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1. Hunan U niversit y ,Changsha ,410082 2. Xiangtan U niver sit y ,Xiangtan , Hunan ,411105 Abstract :wire elect rical discharge machining ( W EDM) is widely accepted as an effective met ho d for PDC cut ting because of PDC’s excellent hardness ,abrasive resistance and so me elect ric co nductivi2 t y. Experiment s o n WEDM of PDC were carried o ut and t he model of W EDM of PDC was p ut forward too . After W EDM ,t he specimens were polished wit h fine abrasive paper s and diamo nd powders and t hen etched in aqua regia. To facilitate t he investigatio n , t he W EDM specimens were o bserved and an2 alyzed wit h scanning elect ro n micro scop y ( SEM) and Raman spect ro scop y. Based o n t he experimental findings , t he st udy discusses t he W EDM mechanism of t he PDC specimens. Key words : polycrystalline diamo nd co mpact ( PDC) ; wire elect rical discharge machining ; SEM ; grap hitizatio n
PБайду номын сангаас=β
ρW L t r tf
(1)
式中 , P 为放电爆炸力的最大值 ; β为 cp / cV 的复杂积分
函数 ; cp 为质量定压热容 ; cV 为质量定容热容 ;ρ为液体的
密度 ; tr 为脉冲前沿时间 ; tf 为放电脉冲密度 ; W L 为单位
放电柱长度上的能量 ,与单个脉冲的放电能量成正比 。
图 2 为经王水腐蚀后的聚晶金刚石层电火花线切 割表面的 SEM 照片 , 从图 2 中可以看到很多尺 寸为 3μm 左右的碎米状小凸点或小凹坑 , 形状极 不规则 ,远小于所采用 PDC 的金刚石颗粒直径 (平均尺寸为 25μm 左右) , 如果聚晶金刚石层的 金刚石完全是通过局部区域的熔化或汽化方式去 除 ,则金刚石颗粒表面会留下许多圆冠状小凹坑 。 图 2 所示的情况说明 , PDC 电火花线切割过程 中 ,部分金刚石因放电爆炸冲击波所产生的拉应 力作用而被去除 。
3. 1 聚晶金刚石层电火花线切割机理 在电火花线切割过程中 , 在微小的等离子体
压缩通道内 ,在极短的放电时间内释放巨大的脉 冲能量 , 等 离 子 体 压 缩 通 道 内 的 温 度 可 达 到 10 000 ℃左右 ,高温使通道内微小区域的工件材 料瞬时熔化与汽化 ,产生很大的膨胀力 ,称之为放 电爆炸力 。对于脆性材料的放电加工 , 放电爆炸 力造成材料局部区域的破裂或碎断也是材料去除 的一种方式 。津格尔蔓推导出的放电爆炸力公 式为[13 ]
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1 可知 ,由于金刚石 、碳化钨与金属钴的导电性与 热物理性能各不相同 ,其蚀除速度与蚀除机理各 异 ,因此有必要将 PDC 电火花线切割机理的讨论 与分析分为三个部分 ,即需分别探讨聚晶金刚石 层 、富钴界面层与硬质合金层的电火花切割机理 。
表 1 金刚石 、WC 与 Co 的热物理性能[ 12]
单个脉冲的放电能量为
∫ W M =
te 0
u(
t)
i(
t)
dt
(2)
式中 , te 为单个脉冲实际放电时间 ; u ( t) 为放电间隙中随 时间而变化的电压 ; i ( t) 为放电间隙中随时间而变化的 电流 。
从式 (1) 、式 ( 2) 可知 , 脉冲前沿越短 , 脉冲宽 度越大 , 则单个脉冲能量越高 , 放电爆炸力越大 。 对于金刚石这样的脆性材料 ,其抗拉强度低 ,爆炸 冲击波所产生的拉应力是材料去除的一种方式 。
(a) 抛光后
(b) 线切割表面 图 3 聚晶金刚石层拉曼光谱
碳晶化转变成石墨[14] 。在等离子体压缩通道的 中心 ,其温度可高达10 000 ℃, 远超过了石墨汽化 温度 ,在等离子体压缩通道区域内的金刚石颗粒 表面可视为真空状态 , 金刚石的氧化反应去除可 忽略不计 。因此 , 在等离子体压缩通道内金刚石 的去除过程 ,首先是放电区域的表层金刚石产生 相变 ,转变为非晶碳或石墨 ,然后非晶碳或石墨层 通过汽化被去除或熔化状态的石墨被放电爆炸力
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中国机械工程第 18 卷第 6 期 2007 年 3 月下半月
最大 ,与硬质合金层串联的电阻次之 ,与富钴界面 层串联的电阻最小 ,因此 ,在同样的脉冲电源作用 下 ,作用在三部分电极间隙上的电压降以富钴界 面层最大 ,硬质合金层次之 ,聚晶金刚石层最小 , 即作用在富钴层的单脉冲能量最大 、硬质合金层 的次之 、聚晶金刚石层的最小 。
聚晶金刚石复合片的电火花线切割机理与形貌 ———张高峰 邓朝晖
图 2 王水腐蚀后聚晶金刚石层电火花线切割表面
图 3a 为抛光后的聚晶金刚石层拉曼光谱 , 从 图中可以看到明显的金刚石峰与微弱的石墨峰 , 说明 PDC 聚晶金刚石层内有石墨存在 。图 3b 为 聚晶金刚石层线切割表面的拉曼光谱 , 可以看到 明显的石墨峰 , 说明聚晶金刚石层在电火花线切 割过程中存在明显的石墨化现象 。金刚石在常温 常压下是一种碳的亚稳态结构 ,在真空条件下 ,当 温度达到 700 ℃时金刚石颗粒表层碳就开始发生 相变 ,转变成非晶碳 ,当温度达到 1600 ℃时 ,非晶
0 引言
聚晶金刚石复合片 (polycrystalline diamo nd co mpact s ,PDC) 是一种新型的超硬材料 ,通过在 高温高压条件下将金刚石微粉与用作催化剂的金 属均匀混合并烧结在硬质合金基体上制备而 成[1] 。PDC 以其极高的硬度与耐磨性以及良好 的焊接性能而被广泛应用于切削加工 、地质钻探 、 石材加工等领域的工具制备 ,而且航空业与汽车 业新材料 (如硅铝合金) 的不断开发又为 PDC 刀 具的应用提供了广阔的市场空间 。目前 ,国外商 品化的 PDC 直径一般为 50～70mm ,为了将 PDC 制备成各种切削加工用刀具或工具 ,对 PDC 进行 切割加工是必不可少的工序 。
等的影响[4Ο10 ] 这些方面 ,而未见有涉及 PDC 电火 花线切割加工机理方面的报道 。笔者通过开展 PDC 电火花线切割加工实验 ,利用材料的显微分 析与检测手段分析试件形貌与热损伤 ,探讨了 PDC 电火花线切割加工机理 ,为 PDC 电火花线 切割加工质量的提高与工艺参数的合理选择提供 了理论基础 。
从熔池内抛出从而被去除 ,这是图 3b 拉曼光谱存 在明显石墨峰的原因 。
聚晶金刚石层由通过共价键直接键合的金刚 石颗粒与填充于金刚石颗粒间隙的金属钴 (质量 比约为 5 %～8 %) 组成 。金属钴在高能脉冲放电 作用下主要以熔化与汽化方式去除 , 而且蚀除效 率比金刚石蚀除效率高得多 。在 PDC 烧结过程 中 ,金属钴呈液态均匀渗透在金刚石颗粒间隙内 , 在电火花切割刚开始时 ,这些金属钴是 PDC 聚晶 金刚石层电火花切割加工的放电点 , 由于石墨是 电的良导体 ,当切割表面层金刚石全部转化为石 墨时 ,聚晶金刚石层的切割速度达到最大值 。因 此 ,刚开始切入 PDC 时切割速度极慢 , 而且容易 造成断丝 ,当钼丝切入 PDC 之后 , 切割速度就平 稳了 。
电火花线切割加工通过电极丝与工件之间局 部区域的脉冲放电来实现工件材料的切割加工 。 尽管电火花线切割加工是 PDC 切割加工常用的 方法之一 ,然而 ,目前有关 PDC 电火花线切割的 研究主要集中在脉冲电源的改进[2 ,3 ] 、工艺参数 的合理选择 ,以及各参数对切割质量与切割速度
收稿日期 :2006 —08 —28
1. 喷嘴 2. 钼丝 3. 聚晶金刚石层 4. 富钴界面层 5. 硬质合金层 6. 脉冲电源 7. 导丝轮 图 1 PDC 电火花线切割模型
2 实验材料 、设备及方法
2. 1 实验材料与设备 采用 苏 州 沙 迪 克 三 光 机 电 有 限 公 司
D K7725e 电火花线切割机进行 PDC 电火花线切 割加工 。切割参数如下 : 脉冲宽度为 16μs 、峰值 电流为 2A 、进给速度为 4mm/ min 、占空比为 6 、 功放管 10 个 、运丝速度为高速 。采用韩国日进公 司生产的聚晶金刚石复合片 ,型号为 CCW ,直径 为 60mm ,聚晶金刚石层的金刚石微粉平均粒径 为 25μm 。 2. 2 实验方法
1 PDC 电火花线切割模型
在 PDC 烧结过程中 ,硬质合金层的金属钴有 往聚晶金刚石层渗透的趋势 ,并在聚晶金刚石与 硬质合金层界面处形成几十微米厚的富钴层[11] , 这里我们称之为富钴界面层 。根据材料成分的不 同可将 PDC 分成三个部分 ,即低金属含量的聚晶 金刚石层 、主要成分是钴的富钴界面层与钴含量 较高的硬质合金层 。因此 ,可建立如图 1 所示的 PDC 电火花线切割模型 ( 该模型为侧面加电方 式) ,图 1 中分别在聚晶金刚石层 、富钴界面层与 硬质合金层电极上串联了一个电阻 ,电阻大小顺 序为 R1 > R3 > R2 ,即与聚晶金刚石层串联的电阻
参数 热导率 ( W/ (cm ·K) )
