CN107199514A - 超硬材料射流抛光方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的超硬材料射流抛光方法属于超硬材料加工的技术领域，在磨料水射流抛光平台上利用高压柱塞泵将混有金刚石粉的磨料水加压0.5MPa～50MPa，高压下的磨料水经喷嘴射出形成磨料水射流，对超硬材料进行抛光。本发明兼具磨料水射流技术安全可靠、应用过程不发热、无粉尘、被切材料磨损小等特点，工艺机动灵活、效率高，能实现超硬材料表面去除并达到纳米级抛光，主要用于硬质材料或超硬材料零部件的曲面抛光和超硬刀具刃口的强化，这将促使超硬材料制品在整个刀具市场的比重大幅提升。

Description

超硬材料射流抛光方法
技术领域
本发明属于超硬材料加工的技术领域，特别涉及硬质材料和超硬材料制品的异型表面、棱角的精细抛光技术。
背景技术
超硬材料以其优异的性能得到越来越广泛的应用，超硬材料制品的精密加工技术是精密制造业的难点，特别是异形面、凹曲面、棱角的精细抛光的加工难度更大。众所周知，高速流动的磨料水射流对物体表面有抛光刻蚀作用，在非超硬材料加工领域，在加工一些异形面、细长件、微小区域、镜面级球面以及非球面光学器件过程中，磨料水射流抛光技术已经得到了一定程度的应用。比如申请号为CN201010598893.6的发明，公开一种水射流抛光工艺，先用白刚玉研磨液A(粒度为1000#)、后用白刚玉研磨液B(4000#～10000#)通过水喷砂工艺同时对多个精冲进行喷砂抛光，喷射压力为0.3～0.8Mpa。以上工艺，磨料水压力较小、磨料硬度低，适合常规材料的抛光，但无法实现对超硬材料有效去除，抛光效果不明显。
发明内容
为了克服背景技术中现有工艺的不足，本发明提出一种超硬磨料水射流抛光技术，针对硬质材料或超硬材料制品的异形表面、棱角的抛光而建立的超硬材料射流抛光工艺，主要用于硬质材料或超硬材料零部件的曲面抛光和超硬刀具刃口强化。
一种超硬材料水射流抛光方法，在磨料水射流抛光平台上利用高压柱塞泵将混有金刚石粉的磨料水加压0.5MPa～50MPa，高压下的磨料水经喷嘴射出形成磨料水射流，对超硬材料进行抛光，喷嘴内直径为0.5mm～1mm，所述的金刚石粉是指粒度为5nm～5μm的金刚石微粉或纳米粉，磨料水的质量浓度为0.5％～5％，水射流与待抛光的工件表面的夹角为10°～75°，喷嘴与待抛光工件的距离为1cm～10cm，单次喷射时间为2～30分钟。
磨料水射流的速度最好为10m/s～200m/s。优选的磨料水压力10MPa～20Mpa。
本发明的超硬材料水射流抛光方法，是基于磨料水射流抛光平台实现的，抛光起初首先要确定喷嘴的口型与直径，以及磨料粒度。本发明采用喷嘴口的形状可以为圆形口，也可以矩形口。本发明采用金刚石微粉和纳米粉为磨料，并与水混合，在高压作用下产生磨料水射流，并从喷嘴射出，通过调整磨料水喷射压力、磨料水浓度、磨料粒度、喷射距离、喷射夹角等实现超硬材料工件表面、棱角的抛光。
超硬材料水射流抛光过程中，喷射压力、喷嘴直径、喷射距离等工艺参数对其抛光质量有较大影响。其中，喷射压力、磨料粒度、磨料水浓度、喷射距离、喷射时间与去除能力有关，这些工艺参数越大，去除能力越强，但是抛光材料表面也越粗糙，反之零件表面越光滑。在同样的喷射压力下，喷嘴越细，磨料粒子动能越大，去除能力越强，但是抛光材料表面也越粗糙，反之零件表面越光滑。喷射角度也是影响抛光质量的一个重要参数，不同喷射角度对超硬材料去除面形会产生影响，存在一个合理的角度区间，去除效果最好，而且抛光效果最好。基于此，本发明合理控制喷嘴直径、磨料粒度、喷射压力、磨料水浓度、喷射距离、喷射时间、以及喷射角度，以保证超硬材料的加工效果。
有益效果：
1、本发明兼具磨料水射流技术安全可靠、应用过程不发热、无粉尘、被切材料磨损小等特点。
2、本发明以超硬金刚石微粉、纳米粉进行超硬材料抛光，其工艺机动灵活、效率高，能实现超硬材料表面去除并达到纳米级抛光，有效提高超硬材料工件耐磨性，延长超硬材料零件使用寿命。
3、本发明采用高压力的纳米金刚石为磨料进行超硬材料抛光，可以达到超硬材料工件表面3nm的光洁度，大大提高了超硬材料的性能。
4、本发明针对硬质材料或超硬材料制品的异形表面、棱角的抛光，主要用于硬质材料或超硬材料零部件的曲面抛光和超硬刀具刃口的强化，这将促使超硬材料制品在整个刀具市场的比重大幅提升，而且将更多的应用于汽车、航空等领域。
附图说明
图1是实施例1所用的磨料水射流抛光平台结构示意图。
图2是本发明所使用的磨料水射流抛光平台的喷嘴结构图。
图3是实施例2的PCD刀具刃口抛光前和抛光后显微镜下对比图。
图4是实施例3的PCD刀具前刀面抛光前和抛光后显微镜下对比图。
图5是实施例4的PCD刀具前刀面抛光前和抛光后显微镜下对比图。
图6是实施例5的PCD刀具前刀面抛光前和抛光后显微镜下对比图。
图7是实施例6的PCD刀具前刀面抛光前和抛光后显微镜下对比图。
图8是实施例7的PCD刀具前刀面抛光前和抛光后显微镜下对比图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进行具体的说明。
实施例1本发明的设备配置
本发明所用的磨料水射流抛光平台的设备配置示意图如附图1所示，电源控制系统提供连续可调的动力给柱塞泵，其工作频率为0-50Hz可调，动力系统，柱塞泵的工作压力范围为0～50MPa，压力调节阀用于连续调节磨料水的压力，柱塞泵产生的压力由压力表监测。喷嘴用于喷射磨料水射流。工件装卡装置用于固定放置被抛光的工件，实现角度和位置的调节。磨料水由高压泵泵出经磨料水出水管输送到喷嘴形成磨料水射流进行工件抛光，抛光后的磨料水流入磨料水箱，再从磨料水回流管到高压柱塞泵开始下一循环过程。
本实施例中喷嘴为直径1mm的圆形口硬质合金喷嘴，采用250nm金刚石粉，金刚石粉和水的比例为400g粉：19.6L水，质量浓度约为2％。整个工作过程是利用高压柱塞泵将混有金刚石粉的磨料水加压，高压下的磨料水经喷嘴射出形成磨料水射流，射流速度在10m/s～200m/s，射流与工件表面相互作用使工件局部应力高度集中，因而产生冲蚀、剪切、直至材料被切除。
实施例2对PCD超硬刀具刃口抛光
选用型号为XPHW160404的PCD金刚石铣刀片作为研究对象，以磨料水射流技术对PCD超硬刀具刃口抛光，通过设定磨料粒度、浓度、压力、角度、距离、时间等因素实现PCD超硬材料刀具刃口抛光。工艺参数见表1。
实施例3对PCD超硬刀具前刀面抛光
选用型号为XPHW160404的PCD金刚石铣刀片作为研究对象，以磨料水射流技术对PCD超硬刀具前刀面抛光，设定磨料粒度、浓度、压力、角度、距离、时间等因素实现PCD超硬材料刀具前刀面抛光。工艺参数见表1。
实施例4对PCD超硬刀具前刀面抛光
选用型号为XPHW160404的PCD金刚石铣刀片作为研究对象，以磨料水射流技术对PCD超硬刀具前刀面抛光，设定磨料粒度、浓度、压力、角度、距离、时间等因素实现PCD超硬材料刀具前刀面抛光。工艺参数见表1。
实施例5对PCD超硬刀具前刀面抛光
选用型号为XPHW160404的PCD金刚石铣刀片作为研究对象，以磨料水射流技术对PCD超硬刀具前刀面抛光，设定磨料粒度、浓度、压力、角度、距离、时间等因素实现PCD超硬材料刀具前刀面抛光。工艺参数见表1。
实施例6对PCD超硬刀具前刀面抛光
选用型号为XPHW160404的PCD金刚石铣刀片作为研究对象，以磨料水射流技术对PCD超硬刀具前刀面抛光，设定磨料粒度、浓度、压力、角度、距离、时间等因素实现PCD超硬材料刀具前刀面抛光。工艺参数见表1。
实施例7对PCD超硬刀具前刀面抛光
选用型号为XPHW160404的PCD金刚石铣刀片作为研究对象，以磨料水射流技术对PCD超硬刀具前刀面抛光，设定磨料粒度、浓度、压力、角度、距离、时间等因素实现PCD超硬材料刀具前刀面抛光。工艺参数见表1。
表1
在表1中，“浓度”为质量浓度，是将400g金刚石纳米粉分散在19.6L水中形成磨料水。“角度”为水射流与待抛光的工件表面的夹角。“距离”为喷嘴与待抛光工件间的距离。
上述实施例2～5为正确使用本发明的工艺参数对PCD超硬刀具进行抛光的实施例，抛光前后的比较见附图3～6，经高倍显微镜放大20倍拍照，左侧为抛光前的状态，右侧为抛光后的状态。由附图3～6可以看出，以本专利设定的参数范围对PCD刀具抛光，可以取得比较好的效果，实现材料剪切、抛光，从图中可以看出PCD刀具刀面抛光后均明显较抛光前平整、光滑、细腻。在实施例3对PCD刀具刃口抛光后刃口呈白亮状态，刃口强度得到显著性增强。
本发明所限定的工艺参数对超硬材料的抛光效果有着重要影响，上述实施例6～7为未按本发明给定的工艺参数对PCD刀具进行抛光的对照实施例，在实施例6、7中，每个实施例均微调了个别参数，结果如图7、8所示，图中仍然是左侧为抛光前的状态(与实施例2～5抛光前的状态均相同)，右侧为抛光后的状态，从图中可以看出在相关工艺参数超出本发明限定范围后，要么会造成抛光效果不明显(见图7)，要么会发生刻蚀，使刀面变得粗糙不平(见图8)。
由以上实施例可以看出，本发明以超硬金刚石纳米粉为磨料，在特定工艺条件下对PCD刀具进行超抛光，其工艺机动灵活、效率高，能实现超硬材料表面去除并达到纳米级抛光，有效提高超硬材料工件耐磨性，延长超硬材料零件使用寿命。
以上所述的实施例只是本发明给出的个体案例，并非对该技术实施中参数限制，在不超出权利要求所给出的工艺范围可以根据具体抛光材料、目的进行变体改型。

Claims (4)

1.一种超硬材料水射流抛光方法，其特征在于，在磨料水射流抛光平台上利用高压柱塞泵将混有金刚石粉的磨料水加压0.5MPa～50MPa，高压下的磨料水经喷嘴射出形成磨料水射流，对超硬材料进行抛光，喷嘴内直径为0.5mm～1mm，所述的金刚石粉是指粒度为5nm～5μm的金刚石微粉或纳米粉，磨料水的质量浓度为0.5％～5％，水射流与待抛光的工件表面的夹角为10°～75°，喷嘴与待抛光工件的距离为1cm～10cm，单次喷射时间为2～30分钟。
2.根据权利要求1所述的一种超硬材料水射流抛光方法，其特征在于，所述的磨料水射流，射流速度为10m/s～200m/s。
3.根据权利要求1所述的一种超硬材料水射流抛光方法，其特征在于，所述的磨料水加压，压力为10MPa～20MPa。
4.根据权利要求1、2或3所述的一种超硬材料水射流抛光方法，其特征在于，所述的喷嘴是圆形口或矩形口。
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