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超硬磨料的优化排布问题

放大字体  缩小字体 发布日期:2012-02-09  浏览次数:3238
核心提示:为了更充分地发挥钎焊超硬磨料工具的优越性,提高工具的加工性能和加工效果,工具表面磨粒的排布和三维形貌设计是一个重要因素。
为了更充分地发挥钎焊超硬磨料工具的优越性,提高工具的加工性能和加工效果,工具表面磨粒的排布和三维形貌设计是一个重要因素。磨料的择优有序排布能够有效改善工具的加工性能。例如,在金刚石锯片加工四川红花岗石板(莫氏硬度7~8,厚度20mm)的性能对比试验中,经过磨料择优排布的高温单层钎焊金刚石锯片的寿命分别为未经优化的单层高温钎焊金刚石锯片和多层烧结金刚石锯片的120%和81.7%,加工效率则分别为1.5倍和4.9倍。我国台湾的中国砂轮公司推出的单层均布金刚石高温钎焊串珠,在不降低工具寿命的前提下,可使金刚石用量减少一半,切割速度增加两倍。据称,如果单层钎焊技术能够应用于石材加工工具,将是金刚石加工工具设计的一次革命,其结果不仅是生产效率的大幅度提高,并且可使加工成本大幅度降低。

  磨料的优化排布包括磨粒在工具表面的排布方式、磨粒的粒度和浓度、磨粒的出露高度和等高性、动态有效磨粒间距、磨粒数等一系列静、动态参数和几何参数。其中,有效磨粒间距直接决定了单颗磨粒的工作负载,不合适的磨粒间距通常会导致磨料过早失效等问题,从而降低工具的加工效率和使用寿命,因此它是需要优化的参数中对加工状态具有最大影响力的参数。在许多加工情况下,工具的不同部位需要采用不同的磨粒粒度和浓度,以便更有效地利用磨料。因此,需要根据具体应用场合和加工要求来优化磨粒排布,以制作出具有最佳使用性能的超硬磨料工具。磨料优化排布技术除可有效控制和提高加工质量,还能对工具寿命进行预估,更好地评价钎焊超硬磨料工具的性能。

  目前,实现磨料有序排布的技术主要有复制技术、模板方式和激光快速成型技术等,但这些技术在工业生产中的推广应用尚需进一步深入研究。如何实现磨粒的自动、有序排布是钎焊工具发展的一个重要课题。

  (1)复制技术

  复制技术适用于小粒径及微粉级的金刚石工具制造。由于用该技术成型的有序排布金刚石规格同一,间隙一致,形同复制,故称为复制技术。复制技术的原理是通过制作定尺寸的压块,在Si模板上刻印出成型所需有序排布的规则模孔,然后采用CVD法在模孔内沉积金刚石薄膜,最后清除Si模板并将金刚石薄膜粘结到基体上,从而实现金刚石的有序排布,其工具基体可以为任意曲面。

  (2)一次性使用壳模布料法

  该方法的原理参照熔模铸造中的型壳材料及其制作工艺,先在工具的工作面上均匀挂涂一层耐火涂层(厚度控制在磨料高度的一半左右),待其固化后在涂层上加工出间距与有效磨粒间距相符的布料槽(条布)或孔(点布);然后在涂料层的槽或孔中填放调成膏状的钎料合金,并撒布磨粒,再将磨粒压实到基体表面;最后在已布有磨料和钎料的涂层上再封盖一层耐火涂料,进一步固定磨粒的位置,在充分硬化和高温焙烧后送入真空炉内钎焊;钎焊后去除和清理外层型壳,即可得到具有优化形貌的单层钎焊工具制品。该布料技术可以满足端面、圆柱面和各种任意复杂异形面工具的需要。

  (3)利用孔模板实现磨粒有序排布

  按照优化排布要求,在陶瓷模板上加工出孔径与金刚石(或CBN)磨粒直径相当、深度为磨粒高度70%的规律排布的孔,再按孔排布好磨粒。合金钎料熔化后的厚度约为磨粒高度的30%,由于陶瓷模板不具有可焊性,钎焊后易于去除。该钎焊工艺不仅能保证磨粒的有序排布,等高性好,而且可以保证磨粒有70%的出露高度。(4)有序阵列法

  该方法是首先采用焊接或胶接方式在基体上固定一层钎料,然后在钎料上固定一层石蜡,石蜡的高度与超硬磨粒高度相同,用机械力将钢柱压入石蜡,形成比超硬磨粒稍大的孔洞,以钢柱或基体步进的方式有规律地调整钢柱位置,可在基体上得到不同密度的孔洞,将超硬磨粒刷过基体,未掉入孔洞的超硬磨粒组成“有序阵列”,钎焊时石蜡被烧掉,超硬磨粒在钎焊后即形成有序排布状态。也可采用激光束来形成有序阵列。

  (5)利用激光快速成型技术实现磨粒有序排布

  从优化的结果出发,借鉴激光快速成型技术的SLS法,采用CAD数据处理软件进行切片处理,激光器以一定的扫描速度对预先随机排布在工件表面结合剂层上的磨粒按给定的形貌要求进行扫描,通过有效控制激光强度、脉冲周期和光斑直径,保证一定的焊接温度和时间,使被激光扫描到的磨粒按照形貌要求有序地钎焊到基体上,将未被激光扫描到的磨粒去除后,即可得到磨粒有序排布的单层钎焊工具。

  (6)点胶法

  借鉴点胶机的原理,选用适当的喷嘴尺寸以形成大小合适的胶滴。控制喷嘴将粘接剂按照给定的形貌要求喷洒在基体上,再将磨料撒布在基体表面,去掉多余磨料后就可在基体上形成磨粒的有序排布,胶干后将钎料粉均匀布置于磨粒间再进行钎焊。

  5 结语

  高温钎焊技术可以实现金刚石(或CBN)、钎料和金属基体三者界面之间的化学冶金结合,具有较高结合强度。与电镀和烧结工具相比,钎焊超硬磨料工具具有许多优势,今后将会成为一种新的发展趋势。目前,欧洲、日本等少数国家(包括我国台湾地区在内)已经开始小批量试制单层钎焊超硬磨料工具,但要实现大批量工业化生产和在加工中推广应用,其制造工艺——无论是钎焊工艺还是磨料排布——仍存在许多需要进一步解决的难题。总之,钎焊超硬磨料工具有着很好的应用前景,可带来巨大的社会效益和经济效益,应加大研究开发力度,尽快实现产业化。

 
 
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