張云才,李仁德,胡歡

(黑旋風(fēng)鋸業(yè)股份有限公司,湖北宜昌 443000)

超薄大型金剛石鋸片基體的研究開發(fā)

張云才,李仁德,胡歡

(黑旋風(fēng)鋸業(yè)股份有限公司,湖北宜昌 443000)

針對超薄大型金剛石鋸片基體研發(fā)過程中材料的合理選擇、熱處理、磨削加工及應(yīng)力處理等重要工序或關(guān)鍵加工技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的分析,并探討了各關(guān)鍵重要工序或關(guān)鍵加工技術(shù)的加工控制要求,以期為該類產(chǎn)品加工制造提供參考。

超薄大型金剛石鋸片基體;熱處理;磨削;應(yīng)力處理

1 前言

目前,在開采礦山荒料方面,政府明確要求重視礦體的保護(hù),提高礦山資源的綜合利用率,減少對環(huán)境的破壞,而傳統(tǒng)方式采用炸藥爆破式開采,成材率低,開采成本高、對環(huán)境破壞大;金剛石繩鋸開采操作難度大、設(shè)備投入大、成本高;靜態(tài)裂石法開采效率低、成本高。以上傳統(tǒng)方式已經(jīng)不符合現(xiàn)代化開采方式的要求;另一方面,國內(nèi)外市場對大幅面石材板料的需求又在不斷上升,傳統(tǒng)的金剛石鋸片由于直徑的限制,不能滿足切割大板的要求,而采用金剛石框架鋸條、金剛石繩鋸、砂鋸等切割方式效率低下、投入大、成本高,亦不能很好滿足現(xiàn)實的切割需要。為此市場急需一種大規(guī)格的金剛石鋸片用于上述領(lǐng)域的切割,以提高工效,降低成本。

超薄大型金剛石鋸片基體(直徑為Φ2300～Φ3600mm,而厚度僅為3.5～9.0mm)是一款節(jié)能型產(chǎn)品,主要應(yīng)用于大規(guī)格板材的切割、礦山石材荒料的開采等領(lǐng)域。其具有諸多優(yōu)點,主要表現(xiàn)在:鋸片厚度在常規(guī)基礎(chǔ)上減薄,減少了金剛石刀頭的消耗、出材率提高、切割阻力變小、能耗降低等。常規(guī)厚度的超大鋸片基體徑厚比大,已屬于薄壁件(機械加工行業(yè)徑厚比超過150),剛性差、熱處理難度大、易變形、很難達(dá)到理想的指標(biāo),加工起來已經(jīng)有相當(dāng)大的難度。而本產(chǎn)品在常規(guī)超大鋸片基體厚度基礎(chǔ)上,極大的減薄了產(chǎn)品厚度,徑厚比更大,剛性下降更加明顯,滿足切割要求更加困難。

2 超薄大型基體加工關(guān)鍵技術(shù)研究與控制

黑旋風(fēng)鋸業(yè)股份有限公司(以下簡稱“黑旋風(fēng)鋸業(yè)”)通過產(chǎn)品的研制開發(fā),選用具有自主知識產(chǎn)權(quán)的50Mn2V鋸片專用鋼種,滿足了基體對材料強韌性的要求;通過特殊的熱處理工藝,減少產(chǎn)品的變形、開裂,嚴(yán)格控制產(chǎn)品平面度、端跳,同片硬度差,保證高效、穩(wěn)定的切割性能;通過對磨床等專用加工設(shè)備的研制改造,達(dá)到項目產(chǎn)品的加工要求,保證磨削后產(chǎn)品的厚度差、平面度符合標(biāo)準(zhǔn);通過技術(shù)開發(fā),對項目產(chǎn)品靜不平衡量進(jìn)行控制,防止切割時抖動大、偏擺大、金剛石刀頭消耗不一致等現(xiàn)象;通過對預(yù)置張力的處理,減低或抵消鋸片外部因熱效應(yīng)而產(chǎn)生的負(fù)面影響,從而提高基體剛性,使產(chǎn)品的使用壽命、切割品質(zhì)和切割效率得到提高。

2.1 鋸片基體用材料的合理選擇

傳統(tǒng)的小規(guī)格鋸片基體用材一般選用65Mn等高碳彈簧鋼,但由于鋸片基體直徑的特大型化,從而導(dǎo)致鋸片基體齒部的線速度高,最大線速度達(dá)到72m/s,對鋸片基體的沖擊力大大提高,這就要求產(chǎn)品所選用的材料要有較好的韌性;同時產(chǎn)品的徑厚比大,為保證產(chǎn)品的正常切割,材料又要有較好的剛性。為保證產(chǎn)品用材的剛性與韌性的合理統(tǒng)一,采用了黑旋風(fēng)鋸業(yè)公司自主研發(fā)的50Mn2V鋸片基體專用鋼鋼種。該鋼種與其他鋸片用鋼相比,在相同的條件下具有較高的塑性和韌性,同時其它性能如材料的疲勞強度、延展性等亦優(yōu)于其它鋼種。

在材料的化學(xué)成分選擇上,選擇中碳含量,同時在鋼中加入釩原素,細(xì)化了材料的晶粒度,提高了項目產(chǎn)品的抗沖擊力與抗拉強度。同時該材料在熱處理過程中由于Mn含量較高,并由于有意識地增加Cr的含量,因而材料的淬透性好,變形小、不易開裂、易于整平,同時熱穩(wěn)定性高。

表1 50 Mn2V鋼材料化學(xué)成分(質(zhì)量百分?jǐn)?shù),%)Table 1 Chemical components of 50 Mn2V steel (Mass fraction,%)

超薄大型金剛石鋸片基體主要用于礦山開采和切割超大板材,需較高紅韌性以保證產(chǎn)品在切割受熱時保持項目產(chǎn)品幾何尺寸、平面度、硬度等重要參數(shù)的穩(wěn)定,同時,在較高塑性的條件下也要有好的剛性與抗疲勞性、以保證基體不易產(chǎn)生裂紋、從而保證產(chǎn)品的使用壽命,因此50Mn2V作為超薄大型金剛石鋸片基體用鋼與傳統(tǒng)的鋸片用材65Mn、75Cr1等具有非常獨特的性能優(yōu)勢。

所用的特種鋼材料經(jīng)過熱處理后的機械性能如下:抗拉強度Rm(MPa)1430～1460;屈服強度Rp0.2 (MPa)1090～1150;伸長率A(%)13.5～12.5;硬度HRC 43.0;沖擊功AKU2(J)19/26/18。以上數(shù)據(jù)所用特種鋼試驗用試樣長度取向均沿鋼板軋制方向。

2.2 熱處理關(guān)鍵技術(shù)控制

由于該類產(chǎn)品外徑大,厚度薄,采用常規(guī)的熱處理辦法會因其表面積大,厚度薄不可避免地會產(chǎn)生由于各部分冷卻速度不同而造成溫度差異,引起鋼的體積收縮不均勻,從而導(dǎo)致熱應(yīng)力的產(chǎn)生而變形、開裂等,如何減少變形、防止開裂是此類產(chǎn)品熱處理的關(guān)鍵技術(shù)。

在解決此類問題時,黑旋風(fēng)鋸業(yè)公司項目組設(shè)計了專用的淬火壓床,自動控制下壓力與噴油流量,參照50Mn2V鋼CCT曲線(圖1),合理設(shè)計淬火冷卻曲線,保證產(chǎn)品在淬火時在由奧氏體轉(zhuǎn)變成馬氏體的相變過程中是在壓床內(nèi)的壓制下完成的組織轉(zhuǎn)變,從而抑制了相變過程中產(chǎn)生的應(yīng)力而帶來的形變。同時為保證產(chǎn)品硬度的均勻性,減少產(chǎn)品同片硬度差,設(shè)計了自動控溫裝置、自動噴油裝置,保證了淬火后硬度差值控制在3HRC以內(nèi)。設(shè)計了專用的回火加壓裝置,保證了回火后產(chǎn)品變形量≤1.5mm。

表2 50Mn2V鋼材料相變臨界點(℃)Table 2 critical point of phase transformation of 50Mn2V steel(℃)

2.3 磨削加工關(guān)鍵技術(shù)控制

該類型產(chǎn)品直徑大,對厚度公差要求嚴(yán)格。普通磨床難以控制其磨削后的厚度公差,為此解決磨削問題需要自主研發(fā)專用的設(shè)備和工裝。再者,大直徑圓盤類工件在磨削后,極易產(chǎn)生磨削形變。因此通過對專用磨床進(jìn)行自主研發(fā),滿足了產(chǎn)品加工厚度差的要求,能保證厚度差≤0.25mm;為減少磨削變形,采用“磨校結(jié)合”、“磨回結(jié)合”的磨削工藝,保證了產(chǎn)品磨削后基本不變形,甚至通過磨削可以減少變形。超薄大型金剛石鋸片基體精磨加工技術(shù)指標(biāo)如表3所示。

表3 超薄大型金剛石鋸片基體精磨加工技術(shù)指標(biāo)Table 3 accurate grinding process technology indicators of the matrix of ultra-thin large-scale diamond saw blade

2.4 應(yīng)力處理關(guān)鍵技術(shù)控制

圓盤類工件剛性與直徑、厚度存在直接聯(lián)系。該類產(chǎn)品在直徑變大、厚度減薄的情況下,剛性下降明顯。產(chǎn)品剛性不足,將直接導(dǎo)致產(chǎn)品不能滿足正常的切割。通過應(yīng)力的調(diào)整及分布來彌補產(chǎn)品直徑變大、厚度減薄而剛性喪失的缺陷,是彌補剛性的關(guān)鍵技術(shù)。

產(chǎn)品在旋轉(zhuǎn)時,在基體半徑上,從孔一點A到外緣B,其作用力有二點:①切線方向應(yīng)力—@T,②半徑方向應(yīng)力—@R。

徑向與切線方向應(yīng)力解析見圖1:

圖1 50 Mn2V鋼的奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線(CCT曲線)Fig.1 Austenitic continuous cooling transformation curve of 50 Mn2V steel(CCT curve)

圖2 徑向與切線方向應(yīng)力解析圖Fig.2 analysis diagrams of stress of radial and tangential direction

從圖2可以看出,由離心力所產(chǎn)生的切線和徑向上的張應(yīng)力有助于提高基體的剛性(鋸片已達(dá)到臨界速度除外),鋸片離心力不足會導(dǎo)致鋸片產(chǎn)生變形和斷裂等。

基體的旋轉(zhuǎn)速度效應(yīng)見圖3。

項目產(chǎn)品在切割時,基體的外圍處由于切削熱的影響會受熱,將對基體內(nèi)部產(chǎn)生壓應(yīng)力,壓應(yīng)力過大,將導(dǎo)致鋸片無法沿直線方向切割。所以根據(jù)鋸片切割環(huán)境及條件的不同,需要對鋸片應(yīng)力做出不同的應(yīng)力預(yù)處理。

鋸片外部受熱效應(yīng)見圖4。

項目產(chǎn)品在切割時,受力情況如圖5:

圖3 基體的旋轉(zhuǎn)速度效應(yīng)Fig.3 Rotating speed effect of the saw blade matrix

圖4 鋸片外部受熱效應(yīng)Fig.4 effect of external heating of saw blade

圖5 鋸片切割受力示意圖Fig.5 Schematic of blade cutting force

因此,為保證項目產(chǎn)品能正常的切割,除旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力外,還需在產(chǎn)品中預(yù)置一個張應(yīng)力,以此來抵消切割過程中產(chǎn)品受熱后產(chǎn)生的徑向壓應(yīng)力,以保證產(chǎn)品切割后不變形。在項目產(chǎn)品的特定位置上,利用碾壓機(或者是錘擊)碾壓鋸片兩側(cè)的固定直徑部位以內(nèi),這樣就能利用膨脹或不對稱所造成的應(yīng)力來對鋸片做應(yīng)力預(yù)處理。

環(huán)狀張力所產(chǎn)生的應(yīng)力見圖6、圖7、圖8。

圖6 預(yù)置張力示意圖Fig.6 Schematic of preload tension

圖7 預(yù)置張力應(yīng)力分布圖Fig.7 stress distribution diagram of preload tension

圖8 預(yù)置張力應(yīng)力分布圖Fig.8 stress distribution diagram of preload tension

如圖8所示,鋸片基體碾壓或錘擊后內(nèi)部具有壓縮應(yīng)力,外環(huán)具有切線方向上的張應(yīng)力,通過這樣的處理對鋸片的穩(wěn)定性有很大的幫助,可以抵消外圍熱影響及切削力所造成的負(fù)面影響。通常鋸片的穩(wěn)定性會隨轉(zhuǎn)速的提高而增強,但是隨著鋸片旋轉(zhuǎn)速度超過臨界速度時,鋸片將會出現(xiàn)不穩(wěn)定,偏擺大的狀況,從而導(dǎo)致不能正常切割。適當(dāng)?shù)膽?yīng)力調(diào)整,不僅能提高鋸片外環(huán)的剛性,使其固有頻率升高,且發(fā)生振動的臨界速度也隨之提高,超過一般使用時的切削速度。

鋸片基體通過預(yù)置張力的處理后,能夠減低或抵消鋸片外部因熱效應(yīng)而產(chǎn)生的負(fù)面影響,提高產(chǎn)品的固有頻率及臨界速度,從而消除振動現(xiàn)象,提高基體剛性,使成品的使用壽命、切割品質(zhì)和切割效率得到根本提高。

2.5 校平關(guān)鍵技術(shù)控制

對于項目產(chǎn)品如此大直徑、厚度如此薄的圓盤類工件,除在熱處理、磨削等工序要嚴(yán)格控制產(chǎn)品的平面度外,后期還需通過人工校平來達(dá)到預(yù)設(shè)的平面度標(biāo)準(zhǔn)。傳統(tǒng)的金剛石鋸片基體僅通過人工錘擊“鼓包”處就可以消除變形,達(dá)到目的。但是項目產(chǎn)品直徑大,厚度薄,傳統(tǒng)處理方式不能達(dá)到目標(biāo),或許還會起反作用。因此公司研究開發(fā)了“抬片”法的校平方法,該校平方式不僅很好地解決了產(chǎn)品的平面度問題,同時在校平過程中釋放了有害的殘余應(yīng)力,從而提高了產(chǎn)品的平面度,增加了產(chǎn)品的剛性。經(jīng)過使用該校平方法達(dá)到的理想校平狀態(tài)如圖9所示,該校平方法已獲得國家發(fā)明專利授權(quán)。

圖9 “抬片”校平理想狀態(tài)Fig.9 the ideal state of"lift"leveling

3 結(jié)論

為保證超薄大型金剛石鋸片基體熱處理硬度的均勻性和平面度,同時滿足該類產(chǎn)品使用中所要求的產(chǎn)品剛性、強度、平面度及端跳、徑跳等,通過選用黑旋風(fēng)鋸業(yè)自主研發(fā)的50Mn2V鋸片基體專用鋼鋼種作為基體用材,保證了基體在有較高塑性的條件下也有好的剛性與抗疲勞性,產(chǎn)品不易產(chǎn)生裂紋、從而保證產(chǎn)品的使用壽命;通過特殊的熱處理工藝,減少產(chǎn)品的變形、開裂,嚴(yán)格控制產(chǎn)品平面度、端跳,同片硬度差,保證高效、穩(wěn)定的切割性能;通過對磨床等專用加工設(shè)備的研制改造,達(dá)到基體的加工要求,保證磨削后產(chǎn)品的厚度差、平面度符合標(biāo)準(zhǔn);通過對預(yù)置張力的處理,減低或抵消鋸片外部因熱效應(yīng)而產(chǎn)生的負(fù)面影響,從而提高基體剛性,使產(chǎn)品的使用壽命、切割品質(zhì)和切割效率得到提高。黑旋風(fēng)鋸業(yè)公司通過多年的研究和自主創(chuàng)新,攻克了加工超薄大型用金剛石鋸片基體的諸多難題,使超大鋸片減薄成為可能,滿足了行業(yè)的一大需求。

[1] 陳紅成,潘天浩,李仁德,譚國慶.大型金剛石圓鋸片基體在石材開采中的應(yīng)用[J].石材,2009(12):15-16.

[2] 王黔豐,楊春明,張云才,陳祖高,洪余才,蔣光明.超薄金剛石鋸片基體及其制造方法[P].中國,發(fā)明專利,ZL02116752.4.

[3] 耿德旭,王向東,胡波,等.適張度的輥壓加工及對圓鋸片的動態(tài)性能影響[J].東北電力學(xué)院學(xué)報,2003,23(2):53-56.

[4] 李仁德,趙磊,胡歡.碾壓適張工藝對圓鋸片剛度的影響分析[J].石材,2014(2):22-24.

超硬涂層技術(shù)

許多沉積金剛石薄膜的溫度要求為600℃～900℃,因此該技術(shù)常用于硬質(zhì)合金刀具表面沉積金剛石薄膜。金剛石硬質(zhì)合金刀具的商品化,是近幾年涂層技術(shù)的重大成就。

cBN在硬度和導(dǎo)熱率方面僅次于金剛石,熱穩(wěn)定性極好,在大氣中加熱至1000℃也不發(fā)生氧化。cBN對于鐵族金屬具有極為穩(wěn)定的化學(xué)性能,與金剛石不宜加工鋼材不同,它可以廣泛用于鋼鐵制品的精加工、研磨等。cBN涂層除具有優(yōu)良的耐磨損性能外,還可以在相當(dāng)高的切削速度下加工耐熱鋼、鈦合金、淬火鋼,能切削高硬度的冷硬軋輥、摻碳淬火材料和對刀具磨損非常嚴(yán)重的Si—Al合金等。低壓氣相合成cBN薄膜的方法主要有CVD和PVD法。CVD包括化學(xué)輸運PCVD,熱絲輔助加熱PCVD、ECR—CVD等;PVD則有反應(yīng)離子束鍍、活性反應(yīng)蒸鍍、激光蒸鍍離子束輔助沉積法等。cBN的合成技術(shù),在基礎(chǔ)研究和應(yīng)用技術(shù)方面都還有不少工作要做,包括反應(yīng)機制和成膜過程、等離子體診斷和質(zhì)譜分析、最佳工藝條件的確定、高效率設(shè)備的開發(fā)等。

氮化碳有可能具有達(dá)到或超過金剛石的硬度。合成氮化碳的成功,是分子工程學(xué)十分杰出的范例。作為超硬材料的氮化碳,預(yù)期還有其它許多寶貴的物理化學(xué)性質(zhì),研究氯化碳成為世界材料科學(xué)領(lǐng)域的熱門課題。

(中國刀具商務(wù)網(wǎng))

Research and Development of the Matrix of Ultra-thin Large-scale Diamond Saw Blade

ZHANG Yun-cai,LI Ren-de,HU Huan
(HXF SAW CO.,LTD.,Yichang,China 443000)

The key important procedures or techniques in the research and development process of the matrix of ultra-thin large-scale diamond saw blade such as proper selection of materials,thermal treatment,grinding and stress treatment have been analyzed in detail in this article.The processing control requirements of the key important procedures or techniques have also been discussed.Therefore,this article provides a reference for the process and manufacture of this type of product.

matrix of ultra-thin large-scale diamond saw blade;material for the matrix of diamond saw blade;thermal treatment;grinding;stress treatment

TQ164

A

1673-1433(2015)05-0001-06

2015-08-10

張云才(1964-),男,教授級高工。

張云才,李仁德,胡歡.超薄大型金剛石鋸片基體的研究開發(fā)[J].超硬材料工程,2015,27(5):1-6.