钻石磨棒磨削多晶钻石加工之研究

鑽石磨棒磨削多晶鑽石加工之研究 A Study of the Diamond Tool for Grinding

Polycrystalline Diamond

指導教授：羅勝益 參與學生：B9202123林皓雲 B9202121吳光正

一、中文摘要

本文目的在使用熱壓燒結製作鑽石磨棒。在CNC綜合加工機(如圖一)使用青銅鑽石磨棒磨削多晶鑽石，以不同主軸轉速為參數進行實驗，並探討磨棒實際切深以及磨棒耗損程度 。

二、前言

砂輪的結構是由無數的磨料以適當結合劑組合成許多的形狀，猶如ㄧ支無數刀刃的刀具結構與銑刀很類似。構成砂輪的三大要素為磨料、結合劑、氣孔等，砂輪的製造者對此三者的關係必須加以控制，以製成各種形式的砂輪。鑽石砂輪錠磨削硬脆材料是以結合劑（鎳電鍍、金屬、瓷質混樹脂）結合的固定磨粒，利用其表面的多鑽石磨粒刮除加工物，而生成切屑以達到去除的目的，由於砂輪各磨粒切刃小，且形狀呈不規則的角形。當負斜角過大時，磨粒對工件的切削作用將會消失，且只有犁削的作用。而砂輪錠上的鑽石磨粒在磨削多晶鑽石時會產生以下幾種典型的變化：（1）脫落：因研磨阻力過大，而造成部份結合劑產生破壞或直接將其拔出，使磨料脫落。（2）大塊破裂：

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磨料切刃的部份因研磨阻力而產生大

破裂，使切刃缺損結合劑磨損面，形成無突出度而切削。（3）小塊破裂：磨料切刃一部份損缺，其餘部分均被磨平的情況下，磨平部份成為切刃，此時切刃面積減小。（4）磨平：磨料切刃與工作物之間的摩擦作用所產生的高溫造成，磨粒碳化及擦損磨耗，此磨平比例增加，將造成砂輪片鈍化，而產生切割道歪曲，造成砂輪片不堪使用。（5）新突出完整：由於結合劑被磨損，使得埋在結合劑內的磨粒裸露出成為新的突出顆粒，此有利於自鋭利切削。這些磨粒切刃的型態隨著磨粒的大小而有不同的變化，當磨削力越大時，磨粒將由磨平朝向脫落型的比率增加；當磨削力越小時，磨粒則朝向磨平的的比率增加。 宋健民[1]在鑽石合成一書中提到，鑽石在500℃高溫下，會跟一些過渡金屬鐵鈷，以及氧發生反應，而其中跟稀有元素硒的溶解度最大，故使用含硒元素的合金能使磨削速度有所提升，不過僅止於粗磨削PCD。

Liu and Tso[2] 論文中提到在所有各式的砂輪中，就以瓷質鑽石砂輪研磨PCD的磨削效率為最好，因為其

他種類，凡舉樹脂砂輪、金屬砂輪的自我修銳性都沒有瓷質砂輪好，而其中樹脂砂輪的耐熱性低，研磨時間拉長工件去除率就下降，甚至導致研磨砂輪的壽命下降。而金屬砂輪則是韌性太差，導致磨粒剝落較快損壞率上升，長時間下來工件的去除率會跟一開始的去除率有很大的差異性。故瓷質鑽石砂輪為目前最適合拿來作為研磨PCD的鑽石砂輪。結合度表示砂輪磨料顆粒的保持能力或砂輪的強度。普通稱為砂輪硬度，此硬度非磨料顆粒的硬度，因顆粒硬度和砂輪本身硬度無關，一個砂輪可用很硬的磨料製成，但使用較小的磨削力即能使顆粒從結合劑上脫落，此砂輪仍是軟砂輪，若磨料顆粒和結合劑極強，能夠使顆粒抵抗磨削時的壓縮力、剪斷力、衝擊力等，此砂輪稱為硬砂輪。 Tso and Liu[3]研究PCD加工指出，使用EMD磨削PCD時，其表面粗糙度約為1.86至3.73µm，而使用鑽石砂輪研磨PCD時，它的表面粗糙度約為0.27至0.4µm，所以這就為什麼鑽石砂輪普遍用來研磨PCD的原因，另外當鑽石砂輪的轉速上升時，PCD的表面粗糙度也跟著上升，磨粒的大小也和研磨的效率有很大的關係。磨粒較大則研磨出來的表面粗糙度也較大，雖然效率較好，反之，如果磨粒較小則研磨出來的表面粗糙度較為精細，但效率較差。

Soney and Peters[4]研究指出曾以等效切削厚度為參數，從普通磨削速度至深切緩進為實驗範圍來做探討，結果發現磨削過程中的磨削力跟等效切屑厚度成一指數關係。切削機構具有相當的複雜性，不好去製作一

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個能包含所有參數的模型，但一個好的模型常常對一個加工的結果有著很大的影響力。

三、研究目的

(1)以熱壓燒結製作鑽石磨棒，研究磨棒之成分配置，能使鑽石與結合劑均勻燒結。

(2)以CNC綜合加工機使用磨棒磨削多晶鑽石，並以不同主軸轉速探討對磨棒及多晶鑽石表面的影響。

四、研究方法

本次鑽石研磨棒製作方法： （1）先將實驗所需要用到的鑽石粉末、碳化矽與青銅等粉末依照比例（表一）再以重量為單位將粉末予以秤重。 （2）依所需之混合粉之重量以∞型回轉混粉機混合，混合時間大約為半小時。由於粉末的密度與形狀差異大，混合是否均勻相當重要。

（3）將粉料填充於石墨模具中，將內含粉料之整個模具送入熱壓機(如圖二)內（燒結條件如表二），且於燒結時用氮氣保護環境內完成燒結，因為在高溫的狀況下石墨模具會產生氧化，故要灌入氮氣做保護。

（4）燒結完成後將模具推入冷卻室靜置冷卻，亦通入氮氣做保護，等模具完全冷卻後即可開模具取出研磨棒。取出研磨棒以鑽石磨盤將磨棒表面黏附的石墨去除，再以超音波震盪器充分清洗雜質。

（5）鑽石磨棒最後進行機械加工成形及用修整修銳，即完成研磨棒成品。 熱壓燒結需注意事項為： 1.壓力分佈不均勻。 2.結合劑強度不夠。

為了探討主軸轉速與磨削PCD多晶鑽石的性能，以及刀具損耗率的關係，利用CNC綜合加工機。多晶鑽石規格(如表三)進行磨削實驗。鑽石研磨棒加工的條件為一道次2µm，並使用進給率(Infeed rate)2mm/min共加工五道次，每一道次為2µm磨削工件， 兩道次量測磨削程度，磨棒A總進給量為10µm，磨棒B總進給量為30µm，磨棒C總進給量為30µm。磨棒A主軸轉速(Spindle speed)為500rpm/min，磨棒B主軸轉速(Spindle speed)為550rpm/min，磨棒C主軸轉速(Spindle speed)為600rpm/min，旋轉平台(如圖三)轉速(Table speed)100rpm/min，及切削液流量3.6L/min等操作條件下，進行逆磨削(Up grinding)方式加工，每支磨棒只在第一次磨削前進行修銳，經磨削後探討鑽石的磨削效率表面狀況。利用工具顯微鏡以磨棒之3、6、9、12點鐘方向。來探討磨削中鑽石磨粒的變化情形，並討論磨削效率以及表面耗損度等。

五、結果與討論

實驗結果顯示4~6μm之鑽石磨棒脫落嚴重，發現無法達到預期之磨削效果，經過探討原因有二:

1. 鑽石顆粒:青銅無法有效抓著鑽石磨粒且青銅之剛性比較鑽石為低，導致在磨削過程中鑽石磨粒脫落或者陷入青銅內，而無法達到有效率的磨削。 2. 轉速進給量的設定:因轉速和進給量大會導致鑽石磨粒進行磨削時阻力過大導致磨粒的脫落。

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六、結論

1.主軸轉速越高時，磨削效率越高。2.主軸轉速越高時，磨棒耗損率越高。

圖一CNC綜合加工機

圖二 熱壓機

圖三 旋轉平台

七、參考文獻

表一 鑽石磨棒成分

[1]宋健民，鑽石合金，全華科技 鑽石種類 圖書股份有限公司，1990。

PK-7E [2]Y.G. Liu and P.L. Tso,\"The

粒度 4~6μm

集中度 50 樹脂 10%

optimal diamond wheels for 碳化矽 青銅 石墨

grinding diamond tools\" 粒度 含量,International Journal of 5μm 10% 60% 20% AdvancedManufacture,Technolgy

表二 熱壓燒結條件 ,pp.396-400,2003.

熱壓機 電熱絲加熱形式負雙動加壓 [3]P.L. Tso and Y.G. Liu , \"study 模式 on PCD machining,International 燒結溫度 650。C Journal of Advanced 壓力 509kg/cm2(4噸) Manufacture\

燒結時間 25分鐘 4,2002.

燒結氣體 N2，0.5L/min

模具 石墨模具 [4]R.Soney,J.Peters,\"the

冷卻 間接水冷 significance of chip thickness in grinding\of

表三多晶鑽石規格

the CIRR Vol. 23,2,1974.

產品名稱 R4H10-36030025-UP

外徑 Ø30mm

厚度 鑽石粒度 微粉等級

2.5mm 約10μm

YK-J高純淨度高的原料

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