PDC的強度檢測與電磨工藝研究

劉 錕

(北京安泰鋼研超硬材料制品有限責任公司，北京 102200)

1 引言

PDC是聚晶金剛石復合片的英文縮寫，又稱PCD復合片，主要有刀具片和鉆探片，另外還有拉絲模片等等。刀具用復合片的硬質合金襯底厚度較薄，一般1.0～3.2mm；鉆探用復合片的硬質合金襯底較厚，一般3～18mm；一般含鈷結合劑的復合片導電可電加工，含硅的復合片不導電不可電加工。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量好、尺寸精度高、換刀時間短及比硬質合金工具壽命長等優勢，國內外市場前景極為廣闊(表1)。

表1 PDC工具的加工對象

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合片的優劣，包括聚晶金剛石的強度、硬質合金襯底的強度以及兩者結合強度、合金焊接面是否磨平磨光等四個方面；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(臺灣遠山、北京凝華)等。本文主要研究如何簡易選材和如何減少刃磨時間。

2 PDC的選材

2.1 原材料

(1)PDC：選用進口/國產的刀具片、鉆探片各20粒，焊接面積6～142mm2不等。

(2)45鋼焊接實驗塊。

2.2 設備

高頻感應焊機、萬能試驗機、掃描電鏡。

2.3 萬能試驗機強度測試

PDC不進行預處理，采用高頻感應焊機，將其硬質合金襯底面焊接到磨平的45鋼[4]實驗塊上，其中銀焊片含銀量49%，焊接溫度690℃[5]、焊接時間16s[6]。冷卻后強度檢測安裝在萬能試驗機上進行焊縫抗剪強度測試。

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

圖2 國內五家公司的PDC抗剪強度測試(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抗剪試驗現象

分析：

(1)圖1中的A、B、C為國外著名品牌，圖2中的D、E、F、G、H為國內某五家公司。從表中數據分析可看出，作為國外頂級代表的A、B、C三家公司PDC的結合強度很好，但其價格貴不易推廣。而國內刀具片E公司和鉆探片H公司產品≥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產E公司，鉆探片不妨選國產H公司。

(2)G公司樣品在測試強度未達到120MPa聚晶已裂，可能生產工藝有問題，如溫度壓力不夠，導致生成的聚晶強度不夠。

(3)D公司樣品在測試強度未達到120MPa合金已裂，可能采用的硬質合金較為劣質，需要更換硬質合金襯底。

(4)F公司在測試強度未達到120MPa焊縫已開，說明PDC后續加工時，合金面未進行磨平磨光或噴砂處理。

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

(6)焊接面的預處理對焊接強度的影響很大，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，國外知名A公司和國內E公司的金剛石與金屬結合劑分布均勻；而國內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，可能金屬結合劑滲透不均勻，從而造成PDC強度降低，這與前面的抗剪強度測試結果相符。

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，它的優點是結構簡單并可電加工多種零件，缺點是所有鋸齒/被加工件都會腐蝕銅電極的同一部分，導致其間隙和誤差越來越大，而多次車削電極并對刀更是浪費大量工時。

本文研究如何減少在線修電極工時，方法為用石墨電極替代銅電極，首先是因為石墨的可加工性和耐電腐蝕性比銅電極要好；其次在電極上加工盡可能多的全新工位，并使鋸齒/被加工件的數量是工位數量的整數倍，這樣每個工位只加工了1個或幾個鋸齒/被加工件，從而大大減小了加工誤差，同時也降低了人工成本或加工工時，電極設計形式見圖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(石墨電極也設計成梯平齒交替一次成型)，采用鋸片徑跳儀測量精度對比見表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對比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工時相當，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，但耗費工時更短。

4 結論

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

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

(3)在選材測試試驗中，強度指標是一個綜合強度，包括制造工藝生成的聚晶自身強度、硬質合金自身的強度、聚晶和硬質合金界面的結合強度、硬質合金通過銀焊片與45鋼實驗塊的焊接強度等，需要所有強度均≥界定值。

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