【doc】CVD金刚石磨耗比测定

CVD金刚石磨耗比测定2008年2月总第163期第1期金刚石与磨料磨具工程Diamond&AbrasivesEngineeringFeb.2008Serial.163No.1文章编号:1006-852X(2008)01-0047-03CVD金刚石磨耗比测定王志娜郭辉孙振路张平伟刘秀军蔡云虹张瑞芹(河北省激光研究所,石家庄050081)摘要磨耗比是表征CVD金刚石耐磨性的重要参数,通常按照JB/T3235-1999标准进行测定,本文介绍了一种改进的测量方法,并就测量参数对结果的影响进行了研究.该方法采用的测量装置结构紧凑,操作简便而且运行稳定,对操作环境无特殊要求;实际测试过程中,考虑到测试的参量易获得性和测量的便捷性,仅通过变频调速器固定砂轮的初始线速度,不再中途停机调整线速度,车削量以控制车削次数为准,通常在180次后停止,遇到磨耗比数值偏高时,也可适当增加车削次数;测量金刚石的磨耗量时采用体积法,得到的测量结果的重复性较好.采用此测试方法进行CVD金刚石磨耗比测定,不但缩短了测试周期,而且提高了磨耗比测量数据的准确性,为生产工艺控制提供了重要依据.关键词CVD金刚石;磨耗比;体积法中图分类号TQ164文献标识码AMeasurementofabrasionratioofCVDdiamondWhagZhinaGuoHuiSunZhenluZhanPingweiLiuXiujunCaiYunhongZhangRuiqin(HebeiInstituteofLaser,Shijianzhuang050081,China)AbstractTheabrasionratioisanimportantparametertoestimatethewearresistanceofCVDdiamond,whichisusuallymeasuredaccordingtoJB/T3235-1999Standard.Anewmeasuringmethodwasintroducedinthispaper,andtheinfluenceofsomeparametersonthemeasuringresultwasinvestigated.Thestructureofthedeviceusediscomvinientandreliable.Inordertofacilitatetheoperationconveniently,theprimarylinespeedofthewheelisfixedbythevariablefrequencygovernor,thewheelneednttobeadjustedduringthewholetestingprocess.Generally,thetestiscompletedwhenthenumberofturningaddsupto180,iftheabrasionratioismuchtoohigh,thenumberofturningshouldbeincreasedappropriately.Inthisnewmethod,thewearamountofCVDdiamondfilmismeasuredbyvolumetricmethod,andthemeasuringresultisrepeatable.Byapplicationofthismethod,themeasuringperiodcanbereducedandthemeasurementprecisioncanbeimproved.KeywordsCVDdiamond;abrasionratio;volumemethod0引言CVD金刚石是纯多晶结构,具有和天然金刚石相似的耐磨性和热稳定性,非常适合替代天然金刚石制造各种耐磨工具,随着机械加工行业的发展,在国内外逐渐得到广泛应用.耐磨性是CVD金刚石的工具应用的一个重要指标,所以表征耐磨性的参数磨耗比E值的测试成为一个重要研究课题.由于目前尚无统一的CVD金刚石磨耗比测定标准,最初我们直接套用现有的金刚石烧结体磨耗比测试方法和设备,即部颁标准JB/T3235-1999.但是在实际操作过程中,测量结果离散性较大,经分析主要存在以下两个问题:首先,由于CVD金刚石的耐磨性非常高,所以一个测试周期后磨损量非常小,通常小于0.1mg,必须使用高精度的感量为0.01mg分析天平来测量,但分析天平要求的操作环境条件非常严格苛刻,同时操作步骤繁琐,在普通的生产检验环境下很难实现准确测量.其次,由于设备中液压油本身黏度变化和砂尘对液压系统的污染,会造成系统摩擦力较大的变化,从而引起实际加载到试样上载荷值的波动,无法保证进给力恒定.为此,参照国内PCD磨耗比测定标准并借鉴国外测试方法,我们开发了CVD金刚石耐磨性测试设备并改进了测试方法.金刚石与磨料磨具工程总第163期1CVD金刚石膜磨耗比测试设备本套CVD金刚石磨耗比测试设备结构紧凑操作简便(如图1),主要包括基础工作台,CVD金刚石试样及专用夹具,砂轮机,XY向移动工作台和防尘装置五个部分.图1金刚石磨耗比测试设备结构示意图基础工作台:是整体设备的基础,起着支撑和稳固的作用,它有很好的刚性和吸震功能,使固定在它上面的砂轮机运转时所产生的震动能够被很好的吸收,选取经过精加工的工作台面作为基础面,保证了安装在其上的各部件之间的位置精度,同时工作台具备水平调节装置,可以保证安装在工作台上的导轨平稳运行.CVD金刚石试样及夹具:试样采用YAG激光加工机从待测CVD金刚石膜上切割而成,大小为55mm2矩形,如图2.夹具的装卡面设计为45度倾斜面,保证了装卡好的试样倾斜角为45度,同时在装卡面上设计了一个定位台阶,使待测棱边突出到夹具之外,如图3.砂轮机:转速为2850r/min,用于车削的砂轮选用80#粒度的碳化硅陶瓷平行砂轮,规格为TL80Z2AP1001620(其喷砂坑深值为3.63.8),运行时砂轮的最大线速度为15m/s.砂轮机底座牢固的安装在基础工作台上,并且调整固定螺栓使砂轮的圆周面与试样待测棱边相平行,以保证试样的磨损量在整个棱边上均匀.图2标准金刚石试样示意图图3金刚石试样及专用夹具示意图XY向移动工作台:X向移动工作台上安装有夹具及试样,包括导轨及恒压力加载机构,其中导轨采用双圆弧滚珠导轨,结构紧凑,运行时导轨中的钢球和双圆弧轨道面的摩擦力很小,而且动摩擦力和静摩擦力的差别也小,低速运行时平稳灵活,随动性很好,易于消除运动间隙,实现高精度运行.恒压力加载装置为一个标准配重,沿X方向拉动工作台,从而使恒定的载荷由固定在台面上的夹具传递到试样上.Y向移动工作台上安装有X向移动工作台,Y向移动工作台包括导轨及电机传动部分,导轨部分也采用双圆弧滚珠导轨;电机传动部分包括一台减速电机和一套连杆机构,电机运转后使工作台沿Y向作往复摆动,从而带动金刚石试样在砂轮宽度方向水平往复摆动,摆幅为17mm,摆频为10r/min.防尘装置:由于金刚石试样车削砂轮过程中会产生大量的磨料粉尘,不但影响操作环境,而且还影响运动部件之间的摩擦系数,所以我们把砂轮机部分整个罩在一个防尘罩中,防尘罩上留侧门,观察窗口,夹具移动口和排尘口,侧门关闭时可以避免磨料粉尘外飞,打开后可以进行砂轮机的操作和罩内空间的清理;观察窗口装有视窗玻璃,通过它可以清楚的观测到防尘罩内部的金刚石试样和砂轮之间的相对位置和运行状态;夹具移动口位于防尘罩前部,夹具由此探入防尘罩中并有合适的自由摆动空间,这部分自由摆动空间和位于防尘罩后下部的排尘口相互呼应,使空气由前向后流动,避免磨料粉尘飞出;排尘口外接抽风机,把磨料粉尘排除;X和Y向工作台和电机传动部分也都增加防尘罩,最大限度的避免粉尘的影响,并且定期保养运动部件,使设备能长期稳定运行.通过以上设备的设计和改进,有效避免了原设备中的进给压力不准确的问题,满足了测量原理中规定的条件,为获得准确的测试结果铺平了道路.2测试方法的改进实际上,CVD金刚石的磨耗比数值往往变化范围很大,大约在10120万之间,测试磨耗比的主要意义在于给CVD金刚石产品分级,一般根据实际效果分为84第1期王志娜等:CVD金刚石磨耗比测定高低两档,故对于单个测量结果,偏差即使达到20%也很少影响到分级的变化.因此在测量方法方面,从实际生产检验的需要出发,主要从以下几个方面进行了改进.2.1线速度的影响及选择实际测试时,仅通过变频调速器固定砂轮的初始线速度,测试过程中不再中途停止调整线速度.图4是砂轮转速2850r/min时,砂轮直径变化对磨耗比数值测量的影响.图中分别是9个样品两平行棱的测试结果,砂轮直径为初始和终了的平均值.磨耗比测试时砂轮直径变化通常小于5mm,若转速不变,则线速度变化量最大为7%,对磨耗比小于30万的样品,测量结果的变化小于10%.图4磨耗比与砂轮直径的关系曲线2.2磨损量的影响及选择给定载荷下,随着车削量的增加,金刚石棱边磨钝,对砂轮表面的压强减小,吃刀量也逐渐减小,最后由车削变成对磨,但由于载荷较小,摩擦作用并不强烈,此时,金刚石和砂轮的磨损量变化很小,磨耗比数值趋于稳定.图5是三个样品连续车削360次时的磨耗比数值变化,测量时,每车削90次后,测量砂轮和金刚石的总磨耗量然后计算磨耗比数值.其中B,C两个样品的磨耗比数值偏低,测试90次后,磨耗比数值便趋于稳定,而样品D的磨耗比较高,磨耗比数值在车削360次后还在变化,这是由于其硬度偏大,金刚石的磨耗量很小,造成砂轮的局部应力一直比较大,故砂图5磨耗比与车削次数关系曲线轮总在被车削.达到磨损量饱和的时间还和系统刚度,载荷大小有关.实际测试时,考虑到测试的参量易获得性和测量的便捷性,车削量以控制车削次数为准,通常在180次后停止,然后测量各自的磨损量并计算磨耗比数值.遇到磨耗比数值偏高时,也可适当增加车削次数.2.3体积法测量CVD金刚石磨耗量金刚石试样测试完成后其形状如图6,测量金刚石磨损量时,由于分析天平使用繁琐且容易产生较大的误差,在此我们引入体积测量法,用工具显微镜测量金刚石试样磨损后棱边的宽度.由于金刚石试样是标准的正方形以45度倾斜角度车削砂轮,所以磨损部分为一个直三棱柱,计算出磨损体积后乘以密度从而得出磨损重量.其公式为:Mj=2.2(a21+a22)其中,a1,a2分别为棱边两端的宽度,单位mm,计算结果单位为mg.图6测试后金刚石试样示意图3结论针对CVD金刚石特点开发的磨耗比测试方法,缩短了测试周期,提高了磨耗比测量数据的准确性,为产品的检测分级和生产工艺控制提供了重要依据.参考文献1中华人民共和国机械工业部部颁标准.人造金刚石烧结体磨耗比测定方法S,JB/T3235-19992蔡云虹,罗廷礼,张平伟,等.一种快速测定CVD金刚石膜磨耗比的方法J.河北省科学院,2006,23(1):50-533徐国平,梁红原,杨世珍,等.对国内金刚石复合片(PDC)耐磨性测试方法的探讨J金刚石与磨料磨具工程,2001(4):11-134赵大钢.关于PDC磨耗比的检测J.金刚石与磨料磨具工程,2000(4):13-14.5赵大钢.PDC磨耗比检测中称重问题的探讨J.金刚石与磨料磨具工程,2003(2):63-65作者简介王志娜,女,1971年生,助理研究员,主要从事CVD金刚石的研究.E-mail:wanyzz.收稿日期:2007-10-20(编辑:王孝琪)94