未来超硬材料磨具应向“五超”方向发展

 

未来超硬材料磨具的发展趋势...



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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。



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。


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/cm²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,表面粗糙度显著降低。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。

刘学璋等人用不同粒度的纳米金刚石抛光微晶玻璃进行抛光结果见表1。



表1  纳米金刚石的抛光速率和表面粗糙度

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。


超薄
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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。

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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


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