（机械制造及其自动化专业论文）钎焊金刚石磨具加工石材的磨损和工艺参数优化.pdf

哈尔滨理工人学r t 学硕i j 学位论文 钎焊金刚石磨具加工石材的磨损和工艺参数优化 摘要 石材异性制品中存在尤为突出的两个问题：加工成本高，加工效率低。 而在石材制品的加工过程中金刚石刀具是决定加工成本和效率的关键。 本课题首先选定a g 、c u 、z n 、n i 、c o 、m n 作为钎料的主要组成元素 焊料配方，共配制了6 种合金，经过综合比较合金的熔化温度、抗剪强度和 钎焊工艺性，最后选定3 种合金作为钎焊单晶会刚石磨粒的钎料。其中对 a g c u t i 钎料以合金箔和a g c u 共晶合金箔与t i 箔共同使用两种形式进行 了焊接试验，在焊接试验中建立了二次感应钎焊新的工艺方法。在数字显微 系统下观察钎焊后工具的微观形貌，分析钎焊时问对钎焊质量的影响。a g c u t i 合金箔钎料的溶化温度为8 9 0 。c ，钎焊温度为9 4 0 c ，选择比钎料溶化 温度高5 0o c 的温度作为钎焊温度可使焊接界面达到较高的结合强度。在9 4 0 的钎焊温度下，真空钎焊无镀膜金刚石磨粒与4 5 钢基体，用a g c u t i 合 金箔钎料的焊接强度比用a g c u 共晶合金箔与t i 箔复合钎料的焊接强度 高。 在研究了会刚石的钎焊工艺和刀具磨损规律的基础之上，为了提高石 材的加工效率并减少刀具磨损量，利用钎焊会刚石刀具加工花岗岩和大理 石两种石材来进行对比试验研究。在实验过程中，工艺参数选取切削速 度、进给速度和切削深度三个因素，每个因素又选择三个水平，利用萨交 实验设计方法进行实验研究。综合考虑大理石和花岗岩加工过程的切削力 和切削效率的变化趋势，利用趋势图和极差分析，得出了莱阳绿大理石加 工时切削力最佳的工艺参数组合为切削速度为15 m m s ，进给速度为 4 0 m m s ，切削深度为3 0 m m 。而巴西黑花岗岩的最佳工艺参数组合为切削 速度1 7 m m s ，进给速度为4 0 m m s ，切削深度为2 0 m m 。通过对实验结果 进行方差分析，研究工艺参数对切削力和切削效率影响的显著性。得出进 给速度对切削效率和切削力有较大的影响，而切削深度有显著的影响。通 过回归分析，建立了切削力的数学模型。 本课题的研究旨在降低生产成本、提高加工效率，因此其研究成果对我 国石材异型制品的加工生产具有现实指导意义；同时课题的研究思路和研究 方法对石材异型制品加工的理论研究也将产生深远影响。 关键词钎焊金刚石；石材；磨具磨损；加工效率；工艺参数； 哈尔滨理t 大学t 学顾f ：学位论文 b r a z i n g o fd i a m o n da b r a s i v ep r o c e s s i n gs t o n ew e a r a n dt e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e r so p t i m i z a t i o n a b s t r a c t t h e r ea r et w oq u e s t i o n sa b o u ts t o n ep r o d u c t ss t i l le x i s t ：h i g hp r o c e s s i n g c o s t s ，i n e f f i c i e n tp r o c e s s i n g b u td i a m o n dt o o li st h ek e yt od e t e r m i n ep r o c e s s i n g c o s t sa n de f f i c i e n c y t h i si s s u ec h o s ea g ，c u ，z n ，n i ，c o ，m na st h em a j o re l e m e n t so f s o l d e rf i r s t l y , m a k eu ps i xk i n d so fa l l o y st o t a l l y ，a f t e rc o m p a r i n gt h em e l t i n g t e m p e r a t u r ea l l o y ，a n dt h es h e a rs t r e n g t ho ft h eb r a z i n gp r o c e s s ，f i n a l l ys e l e c t e d t h r e ek i n d so fa l l o y sa sas i n g l e - c r y s t a ld i a m o n da b r a s i v eb r a z i n gt h ef i l l e rm e t a l i tw a sm a d eaw e l d i n gt e s to fa g o c u t if i l l e rm e t a li nf o i la n dp o w d e rt o g e t h e r i nt w of o r m s ，s e tu pan e wi n d u c t i o no ft w i c eb r a z i n gp r o c e s si nw e l d i n gt e s t a t t h em i c r o s c o p ys y s t e mt oo b s e r v et h em i c r o s t r u c t u r ea f t e rb r a z i n g ，a n a l y s i st h e e f f e c to fb r a z i n gt i m eo nt h eb r a z i n gq u a l i t y m e l t i n gt e m p e r a t u r eo fa g c u t i a l l o ys o l d e ri s8 9 0 c ，b r a z i n gt e m p e r a t u r ei s9 4 0 。c ，i ti s5 0 ch i g h e rt h a nt h e b r a z i n gt e m p e r a t u r e ，a n dt h ew e l d i n gi n t e r f a c ec a nr e a c hah ig h e rb o n ds t r e n g t h w h e nb r a z i n gt e m p e r a t u r ea t9 4 0 c ，b r a z i n gn o n c o a t e dd i a m o n da b r a s i v ew i t h 4 5 # s t e e lm a t r i xi nv a c u u me n v i r o n m e n t ，t h ew e l d i n gi n t e n s i t yu s i n ga g - c u - t i a l l o ys o l d e ri sm o r es t r e n g t ht h a nu s i n ga g - c ue u t e c t i cw i t ht ic o m p o s i t es o l d e r o nt h eb a s i co fs t u d i e dd i a m o n db r a z i n gp r o c e s sa n dt o o lw e a rl a w ，u s i n g b r a z i n gd i a m o n dt o o l sp r o c e s s i n gg r a n i t ea n dm a r b l es t o n et oc o n t r a s tt h et w o p i l o ts t u d i e s i nt h ee x p e r i m e n t a lp r o c e s s ，p r o c e s sp a r a m e t e r ss e l e c t e dc u t t i n g s p e e d ，f e e dr a t ea n dc u t t i n gd e p t h ，e a c hf a c t o rh a st h r e el e v e l so fs e l e c t i o n ，u s i n g o r t h o g o n a le x p e r i m e n t a ld e s i g nm e t h o dt os t u d ye x p e r i m e n t g e n e r a lc o n s i d e r t h ec u t t i n gf o r c ea n dc u t t i n ge f f i c i e n c yt r e n d so fm a r b l ea n dg r a n i t ep r o c e s s i n g ， u s i n gu s et r e n d sa n dr a n g ea n a l y s i s ，o b t a i n e dt h a t t h eb e s tc o m b i n a t i o no f p r o c e s sp a r a m e t e r so fm a c h i n i n gm a r b l ec u t t i n gf o r c ef o rt h ec u t t i n gs p e e d i s 15 r a m s ，f e e dr a t ei s4 0 m m s ，c u t t i n gd e p t hi s3 0 m m a n db e s tc o m b i n a t i o n i i 哈尔滨理t 人学t 学硕i ：学位论文 o fp r o c e s sp a r a m e t e r so fg r a n i t ef o rc u t t i n gs p e e di s17 m m s ，f e e dr a t ei s 4 o m m s ，c u t t i n gd e p t hi s2 0 m m t h r o u g ht h ev a r i a n c ea n a l y s i so fe x p e r i m e n t r e s u l t s ，s t u d ys i g n i f i c a n to fp r o c e s sp a r a m e t e r so nc u t t i n gf o r c ea n dc u t t i n g e f f i c i e n c y c o m et ot h ec o n c l u s i o nt h a tf e e dr a t ei m p a c to nc u t t i n ge f f i c i e n c ya n d c u t t i n gf o r c ea r eh i g h l ys i g n i f i c a n t ，a n dt h ed e p t ho fc u th a sas i g n i f i c a n te f f e c t t h r o u g ht h ev a r i a n c ea n a l y s i so fe x p e r i m e n tr e s u l t ，u s i n gr e g r e s s i o na n a l y s i s ，s e t u pam a t h e m a t i c a lm o d e lo fc u t t i n gf o r c e t h er e s e a r c hp r o je c t sa i mi st ol o w e rp r o d u c t i o nc o s t s ，i m p r o v ep r o c e s s i n g e f f i c i e n c y t h e r e f o r e ，t h er e s u l t so ft h e i rr e s e a r c hh a v eg u i d i n gs i g n i f i c a n c eo n c h i n a sp r o c e s s i n go fs t o n ep r o d u c t sa n dt h ep r o d u c t i o no f p r a c t i c a l ；a tt h es a m e t i m e ，t h er e s e a r c hi d e a sa n dr e s e a r c hm e t h o d sw i l la l s oh a v ef a r - r e a c h i n ge f f e c t s o ns t o n ep r o d u c t so f p r o c e s s i n ga n di t st h e o r e t i c a ls t u d i e s k e y w o r d sb r a z e dd i a m o n d ；s t o n e ；w e a ro fa b r a s i v et o o l ；m a c h i n i n ge f f i c i e n c y ； t e c h n i c a lp a r a m e t e r s ； i i i 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文钎焊金刚石磨具加工石材的磨 损和工艺参数优化，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位 期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不 包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名： 穷舀 日期。坼年岁月锣日 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 钎焊金刚石磨具加工石材的磨损和工艺参数优化系本人在哈尔滨理工大 学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归 哈尔滨理工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完 全了解哈尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有 关部门提交论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工大 学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分 内容。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用授权书。 不保密团。 ( 请在以上相应方框内打) j 作者签名： 易舍日期：乙列叩年，；月，夕日 导师签名： 日期：脚年乡月9 同 哈尔滨理t 大学t 学硕十学位论文 第1 章绪论 1 1 课题提出的意义和背景 天然石材资源分布广泛，具有坚固耐用等良好的物理化学性能，长期以来 一直被广泛的应用于建筑饰品、生活用具、精密机械、仪器仪表、工艺制品等 领域n 1 。在所有的石材制品中，石材异型制品尤显石材的艺术性和价值。目 前，社会对异型制品的需求量越来越大，许多石材加工企业都扩大制品的生产 规模，这大大促进了石材异型制品加工技术的发展。我国石材异型制品生产的 特点为多品种、小批量、订单式生产，且工期紧、企业多、竞争激烈。因此， 这种生产特点对加工设备提出了更高要求。自2 0 世纪8 0 年代我国先后从意大 利、日本、德国等国家引进了许多先进的异型加工设备。另外，我国也自行研 发了许多先进的异型加工设备，这使得我国在花岗石异型加工设备上已经基本 达到了国际先进水平。目前，大功率、综合化、智能化的先进设备如数控加工 中心等已应用到石材异型制品的生产加工当中。 但在石材异型制品加工工艺方面，我国至今还没有形成系统的、科学的工 艺，只有一些零碎的实验数据或者在生产中积累的经验数据，造成在异型制品 的加工质量和加工效率上跟国外相比差距还很大。日本、意大利等少数几个国 家掌握着先进的加工工艺，其关键技术对外控制极其严格，这使他们牢牢地控 制着国际石材异型制品的市场。在金刚石异型刀具方面，我国目前的状况是品 种多、需求量大。但在刀具的使用寿命和切削效率上还赶不上国外同类产品。 金刚石刀具属于耗材，这使得我们的加工成本很难降下来，市场竞争力还很难 超过国外的厂家他。 据不完全统计，由于真j 下具有高技术含量的金刚石异型刀具和相应异型制 品加工工艺的落后，严重制约着我国石材异型制品生产的发展。一些石材厂家 引进国外先进的加工设备以后，由于加工工艺不合理，不能很好的发挥设备的 优异性能。同时，由于国外金刚石刀具的价格非常昂贵，这种高价位的刀具使 得国内的厂家，在性能价格比很低的情况下，不得不选用国产普通工具。将国 产普通金刚石异型刀具使用在进口的设备上，往往会出现工具与机床的性能不 匹配的现象，使得进口设备的优异性能得不到充分发挥。因此，很多厂家将进 口设备的自动化改为手工控制，甚至使设备闲置，造成资源的严重浪费。因 哈尔滨理t 人学- t 学硕j ：学位论文 此，充分发挥花岗石制品加工设备要以先进的加工工艺和优良的金刚石异型刀 具为前提。 加工天然石材主要运用金刚石刀具。金刚石刀具按照制作方法可分为三类： 粉末冶金烧结，电镀和高温钎焊。钎焊是采用比母材熔化温度低的钎料，操作 温度采取低于母材固相线而高于钎料液相线的一种焊接技术。钎焊金刚石刀具 与以上两种方法得到的工具相比较有以下优点： 1 ) 钎焊金刚石工具借助合金钎料中的强碳化物形成元素与金刚石发生化 学反应。靠金刚石与合金钎料的化学冶金结合把持金刚石，具有较高的结合强 度，有效地提高了金刚石的利用率。砂轮表面容屑空问更加充裕，更不容易发 生切屑堵塞而导致砂轮失效：磨粒的锋利度高且可以长期保持，在与电镀砂轮 相同条件下，钎焊工具磨削力、功率消耗、磨削温度更低，使得工具寿命和加 工效率都达到理想的效果，还可以应用于高速加工1 3 1 。 2 ) 焊接技术可以实现对金刚石磨粒的有序排布，可以根据不同的加工要 求以获得最优化设计的金刚石工具，而且还可以根据磨削过程不同的阶段所要 实现的目标来控制材料的去除机制以达到表面平整的目的h 1 。这样，不仅可以 减少金刚石磨粒的磨损，还可以提高生产效率和生产质量，降低生产成本。 相对传统的金刚石加工工具，钎焊金刚石磨具在加工能力方面得到了很大 的提高。但是，目日玎钎焊工具的应用优势远远没有发挥出来，主要是对这类新 型工具的性能不甚了解。由于加工参数选用的不合理，加工及磨损机理了解不 深入，工具的适应性不清楚，造成钎焊金刚石磨具在磨削过程中不能很好应 用，从而限制了它的进一步推广使用。因此要想降低加工成本，提高加工效率 就必须对钎焊金刚石磨具的加工过程进行深入的研究。近年来随着磨削加工范 围的同益广泛，钎焊金刚石工具技术发展取得了一定的成功，目前研究主要集 中在钎焊工艺，在评价钎焊余刚石磨具磨削加工效果时，更多地注重工具的耐 磨性和切除率。正是由于金刚石钎焊工艺的迅速发展，使得切削效率可以很大 程度上的提高并且可以减少刀具的磨损。通过加工过程试验，利用正交法优化 工艺参数，运用回归分析分别建立切削效率与刀具磨损的数学模型，可以直接 用来指导生产从而进一步改善加工过程提高加工效率和表面质量，将国内的石 材加工技术引向更高更长远的方向发展。 本课题就是在这种背景下提出来的。花岗石作为一种典型的脆性材料，其 平面加工的加工机理与加工工艺已经得到国内外很多专家、学者的重视和研 究，并取得了很多有价值的成果。但在花岗石异型制品加工方面至今还没有进 行广泛深入地研究，尤其在金刚石异型刀具的磨破损规律以及工艺参数、切削 哈尔滨理t 人学- t 学硕i ：学位论文 速度、进给速度、切削深度等方面亟待进行深入系统的研究。 1 2 钎焊金刚石磨具技术的研究现状 如瑞士的akc h a t t o p a d h y a y 采用的钎焊工艺为：先用火焰喷镀法将钎料 合金镀于工具钢基体上，并将金刚石排布于焊料层面上，然后在高温氩气保护 下高频感应钎焊3 0 秒实现金刚石与钢基体的结合嵋1 。钎料合金中的c r 作为一 种强碳化物元素，在钎焊过程中向金刚石表面富集而实现金刚石的表面金属 化。w i a n d 等美国专利上介绍的方法是：焊料金属粉加入有机粘结剂制成钎焊 漆，把包衣金刚石粘在工具钢基体上，然后涂上钎焊漆，再加热到一个适中的 温度并保温一定时间以排除挥发物质。在真空炉( 真空度1 3 3 3x1 0 。2 p a ) 或干式 氢气炉中加热到l1 0 0 。c 左右，保温l 小时，钎焊的同时完成会刚石的表面金属 化哺1 。 德国的at r e n k 等在钎焊过程中分别采用了镍基活性钎料和镍基钎料来实 现金刚石与基体的结合| 7 1 。其与电镀工具的对比见图1 1 。由于电镀会刚石磨 具中金刚石只是被机械包埋在镀层金属中，把持力小，金刚石颗粒在负荷较重 的高效磨削中易脱落而导致金刚石砂轮磨损严重而失效，这大大限制了其在高 效磨削中的应用。由图可以看出，高温钎焊金刚石工具的性能比电镀金刚石工 具优异得多，钎焊工具起始磨削性能是电镀工具的3 5 倍以上，寿命是电镀工 具的3 倍以上；电镀盒刚石工具和钎焊金刚石工具的容屑空问的比较可看出钎 焊工具有较大的容积屑空间，见图1 2 。金刚石磨粒有较大的自由切削面且磨 粒空间较多，使切屑很容易被排除，所以钎焊金刚石工具的磨削性能好。 4 名3 写 l 2 垦 昏 蝼 饰 r 、 、l j 0 24681 01 21 41 6 试验时间m i i l 为活性钎料和p d a 9 8 9 金刚石为活性钎料 和p d a 6 5 5 金刚石- 为电镀镍摹钎料和p d a 6 5 5 金刚石 图卜l 电镀磨头和钎焊磨头的磨削性能比较 f i g 1 1c o m p a r i s o no f g r i n d i n gp e r f o r m a n c eb e t w e e np l a t i n g g r i n d i n gh e a da n db r a z i n gg r i n d i n gh e a d 哈尔滨理t 火学t 学顾i ：学位论文 i 电镀工具表面 钎焊工具的容屑空间 胎体 图1 2 电镀和钎焊金刚石丁具磨削空间对比 f i g 1 - 2g r i n d i n gs p a c e sc o n t r a s tb e t w e e ne l e c t r o p l a t i n ga n db r a z i n g d i a m o n dt o o l s 在国内如华侨大学的黄辉等利用高频感应钎焊的方法，以n i - c r 合金为钎 料，尝试在空气中直接进行金刚石磨粒的钎焊【8 1 。通过适当控制钎焊电流和钎 焊时间，实现了金刚石与钢基体的牢固焊接。磨削试验表明，采用该方法制造 的金刚石工具在金刚石磨粒与基体之间有着较高的结合强度，金刚石磨粒在整 个加工过程中未出现脱落现象，金刚石磨粒的磨损过程为f 常磨损。另外，还 尝试在自制真空炉中利用高频感应钎焊盒刚石节块。通过调整加热时间与加热 功率来控制钎料加热温度，实现金刚石与基体的牢固连接，并制作了金刚石磨 盘。在磨削加工花岗石的过程中，对金刚石磨粒的出露高度、磨粒的磨损状态 进行了跟踪，揭示了钎焊金刚石工具在加工过程中的磨损性能。 南京航空航天大学的武志斌、肖冰等运用高频感应钎焊方法，用合金钎料 n i c r 真空感应钎焊3 0 s ，钎焊温度为1 0 5 0 c ，将金刚石牢固地钎焊在钢基体 上旧1 。经x 射线衍射分析发现，合金钎料与金刚石在界面生成c r 7 c 3 和 c r 2 3 c 7 ，因此这种钎焊工艺可以确保合金钎料层与金刚石之间的高强度结合。 在后续的大负荷磨削实验中，未发生金刚石整颗脱落，说明钎料对金刚石具有 较高的把持强度。 1 3 石材高效j j n - r 技术的发展状况 目前，高效加工技术在各个加工领域都得到了高度重视，尤其是金属加工 领域，高效加工技术研究已经取得了很多成果。为了提高加工效率及加工质 哈尔滨理t 人学t 学硕l j 学位论文 量，在金属加工领域广泛采用高速切削加工技术、缓进给磨削技术、高效深切 磨削技术、砂带磨削技术等手段实现高效率加工n 0 1 。 石材加工领域中，对高效加工的研究相对于金属加工领域来说，差距还很 大。目前国内外此类研究主要集中在花岗石组分对高效加工的影响花岗石高效 锯切研究及花岗石加工最佳工艺参数研究等几个方面h1 2 1 。石材是由天然矿物 组成的，成分复杂，其可加工性随着石材种类的不同有很大的差异，石材的组 分对加工效率也有很大影响，部分学者试图通过对石材本身的矿物成分、化学 组分、硬度及矿物晶体结构的研究找出影响石材加工效率的因素。中国地质大 学的谢晋等采用显微硬度计，对造岩矿物的显微硬度分别进行检测研究。明确 了花岗石表面显微硬度的分布规律，并且利用加权显微硬度值分析花岗石的可 加工性。指出花岗石的加工效率与加权显微硬度具有显著的相关性n 3 一引。也就 是说，花岗石的加权显微硬度值越高，加工效率越低，即越难加工。我国常用 耐磨率表示石材的耐磨性。由于石材成分和结构构造的多样性及影响加工性的 因素复杂，还没有一个单一的指标可判断石材的可加工性。w r i g h t 和c a s s a p i 提出用锯切过程中产生的切削力来判断石材可加工性，这一方法在西欧、日本 等国已广泛应用。根据花岗石的可锯指数把花岗石可锯性分为一、二、三类， 采用耐磨率的倒数作为可磨性指数表示磨削的难易程度“引。 在石材的高效锯切研究中，欧洲石材工业强国联合实施了一项研究计划， 研究探讨实现花岗石超大切深进行加工的可能性，并且报道了相关研究成果。 但是具体的加工效率没有对外报道。在国内华侨大学李远等人进行了花岗石超 大切深锯切机理与技术研究6 。，对花岗石高效锯切做了有益的探索性研究，设 计了适合超大切深的金刚石刀具，进行了对比试验研究，取得了很大的进展。 华侨大学徐西鹏等通过试验研究认为，在锯切过程中起主要切削作用的是 固位在金属结合剂中的金刚石颗粒“7 。，因此，金刚石能否有效而充分地发挥其 切削作用是决定加工成本和能否实现高效锯切的关键。锯切中存在最佳载荷条 件，在该条件下，既足以使花岗石顺利解理，而作用到磨粒上的负荷又最佳， 各种锯切条件的选择应以围绕产生这一最佳载荷条件为前提。 花岗石高效加工工艺参数对其加工效率有很大影响，但是由于花岗石的种 类繁多，加工条件各异，目前为止还没有人对花岗石的高效加工提出指导性的 工艺参数，主要是根据实际情况区别对待。工艺参数研究中最为普遍的就是对 切削力的研究，它一直是各类加工技术中的重要内容，在金属加工领域的切削 力研究己经比较成熟，但是石材加工中由于加工方式繁多，研究成果也不够系 统，还不能广泛推广应用于实际加工过程。尤其是花岗石异型面加工中对切削 哈尔滨理t 大学丁学硕：l ：学位论文 力的研究非常不充分，还在等待更深入的探讨。由于花岗石是一种硬度高、脆 性大、成份复杂的天然材料，加上加工过程的复杂性和随机性，对切削力的纯 理论推导很难和生产实际结果相吻合，因此目前国内外对切削力的研究仍要结 合试验进行。无论是花岗石的锯切，还是异型面成型铣刀的铣削，其本质上都 是金刚石磨料在金属结合剂的把持下对岩石材料的磨削过程。锯切的研究成果 对研究金刚石成型刀具加工异型面的切削力也有一定借鉴作用，但是到目前为 止，国内外文献还未见专门针对金刚石成型刀具的加工切削力研究报道。 国内外学者对花岗石的锯切力的研究做了大量工作，2 0 世纪7 0 年代，德 国学者ab i i t t n e 等就对锯切力进行了试验研究引。在随后的几十年中，很多学 者研究了不同条件下锯切力的变化特征，一方面试图建立锯切力与锯切参数的 对应关系；另一方面试图建立锯片切割性能与锯切力的对应关系。李远等研究 了较大锯切参数范围内锯切力随锯切深度、进给速度、锯切转速、材料去除率 等锯切参量的变化特征以及锯片磨损过程中锯切力的变化引。研究表明磨损过 程中，随着锯切的进行，锯切力逐步增大，最后逐渐趋向平稳，达到较为稳定 的状态。另外一些学者研究了一个新修整的金刚石锯片从开始锯切到磨损平稳 整个过程中锯切力的变化特征，并建立了耐磨度与锯切力比之间的单调对应关 系陀0 2 引。魏昕等还通过实验研究，建立了花岗石锯切过程中锯切力对锯切深 度、进给速度的经验公式【2 引。在锯切力的研究中，通过单颗粒的切削几何参 数，来推导切削力，国内外学者也做了大量的研究。而目前最常用的几何参量 仍然沿用磨削加工中的单颗磨粒最大切削厚度，深入的研究石材加工的切削力 的变化规律对目前石材高效加工有重大的指导意义。 在花岗石高效加工切削温度的研究中，华侨大学徐西鹏他眈刚等对石材磨削 圆弧区温度进行了深入的研究。他们对花岗石磨削温度的研究基本代表了国内 现阶段研究水平。另外，国内还有南京航空航天大学、广东工业大学、武汉理 工大学、中国地质大学等单位对花岗石磨削温度进行了研究和探索。 外国学者通过在金刚石刀具制造时，在结块中埋入温度传感元件用以测量 锯切圆弧区的温度。研究结果显示，在大切深条件下，弧区温度最高不超过 3 0 0 0 c 心9 。虽然国内外学者对石材加工的切削温度做了许多的研究试验但是需 要指出的是，所有以上关于金刚石磨粒磨削石材的温度研究中，在测量数据的 基础上，求解得到的切削弧区温度分布情况只能是估算。要更准确地研究各种 加工条件下磨粒的瞬间磨削温度及弧区温度，还有待于温度测试方法的突破。 现阶段金刚石成型刀具高效加工花岗石理论成果很少，实际生产中加工效率的 提高主要依赖传统的增大机床功率的方式，或凭借操作者工作经验来实现，缺 哈尔滨理t 人学t 学硕i ：学位论文 乏科学的理论指导，严重阻碍了花岗石异型面高效加工技术的发展步伐。 1 4 本课题的主要研究内容 钎焊金刚石磨具在石材加工中具有无可比拟的优势，但是目前钎焊金刚石 工具的应用优势远远没有发挥出来。由于加工参数选用的不合理，加工及磨损 机理了解不深入，工具的适应性不清楚，造成钎焊金刚石磨具在磨削过程中不 z 月匕v - , ，t t k b 好应用，从而限制了它的进一步推广使用。因此要想降低加工成本，提高 加工效率就必须对钎焊金刚石磨具的加工过程进行深入的研究。目前研究主要 集中在钎焊工艺，在评价钎焊金刚石磨具磨削加工效果时，更多地注重工具的 耐磨性和切除率。正是由于金刚石钎焊工艺的迅速发展，使得切削效率可以很 大程度上的提高并且可以减少刀具的磨损。通过设计加工过程实验，利用j 下交 法优化工艺参数，运用回归分析分别建立切削效率与刀具磨损的数学模型，可 以直接用来指导生产从而进一步改善加工过程提高加工效率和表面质量，将国 内的石材加工技术引向更高更长远的方向发展。 本文研究的工作主要包括以下几个方面： 1 、在阅读大量中外文献资料的基础上对国内外关于钎焊金刚石工具的焊 接机理及其焊接工艺方面的研究和石材高效加工技术方面的研究状况做出了比 较全面的综合论述，并给出了课题研究背景。 2 、研究钎料合金对金刚石的焊接性能的影响因素，研制出a g c u n i 、 a g c u c r 、a g c u t i 三种钎料配方进行钎焊试验，其中对a g c u t i 钎料以合 金箔和粉末两种形式进行了焊接试验，在焊接试验中建立了二次感应钎焊新的 工艺方法。 3 、用a g - c u - t i 钎料制备会刚石成型磨削砂轮，通过试验评价钎焊金刚石 工具的焊接性能、加工性能和磨损损耗性能，并通过显微观察分析研究了钎焊 金刚石砂轮的磨破损规律。 4 、用钎焊金刚石成型磨削砂轮对莱阳绿大理石和巴西黑花岗石两种石材 进行磨削加工的试验研究，用回归分析方法建立石材磨削模型，分析各种切削 用量对石材去除率和钎焊金刚石工具磨耗比的影响，利用优化设计软件实现磨 削用量的优化选择，达到了加工前的预测并实现了高效磨削的目的。 哈尔滨理t 大学丁学顾l ：学位论文 1 5 本课题的来源及研究目的 本课题来源于黑龙江省科技攻关课题“钎焊单晶金刚石磨具加工石材技术 研究”( 项目编号：g c o l k a 2 3 7 ) 。 本课题的研究主旨在于降低石材加工的生产成本、提高加工效率，一方面 可以直接用来指导生产，提高石材异型制品的加工效率和质量，具有重大的经 济效益和社会效益；另一方面为改进金刚石异型刀具提供理论依据和实验数 据，改善钎焊金刚石刀具的磨削性能，提升我国金刚石异型刀具的切削性能和 工艺性能。因此，其研究成果对我国石材异型制品的加工生产具有现实指导意 义；同时，课题的研究思路和研究方法对石材异型制品加工的理论研究将产生 深远影响。 哈尔滨理t 人学丁学硕l ：学位论文 第2 章金刚石磨具焊接机理及钎焊试验研究 2 1 金刚石钎焊机理的研究 金刚石凭借其高硬度以及优良的机械性能，使得金刚石工具成为加工各种 硬质材料所不可缺少的工具。由于金刚石与一般金属和合金之间具有很高的界 面能，致使金刚石的钎焊性较差。其难点主要在于：大多数常用钎料对金刚 石难于润湿或不能润湿；金刚石的线膨胀系数低于大多数金属材料；钎焊 温度受到金刚石石墨化转变温度的限制，从而为得到高强度接头造成困难。大 部分的各种金属基体的金刚石工具，金刚石颗粒仅仅被机械地镶嵌在金属基体 中，在使用时，金刚石极易脱落。因此，寻求钎焊金刚石合金材料和探索合金 钎料对金刚石浸润和粘结机理，以实现金刚石与合金钎料之间有较好的化学冶 金结合，增强金属基体对金刚石的把持力，是提高金刚石工具水平的关键因 素。 2 1 1 金属合金与金刚石表面的浸润性 金刚石特殊的晶体结构使得金刚石同其它金属或合金之间存在很高的界面 能，不能为一般低熔点的合金所浸润，可焊性很差。影响润湿性的主要因素有 钎料和被焊金属化学成分和钎焊温度，但就其本质是由材料的电子结构决定， 钎料和被焊材料焊合面上晶体的错配度对润湿性有决定性的影响。关于金刚石 的浸润性问题，许多学者种作了详细研究1 。研究发现，舢、f e 、c o 在液态 时能浸润金刚石，但在能浸润的温度下，它们对金刚石的侵蚀都很严重。t i 、 z r 、c r 、v 等碳化物形成元素，虽然都能很好地浸润金刚石，但是它们的熔化 温度一般大于1 6 0 0 0 ，在这个温度下金刚石将会严重石墨化。为了实现钎料对 金刚石良好的浸润和减少金刚石的热损伤，目前采用的工艺方法有两种，一种 是在低熔点的合金钎料中加入某些活化元素以改善对金刚石的浸润性和亲和 力；另一种方法是在金刚石表面镀覆金属，这样在采用高熔点的钎料时能有效 的保护金刚石，减少其热损伤门“3 2 3 引。 在钎料中加入某些活性元素可以改善液态金属对金刚石的润湿性机理，主 要是由于它们在接触界面处偏析，并与金刚石发生强烈化学反应，生成连续的 碳化物薄层，降低了液态金属与金刚石i 日j 的表面能，于是合金对金刚石的浸润 哈尔滨理t 大学t 学硕十学位论文 和焊合转化为合金对生成碳化物界面的浸润和焊合，见图2 1 所示。 铜合金 碳化 图2 1 合金对金刚石的浸润性和粘结机理 f i g 2 一lw e t t a b i l i t ya n db o n d i n gm e c h a n i s mo fa l l o y f o rd i a m o n d 合金 目前用来钎焊金刚石颗粒的钎料基本上有两种类型：低熔点合金钎料和高 熔点合金钎料。其中低熔点合金钎料有铜基和银基两种、系列有a g c u t i ， a g c u c r 和c u s n t i 等：高熔点合会钎料主要有n i c r 合会钎料“。采用低 熔点合金钎料，主要是考虑减少金刚石的热损伤，金刚石在空气中的开始石墨 化温度在7 0 0 c 左右，在真空中为1 0 0 0 左右，而以上低熔点合金钎料的熔化 温度一般只有7 8 0 8 8 0 怕5 。这样，既能使钎料很好地浸润金刚石，又能有效 的控制了金刚石的石墨化程度。但是，无论是铜基还是银基合金钎料，它们的 耐磨削高温性能差，钎料本身的强度低，钎焊后的磨具难以实现重负荷磨削。 而n i c r 合金钎料的耐磨削高温性能好，本身强度高。下面列举一些金属元素 和合金对金刚石的表面浸润性，如表2 1 和2 2 所示。 表2 1 某些纯金属溶液对金刚石的浸润性 t a b l e 2 - 1w e t t a b i l i t yo fs o m ep u r em e t a ls o l u t i o nf o rd i a m o n d 金属元素测定温度( ) 浸润角( 。) c u1 1 5 01 4 5 a g 1 0 0 01 2 0 a u1 1 5 01 5 0 g e1 1 3 0l1 5 s n1 1 5 01 2 5 i n8 0 01 2 0 s b9 0 0ll o p b 1 0 0 07 5 a l8 0 08 0 哈尔滨理t 大学工学硕一l ：学位论文 表2 2 某些合金对金刚石的浸润性 t a b l e 2 - 2w e t t a b i l i t yo fs o m ea l l o yf o rd i a m o n d 合金成分( ) 测定温度( )浸润角( 。) c u + 1 0 t i l1 5 0 o c u + o 5 c r 1 1 5 02 2 c u + 1 v l1 5 0 5 0 a g + o 5 t i 1 0 0 0 4 5 a g + 0 2 t i 1 0 0 05 a g + 5 t i 1 1 5 0l l c u + l0 s n + 0 3 t il1 5 00 2 1 2 合金钎料与金刚石结合界面微区结构分析 在观察活性元素在结合界面上的浓度分布时采用了不含t i 、c r 、v 等活性 元素的金属或合金钎料如a g c u ，c u s n 等试验，利用扫描电镜的能谱分析， 没有发现任一元素在结合界面发生偏析现象| 3 6 。即结合界面到合金基体各元素 的浓度分布是均匀的。而在a g - c u 熔液中加入强碳化物形成元素的情况下，在 界面微区的能谱分析中却探测到了十分明显的元素浓度分布偏析：界面上的c r 浓度达6 8 5 ，离开界面几微米后，c r 的浓度急剧下降，到3 0 - - - 4 0 m 后，趋 于合金基体成分，c ，的浓度随着距金刚石结合界面距离的变化如图2 2 所示。 6 0 零 嚣4 0 u 2 0 图2 - 2 距金刚石结合界面的距离肛m f i g 2 2d i s t a n c ef i o mt h ed i a m o n di n t e r f a c e 通过x 光谱和x 衍射分析发现，在金刚石与结合界面上的物质被证实为 c r c 化合物。 哈尔滨理工人学r t 学硕t 学位论文 2 1 3 影响金刚石钎焊质量的主要因素 影响钎焊质量的主要因素可概括为：不同的钎焊温度、保温时间和冷却 速度会明显影响焊缝的结晶组织形态以及缝金属与金刚石界面的微观组织结 构。由此而来的接头断裂破坏的机制也不相同。在短时间保温下，冷却慢的接 头强度比快速冷却时的高。适当延长保温时间时，接头强度也有所提高，但保 温时间进一步延长，则接头强度急剧降低。金刚石易在高温下氧化，钎焊必 须在真空中或在惰性气体保下进行，钎焊温度应低于金刚石石墨化转变温度。 由于金刚石的线膨胀系数与大多数金属钎焊时会产生很大热应力，从而影响 接头性能，因此金刚石钎焊接头型式也很重要，在设计接头时应采用尽量减小 热应力的措施：即减小钎焊面积和构件拘束度：采用线膨胀系数与金刚石相近 的材料如w 、m o 等作为中间过渡材料；采用钎焊应力对金刚石是压应力的接 头型式旧引。某些金属的线膨胀系数表详见表2 3 。 表2 3 金刚石与一些金属材料的线膨胀系数 t a b l e 2 3l i n e a re x p a n s i o nc o e f f i c i e n to fd i a m o n dw i t han u m b e ro fm e t a l l i cm a t e r i a l s 材料线膨胀系数( 1 0 6 k ) a u1 4 2 a g 1 9 6 8 a l2 3 6 c u1 6 5 m o4 9 n i 1 3 3 t i8 4 w4 6 金刚石 0 6 - - 4 3 由上述分析得知合金钎料与金刚石在界面上的化学冶金结合是通过钎料中 的t i 、c r 、v 等活性元素与金刚石表面的c 生成的碳化物来实现的。用以上理 论指导金刚石钎焊技术具有很大的实际意义。 2 2 高频感应加热原理 当线圈中的电流是交流电时，在线圈内部和其周围就产生了交变磁场。在 感应加热时，置于感应线圈中的零件就被这个交变磁场的磁力线所切割。根据 电磁理论，变化的磁场就产生感应电动势，用法拉第电磁感应定律表示，如公 式2 1 ： 哈尔滨理工人学工学硕 j 学位论文 p = 叮删= 丁- d o e ( 2 1 ) 式中：e 为感应电动势，e 为磁场强度，l 为导体长度，t 为变化时间。 由于感应电动势的存在，在零件表面就会产生感应电流。由焦耳一楞次定 律：q = 0 2 4 i f r t ( 卡) ，q 为感应热，矿为感应电流，r 为电阻，t 为通电时 间。零件j 下是依靠这个热量来加热的。同时，高频感应加热具有如下特点： 1 表面效应当直流电通过导体时，电流在导体截面上的分布是均匀 的，但是当中交流电通过圆柱导体时，电流分布是中心密度小，越接近表面密 度越大，当电流频率相当高时，导体的中心几乎没有电流，而全部集中在导体 的表面，这种现象称为高频电流的表面效应。 2 圆环效应圆环形导体通入高频电流交流时所产生的磁场在环内集 中，环外分散，环内的磁通多于环形导体本身，这样就使环形导体外侧交链的 磁通多于内侧，于是环形导体外侧产生较大的感应电动势，迫使电流在环形导 体内侧的电流透入深度中流过，这种现象称为高频电流的环形效应。 3 邻近效应两邻近的