司PDC掃描電鏡分析，可看出，國(guó)外知名A公司和國(guó)內(nèi)E公司的金剛石與金屬結(jié)合劑分布均勻；而國(guó)內(nèi)G公司的顯微圖像中有黑塊聚集，表示金剛石微粒分布不均，可能金屬結(jié)合劑滲透不均勻，從而造成PDC強(qiáng)度降低，這與前面的抗剪強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果相符。

圖3 A、E、G公司PDC掃描電鏡分析Fig.3 PDC SEM analysis of companies A, E and G

3 多工位電火花刃磨

用作刀具片的PDC的電火花刃磨[7]，一般采用圓柱銅電極[8]，這是電火花磨床廠家出廠配送的電極，它的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單并可電加工多種零件，缺點(diǎn)是所有鋸齒/被加工件都會(huì)腐蝕銅電極的同一部分，導(dǎo)致其間隙和誤差越來越大，而多次車削電極并對(duì)刀更是浪費(fèi)大量工時(shí)。

本文研究如何減少在線修電極工時(shí)，方法為用石墨電極替代銅電極，首先是因?yàn)槭目杉庸ば院湍碗姼g性比銅電極要好；其次在電極上加工盡可能多的全新工位，并使鋸齒/被加工件的數(shù)量是工位數(shù)量的整數(shù)倍，這樣每個(gè)工位只加工了1個(gè)或幾個(gè)鋸齒/被加工件，從而大大減小了加工誤差，同時(shí)也降低了人工成本或加工工時(shí)，電極設(shè)計(jì)形式見圖4。

圖4 多工位石墨電極形狀示意[9]Fig.4 Schematic diagram of multi-station graphite electrode shape

采用Φ80銅電極與20工位石墨電極加工某60齒梯平齒鋸片(石墨電極也設(shè)計(jì)成梯平齒交替一次成型)，采用鋸片徑跳儀測(cè)量精度對(duì)比見表3。

表3 單工位銅電極與多工位石墨電極的加工精度和工時(shí)對(duì)比Table 3 Comparison of machining accuracy and working hours between single station copper electrode and multi-station graphite electrode

放電磨床加工工件精度及工時(shí)分析：

從表3中看出：

(1)與銅電極不修整相比，多工位石墨電極加工的鋸片耗費(fèi)工時(shí)相當(dāng)，但成品徑跳更小。

(2)與銅電極每4齒修整一次相比，多工位電極加工精度相當(dāng)，但耗費(fèi)工時(shí)更短。

4 結(jié)論

(1)在焊接面積≥6mm2時(shí)，PDC的硬質(zhì)合金襯底與鋼基體的焊接強(qiáng)度與焊接面積無關(guān)，并不隨焊接面積增大而增大。

(2)PDC的測(cè)試強(qiáng)度在0-396MPa之間，不妨設(shè)定界定值120MPa判定是否合格；

(3)在選材測(cè)試試驗(yàn)中，強(qiáng)度指標(biāo)是一個(gè)綜合強(qiáng)度，包括制造工藝生成的聚晶自身強(qiáng)度、硬質(zhì)合金自身的強(qiáng)度、聚晶和硬質(zhì)合金界面的結(jié)合強(qiáng)度、硬質(zhì)合金通過銀焊片與45鋼實(shí)驗(yàn)塊的焊接強(qiáng)度等，需要所有強(qiáng)度均≥界定值。

(4)多工位電極可以減少在線磨刀時(shí)間，從而減少總工時(shí)，但未從根本上提高放電加工效率。