金刚石复合片切割刀具（精选3篇）
金刚石复合片切割刀具 篇1
聚晶立方氮化硼 (PCBN) 刀具硬度仅次于金刚石, 大大高于陶瓷刀具和硬质合金刀具, 主要用于数控机床对钢铁件切削;聚晶金刚石 (PCD) 刀具主要用于石才、玻璃、有色金属等的加工。某金刚石公司自成立以来, 通过连续数期的技术改造, 工业钻石大规模生产技术和产量已位居世界前列。但在大颗粒工业钻石单晶、高附加值的金刚石和立方氮化硼衍生产品方面与发达国家还有巨大差距。该公司积极进行科研开发, 目前高品级聚晶立方氮化硼和聚晶金刚石重要技术难题的研究和攻关已完成, 已完成样机试制、批量试制, 公司拟新建该项目以达产业化目的。
为了从源头预防、控制、消除职业病危害, 保护劳动者健康, 我们于2010年12月对该新建项目在生产过程中可能产生的职业病危害因素及其危害程度进行了识别、分析和评价。
1 对象与方法
1.1 对象
某金刚石有限公司
1.2 评价内容
主要包括选址、总体布局、生产工艺和设备布局、建筑卫生学要求、职业病危害程度及对劳动者健康的影响、职业病危害防护设施、辅助用室基本卫生要求、应急救援、个人使用的职业病防护用品、职业卫生管理、职业卫生专项经费概算等。
1.3 评价方法
根据国家相关的标准和规范, 采用类比法、检查表法和综合分析法对该项目可能存在的职业病危害因素进行识别与分析。
1.4 评价依据
《中华人民共和国职业病防治法》、《使用有毒物品作业场所劳动保护条例》、《危险化学品安全管理条例》、《建设项目职业病危害分类管理办法》等。
2 结果
2.1 工程概况
项目投资总额15200万元, 计划建设期24个月。项目定员260人, 基本生产工人180人。工作制度3班/天, 每班8小时, 全年251个工作日。
2.2 生产工艺流程
PCBN刀具材料和PCD刀具材料制备工艺相似, 包括原材料预处理、混料组装、高温高压烧结、磨加工及成型、检验等工序。原材料预处理工序包括原材料 (立方氮化硼、金刚石) 研磨净化、粘结剂及硬质合金净化、称重配比、三维混料、组件预压成型。混料组装是将零部件原料叶腊石粉、白云石粉、石墨粉及水玻璃按比例混合搅拌均匀, 压制成为叶腊石环、白云石环/片/管等零部件。将压制成型的叶零部件, 与原材料预处理成型的复合体零部件, 利用高温烘箱烘干, 经电子天平称重后装成一个完整的组装件。将组装好的合成块装入压机腔体, 然后按拟定的操作程序将压机加热加压至所需温度、压力, 并保温一定时间, 然后按程序卸压后获PCBN/PCD半成品。半成品成型后圆度不规整, 边缘有一定的缺陷, 使用无心外圆磨床对半成品进行磨圆加工, 去处缺陷部分;用平面磨床对半成品表面磨平加工;最后利用抛光机对半成品抛光处理使之成为成品。对原材料及PCBN/PCD产品的性能检测及成品包装入库。
2.3 职业病危害因素识别
依据国家、行业、地方等职业卫生标准、规范等, 通过对该项目主要生产工艺、生产设备、原辅材料和产品等综合分析并结合对类比生产线的职业病危害调查, 该项目在生产运行过程中可能产生的职业病危害因素主要有粉尘、盐酸、硫酸、噪声等。
2.4 类比检测
本次类比检测选择该公司已经在运行的第5期金刚石生产线作为类比对象。类比对象气象条件、生产工艺流程、所选设备、生产管理与职业卫生防护等情况均与评价项目相似。选择对象有很好的可比性。
在正常生产运行状态下, 类比生产线主要岗位监测点粉尘、盐酸、硫酸、噪声等有害因素浓度 (强度) 经检测基本符合国家职业卫生标准要求。检测结果见表1、表2、表3。
2.5 选址与总体布局
该项目选址在当地高新区2号工业园区东区, 建设地地质、气象、交通等符合建厂要求。周围村庄与厂区间距符合有关要求。项目选址与其所在区域的功能定位符合, 总体布局合理, 功能分区明确。
2.6 建筑卫生学
拟建厂房一座, 单层钢板房结构, 东西长300m, 南北宽48m, 分两跨。采用自然照明和人工照明相结合, 灯光安装密度可行性研究报告没有介绍。厂房长轴东西方向与常年主导风向接近垂直有利于换气和散热;房顶每6米装一不锈钢无动力换气扇, 利用车间热气上升自动换气, 墙壁下部可开启窗和侧门都有利于通风换气。建筑卫生学基本符合《工业企业设计卫生标准》要求。厂房内设置休息室、值班室、盥洗室等。
2.7 生产工艺与设备布局
该公司具有成熟的金刚石生产工艺, 本项目采用先进的生产工艺生产区布置生产车间和辅助用房。在满足主体工程需要的前提下, 产生毒物和产生粉尘、噪声的设施分开布置。生产工艺与设备布局符合《工业企业设计卫生标准》要求。
2.8 职业病防护措施
压机在压制过程中并无粉尘产生, 只在砸开合成块时产生少量粉尘, 以往的压机生产线粉尘检测都不超标, 故本项目在压机线粉尘防护方面并无特别工程措施, 零部件制造生产线采取机器上方抽风除尘加个人佩戴防尘口罩双重措施。制定的操作规程里面要求工人班上及时擦洗工作台, 防止粉尘二次污染。磨加工工序采取湿式作业, 产生的少许粉尘呈糊状并不扩散。这些防尘措施科学有效。在原材料预处理时少量应用H2SO4、HCl, 该工序设有抽风排毒装置。项目选用低噪声设备, 并在压机四周设置挡板, 既可防止机械伤人又可减少噪声危害。
2.9 个人防护用品
压机车间工人拟配备棉质工作服、手套。零部件制造生产线工人拟配发手套、防尘口罩, 个别岗位配发防噪声耳塞。原材料预处理工序工人拟配备防酸面罩、护目镜、胶手套、胶鞋、防护衣等。
2.10 应急救援措施
该公司制定有安全生产事故应急预案, 企业一贯重视安全生产包括职业中毒的防治。制定的应急预案内容全面, 包括职责划分, 各处可能隐患、事故急救处理方法、平时对职工安全知识培训等。
2.11 职业卫生管理与卫生专项经费
该项目职业卫生管理由公司安全环保部负责, 该机构有职业卫生专职人员2名, 各项职业卫生管理制度齐全。但本项目中职业卫生专项经费未单列。
3 讨论
3.1 评价结论
拟建项目存在的主要职业病危害因素有生产性粉尘、噪声、盐酸、硫酸等。根据《建设项目职业病危害分类管理办法》, 综合分析, 确定该项目为一般职业病危害项目。针对可能存在的职业危害因素, 拟采取的各项职业防护设施、措施切实可行。如果拟建项目严格按照国家有关标准要求, 参照现有企业各项职业病防护措施, 并采取本报告书的建议, 完善职业病危害因素防护措施的设计;并在建成投产后加强职业卫生管理, 在职业病危害控制方面是可行的。
3.2 建议
(1) 完善设计, 补充职业病防护方面资料内容, 包括职业病防护设施、措施所需经费;总体布局较详细图纸;厂房建筑结构及图纸;车间生产线布置和设备布置;生活设施部分建筑介绍;车间灯光布置。 (2) 在设计车间各生产线布局时, 应遵循有害与无害分开、高毒与低毒分开的原则。以免粉尘、酸、噪声互相扩散影响。预处理工序、零部件制造工序最好靠近工房一角通风好的地方。 (3) 职业病防护设施要和主体工程同时施工、同时投入使用。 (4) 原材料处理应用硫酸、盐酸, 即使设备完好也存在潜在的危险, 最好定期组织职工进行演练。
金刚石复合片耐磨性研究 篇2
金刚石作为自然界已知最硬的材料, 在工业上有着广泛的应用。1973年美国G.E公司成功地研制出聚晶金刚石复合片, 引起了世界各国的广泛关注[1,2,3,4,5,6,7]。聚晶金刚石复合片 (PDC) 由金刚石微粒与硬质合金基体在高温高压下烧结而成, 避免了单晶的各向异性, 克服了单晶金刚石受冲击易解理破损的缺陷, 硬质合金基底则具有良好的韧性, 二者结合使PDC在切削加工、木材加工和钻探等行业获得了广泛应用[7,8,9,10,11,12,13,14]。由文献[15]可知, 根据使用要求以及检测的方便性, 将耐磨性, 耐热性, 光洁度与抗冲击韧性作为衡量PCD质量好坏的主要指标, 其中磨耗比与晶粒度是常用的重要指标, 因为磨耗比越大, 使用寿命越长。耐磨性是衡量PDC质量的一个重要指标。PDC的耐磨性是指PDC的聚晶金刚石层在切削、钻井、修整砂轮等过程中抗磨损的能力。但迄今为止国际上也投有制订统一的测试标准, 几个主要PDC生产国均有其自己的测试方法。采用何种方法和评价指标才能比较准确和有效的表征PDC的耐磨性成为当前PDC研究机构和生产厂家关注的问题。本文采用修整砂轮的方法测试PDC的耐磨性。在PDC的高温高压合成中, 影响其耐磨性的因素诸多。本文系统地研究了烧结温度、烧结时间、金刚石粒度对PDC磨耗比的影响, 得到了烧结效果较好样品的烧结参数。
2 试验过程
试验是在6×1200吨铰链式六面顶压机上进行的, 烧结压力是通过测定银的高温相变点确定的, 烧结温度的测量是采用10%Pt~30%Rh热电偶直接测量的。烧结压力恒定 (5.3±0.2GPa) 的情况下, 烧结温度在1500~1800K之间。在合成工艺的范围内, 按不同加热温度 (T1、T2、T3、T4) 和不同加热时间 (2min、4 min、6 min、8 min、10 min) 合成出直径为14mm的样品。合成试验组装如图1所示:
根据JB/T3235-1999标准, 在JS71-A型磨耗比测定仪上对PDC样品进行磨耗比检测, 之后对样品进行750℃高温处理, 自然冷却, 再次对样品进行磨耗比测试, 比较高温处理前后样品磨耗比的变化情况。磨耗比测试如图2所示:
测量PDC磨耗比所使用天平为万分之一精度的电子天平, 测量前后均使用丙酮清洗, 并烘干。测试时注意事项如下: (1) 采取磁屏蔽措施, 尽可能减少PDC磁场对电子天平的影响, 或者给PDC去磁。 (2) 采用多次重复称重的方法, 并用平均值或其它统计技术来确定PDC的重量。 (3) 为了能更准确地进行称量, 可在天平内增加一个小的称量腔, 以尽量减少空气流动对称量的影响。 (4) 加大PDC的磨削量。另外还通过扫描电子显微镜 (JEOL, JSM-6460LV) 观察了样品表面高温处理前后的微观结构。
3 结果与讨论
根据金刚石生长的基本原理, 金刚石的烧结需要在触媒金属与碳的低共熔线以上、金刚石的稳定区内完成, 因此本实验在高于5GPa、1250℃进行。
图3为烧结温度与PDC烧结体磨耗比的关系曲线。在较低烧结温度下, 烧结体的磨耗比偏低, 随着烧结温度的增大而增加, 且当温度大于T3时, 样品的断口呈碳黑色, 有过烧的迹象。在恒定烧结压力情况下, 烧结体的磨耗比随烧结烧结温度的提高很快增大, 并且达到某一最大值后开始减小。结合金刚石-石墨的相图, 本文认为, 在一定的烧结压力下, 样品处于石墨的稳定区, 金刚石未出现石黑化现象, 磨耗比随温度增大;温度继续升高, 金刚石开始出现石黑化现象, 所以样品的磨耗比又随温度的增大而减小。在图1中由于在超高压下 (5.3GPa) , 钴—碳共晶点温度为1336℃[7], 本试验烧结温度T1、T2低于此温度点, 此时钴—碳共晶液尚未形成, 钴熔渗过程尚未开始, 但钴的扩散已经开始, 烧结已经成型, 再经过750℃的高温处理后, 可能有再烧结的作用, 即二次烧结, PDC耐磨性有所增加。而由较高温度下烧结出的样品再经过高温处理后, 金刚石出现石墨化, 故耐磨性有明显下降。
众所周知, 烧结时间是金刚石烧结工艺中另一重要参数。图4为在T3、5.3GPa的条件下, 烧结时间与PDC烧结体磨耗比的关系曲线。在较短的时间里, 金属刚开始熔融, 烧结还没有来得及开始就被中断。通过保持足够长的合成时间可以使粘接剂起充分的作用, D-D结合 (如图5) 形成的过程才能充分完成, 在这种区域中, 金刚石组织已分辨不出原料晶粒的轮廓, 金刚石交错生长在一起, 连成一片, 结构相当致密, 烧结出较高质量的样品。金刚石复合片内部的物质组成和微观结构是决定其物理力学性能的关键。从图5 (图中白色区域表示钴, 黑色区域表示金刚石颗粒) 可以看出:金刚石颗粒排列紧密, 具有较好的致密性;颗间界只有少量的钴液被排挤在晶粒间隙处, 相互结合比较好, 呈叶脉状分布于整个金刚石层, 这也是金刚石复合片导电的原因。
当烧结压力、温度恒定时, 在充分的烧结时间内, 粘接剂在高温高压作用下渗入粒间充当传压介质和助溶剂, 促使金刚石晶粒表面碳原子经过溶解, 扩散和调整形成粒间的D-D结合, 样品的磨耗比随之增加。但随着烧结时间的延长, 熔融金属中碳的过饱和度过大, 使金刚石C-C键形成过快, 烧结体中的缺陷增多, 又使样品的磨耗比降低。经750℃高温处理后, 烧结时间短的样品磨耗比增加, 是因为该时间内粘接剂与金刚石反应不充分, 烧结不完全, 经过高温二次烧结, 可以轻微弥补高温高压下烧结不足的问题, 使样品磨耗比增加, 但增加量很小。同样在较高烧结温度下合成的样品经高温处理后磨耗比有明显降低, 此时金属钴元素仍可作为金刚石反应的催化剂, 在高温下金刚石与其重新反应, 使金刚石复合片整体耐磨性下降。总的来说, 我们烧结出的PDC耐磨性较好, 但耐热性还没有达到750℃, 有待进一步研究。由图3、图4可以看出在T3温度附近, 烧结6分钟磨耗比最高, 是该工艺范围内的最佳值。
金刚石复合片与其他超硬材料复合体一样, 随着添加原材料的粒度的增加, 耐磨性增加。金刚石粒度越大, 粒间空隙也越大, 就越有利于金属流动。在粒度较粗的情况下, 金刚石表面的清洁程度对金属渗流的影响不大, 这时渗流的主要推动力是外界的压力。而在金刚石粒度较细的情况下, 液态金属本身对固态金刚石表面的润湿作用便显得比较重要, 这种润湿作用直接影响金属向细粒金刚石层渗透的效果。图6是金刚石粒度与PDC磨耗比的关系。在烧结条件为P=5.3GPa、T=T3、t=6min时, 细粒度金刚石合成的复合片耐磨性明显较低, 有可能是在该条件下石墨化的缘故。
4 结论
金刚石复合片切割刀具 篇3
关键词：SiCp/Al复合材料,磨铣加工,表面形貌,表面粗糙度
0 引言
以Si C颗粒作为增强相、Al合金为基体的高体份 (55%) 碳化硅颗粒增强铝基复合材料 (Si Cp/Al) 具有高比刚度、高比强度、尺寸稳定性好, 良好的导热性、耐磨性和抗腐蚀性等一系列优点, 因此广泛应用于航空、航天、汽车制造、武器、光学精密仪器等领域[1,2,3,4]。高体份Si Cp/Al复合材料的特殊应用领域要求其零件具有高精度的表面尺寸及表面质量, 而由于Si C增强相的加入使得复合材料的硬度大幅度提高, 坚硬的Si C颗粒对于传统加工刀具有严重的磨粒磨损作用, 使得加工基本不能连续进行, 并且传统的加工刀具和方法又会对切削材料表面造成很大的损伤, 致使材料加工表面质量很差, 难以保证零件的加工尺寸精度和表面质量[5,6,7]。基于传统刀具及加工方法的缺陷, 高体份Si Cp/Al复合材料在推广应用上受到了很大程度的限制。
目前, 国内外对于高体份Si Cp/Al复合材料的加工表面质量尤为关注。因为加工材料表面损伤形式各种各样, 不同加工方法、不同工艺参数对加工材料表面形貌损伤情况也有很大差距[8,9,10]。工程上采用一种金刚石磨头刀具对高体份Si Cp/Al复合材料进行高速磨铣加工的方法可以保证加工零件的高精度尺寸和表面质量, 并且刀具生产成本比较低廉, 加工效率很高。因此本文通过研究金刚石磨头刀具高速磨铣加工参数对高体份Si Cp/Al复合材料已加工表面质量的影响规律, 为磨铣加工参数的选取和优化提供了有力的依据。
1 实验准备及其方案
1.1 实验条件
本实验在型号为VMC1265的立式加工中心上进行, 该机床功率为11 k W, 主轴最高转速可达8 000 r/min, 工件材料选用增强体体份为55%的Si Cp/Al复合材料, 所选用的刀具为烧结金刚石磨头刀具, 其中金刚石颗粒粒度大小为0.3 mm, 刀具规格为准16 mm×90 mm。加工后选用日本日立公司生产的S4800冷场发射扫描电子显微镜 (S4800 Field-Emission Scanning Electron Microscope) 观察加工表面形貌损伤情况, 采用三维共聚焦表面形貌分析仪 (Phase Shift Micro XAM-3D) 对加工试样进行表面粗糙度测试。
1.2 实验方案
该实验采用控制单因素变量, 分别研究了主轴转速Vc、进给速度Vf、背吃刀量ap对Si Cp/Al复合材料已加工表面包括表面形貌损伤以及加工表面粗糙度的影响规律。加工过程中采用水溶性切削液。
2 磨铣加工参数对工件材料加工表面形貌损伤的影响规律分析
2.1 进给速度Vf对表面形貌的影响
机械切削参数:主轴转速为6 000 r/min, 背吃刀量为0.75 mm, 进给速度在400~800 mm/min之间变化, 图1~图3是Si Cp/Al-HT8复合材料的加工表面形貌分析。由图可知, 随着工件进给速度的增大, 加工试样表面形貌损伤越来越严重。因为进给速度越大, 单位时间内刀具切削的试样体积就越大, 刀具与试样之间的压力就越大, 刀具磨损就越严重, 刀具与试样之间由切削加工转换成推挤加工, 因此产生的加工表面形貌质量就越差。
2.2 主轴转速Vc对表面形貌的影响
机械加工参数进给速度为400 mm/min, 背吃刀量为0.75 mm, 主轴转速在3 000~6 000 r/min之间变化, 加工表面形貌分析如图4~图6所示。由图可知, 随着主轴转速的增大, 加工试样表面形貌质量越来越好。因为随着主轴转速的不断提高, 切削加工中产生的温度越来越高, 高的温度使得基体材料软化, 刀具切削材料变得容易, 而且在切削过程中软化的铝基体由于高温作用会进行重熔现象, 涂覆在加工过程中产生的沟壑和划痕中, 使得加工表面光滑平整。
2.3 背吃刀量ap对表面形貌的影响
主轴转速取6 000 r/min, 进给速度为800 mm/min, 背吃刀量在0.3~0.75 mm之间变化, 加工表面形貌分析如图7~图9所示。由图可以得出在改变刀具背吃刀量的条件下, 试样加工表面形貌损伤基本没有很大区别, 也就是说试样形貌质量不随加工过程中背吃刀量的改变而变化。背吃刀量的变化对材料加工表面质量影响不大。
3磨铣加工参数对工件材料加工表面粗糙度影响规律分析
表面粗糙度指零件已加工表面上所具有的较小间距和微小峰谷不平度的微观几何形状的尺寸特征, 是反映零件表面质量的重要指标之一。本次试验以表面粗糙度Sa作为磨铣加工参数对工件材料加工表面粗糙度影响规律的评定参数。
3.1 进给速度Vf对加工表面粗糙度的影响规律
机械切削参数:主轴转速为6 000 r/min, 背吃刀量为0.75 mm, 进给速度在400~800 mm/min之间变化, 加工表面粗糙度变化规律如图10所示。由图可以得出在主轴转速和背吃刀量不变的前提下, 加工材料表面粗糙度大小随着进给速度的减小而减小;进给速度越小, 加工表面粗糙度越小, 表面质量越好。因为进给速度变小, 单位时间内切削体积变小, 切削力相应变小, 使得切削残留高度变小, 因此表面粗糙度就越小。
3.2 主轴转速Vc对加工表面粗糙度的影响规律
进给速度选择400mm/min, 背吃刀量选取为0.75 mm, 主轴转速在3 000~6 000 r/min之间变化, 加工表面粗糙度随主轴转速的变化规律如图11所示。可以得出材料加工表面粗糙度大小随着机床主轴转速的增大而不断减小;但是当主轴转速达到一定速度的时候, 表面粗糙度变化不是很明显。因为在机床主轴转速不断提高的前提下, 加工材料的温度升高, 基体材料的应变率增大, Al基体还没有来得及变形, 增强颗粒就已经被切断, 而不是拔出, 因此加工表面粗糙度变小。
3.3 背吃刀量ap对加工表面粗糙度的影响规律
在切削过程中, 通过控制主轴转速和进给速度的参数值不变, 背吃刀量参数在0.3~0.75 mm之间变化, 加工表面粗糙度变化规律如图12所示, 由图可以得出背吃刀量的变化对加工材料表面粗糙度影响不大。
4 结论
通过对Si Cp/Al复合材料的磨铣加工实验研究与分析, 可以得出以下结论:
1) 采用单一变量实验方法, 随着进给速度的增加, 工件表面形貌损伤加剧, 表面粗糙度值明显升高;随着机床主轴转速的提高, 工件表面形貌损伤以及加工表面粗糙度都有相应的改善;在改变背吃刀量的情况下, 以上两种现象变化不明显。
2) 在机床切削参数允许范围内, 工件进给速度的改变对工件表面形貌损伤情况和加工表面粗糙度比机床主轴转速对其影响程度要大。
3) 当工件进给速度为400 mm/min, 机床主轴转速为6 000 r/min的加工条件下, 磨铣加工出来的工件表面形貌光亮平整, 表面粗糙度较小。
参考文献
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