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金刚石圆锯片刀头制造的新工艺

     一、引言   

   在将大理石、花岗石由荒料加工为饰面板材的过程中,锯切加工是极为关键的工序,锯切加工成本占整个石材加工成本的50%以上。因此,降低锯切工具即金刚石圆锯片刀头的制造成本,提高其使用性能和寿命,就成为降低石材加工成本的重要途径之一。   

  目前,国内外普遍采用粉末冶金压制成型法制造金刚石圆锯片刀头(节块),但该工艺存在以下不足之处:

  (1)对金刚石品级要求较高;

  (2)对胎体配方的设计和工艺要求较严格,否则金刚石易脱落;

  (3)工艺过程会对金刚石产生热损伤,从而影响金刚石圆锯片的切削性能。    

   采用电镀工艺制造金刚石圆锯片的传统方法是一次成型法,即直接在基体上电镀出金刚石刀头。该方法生产周期长,工艺复杂且需要模具。另一方法为二次成型法,即首先采用电镀工艺制作刀头,然后通过电镀将刀头镶嵌到基体上制成锯片。与一次成型法相比,二次成型法生产周期较短,工艺较简单,不需要模具,成本较低,质量也容易控制。但由于石材工业对切割工具的精度光洁度、平整度、成形性等要求不断提高,采用普通电镀工艺制造金刚石圆锯片仍有较大局限性,由于电流密度的限制,与热压成型法相比生产效率较低,生产批量小。   

   为提高金刚石圆锯片的加工效率,降低加工成本,近年来人们采用了金刚石表面金属化技术、制粒技术、优化锯切参数、锯切工具与被加工石材匹配等多种手段[13]来改善金刚石圆锯片的切削性能,但刀头中金刚石利用率低的问题仍未得到很好解决。   

  本文在试验基础上提出一种采用电镀法制造金刚石复合基块,并通过低熔点粉末冶金法将其粘结成金刚石圆锯片刀头的新工艺。该工艺将低温电镀法与粉末冶金热压法相结合,可提高金刚石圆锯片的生产效率和使用性能,从而可有效降低刀具的制造成本,因此具有良好的推广应用价值。   

  二、制造工艺   

  1.电镀法制造金刚石复合基块   

  采用低温电镀法制造金刚石复合基块的工艺流程为[4]:前处理→冲击镀→空镀→上砂镀→加厚镀→水洗→烘干。   

  1)前处理工业生产的金刚石中含有杂质,需要去除后才能使用,否则会造成电镀复合基块中金刚石与胎体间的结合力下降。处理方法为:NaOH溶液加热煮沸→水洗→稀硝酸加热→水洗→镀液预浸泡。通过强碱与强酸的联合处理,可去除金刚石表面的有机物和金属杂质。经过镀液浸泡处理,可增加金刚石与镀液的浸润性,从而提高金刚石与胎体材料间的结合力。电镀基体在沉积之前要进行除油处理并充分水洗,以避免沉积面有绝缘处并保护镀液不受污染。   

  2)复合沉积选用1mm厚的铜板作为基体,经除油、清洗后用夹具夹持牢固。夹具将铜板分割为多个24mm×12mm(尺寸可根据需要设计)的小块,经复合电镀沉积金刚石与金属后,从每一小块表面即可得到一片金刚石电镀复合基块。夹具原理图如图1所示。   

  电镀时,以铜板为阴极,通电后先进行预镀,然后在铜板上均匀撒上一层金刚石(称为上砂),以小电流密度电镀一定的时间后下砂,随后加大电流密度进行加厚镀。当大部分或全部金刚石被电沉积金属埋入时,取出夹具,用水清洗后从铜板基体上揭下沉积好的复合基块。最后,对复合基块进行烘干处理,以供制造刀头时使用。
 
每一复合基块的尺寸为24mm×12mm,其厚度主要取决于加厚镀的沉积时间和电流密度,一般与复合基块中使用的金刚石磨粒的直径值相近。图2为金刚石电镀复合基块的表面形貌。
   

  2.粉末冶金热压法制造刀具   

   采用低熔点粉末冶金热压法将多个金刚石电镀复合基块粘结在一起,制成分层的金刚石圆锯片刀头。粘接剂采用以铜为主、其它廉价金属为辅的低熔点金属粉末。加工石材的材质不同,选用的金属种类及配比也不相同。   

   制造刀头的模具仍采用传统工艺规格(24mm×12mm×9mm)。金刚石电镀复合基块的组装层数可根据被加工石材材质的不同而加以调整,一般来说,石材晶粒越粗大,层数可越少。   

   由于采用了低熔点金属粉末作为粘结剂,因此可采用较低的烧结温度,从而降低了金刚石的热损伤程度。金刚石圆锯片刀头的制造也可采用冷压成型或真空烧结工艺。   

  三、关键技术   

   1.金刚石电镀复合基块的质量   

  由于采用金刚石电镀复合基块取代了金刚石磨料层,复合基块上的金刚石成为锯切加工的主体,因此复合基块的质量对刀头质量起着重要作用。复合基块的质量取决于电镀时选用的金刚石质量以及电镀过程的工艺控制。因此,要求电镀过程能沉积出组织细密的胎体材料,并对固化在其中的金刚石有良好的把持力。为此,需选择合理的沉积合金和电镀工艺参数,并制定正确的上砂工艺。   

  2.复合基块之间的粘结   

   复合基块之间的粘接质量决定了金属粉末层与复合基块磨料层之间的结合力,结合力的大小对锯切加工性能有着重要影响。如果电镀复合基块时金刚石埋入较深,则金属与复合基块之间的连接转化为电镀胎体金属材料与粉末冶金金属材料之间的连接,在这种情况下,两者之间的结合力较强,刀具可以承受较大的锯切负荷。

  四、结论   

  1)由于主要采用低熔点金属粉末作为粘结剂,并采用较低的热压温度,因而降低了金刚石的热损伤,并解决了金刚石的氧化问题。由于烧结温度较低,降低了烧结难度;   

  2)磨料的把持力由电镀工艺决定,并易于获得良好的把持力;   

  3)电镀金刚石制品可采用较高的磨料浓度,因而锯片锋利,可提高锯切加工效率;   

  4)金刚石电镀复合基块的制备可选用Ⅱ、Ⅲ型低品级金刚石。由于刀头制造成本中金刚石的成本占有较高比例,因此可大幅度降低金刚石圆锯片刀头的制造成本。