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【技术讲堂】未来超硬材料磨具应向“五超”方向发展

2018-03-13 14:58:27 111次浏览 分类:行业新闻

随着绿色、环保、节能、节材对现代加工技术的要求不断提高,探索具有超高速、超精密、超薄、超深和超细的工具是发展的必然趋势,本文“五超”方向发展进行简要的阐述,供参考。 
  一、超高速 
  未来超硬材料磨具应向高速、高效、高精密方向发展。郑州磨料磨具磨削研究所在超高速陶瓷CBN砂轮制品的关键技术方面取得了突破性进展。自主研发产的高强陶瓷结合剂及其制备技术,产品满足使用速度达到160m/s的超高速磨削加工更要求,实现了精密成型磨削用砂轮不同部位的均匀磨损;开展了新型高性能结合剂、超硬磨料的优选、砂轮制造工艺及检测技术、磨削试验等研究,研究了曲轴、凸轮轴高速、超高速磨削用陶瓷结合剂CBN砂轮和树脂/金属复合结合剂金刚石砂轮,并实现了工程化应用;在高强陶瓷结合剂、树脂/金属复合技术等方面突破了多项关键技术,取得了一批创新技术成果。产品已替代进口同类产品,其技术成果达到了国内领先水平。 
  二、超精密抛光 
  由于科技的进步,对加工工件的表面粗糙度要求越来越高。以计算机为例,目前,计算机磁头的飞行高度已降低到10nm左右,并有进一步下降的趋势。如果硬盘表面波度较大或有存在数微米的微凸起,磁头就会与磁盘基体表面磁撞,发生“磁头压碎”,损环磁头或存储器硬盘表面上的磁介质。因而硬盘表面要求超光滑。当存储密度达到15.5Gb/cm?时,要求基片的表面粗度(Ra)要小于0.2nm. 
  由于金刚石的硬度是无可比拟的,而纳米金刚石的平均粒度仅仅15nm左右,所以用它抛光硬脆材料是首屈一指的。由于用户在分散纳米金刚石、一时比较困难,故在抛光工艺中常常使用经特殊表面改性纳米金刚石抛光液。纳米金刚石抛光液与纳米硅溶液相比抛光效率可提高4倍,表面粗糙度显着降低。使用天津乾宇超硬科技有限公司研制的1μm的金刚石抛光液抛光碳酸化硅晶体,可使表面粗糙度Ra达到0.91nm. 
  4种粒度的纳米金刚石均把微晶玻璃的表面粗糙度降低到纳米级,但抛光效果不同。从表中抛光速率和表面粗糙度的变化关系可以看到,工件的抛光效果强烈地依赖纳米金刚石的粒度,随着粒度从245.2nm降低到53.9nm,抛光速率从0.569μm/h下降到0.142μm/h,表面粗糙度从0.49nm下降到0.17nm.因此,细粒度的纳米金刚石更容易获得低粗糙度的表面。 
  三、超薄 
  1、超薄大型金刚石锯片基体 
  目前,在开采矿山荒料方面,政府明确要求重视矿体的保护,捉高矿山资源的综合利用率,减少对环境的破环,而传统方式采用炸药爆破式开采,成材率低,开采成本高,对环境破坏大;金刚石绳锯开采操作难度大,设备投入大,成本高;静态裂石法开采效率低,成本高,以上传统方式己经不符合现代化开采方式的要求;另一方面,国内外对大幅面石材板料的需求又在不断上升,传统的金刚石锯片由于直径的限制,不能满足切割大板的要求,而采用框架锯条、金刚石绳锯、砂锯等切割方式效率低下、投入大、成本高,亦不能很好满足现实的切割需要。为此市场需要一种大规格的金刚石锯片用于上述领域的切割,以提高工效,降低成本。 
  超薄大型金刚石锯片基体(直径为2300~3600mm,而厚度仅为3~90mm)是一款节能重型产品,主要用于大规格板材的切割,深矿山石材荒料的开采等领域。其具有众多优点,主要表现在,锯片厚度在常规基础上减薄,减少了金刚石刀头的消耗,出材率提高,切割阻力变小,能耗降低等。常规厚度的超大锯片其基体径厚比大,已属于薄壁件(机械加工行业径原以比超过150),刚性差,热处理难度大,易变形,很难达到理想的指标,加工起来己经有相当大的难度。本产品在常规大锯片基体厚度基础上,极大的减荷薄了产品厚度,径原比更大,刚性下降更加明显,满足切割要求更加困难。 
  为了克服传统开采方式不符合现代化开采的要求,以及国内外市场对大辐面石材板料需求的不断上升,黑旋风锯业公司的研究者,对超薄大型金刚石锯片基体以下各关键重要工序或关键技术的加工控制要求进行了详细的研究。 
  (1)锯片基体用材料的合理选择。 
  (2)热处理关键技术控制。 
  (3)磨削加工关键技术控制。 
  (4)应力处理关键技术控制。 
  (5)校平关键技术控制。 
  黑旋风锯业公司通过多年的研究和自主创新,攻克了加工超薄大型用金刚石锯片基体的许多难题,使超大锯片诫减薄成为可能,满足了行业的一大需求。 
  2、超薄含硼聚晶钻石轮刀 
  近年来,半导体、光电与生物医疗器材等科技产品,纷纷朝向轻、薄、短、小方向发展,制造技术为符合此潮流,也相应往自动化、高效率化与微型化趋势发展。其中,关系人类健康的生物芯片市场,包含DNA、蛋白质、实验室芯片及新开发生物芯片等产品,更是劫蓬勃发展。生物芯片应用范围非常广泛,包含血液分析、健康诊断、环境及药物分析等。 
  由于受检细胞极相当小(红、白血球直径分别约8μm和10μm),所以细胞镜检芯片模仁的特征尺寸(Feature size)也相对微小,因之相应的制造设备,包括模具、刀具及磨具,也随之微小化。微型化技术包含黄光微影蚀刻、X光深刻(LIGA)等,但其设备投资都相当昂贵,适于大量生产,对多样变量的模具或非硅基组件的制造,都不合适。 
  鉴此,陈顺同,张智贤等,研究开发---“双轴式CNC超精密工具机”,并以含硼聚晶钻石为刀具素材,进行旋转式在线放电成型,能有效控制轮刀刃厚达5μm,再针对NAK模具钢,作数组细沟开沟加工。由实验证实,本研究开发出线宽8μm数组微沟,并应用于生医细胞镜检芯片模仁,进行PMMA大量射出成形。 
  实验亦发现,含硼聚晶钻石轮刀具高寿命特性,这是由于使用高速快浅研制技术,使钻石轮刀氶受纳米等级切深,能使钻石处于常温加工,减少钻石与铁金属的亲和速度,进而延长轮刀寿命。 
  本研究除了成功开发出细胞镜检芯片模仁外,并射出PMMA的成型镜检芯片,成功应用于尿沉渣的细胞的镜检。本项技术开发反的成果,经临床实验,并已商业化 
  3、超薄精密金刚石切割工具 
  高精度超薄超硬材料切割砂轮是指直径50~200mm,度0.1~1.0mm,厚度公差±0.002~0.005mm,平行度或平面度小于0.002~0.005mm,内孔精度为H6,同心度<0.01mm的超薄型金刚石或CBN切割砂轮,简称超薄片(下同)。 
  由于具有厚度薄、精度高、刚性好以及切割锋利、工件切缝窄、材料损耗少、切割表面质量好等特点。该类砂轮在国际上被广泛应用于计算机、微电子、光电子、通讯等电子信息领域所属的有关行业,用于贵重半导体材料、磁性材料、超导材料、硬脆材料的精密细微切割与开槽,成为计算机磁盘及软盘磁头、大规模集成电路、光通讯元器件、移动通讯元器件制造中不可缺少的必备高档工具。 
  4. 超薄片的主要技术特征 
  要满足用户在切割性能(切割效率、切割寿命)和切割质量(被加工对象的尺寸与形位精度、表面缺陷)两个方面的极高要求,超薄片必须具备以下: 
  (1)极高的组织及密度的均匀性; 
  (2)极高的尺寸与形位精度; 
  (3)足够高的强度和刚度; 
  (4)极高的锋利度和耐用度; 
  (5)主要特点是:精度高,可用于精密加工,减少加工工序,提高生产效率;厚度薄,可用于微细加工,也有利于节约贵重材料,减少消耗;刚性好,可保证切割工件的精度;耐磨性强,可降低生产成本等。 
  四、超深 
  在浅层油气资源经过近百年的不断开采,储量越来越少,和全球经济发展对油气资源的依赖程度越来越严重的双重压力下,人们不断探索更深地层储藏石油天然气的可能性。随着科学技术的进步和人们对深地层地质构造认识的不断深入,在越来越深的地层中发现并开采石油天然气资源已经成为一个现实的科学问题。 
  天然气井的勘探与开发,单井投资巨大,钻井深度深,工期长,技术难度高。而人造金刚石的耐磨性远远高于硬质合金,将其应用到石油钻头,会使整个钻井技术带来质的飞跃。应用先进的PDC钻头取代传统的硬质合金牙轮钻头,可加快钻进速度,减少钻井工时和成本,尽可能实现绿色钻井。现在的问题是用国产的PDC钻头,井深3000~4000m尚可,而大于5000m的深海钻井就得用进口的钻头。因此,我国在“十二五”期间应加大对PDC及其原材料的研发力度,制造出井深在5000米以上的深海PDC钻头,是我们为之努力奋斗的目标。 
  我国矿产资源分布广泛,但日前探明程度仅为1/3左右,地质找矿勘查工作平均深度仅在500~800m之间。2008年,国土资源部提出了开展主要成矿区带地下500~2000m的深部资源潜力评价,重要固体矿产业矿体勘查深度要推进到1500m. 
  我国深部找矿勘查技术尚处于起步阶段,深孔钻是解决地下矿产情况不可或缺的重要手段和最佳途径,除了获取地下岩层、矿石、构造等基础地质信息外,物化探、遥感、成矿预测等都离不开钻探工程的最直接验证。 
  日前,我国大部分金属矿山位于地形条件较好的地区,探查和开采深度停留在500m以上范围。而500m深度以下,不仅地质构造环境复杂,而且原有的探测仪器分辨率不高严重影响了对深部资源的勘查开发。但事实上,地下500~1500m深度见矿范例众多,表明我国大陆深部蕴藏着潜力巨大的资源。如何准确、有效地开展深部定位预测,已成为迫在眉睫的重大研究任务。 
  时至今日,我国采矿技术有了很大进步,深井己经可以开采到1000~1200m,固体钻探用钻机己在开发研制钻井深度为1500~2599m的机型。若是我们全国都重视了深部探矿,其意义是非常重大的。 
  1、深部勘探主要考虑的几个主要问题: 
  (1)钻探设备的配置是深孔钻进关键技术之一。 
  (2)深部钻井的特点。
  (3)深井钻探的复杂性对金刚石钻头要求更高。
  (4)保证钻头寿命作为第一要素。
  (5)超细粉末的应用是长寿命钻头的关键技术之一。
  (6)针对不同地层条件,应设计不同钻头胎体性能。
  2、谢德龙等在“国家战略为依托积极发展深孔钻”一文中提出了如下结论:
  (1)金刚石钻探是解决矿产资源最基础、最本质的重要手段,发展深孔钻是一项具有战略意义的重大项目,对国民经济的发展会起到巨大的推动作用。
  (2)深孔钻头任钻进效率和使用寿命上,应该具有一系列重要的性能指标。如单个钻头的进尺,在钻头工作层高度,特别是在中、深孔钻进中要取得明显效果。
  (3)在深孔钻的制造工艺上,要加上大研究力度,不断开发、采用新的制造技术。特别是在胎体增高,超细预合金粉的使用。
  (4)在钻探量大辐度增加的趋势下,钻探技术和钻探装备遇到了前所耒有的挑战,要高度重视钻井的实时化、信息化、数字化、可视化、集成化、白动化、智能化,使钻探变得“更聪明”.
  (5)在当前阶段,无论是钻探用磨料还是钻探设备,无论是钻头选用还是是钻进工艺,都是不可缺少的重要环节。我们在工作中要重视每个环节,切不可忽视。
  五、超细
  在日前国际经济不景气的环境下,虽然国际石材开采和加工业的仍然呈现增长的势头,每年世界石材的需求也在不断增加,但是由于所原材料涨价,用工成本增加等各方面因素的影响,石材加工业的利润在不断下降。因此,石材加工厂家对金刚石工具的加工效率和加工质量也提出更高的指标要求,以期达到降低石材加工成本和提高石板材的质量。
  现有加工弧形板的金刚石绳锯直径大都在8~11mm,锯切加工时切缝大、石材成材率低、资源浪费严重,而且锯切加工耗能很大、噪音大、废渣排放量大、环境污染严重。因此,研发一种直径小、锯切效率不降低、性价比高的金刚石绳锯,有其重要意义;一方面可以提高石材加工的成材率,提高石材加工厂家的加工利润;另一方面能达到节能减排的目的,创造更大的经济效益和社会效益。
  于是,对超细金刚石绳锯的设计方案提出了以下思考:
  (1)选择耐弯折的多股绳。
  (2)金刚石串珠为预先成型成圆筒状自支撑金刚石串珠或带有金属基体支撑的金刚石串。
  (3)金刚石钎焊工作层分布的金刚石磨粒可以是单层的,也可以是多层的,或者是混合无层状结构。
  (4)金刚石钎焊工作层可以采取真空钎焊炉烧结成型。
  (5)橡型塑材料层通过将橡塑材料涂覆或注望塑等方法涂附在柔性多股绳上获得。
  他们研发的超细金刚石绳锯与市场上的粗绳锯进行测试对比,得出如下结论:
  (1)Φ2mm超细施绳锯切割锯缝很小,可以用于名贵石材切割和薄板切割,可以大大提高石材的成材率。
  (2)Φ2mm的超细绳锯可以大大降低切割能耗,可减少石材废渣的排放,起到节能减排的作用,非常值得推广应用。
  (3)Φ2mm的超细金刚石绳锯的锋利度要好于常规的粗绳锯,可以提高石材加工效率,有利于绳锯的进一步推广。
  但是,目前Φ2mm的超细绳锯也存在一些需要解决和攻克的问题,比如如何保证金刚石串珠在长时间切割状态下稳定牢固的把持,金刚石绳锯切割寿命的延长,多条组合绳锯及配套绳锯设备的研发,解决切割硬花岗石存在的切割速度慢和使用寿命短的问题。
  随着相关技术问题的解决,将来金刚石绳锯切割的方式一定会逐步取代传统的砂锯、圆盘锯和框架锯,引导石材切割设备的更前新换代。

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