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金刚石、CBN有序排列及择优取向工具的研发及应用

日期:2020/12/1
来源:90期《中国研磨》杂志/中国研磨网

   ■郑州人造金刚石及制品工程技术研究中心有限公司

  王鹏辉 郑文萍 周荣光 吕华伟/文

  摘要:

  有序排列/择优取向超硬材料工具的技术创新,将广泛适用于电镀、树脂、陶瓷、金属结合剂制品工具中,使用超硬材料颗粒在结合剂中均匀排列并择优定向,以最大潜能发挥超硬材料各个方面固有的特性。并针对不同的加工对象,有选择性的使用超硬材料各自不同的特性,从而使超硬材料工具将以经济、高质与高效的优势替代传统的超硬材料工具并将进入新兴的加工领域,为生产企业带来新的发展机遇。本文将对有序排列与择优取向技术的研究现状及其在不同的金刚石工具中的应用做详细阐述。

  传统金刚石(CBN)生产制造过程中,无论是电镀、树脂、陶瓷、金属结合剂制品等绝大部分都是将结合剂与金刚石(CBN)磨料一同混料,为了预防金刚石偏析同时加入浸润剂液体石蜡或蒸憎水等,伴随挥发污染环境,但不是绝对有效。同时在生产过程中由于震动层析防止不了,无所是从。金刚石在结合剂胎体中是随机分布地,金刚石很容易产生偏析和堆积,在金刚石堆积区金刚石不能有效利用而浪费,特别是零距离多颗金刚石由于把持力不够牢固,在磨削过程中几乎不作为而自行脱落;在金刚石堆积区,由于金刚石在同一工作面出刃过多,相应金刚石刃后面的拖尾也多,集中的拖尾将支撑金刚石而使其不能有效自锐,从而导致堆积区域金刚石(CBN)磨料刃端被抛光与磨损。微观上讲,金刚石拖尾是非标准半哑铃型,顶端呈非规则圆弧状多带沟槽,中间呈哑铃颈状带沟槽下面呈圆弧状带沟槽。从磨料颗粒拖尾截面分析观察,由于过多沟槽实际每一拖尾的比表面积要大于近似圆弧状拖尾的3-5倍,增加胎体与工作件的接触表面积,摩擦力也随之增大,从而易造成磨削发热,排屑堵塞。综合上述将会出现工具变钝现象。致使磨削效率下降,必要时金刚石工具需要重新开刃。在金刚石稀少区,由于金刚石浓度过低,也不能进行行之有效的磨削切加工方法,由于单颗粒承受工作载荷巨大,冲击力加大,金刚石颗粒受冲击力破碎而过早脱落。工具变钝寿命明显缩短,需重新幵刃效率低下。金刚石工具使用效率与工具寿命及被加工对象质量经常会出现相互矛盾的情况。如何解决这一关联矛盾,随着技术发展,尽管现在烧结金属结合剂制品采用了先进的包裹金刚石单晶制粒工艺,虽然金刚石单晶排列分布有所改善,但是仍然不能从根本上解决这一问题,特别是树脂、陶瓷、电镀结合剂制品更无所是从。

  在磨削工具领域,过去的情况表明,人们在提高工具产品质量方面是不遗余力的。尽管投资成本在提高,高级磨削加工工具由于加工成本降彳氐及工件加工质量的提高,从经济上看还是胜过了低质工具,即高端工具产品胜过低端工具产品。即便如此,也还有必要考虑如何进一步提高工具质量,于是便要求开发一种不仅能以更经济的方法使超硬材料在整体工具工作层中有序排列,既具有空间点阵结构,同时又能使磨料的朝向得以控制,针对不同加工对象,磨料颗粒的朝向在生产过程中进行择优取向的方法。

  有序排列及择优取向技术现状与应用:

  近年来,在金刚石(CBN)工具企业中,陆续推出单层金刚石或立方氮化硼有序排列的磨削刀具,多为钎焊方法制造。由于釆用了活性钎焊连接,除了钎焊强度提高之外,磨料间间隙也比电镀的加大。因为颗粒的余高达到平均粒度的80%—95%,由于颗粒之间的间距属于有序排列、人为均布,这就意味着颗粒之间用来排削并输送冷却液的空间大小因需而设定,因而在加工过程中不易造成颗粒之间的空间被金属堵塞,从而防止因颗粒与颗粒间空隙堵塞而引起“烧伤”工件的糟糕情况。并由此提高了磨削能力和刀具的使用寿命。此外,有序排列的颗粒分布还保证了加工过程安全性的提高。即便如此,此种方法想要使超硬磨料在连接层中有序排列极其费时,同时在钎焊过程中由于钎焊料高温熔化流动带动磨料颗粒位移,甚至出现“挤堆”现象。此种方法不能解决磨料颗粒择优取向的问题。尽管人们通过掺入一些所谓的隔离子(玻璃珠或低强度颗粒来给超硬磨料颗粒定位)来降低磨料颗粒的分布密度以提高磨粒之间的间距达到有续排列,但用这种方法还是不能确定颗粒及间隙的位置。还有一种传统手工布粒法:—般使用在专业钻头及制造高精度精密刀具时使用。手工布粒法一般是磨料颗粒范围较大,颗粒粒度范围在0.5mm以上,颗粒过小就不在适用。另外这种方法亦非常耗时,虽然可以成功排布但不能择优取向,大规模生产制造显然不能被接受,当然也提高了工具的成本。近年来,入们试图用机械手来布粒,由于超硬磨料的捕获与空间点阵分布困难大而失败。

  因此,金刚石(CBN)I具如电靈、树脂、陶瓷、金属结合剂制品中超硬磨料釆取有序排列多层空间点阵结构,同时磨料颗粒具有择优取向,将大幅提高金刚石工具的质量与磨削性能使金刚石工具由低端产品向高端产品迈进。将推动我国金刚石工具产业的技术自我创新,及产品结构的调整。特别是择优取向的研发成功,将使工具产品不断更新,市场前景广阔。目前郑州华晶公司有序排列工具已出口美国、英国、比利时、法国、澳大利亚、巴西、印度及东南亚等国家。在2006年H月上海举办的Bauma China国际展上,郑州华晶公司有序排列锯片及有序周边切割片受到了欧盟分销商及东南亚代理商的广泛青睐。

  金刚石有序排列在工具中的运用早在2004年8月由申请人“二和金刚石工业株式会社”,共同申请人:通用工具公司申请了国际专利(wo2005/014243英2005.2.17),从2001年开始韩国二和金刚石工业株式会社集中强大科研人员耗资200万美元的研究费用,于2004年12月宣布完成了ARIX金刚石自动排布系统(automaticarraysystem),可在金刚石刀头生产中自动以最优间距均匀排布金刚石,克服了常规刀头生产中金刚石随机无序排列导致锯片锯切效率低,寿命短的难关。

  ARIX自动排列系统使用户寻求长寿命工具和快速锯切能力要求得到最优化,克服了金刚石寿命与其锯切速度相互矛盾问题。Shinhan董事长ShinkYangKin介绍说:“ARIX工艺可在刀头生产时其内部金刚石的间距得到优化并100%得到控制,施于工具特殊性能,既能提高切割速度30%,又能延长工具寿命100%"。

  Shinhan公司以它的绳锯产品在韩国工程建筑业的出色表现而享有声誉,例如2005年汉城市政府修建城市立交桥,在拆迁过程中,Shinhan公司的绳锯产品展示出真正的价值,对于用混凝土钢筋建造的大型建筑,用有序排列金刚石绳锯非常易于切割和搬运,而且没有产生过大的噪音和灰尘。

  Shinhan公司为石材加工业制造锯切工具产品,同时越来越多地活跃于精加工领域,该领域由于化学机械抛光(CMO)修整器和金刚石划线工具应用的増长,而促进了精密加工工业的发展,公司目前正大规模将资金投入到对这一方面的研究和发展上,随着创新的ARIX技术的应用,Shinhan公司预测金刚石制造领域将有一次大的飞跃,公司期望50亿美元的市场份额中,五年内将从目前的2%提升到10%的水平,这种增长中的绝大部分是用ARIX自动排列系统技术扩大制造刀头而取得的份额,作为中型企业,2005年,Shinhan公司在金刚石方面销售总额为1200亿韩元(1.2亿美元),其中销售收入的60%来自于海外。

  ARIX技术后面的理论不是新的,实际上早在30年代就进行了幵发,然而将此项技术应用于金刚石工具中还是另一回事,即就是20000到30000细粒金刚石(直径在0.1mm—0.3mm之间)均匀地分布在刀头之中,如此长而麻烦的制造不易应用到金刚石工具的生产。并且ARIX技术不能解决超硬材料颗粒择优取向这一尖端科技。

  金刚石有序排列在钎焊绳锯与排裾上的应用

  中国台湾中国砂轮公司宋建民博士将金刚石有序排列应用于钎焊刀头、排锯与绳锯上,宋博士将有序排列称为钻石阵(DiamondGrid),该公司根据宋博士的专利(u.s.patent,6.039,641)研制出钻石阵锯齿。“这种锯齿内的钻石在三度空间内排列(见图1),因此可彻底解决钻石工具业长年挥之不去的钻石分布问题。”后将有序排列应用于排锯。切割以前无法锯切的硬质花岗岩,结果显示这种新型锯齿可以每分钟1mm的速度锯切,比传统的铁砂快三倍,每克拉钻石锯切的面积高达Im?,接近圆锯寿命。

图1具有三维结构的排锯刀头"钻石阵"示意图

  中国砂抡公司将有序排列钻石阵技术用于钎焊绳锯,金刚石节约20%,在世界各地锯切花岗岩、蛇纹岩与大理石表明,绳锯的下切速度比常规串珠快约三倍。而其功率耗消只有后者的三分之一。

  金刚石(CBN)有序排列在精密磨削上的应用

  美国和日本Noritake公司在研制单层钎焊金刚石磨轮用于精密磨削加工时,釆用了金刚石有序排列技术(DiamondGrainGritAlleg)o实验表明,其工作表面粗糙度明显改善,其工作表面粗糙度小于0.2卩m。

  镗磨有序刀具的研发

  苏黎世的ETH启动“单层布粒磨削刀具优化”课题项目,几年前在瑞士联邦职业教育与技术局(BBT)的技术支持与革新委员会(KTI)以及瑞士和列支敦斯顿的多家企业对这一项目的研究资助,他们研制了微计量装置使得超硬磨料有序分布成为可能。

  其有序排列涉及到一种如同在生物医学技术的吸移上的微计量装置,它可以产生直径最大为40^m的均布液滴,计量头多数以玻璃毛细管作为喷嘴,喷嘴则通过一根料管与胶水贮槽相联,在其中部有个压电驱动器,当实施一个电压脉冲时,驱动器就会收缩,从而排出一个胶滴,用胶滴是为了能使颗粒彼此有效分幵。最大排放频率2000Hz。为了对新的制造方法进行试验和优化选用的是直径11.65mm,长度为50mm的靈磨刀具,即芯棒裡磨套筒。加工的目的在于将一种16MnCr5材质,硬度HV1040±80的齿轮中心盲孔磨至最终的尺寸(

  在第一批新刀具上磨料颗粒密度比电镀法的降低75%,胶滴间距选择为0.5mm,钎料置于磨料上,即按如下顺序有续排列胶滴磨料——升焊膏。试验磨削釆用的进刀量为0.04mm,先前用电镀法制作的磨头最多可加工1000个孔,而按钎料置于磨料的方案制作的刀具,它的寿命达到了最多可加工6000个钻孔,也就是电靈法制作刀具的六倍。此外在这项研究中还对加工质量作了记录,新型刀具在开始加工时的平均粗糙度要比电靈法刀具高出约0.3um,在大概达到3500个工件后,该值即为Ra-0.5pm,并且在超过14000件后几乎就保持不变了。出色的寿命和良好的加工质量彰显了有序排列的优越性,这一事实证明这种新方案对于提高刀具寿命是很有潜力的。

  目前苏黎世ETH开发了一个由WWL股份公司申报的专利,它包括金刚石(CBN)有序排列及一项静电散布磨料机组的内容,可以影响磨料朝向并按一定方式排列磨料的方法。已计划将相关的实验研究纳入欧盟的项目之中来进行。

  综合上述,尽管还有其它一些方法,如筛网挤压法、漏网法、丝网印刷、开式散布、光刻法及基体结构化法等,都不能以简便、快速、多变可重复并不依赖于颗粒和基体几何形状的方式来对颗粒分布密度,颗粒与颗粒之间的间隔及颗粒取向产生影响。

  超硬磨料有序排列及择优取向在国内研发及应用

  目前郑州华晶公司是国内少有的在超硬磨料工具中实施有序排列,并实现超硬磨料择优取向的企业,2006年研发成功有序排列及择优取向可广泛用于树脂、陶瓷、电镀、金属等结合剂的超硬材料制品工具中,通过专家团成员的评估及验收。并获得2006年河南省重大科技成果奖。

  郑州华晶公司釆用了一种人工智能负压吸附装置及栅栏颗粒取向装置(见图2),它很好地解决了颗粒有序排列及颗粒择优取向问题。其装置核心是由微电脑、光谱仪、负压风机、脉冲驱动器、选向栅栏、机械手、吸附盘、磨料储存器等构成的。其工作原理①由微电脑进行颗粒有序排布设计,调整有序颗粒间距;②微电脑下达指令给吸附盘,自动调整参数,包括负压大小,负压吸孔数量,吸附范围与尺寸大小;③微电脑下达调整栅栏选向形态及尺寸;④电脑设计完毕后各装置正常工作。超硬磨料被负压吸附到选向栅栏进行择优选向,由吸盘吸附后,由机械手定位转移;⑤机械手与冷压机配合装模;⑥此装置对颗粒吸附率达100%,对颗粒晶面,晶棱择优取向达85%以上,其装置对其它结合剂工具制品也行之有效。

图2负压吸附装置及择优取向装置示意图

  同时,郑州华晶公司进行了有序排列择优取向金刚石工具的开发见图3、图4,目前开发的有切割花岗岩,大理石,混凝土等的锯片系列,及周边切磨片系列等。

图3有序排列择优取向刀头示意图

图4有序排列及择优瑕向产品图

  为了对新的制造方法进行评估和优化,郑州华晶公司选用的是有序排列择优取向0400mm的花岗岩裾片,每片刀头数量为28齿,刀头尺寸(mm)40X3.6X11.6,工作层高度为:9.6mm,选用郑州华晶金刚石股份有限公司40/45金刚石,强度18kg,颗粒形状为菱形十二面体。设计方案:①40/50金刚石,浓度25%,每克拉金刚石以1350粒计;②切割过程中金刚石连续出刃,在金刚石锯片径向方向当出刃金刚石余量20%〜40%时,保证与其相邻的后下方颗粒金刚石出刃;③择优取向刀头出刃点(111)面与(110)面结合晶棱;④刀头金刚石颗粒定向排列七纵面,每纵面在切割方向同一平面上,以保证前颗金刚石在余1/3自然脱落时,其拖尾成为后下方刚出刃颗粒的前端保护基;⑤刀头同一切割面每纵面同时出刃5.4颗金刚石,既重复5.4线X7纵面,保证每一刀头在同一工作面上同时出刃7X5.4颗,此为有效出刃,理论表面展现2X7X5.4颗;⑥排列空间点阵结构:点阵常数a=0.55mm(质点间隔0.25mm)b=1.02mm(质点间隔0.67mm)c=1.08mm(质点间隔0.71mm),a=79°43',丫=90°,8=90°。

  试验在河南信阳一家花岗岩加工厂进行,对福建产黑白花花岗岩进行切线加工,石材厚度2cm,摩氏硬度7.3级,铁锈较大。设备为红外线自动桥氏切机,功率7.5kVA,转速1700r/min,切割线速度35m/s,走刀速度6m/min,吃刀最2cm,釆用自然水冷却。经优化有序排列的锯片与无序排列的锯片综合比较,金刚石浓度低,实切效果1150m(无序锯片实切450m),切割平稳不崩边,不跑锯。切割电流明显比无序锯片下降0.5A,切割机综合能耗下降30%,近地点噪音下降10db(A)o寿命是无序锯片的3倍,切割效率提高了30%。这-事实证明这种新方案提高金刚石锯片整体质量是很有潜力的。

  有序排列择优取向广泛应用的可能性及前景:

  所述各种有序工具的良好应用结果表明,特别是郑州华晶公司的有序排列及择优取向的运用,为工具制品从低端产品走向高端产品提供了有力的支持。同时公司也能把此项技术运用到其它结合剂制品工具中去。特别是择优取向的研发成功及取向机理的认识,将会很好地解决难加工材料如:铁氧体、磁性材料、软磁体,单晶硅,稀土精细陶瓷等。公司已对工艺的可靠性以及使用性能进行了可行性分析,并进行了极具价值的科学评估。

  可预见,在不久的将来,有序排列及择优取向将是超硬材料工具产品的主导方向。它将带动工具产业的技术进步,产品不断创新将突破传统工具使用界限,扩大工具的使用范围,在新的领域将发挥更大的作用。

关键字:金刚石、CBN
[责任编辑:小娜]
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