国内外超硬材料制品的新发展_王秦生

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图 7 金刚石制品专用设备
由中原工学院和郑州金海威科技实业有限公司等 单位联合开发的规则 植 砂 高 效 自 动 成 型 机 , 新近在国 内问世并逐渐完善 , 可以解决有序排列金刚石工具生 产效率低的瓶颈问题 , 将会对有序排列工具新技术的 推广应用起到巨大的促进作用 . 2. 3 焊接设备 自动 高 频 焊 机 得 到 普 遍 应 用 ; 在 此 基 础 上, 功率 图 8) 成功应用于焊接中型和小型 2kW的激光焊 机 ( 规格的金刚石锯片 . 3 0 0mm 以下的锯片可以单面一 次焊成 ; 由于目前激 光 3 0 0 mm~ 5 0 0 mm 的锯片 , 焊机的功率不够大 , 需要两面焊接才能完成 . 2. 4 后处理设备 、 自动磨孤机 、 自动开刃机( 图 9) 应 力 检 测 仪、 应 力校正仪 ( 张力调整 机 ) 等, 这些金刚石工具后加工设 备和产品质量检测专 用 仪 器 设 备 , 国内产品已经成功
第2 4 卷第 6 期 2 0 1 3年2月
中原工学院学报 J OUR NA L O F Z HONG YUAN UN I V E R S I T Y O F T E CHNO L O G Y
o . 1 V o l . 2 4 N , F e b . 2 0 1 3
( ) 1 6 7 1-6 9 0 6 2 0 1 3 0 1-0 0 4 2-0 5 文章编号 :
图 6 C V D 金刚石膜射频元件
机械 类 薄 膜 制 品 : 薄 膜 刀 具、 薄 膜 修 整 器、 耐磨器 件等 .
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王秦生 , 等: 国内外超硬材料制品的新发展
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取代进口 , 在全行业推广应用 .
2 设备的发展
2. 1 原料处理设备 自动称料机 ( 电子 称 ) 代 替 人 工 称 料, 应用于自动 提高效率1 生产线上 ;三 维 高 效 涡 流 混 料 机 , 0倍以 上; 自动制粒机的应用 , 使得造粒技术得以成功推广 . 2. 2 压制成型烧结设备 自动投料机、 自动冷压机、 自动烧结热压机、 真空热 ) 连续热压烧结炉等先进设备 ( 图7 的投入使 压烧结炉、 用, 为金刚石工具自动化生产线提供了成套装备. 郑州金 海威科技实业有限公司等单位生产的设备, 基本满足国 成功替代进口, 而且出口到十多个国家和地区. 内需要,
1 产品的发展
超硬材料工具半 个 多 世 纪 的 发 展 历 程 , 大体可划 : 分为 5 个阶段 ( 5 次浪潮 ) — — — 磨具热 1. 1 第一次浪潮 ( 2 0 世纪 6 0 年代起 ) ) 磨削工具 ( 图 1、 图2 包括 : 通用磨具 ( 砂轮 、 砂瓦 、 ; 磨石 、 磨头等 ) 专用石 材 磨 具 ( 盘磨 辊等) 和光学玻璃 ; 磨具 ( 精磨丸片 、 磨边砂轮等 ) 特殊磨具 ( 电解磨轮 , 柔 性磨具等 ) . 超硬材料 ( 金 刚 石、 磨具与普通磨料( 碳化 C B N) 硅、 刚玉 ) 相比 , 具有 巨 大 的 优 越 性 : 加 工 精 度 高、 加工
功能元件 、 耐磨器 超硬材料制品可分为加工工具 、 [ 1] 件等几大类 . 加工工具 : 精密 、 高效 、 节能 、 降耗 、 绿色 、 先进加工 工具 , 主要有 磨 削 工 具 、 锯 切 工 具、 钻 进 工 具、 切削刀 修正工具 、 拉丝模具等 . 具、 功能元件 : 具有特殊的声 、 光、 电、 热等物理性能的 功能元件 . 耐磨 器 件 : 机 床 导 轨、 硬 度 计 压 头、 制 动 器 件、 轴 承、 粗糙度测定仪等 . 这些产品广泛应 用 于 国 民 经 济 的 各 行 各 业 , 并在 国防和科研中扮演越来越重要的角色 . 例如 , 用于加工 加工长二捆火箭 , 加工导弹 原子反应堆的中子控制棒 , 防流罩 , 用作激光器的发射窗口 , 用作 L E D 光源等 .
2 0 1 2-0 7-3 0 收稿日期 : , 王秦生 ( 男, 河南叶县人 , 教授 . 1 9 4 2- ) 作者简介 : 图 1 A D I系列产品
效率高 、 使用寿命延 长 数 十 至 数 百 倍 . 例 如, 用金刚石 砂轮加工硬质合金 , 其寿命是碳化硅砂轮的 2 0 0 多倍 . 又如 , 用立方氮化硼 砂 轮 可 以 解 决 刚 玉 砂 轮 不 能 解 决 — —对 飞 机 发 动 机 的 喷 油 嘴 进 行 精 密 磨 削 加 的 问 题— 工, 以保证其足够长的使用寿命 , 从而延长飞机的远程 巡航时间 . 精密加工用金刚 石 磨 具 和 立 方 氮 化 硼 磨 具 , 是现
图 5 绳锯
修整工具 : 从常规 修 整 器 ( 单 点 式、 多点式的修正 笔、 修正快 ) 向成型修 整 器 ( 修整滚轮) 的 转 变, 是修整 工具发展的历史性进步 . 复杂型面高精度滚轮 , 其尺寸 可实现超精密修正和超精密加工 . 精度达到 ±2μ m, 拉丝模具 : 人造金 刚 石 聚 晶 拉 丝 模 寿 命 比 天 然 金 刚石拉丝模高 5 倍 , 比硬质合金高 2 能够胜任拉 5 0倍, 制特硬 、 特细的各种金属丝 . 其他 工 具 : 粗 糙 度 测 定 仪 触 头, 硬 度 计 压 头, 牙医 磨头 , 发动机气缸珩磨油石 , 什锦锉 , 指甲锉等 . 功能元件 : 化学气 相 沉 积 ( 金刚石薄膜可以 C V D) 制成各种具有特殊 声 光 电 热 性 能 的 功 能 元 件 和 器 件 . 按照用途分为功能薄和机械膜 2 类 . 、 功能类薄膜制品 : 热沉元件 ( 热学级薄膜 ) 激光窗 、 口( 光学 级 薄 膜 ) 介电射频元件( 电 子 级 薄 膜, 图 6) 等.
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图 3 钻头 图 2 N I C O L A I系列磨具
劳动强度低 . 在全世 界 地 质 钻 头 和 石 油 钻 头 钻 探 总 量 中, 金刚石钻头工作量已经占 8 0% 以上 . — — — 锯片热 1. 3 第三次浪潮 ( 2 0 世纪 8 0 年代起 ) 、 锯切工 具 包 括 金 刚 石 圆 锯 ( 图 4) 排 锯、 绳锯( 图 ) 、 半导体线锯 、 超 薄 切 割 片 等. 这 是 一 类 高 效、 节 能、 5 、 降耗 无公害的绿色新型锯切工具 .
排锯 : 用于大理石 6 0 条以 上 锯 条 组 合 成 框 架 锯 , 解板 . 采用粉末冶金和焊接方法制造的金属结合剂金刚 排锯 , 在2 随 石圆锯 、 0世纪7 0 年 代 后 得 到 迅 速 发 展, 后又开发了各种磨盘 、 激光焊接圆锯和绳锯 , 从而成为 这类用于加工天然和人造 金刚石工具中的一个 大 类 . 石材等建筑材料的工 具 所 耗 用 的 金 刚 石 数 量 , 在国内 占5 外耗用的工业金刚石总量中上升 到 第 一 位 , 0% 左 右. 近年来 , 又出现了光伏行业加工单晶硅和多晶硅的 金刚石线锯 . — — — 刀具热 1. 4 第四次浪潮 ( 2 0 世纪 9 0 年代起 ) 超硬材料刀具 (车 刀 、 铣 刀、 铰刀等) 是现代制造 业必不可少的新型刀具 . 金刚石 聚 晶 ( 刀 具 :加 工 对 象 为 有 色 金 属 P C D) ( 、 木材 、 塑胶 . A l合金 、 C u 合金 ) 立方氮化 硼 ( 刀 具: 加工对象为硬而韧的 P C B N) 合金钢等难加工钢材 . 金刚石刀具和立 方 氮 化 硼 刀 具 的 出 现 , 意味着刀 具材料的革命性变化 , 解决了难以加工的硬脆材料和 硬韧材料的加工问题 . 金刚石刀具具有 很 高 的 耐 磨 性 , 金刚石车刀比硬 质合金车刀寿命长上百倍 . 在加工汽车发动机汽缸时 , 利用金刚石车刀进行 精 车 , 达到很高的尺寸精度和表 可以收到以车代磨的显著效果 . 面粗糙度 , C B N 车刀具有 极 低 的 表 面 粗 糙 度 以 及 极 高 的 热 硬性 ( 这种“ 红硬性” 可用 1 4 0 0 ℃ 时仍保持其硬度) . 于高速 干 切 削 , 高速切削产生的高温软化了被加工材
图 4 圆锯
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中原工学院学报
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改善了材料的可加工性 . 该车刀在工业发达国家已 质, 广泛用于精密数控 机 床 、 多 用 途 机 床、 专 用 高 速 机 床、 柔性加工系统的自动化生产线 . — — — 整体热 1. 5 第五次浪潮 ( 2 1 世纪 ) 进入本世纪以来 , 各种超硬材料工具在我国和世 界上许多发达国家得到了蓬勃发展 , 进入了多品种 、 系 专用化 、全方位大发展的阶段 . 列化 、 我国已成为世界 超 硬 材 料 第 一 大 国 . 超硬材料及 制品行业被列入 “ 十 二 五” 规 划 重 点 发 展 领 域, 并且被 列入战略性新兴产业 . 除了 上 述 的 磨 具 、 钻 头、 锯 片、 刀具等四大类工具 之外 , 以下几类制品也都正在蓬勃发展 .
国内外超硬材料制品的新发展
2 2 ,李利红2, ,刘 杰2 王秦生1, 林 玉2,赵清国1,
( ) 中原工学院 , 郑州 4 河南省金刚石及制品工程技术研究中心 , 郑州 4 1. 5 0 0 0 7; 2. 5 0 0 0 1 摘 要: 锯切工具 、 钻进工具 、 切削刀具等 几 大 类 广 泛 应 用 的 超 硬 材 料 工 具 以 及 用 于 激 光 、 射频等的 介绍了磨削工具 、 金刚石功能元件 , 并从产品 、 工艺装备 、 制造技术等方面介绍了近些年来国内取得的新进展 . 关 键 词: 加工工具 ; 发展 超硬材料制品 ; : / 中图分类号 : G 7 文献标志码 : O I 1 0. 3 9 6 9 . i s s n . 1 6 7 1-6 9 0 6. 2 0 1 3. 0 1. 0 1 1 T A D j
代制造业中数控机床 、 自动加工线 、 柔性加工中心配套 的必不可少的先进加 工 工 具 , 在“ 十 二 五” 规划中被列 入战略性新型产业 . 金刚石磨具和立方氮化硼磨具越来越多地取代用 普通磨料制造的 碳 化 硅 磨 具 和 刚 玉 磨 具 . 所 谓 A( a l i - , 、 刚玉 ) 立 方 氮 化 硼) u m i n a b o r a z o n, C( c a r b o → B( - , 碳化硅 ) 金刚石 ) 进展 , 即“ r u n o u m, d i a m o n d A→ →D( 、 ” , B C→D 进展 是世界公认的磨 料 磨 具 工 业 发 展 的 路
2] 径[ .
— — — 钻头热 1. 2 第二次浪潮 ( 2 0 世纪 7 0 年代起 ) ) 钻进工具 ( 图3 包括以下 4 类 : — —用 金 刚 石 单 晶 或 柱 状 聚 晶 制 造 而 地质钻 头 — 成, 用于地质勘探取岩芯 . — — 用聚晶复合片制成 , 石油钻头 — 用于打油井 , 进 行石油开采 . — — 又称薄壁钻 , 工程钻头 — 用于工程施工中钻孔 、 打巷道等 . — — 在宝石 、 套料刀 — 玉 器、 光 学 玻 璃 加 工 中, 用于 套料或掏孔 . 在我国普遍开展 的 大 规 模 地 质 勘 查 工 作 中 , 金刚 石钻头逐渐替代钢质钻头 , 并得到推广应用 . 金刚石钻 头可以一次连续钻进上千米的地层而不需要像其他钻 头那样多次提钻更换 钻 杆 , 而且可以钻透最硬的碧玉 级地层 ; 钻井口径 小 、 井 斜 度 小, 效 率 高, 消 耗 动 力 少、 , 圆锯 : 大型 ( 单锯或组 1 0 0 0mm~ 5 0 0 0mm) ; 合锯 , 用于 解 板 ( 锯 切 整 块 板 材) 中型( 3 0 0 mm ~ ,用 于 板 材 分 割 ;小 型 ( 5 0 0 mm ) 1 0 0 mm ~ ) , 用于现场施工中切割边角料 2 0 0mm .
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