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加工PCD刀具/PCBN刀具/钻石/工业陶瓷的陶瓷金刚石砂轮

粒度: W3.5~100/120 型号:1A1 14A1 6A2 11A2 12A2 4A1
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加强超硬材料制品开发应用研究是行业由大变强的必由之路

2010.10.05  河南恒远超硬材料有限公司 www.kosuperhard.com  浏览次数:
我国超硬材料制品从品种、规格上讲可谓应有尽有,除报个别的产品因国内装备条件等原因外,国外能制造的我们也能制造。但是为什么许多由国外引进的设备配套用的超硬材料制品 ,不能国内供应呢?关键还是其质量上的差距较大。关于超硬材料制品,修整工具,金刚石砂轮,超硬砂轮的信息

加强超硬材料制品开发应用研究是行业由大变强的必由之路
 
1. 前言

我国超硬材料行业无论是合成设备数量、超硬材料的年产量、还是行业从业人员数量都堪称 世界第一。自1963年我国合成出第一颗金刚石至今,我们走过了一条充满艰辛而又不乏欢愉 的曲折发展之路:20世纪七十年代初,行业起步不久,即出现了金刚石的大量压库,当时区 区十几家生产厂,年生产能力充其量几百万克拉,出现这样的局面与我们这样比的泱泱大国 是何等的不相衬。在当时的上级主管部门的领导和组织下,行业方面积极开展全国性的应用 推广和宣传活动,使人造金刚石磨料磨具迅速在机械、光学、电子等行业获得应用。也使我 行业渡过了第一次低潮,恢复了活力和生机。20世纪七十年代末开始将人造金刚石应用于地 质钻头的制造,并在地质、冶金、煤炭、水利及建筑等行业获得应用;后又扩大到石油和天 天气行业,促进了我行业金刚石单晶和取得晶的发展,并使我行业在国民经济“六·五”期 间的年均增长率达到33%。这可谓行业的第二个发展高潮。八十年代末以来,宏观经济采取 积极扩大内需,加大固定资产投资力度,特别是将建筑业、交通运输业等作为重点投资方向 ,推动了我国石材和建筑业用金刚石制品的大发展,拉动了金刚石单晶,尤其是中、高档次 粗颗粒单晶金刚石需求量猛增,从而使金刚石行业发展出现了新一轮次的高潮,其中“七· 五”期年均增长率达20%,“八·五”期年均增长率高达46%。据行业资料介绍,目前我国已 拥有各类合成压机4000多台,年产量达到5亿克拉左右。由以上行业发展经历可以看出,每 一次发展高潮的到来都与金刚石或CBN制品的应用研究开发获得突破性发展是密不可分的。 因此笔者认为要使我行业由大变强也必需首先抓好制品的应用研究开发和质量水平的提高。

2. 提高制品质量是首要任务

我国超硬材料制品从品种、规格上讲可谓应有尽有,除报个别的产品因国内装备条件等原因 外,国外能制造的我们也能制造。但是为什么许多由国外引进的设备配套用的超硬材料制品 ,不能国内供应呢?关键还是其质量上的差距较大。由于国内超硬材料制品水平较低 ,造成国内一些单位在引进国际上先进的装备时,放弃一流的配备超硬材料制品的设备而使 用普通磨具配套的设备。95年5月笔者在访问机械部的官员时,一位负责轴承行业的领导不 客气的说:由于怀疑国内CBN磨具的质量水平,国内某轴承厂在引进日本20多台套轴承磨削 设备时都选择了普通砂轮配套的设备,以求设备在引进后不会因砂轮问题而停摆。 改革开放以来各行业从国外引进了不少先进设备,其中不乏用金刚石或CBN制品的设备,到 目前为止这些设备用的磨具或工具是否都已国产化了呢?恐怕还差得很远。就我所知,至少 金刚石绳锯、花岗岩板平用的铣磨辊、加工空调压缩机铸铁部件用的CBN磨盘、汽车行业用 的PCD和PCBN刀具、加工耐磨地砖用的各种磨辊、磨轮、倒边轮等,由于种种原因,国产品( 试验用)还未被大多数用户所接受。 笔者认为提高超硬材料制品质量应从以下几方面着手。 第一,提高磨粒质量(包括PCD及PCBN),增加品种,并做到按用途“对号入座”。 制品质量好坏,磨粒是决定性因素。很难想象用MBD4金刚石制出的锯片除了价格便宜之外 ,会有多好的切割效果?因此要想解决石材、玻璃、陶瓷等硬脆非金属材料加工难的问题只 有努力提高高品级、粗颗粒金刚石的质量才是真正的出路。用中、低档金刚石去替代高档金 刚石的做法只能是权宜之计,对行业发展无补于事。为提高树脂结合剂制品质量必须解决好 RVD金刚石和CBNI磨粒的质量问题,同时要发展微晶结构的磨粒,大力推进镀敷磨粒的应用 。国际上先进国家树脂超硬磨粒磨具90%的磨粒是镀金属衣磨料,而我国恐怕还不足10%。 第二,研制多种结合剂配方,以适应不同设备类型、加工对象、加工方法等的需要。国内普 通存在的问题是结合剂配方少,因此对不同的加工要求很难一一满足。国外比较先进的超硬 磨具制造商,如德国的winter co.是一个年产金刚石及CBN磨具1000多万克拉的公司,其结 合剂配方多达100多个,根据不同加工对象、加工工艺方法、设备状况而选用不同的配方, 即使使用条件完全相同,还对用户不同的使用习惯而作出专门的调整,此外该公司的树脂结 合剂的每一种配方还有硬度等级之分,即分作J、N、R、T四级。举例如下:“K—888JYA” 这一组代号表示:K—888指加工硬质合金的树脂结合剂金刚石砂轮配方,J—指硬度为软级 ,Y—用作湿磨,A—指用铝合金作基体。无疑在这一点上我们有较大的差距。 结合剂的另一个问题是粘结剂的选用问题,仍以树脂结合剂为例,国内外基本上都以酚醛树 脂为粘结剂,少量采用聚酰亚胺做粘结材料。但即使同为酚醛树脂,在性能上、粒度上也存 在差异。例如winter co.所用树脂都是与合成树脂生产厂共同研究开发专用于超硬材料磨粒 磨具的改性酚醛树脂。我们曾用同种磨粒、相同配方做了对比,用winter co.提供的树脂与 国内某厂所产树脂做成同规格砂轮做磨削试验,结果winter co.的树脂做成的砂轮的磨削比 G值可高出50%~400%;在大刀的情况下更是无法相比,如当每行程进刀深度达0.08mm时, 国产树脂做的砂轮已无法继续使用,而winter co.树脂所制砂轮却毫无影响。据该公司迈也 尔先生介绍,树脂进厂后还要进行专门的加工处理,并特别重视粉碎技术。我们曾对其样品 进行了测试,其结合剂的粒度均细于40μm,其中7~28μm占到90%以上。 对于金属结合剂制品来说,发达国家结合剂特点是,磨具主要以铜基为主,而且是将各成分 按配方比例熔炼制成合金,再加工成粉末,即所谓的预合金粉末。这种结合剂合金成分均匀 ,配比准确,热压时合金化程度充分、均一。另外还发展了多种特色结合剂,如脆青铜结合 剂、金属陶瓷结合剂等等。国内预合金粉末技术仍在开发试验阶段,还未大规模用于工业生 产。结合剂种类也较单一,对于难度大的加工对象或要求很高的生产效率并兼顾工件精度时 便力不从心。 石材建筑业用金刚石工具国外多以钴基结合剂为主,辅之以碳化钨基及铁基,总的来说产品 质量稳定可靠。国内出于资源及成本考虑已很少用钴基结合剂,而多以铁基为主,由于其中 的主要成分铁粉还没有专用于金刚石工具的牌号,即使是同一家厂的产品也往往质量难于稳 定,更何况石材、建筑行业设备、工装、加工条件的不同,人员技术素质的差异以及行业自 身的多样性等,结合剂过份单一是很难满足各方面要求的,配方的局限性让用户深感为难, 因此因质量问题的供需矛盾也尤为突出。 除应不断研制各种用途的结合剂配方外,还应不断研制开发新的结合剂品种,如新型陶瓷结 合剂(多孔陶瓷结合剂、高耐磨结合剂)、橡胶结合剂、橡塑结合剂、新型电镀金属结合剂( 适应于高速下使用)等等。

第三,提高工艺水平和产品标准水平是超硬材料制品质量提高的重要环节。在这方面除应不 断研究采用新的工艺方法外,还应不断借鉴国外的先进工艺方法为我所用。例如winter co. 各种结合剂制造的砂轮、锯片等普通采用制粒技术,以提高制品中磨粒分布的均匀性,并为 自动投料创造条件;自动化配混料系统是确保混料准确、混料均匀的工艺手段也已在大生产 中获得应用;磨具热压工艺采用温度、压力和时间的自动控制,保证了磨具的密度、熟化程 度;磨具的整形、修整和开刃工艺,使产品精度高、磨削锋锐性好,减少了用户使用中的麻 烦。这些工艺方法和措施还是我们应该认真学习和采用的。 在标准方面,虽然我国超硬材料制品标准历经修订,等效采用了国际标准或国外先进的企业 标准,但其关键的指标,如磨具的精度及动偏差比国外先进企业的标准相差较多,现将wint er co.企业标准中的关键指标列入下表。从表中可知,该公司标准中最有特色的是基体的尺 寸精度及磨具的动偏差要求都较高,这是我国标准中所缺乏的。

3. 继续抓好超硬材料制品的应用推广工作,扩大市场份额。

人类利用金刚石制作制品的历史可追溯到1751年,这是在一根钢管的端部锒上金刚石作钻孔 之用的工具,演化到后来就形成了金刚石钻头系列产品。真正有突破性发展的是在人类发展 了粉末冶金技术之后,利用粉末冶金技术制作了多种用途的金刚石工具,这已是20世纪四十 年代的事了。从此时起至今,也就五十余年的历史,虽然超硬材料制品在各工业部门、医疗 卫生,乃至日常生活中已成为不可缺少的工具,但是超硬材料工业作为重要新材料工业的组 成部分,在21世纪仍然具有极强的生命力和广阔的发展前景。也就是说科学技术愈发展超硬 材料就愈有用武之地。 目前我国超硬材料及制品的应用面、应用的深度和广度都比较有限,一些传统的工业部门虽 已早用上了金刚石或CBN制品,但仍然存在着很大的市场空间。例如硬质合金行业是我国最 早应用金刚石磨具的行业之一,仍有不少单位的硬质合金工具、刃具或模具不选用金刚石磨 具加工,更有诸如钢结硬质合金或硬质合金与钢的复合材料(如模具)等仍然用碳化硅磨具磨 削,一般机械加工工序上用的车刀、刨刀等硬质合金刃具都是操作工人在砂轮机上自磨自用 ,更不可能用金刚石磨具来磨制了。行家都深知,用金刚石磨具加工玻璃制品是一种先进的 工艺选择,但就我国这一行业的普及程度来看,光学玻璃加工较为普通,其它的仪器玻璃、 艺术玻璃、灯饰玻璃、平板玻璃等的加工使用金刚石磨具就相差很多,推广普及还有较多工 作要做。国内用金刚石加工磁性材料是20世纪八十年代的事,因此谈不上普及,还有不少小 企业几乎全部采用传统的工艺方法在加工;此外象新开发的一些新牌号磁材如稀土磁钢,由 于加工难度大,使用面也就更窄;一些高性能磁件如计算机用的磁头,由于加工难度大、精 度和其它质量指标要求高,用户对国产金刚石磨料磨具 不愿采用。业内专家普遍看好的石材工业,几乎占了国内金刚石总用量的70%~80 %, WINTER树脂和金属结合剂砂轮标准公差 精度类别因素特征值精度符 号相关值精度值(按需要控制的精度范围) 尺寸精度 磨削层角度常规DIN7168m 磨削层形状常规DIN7168m 孔常规H6 基体常规DIN7168m 形状和位置精度 磨削层 轴向和径向偏差↑ MC结合剂Φ≤180mmΦ>180mm ≤D/B910.01mm0.02mm >D/B910.015mm0.025mm 常规 ≤D/B2510.02mm0.03mm >D/B2510.03mm0.03mm 杯形砂轮磨削面的垂直度⊥ W<20mm0.01mm W≥20mm0.02mm 平形砂轮磨削面的圆柱度 T/U>10mm0.01mm T/U>50mm0.02mm 基体 接触面的平面度轴向偏差平行度 MC结合剂Φ≤250mmΦ>250mm 0.015mm0.025mm 0.01mm0.02mm 0.015mm0.025mm 接触面的平面度轴向偏差平行度 常规Φ≤75mmΦ>75mm 0.015mm0.025mm 0.015mm0.02mm 0.015mm0.025mm 径向偏差(包括基准带)(Φ≥245mm)↑0.010mm  其金刚石制品的应用程度也并不很高,至少 可说在矿山开采方面几乎是空白,相比起步较晚的马来西亚的克拉拉白大理石矿的开采已大 量使用金刚石绳锯,在国外金刚石绳锯除用作石材矿山开采外,还大量用作石材的整形、切 片(代替大锯片)、仿形切割异形产品、建筑物拆除,甚至还用作钢缆的切断。

我国大约在1973年即已开始生产CBN磨料及制品,时至今日,我国CBN的用量还很少,几乎可 以说不足一提。并不是国内不需要,改革开放以来,我国汽车、工具、轴承及压缩机行业引 进了数百台套机床,所配套的磨具或工具不乏CBN制品。据行业有关资料介绍国内仅冰箱压 缩机及空调压缩机行业CBN磨具的年需求量在千万元以上。为什么国产的CBN制品的产量总是 那么微不足道呢,恐怕关键还是缺乏足够的实力,这包括质量、品种规格和服务等诸多方面 。 还有一些行业,我们可能还没有意识到它的市场潜力,因为供需双方都没有对其进行深入的 探索。例如石棉制品行业、橡胶配件行业和塑料制品行业、木制品加工业等。笔者所在单位 曾经为汽车刹车片(石材制品—的加工和汽车发动机的橡胶传动带磨削作了一些工作,其金 刚石磨轮的磨削效果非常好,但要在这些行业中获得普通认同似乎很困难。 4. 不断研制开发新产品,探索新用途是推动行业发展的原动力。 据日本大阪金刚石工业公司大浦桂一会长提供的资料,1993年世界超硬磨粒工具市场的消费 量即已达到33亿美元,其中石材及建筑业用约占近一半,达到49.4%,磨具类约占30%,复合 聚晶工具占18.2%。在磨具这一品种中,CBN磨具占磨具总量的28%。在磨具这一品种中,CBN 磨具占磨具总量的28%。与世界市场相比较,显然国内市场的划分比例与之有较大的差异, 其一:石材及建筑业用的工具我国比例高达70~80%,远高于国际市场的比例;其二:在磨 具中,CBN磨具比例偏低。究其原因,笔者认为,其一之比例偏高是因为我国高档次金刚石 偏少,因此不少石材工具只能用中、低档金刚石替代,造成锯片等工具寿命低;或者为了达 到一定的工具寿命,加大金刚石浓度,故并非我国石材建筑业特别发达之故。其二是因为我 国加工铸铁、钢材等选用的磨具仍然是普通磨具,CBN磨具用量十分有限,顶多只能算作起 步阶段。因此这一块具有极大的开发潜力。

未来若干年超硬材料制品的新产品开发方向是什么?和者认为应就下列方面进行认真调研、 借鉴国外使用信息,摸清国内市场需求,制定出切合实际的开发计划。

(一) 汽车行业(包括其它一些动力机械等) 1999年我国汽车总产量为180.5万辆(不包括农用运输车),位居世界第九。在今后相当长一 段时间内,汽车工业将一直作为国民经济的支柱产业而获得较高速发展。汽车工业发展有赖 汽车装备水平和加工工艺水平的提高,特别是机床的数控化和相应的加工工具(包括刃具 和磨具)的先进程度。努力开发汽车零部件加工必不可少的先进的超硬材料刀具和磨具是我 行业为适应汽车工业发展促进自身发展的需要。

针对我国汽车工业的现状,借鉴发达国家的成熟经验,我们应主要开发:加工活塞环用CBN 磨盘;高精度高耐磨轴承加工用的CBN砂轮(包括树脂和陶瓷结合剂);各种铸铁零部件加工 用的PCBN刀具和磨具、珩磨工具;各种液压件加工用的小孔磨头;轿车窗玻璃、汽车后视镜 等玻璃加工用的各种金刚石砂轮、套钻;塑料、橡胶和其它非金属材料加工用的金刚石磨轮 ;铝合金件加工用的CPD刀具;各种用途的金刚石修整滚轮等等。

(二) 硬脆非金属材料加工 这一范围非常广,应将重点仍然放在与基础设施建设密切相关的建筑建材行业、道路交通设 施等行业上。单独就材料而论,重点可放在耐磨地砖、玻璃和陶瓷等的加工上。 国内耐磨地砖业近几年来引进了100多条先进生产线(主要是意大利、德国、日本),所配套 的板平磨辊、磨轮、磨边轮和倒角砂轮都需国产化。这一块市场前景广阔,难度也相对较大 ,据有关资料统计,仅沿海某省有数百家地砖生产企业,97年进口加工地砖的磨轮过亿元人 民币。全国生产地砖的企业上千家,95年的墙地砖产量达到9000万2,这一行业的发展趋 势是釉面砖逐步为耐磨地砖所取代,因此地砖的加工量愈来愈大,是行业大有用武之地之处 。虽然近年来有不少金刚石制品厂开发了加工地砖的磨轮,但还都不够成熟。 玻璃行业应着眼于各种用途的平板玻璃的加工,因为它量大面广,重点突破平板玻璃的校平 、磨进、倒斜面、磨弧和抛光等工序用的金刚石磨轮,要达到进口自动生产线上规定的加工 效率、精度和砂轮的寿命,需要业内人士投入极大的热情、人力和资金方能有所作为。灯饰 玻璃的加工近年来也有很大发展,这一行业情况参差不齐,既有非常先进的自动化加工设备 ,也有相对落后的手工磨削设备,一盏灯具需加工的玻璃件少的仅几件,多的达上万件甚至 十多万件,因此应针对市场需要,开发不同用途、不同质量水平、价格档次各异的金刚石加 工工具。

陶瓷材料发展很快,由过去主要作为生活用材发展到工业用材、工具材料和工程材料。陶瓷 材料的加工离不开金刚石。虽然我国精密陶瓷的应用还刚刚起步,按照发展趋势,在21世纪 必将获得广泛应用,是新材料工业的重要成员。因此要在原生活陶瓷、电子陶瓷的加工经验 基础上,努力开发新的金刚石加工工具,用于解决精密陶瓷加工问题。

(三) 木制品与塑料制品加工 木材加工及家具业已大量使用自动化机床替代传统的手工作业方式,此外利用木材加工中产 生的废弃材料如锯屑、刨屑、短材,以及林业资源中修剪下来的一些树枝、杂木,经粉碎加 工再加入塑料类的粘结剂,再经一系列的处理,制成“再生材料”,这种材料的加工难度比 原木更难。因此就产生了两大需求:第一,自动化加工木材及塑料制品需要采用诸多类型的 硬质合金或高速钢的刃具。由于木材和塑料等的导热性差,高速加工下刃具极易磨钝或变形 ,因此刃具的更换或磨加工变得频繁,为此而产生了专用于木工和塑料用刃具的金刚石和CB N系列砂轮。winter co.样本展示用于木工刃具磨加工的金刚石砂轮计有97种形状173个规格 (包括尺寸和粒度),加工塑料制品刃具的砂轮,有20种形状28个规格。国内木材及塑料行业 已有不少引进或仿制的先进生产线,工具生产厂已提出诸多磨轮的订货意向。第二,用于木 工和塑料工业的金刚石或CBN复合聚晶工具也已提上了日程,特别是木质地板条加工用的PCD 刃具,国内已有相当用量(主要在云南、四川及东北等地),因此开发PCD工具用于林产品加 工也是当务之急。

(四) 修整工具开发 修整工具在我行业基本上是缺门产品,在行业形成规模生产的初期,还有几个厂生产金刚石 修整笔之类的产品,当前除个别单位生产修整滚轮外,其余修整工具行业内几乎是空白的。 翻开国外产品样本,你可以看到几乎所有的超硬材料制品企业都生产金刚石修整工具。以wi nter co.为例,该公司生产多点式和单点式两大类修整工具,其中多点式有“Fliese”、“ Igel”、“pro-dress”和“Rondist”四个品种计17种型号。单点式有“Single-point”、 “one-way”和“profile”三个品种计23种型号。以适用于各种用途、各种磨削方式,包括 砂轮机上磨具的整形和修整之用。国内为什么修整工具在行业内形不成产品系列,可能与我 们未开发天然金刚石产品有很大关系,此外国内磨床自动化程度低也是原因之一,不少用户 都是自己购进大粒金刚石用铜焊焊接成修整工具(单粒),这对于一般的磨床可能问题不大, 而对于自动化加工设备肯定不行。 制作修整工具选用的金刚石根据用途不同可以是天然金刚石、合成单晶或聚晶金刚石,甚至 复合聚晶金刚石,因此行业内完全有条件使未来形成金刚石修整工具系列产品。

(五) 各种聚晶产品的应用开发 根据1994年G.E.Co.提供的资料显示,1993年世界超硬磨粒制品市场中,PCD、PCBN切削刀具 、PCD拉丝模和PCD矿山钻探工具的全年消耗量达到6.03亿美元,占整个制品消耗量的18.2% ,足以说明其市场容量大,发展前景广阔。近年来国内PCD和PCBN制品有了较大发展,但市 场份额还很小,主要原因是:品种单一,很难适应市场多变的需求;国产设备不能适应采用 此类工具;供需双方缺乏沟通和合作,认识水平滞后;复合聚晶工具的加工,特别是磨加工 还存在一定问题。

在复合聚晶工具开发方面可走“先易后难”的路子,例如可先开发多种材料加工用的PCD和P CBN车刀,因为车刀形状较简单,而国产车床(包括普通车床和数控车床)基本适合使用PCD和 PCBN车刀,所加工的对象主要是铸铁、淬硬钢、铝合金、碳纤维等材料,加工难度不大,加 工效果很显着,因此很易为用户接受。矿山及油气进钻进用的工具,要求PCD有很高的质量 ,工具制作的难度也很大,技术含量高,价格水平也很高,属高技术产品,因此要在PCD制 造质量水平上下功夫,一旦质量有所突破,便可投入工具的研制。

20世纪我国超硬磨料磨具工业从无到有,由小变大,取得了举世瞩目的成绩,为我国的经济 发展和科技进步作出了贡献。21世纪我们更应坚定信心,抓住机遇,把握方向,奋力开发, 使行业由大变强,使我国真正成为超硬磨料和制品的生产和出口大国,为世界经济的发展和 科技进步创造辉煌的业绩。

来源:    网络文档由陶瓷结合剂金刚石砂轮整理

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