（机械制造及其自动化专业论文）钎焊金刚石钻孔工具加工高硬度工程陶瓷的研究.pdf

摘要 摘要 随着现代化工业化和制造业的高速发展，工程陶瓷材料在各个领域的 应用越来越多，对工程陶瓷材料及零件的加工提出越来越高的要求，对于高 硬度的工程陶瓷如碳化硅和氧化铝陶瓷，其钻孔加工的难度更大。本文提 出采用高温钎焊法制备金刚石钻孔工具，使用该工具对具有较高硬度的碳 化硅和氧化铝两种工程陶瓷进行了钻孔加工，对钎焊金刚石工具在钻孔加 工过程中的磨损及失效特点进行了观察分析；比较了不同粒度的钎焊金刚 石工具在加工碳化硅和氧化铝工程陶瓷时的加工效率、侧向磨削力以及工 具的磨损特点，并研究了不同的冷却液对加工磨削力、加工效率及加工质 量影响规律，得到以下主要研究结果： 钎焊金刚石工具加工碳化硅和氧化铝工程陶瓷时，粗粒度3 0 4 0 目的 金刚石工具的加工效率较4 0 50 目及细粒度的5 0 6 0 目金刚石工具更高；由 于碳化硅具有更高的硬度，金刚石工具加工碳化硅陶瓷时的加工效率要低 于氧化铝陶瓷。工具产生的侧向磨削力随着主轴转速、进给速度的增加而 增加，且粗粒度工具产生的侧向磨削力大于细粒度工具，而细粒度工具的 侧向磨削力更稳定；与加工氧化铝陶瓷相比，加工碳化硅陶瓷时工具产生 的侧向磨削力更大。金刚石工具加工后工程陶瓷孔壁粗糙度的大小随着金 刚石颗粒的增大而增大，孔的质量随着金刚石颗粒的增大而下降；氧化铝 陶瓷孔的质量比碳化硅陶瓷孔更好。 采用o p l0 溶液和十六烷基三甲基溴化铵溶液作为冷却液加工，钎焊 金刚石工具加工工程陶瓷时的加工效率比纯水冷却液更高，随着冷却液浓 度的升高而升高；工具产生的侧向磨削力降低且变化更加稳定，冷却液浓 度升高而继续降低；加工后工程陶瓷孔的质量得到提高；同浓度的两种冷 却液，十六烷基三甲基溴化铵冷却液对加工过程的影响效果要略大。 不同粒度钎焊金刚石工具加工工程陶瓷过程中磨削比不同，粗粒度工 具磨削比大于细粒度工具；在加入冷却液加工时，工具磨削比都有增加； 工具加工氧化铝陶瓷过程的磨削比要大于加工碳化硅陶瓷。钎焊金刚石钻 孔工具加工工程陶瓷过程中，材料的去除方式包括脆性去除和塑性去除， 。 广东工业大学硕士学位论文 ： 其中以脆性去除为主；钎焊金刚石钻孔工具加工过程中金刚石主要以破碎 断裂为主加工时间越长，金刚石的磨损越严重；当工具失效时，工具表面 大量金刚石被磨平，也存在部分脱落，加工s i c 陶瓷时金刚石的磨损程度 较a 1 2 0 3 陶瓷时严重。 关键词：钎焊；金刚石；钻孔工具；工程陶瓷；钻削加工 i i a b s t r a c t ab s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fm a n u f a c t u r i n ga n dm o d e r n i n d u s t r y ，t h e r ei st h a to n ei n c r e a s i n gd e m a n d sf o re n g i n e e r i n gc e r a m i c m a t e r i a l si nv a r i esf i e l d s a n dah i g h e rq u a l i t yisd e m a n d e dr e f e rt o t h em a c h i n i n go ft h ee n g i n e e r i n gc e r a m i cm a t e r i a l s i nt h i sp a p e r h i g ht e m p e r a t u r eb r a z e dd i a m o n dd r i l l sw e r ep r e p a r e da n du s e dt o bo r esi1 ico nca r b id ea n da la m in a t h ec h a r a c t er is t icso ft oo1 sw e a r a n df a i l u r ei nt h eb o r i n gw e r eo b s e r v e da n da n a l y z e d ac o m p a r i s o n 0 fm a c h i n i n ge f f i c i e n c y ，l a t e r a lg r i n d i n gf o r c ea n dw e a rc h a r a c t e r i s t i c sw e r em a d eb e t w e e ns i l i c o nc a r b i d ea n da 1 u m i n ae n g i n e e r i n g c e r a m i cm a t e r i a lsm a c h i n e db yt h ed r i l lw i t hd i f f e r e n tm e s hs i z e d i a m o n dg r i t s t h eg r i n d i n gf o r c e ，p r o c e s s i n ge f f i c i e n c ya n dh o l e q u a l i t yu n d e rt h ed i f f e r e n tc o n d i t i o no fc o o l a n t sw e r ea l s os t u d i e d t h er e s u l t sa r es u m m a r i e da sf o l l o w ： t h ee f f i c i e n c yo ft h et o o lw i t hc o a r s e3 0 4 0m e s hi sh i g h e rt h a nt h a to f 4 0 5 0a n d5 0 6 0m e s h t h eb o r i n ge f f i c i e n c yo ft h et o o lo ns i l i c o nc a r b i d ei s l o w e rt h a nt h a to fa l u m i n a l a t e r a lg r i n d i n gf o r c ei n c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s e o ft h es p i n d l es p e e da n df e e dr a t e l a t e r a lg r i n d i n gf o r c eo fc o a r s e 。g r a i n e d t o o li sl a r g e rt h a nf i n e g r a i n e dt o o l s h o w e v e r ，l a t e r a lg r i n d i n gf o r c eo ft h a t o ff i n e g r a i n e dt o o li sm o r es t a b l e l a t e r a lg r i n d i n gf o r c ed u r i n gt h eb o r i n g o fs i l i c o nc a r b i d ei sl a r g e rt h a nt h a to f a l u m i n a t h er o u g h n e s so ft h eh o l ei s i n c r e a s e da st h ei n c r e a s eo ft h ed i a m o n dm e s hs i z e t h eh o l eq u a l i t yi sp o o r w h e nu s i n gc o a r s ed i a m o n dg r i t a n dt h eh o l eq u a l i t yo fa l u m i n ai sb e t t e r t h a nt h a to fs i l i c o nc a r b i d e t h em a c h i n i n ge f f i c i e n c yo ft h et o o li sh i g h e rw h e nu s i n go p l0a n d16 31 a st h ec o o l a n t st h a nt h a to fw a t e r a l s ot h ee f f i c i e n c yi si n c r e a s i n ga st h e c o n c e n t r a t i o no ft h e c o o l a n ti si n c r e a s e d l a t e r a lg r i n d i n gf o r c ei sa l s o r e d u c e e da n dr e m a i n e ds t a b l e t h et o o l sl a t e r a lg r i n d i n gf o r c ei sd e c r e a s e d w i t ht h ea d d i t i o no ft h eo pl0a n d16 31c o o l a n t ，a n dt h ei n c r e a s i n go ft h e l i i 广东工业大学硕士学位论文 c o n c e n t r a t i o no ft h ec o o l a n t u n d e rt h es a m ec o n c e n t r a t i o n ，t h ei n f l u e n c eo f 16 31o n b o r i n g i sab i tl a r g e rt h a nt h a to fo pl0 t h ew e a rl e v e lo fb r a z e d d i a m o n dt o o l si nd i f f e r e n ts i z ei sd i f f e r e n t t h ew e a ro fc o a r s e g r a i n e dt o o li s g r e a t e rt h a nt h a to ft h ef i n e - g r a i n e dt 0 0 1 t h eg r i n d i n gr a t i oi n c r e a s e sw h e n u s i n go p l0a n d16 31c o o l a n t t h eg r i n d i n gr a t i oo ft h et o o lo na l u m i n ai s l a r g e r t h a nt h a to fs i l i c o n c a r b i d e d u r i n g t h e b o r i n gp r o g r e s so ft h e e n g i n e e r i n gc e r a m i c s ，m a t e r i a lr e m o v a lm e c h a n i s m sa r eb r i t t l er e m o v a la n d p l a s t i cr e m o v a l t h em a i nm a t e r i a lr e m o v a lm e t h o di sb r i t t l er e m o v a l a n dt h e m a i nw e a rm o d ei sf r a c t u r e ，w i t ht h ei n c r e a s i n go ft h e b o r i n gt i m e ，t h e w e a ri ss e v e r e r w h e nt h et o o l sa r ef a i l e d ，l a r g en u m b e ro fd i a m o n dg r i tw e r e w o r nw i t hf l a ts u r f a c e ，s o m eo fd i a m o n dg r i t sw e r ep u l l e do u t t h ew e a ro ft h e t o o li nb o r i n gs i l i c o nc a r b i d ei sm o r es e v e r e rt h a nt h a to ft h ea l u m i n a k e y w o r d ：b r a z i n g ；d i a m o n d ；d r i l lt o o l s ；e n g i n e e r i n gc e r a m i c s ；b o r i n g i v 广东工业大学硕士学位论文 c o n t e n t s a b s t r a c ti nc h i n e s e i a b s t r a c ti ne n g l i s h i i i c o n t e n t si nc h i n e s e 1 r c o n t e n t si ne n g l i s h v i i i c h a p t e r1i n t r o d u c t i o n 1 1 1b a c k g r o u n do ft h er e s e a r c ha n ds u b j e c tp r o p o s e 1 1 2c u r r e n tr e s e a r c ha th o m ea n da b r o a d 1 1 2 1d i a m o n dt o o l s 2 1 2 2d r i l l i n go fh a r de n g i n e e r i n gc e r a m i c s 4 1 3r e s e a r c hp u r p o s e ，s i g n i f i c a n c ea n dm a i nc o n t e n t so ft h ep a p e r 6 1 3 1r e s e a r c hp u r p o s ea n ds i g n i f i c a n c e 6 1 3 2m a i nc o n t e n t so ft h er e s e a r c h 6 1 4r e s o u r c e so ft h er e s e a r c h 7 c h a p t e r2e x p e r i m e n t a lc o n t e n t sa n dm e t h o d s 8 2 1e x p e r i m e n t a le q u i p m e n t 8 2 1 1 b r a z i n ge q u i p m e n t 8 2 1 2m e c h i n i n ge q u i p m e n t 8 2 1 3m i c r o s c p i cm o r p h o l o g ya n ds u r f a n c ee q u a l i t yi n s p e c t i o n 9 2 1 4d y n a m o m e t e r 9 2 1 5q u a l i t ym e a s u r e m e n t 10 2 2e x p e r i m e n t a lm a t e r i a l s 10 ：! 3e x p e r i m e n t a lc o n t e n t s 11 2 3 1m a n u f a c t u r i n go fb r a z e dd i a m o n dt o o lf o rm a c h i n i n go fh i g h h a r d n e s se n g i n e e r i n gc e r m i c s 1 2 2 3 2e n g i n e e r i n gc e r m i c sm a c h i n e db yb r a z e dd i a m o n dt o o l 1 3 c h a p t e r 3e f f e c to fd i a m o n dp a r t i c l es i z e o ng r i n d i n gf o r c ea n dd r i l l i n g q u a l i t yo fb r a z e dd i a m o n dt 0 0 1 1 7 3 1e f f e c to fd i a m o n dp a r t i c l es i z eo nm e c h i n i n ge f f i c i e n c yo fd r i l l e d v i i i c o n l _ e n t s d i a m o n dt 0 0 1 17 3 2c h a r a c t e r i s t i c so fl a t e r a lf o r c eg e n e r a t e db yb r a z e dd i a m o n dt o o l d r i l l i n g 18 3 3e f f e c to fd r i l l i n gp a r a m e t e ro nl a t e r a lf o r c e 1 9 3 3 1 s p i n d l es p e e d ：1 9 3 3 2f a t es p e e d 2 0 3 4h o l eq u a l i t yo fe n g i n e e r i n gc e r a m i c sd r i l l i n gb yb r a z e dd i a m o n dt o o l s 3 4 1p i c t u r eo fe n g i n e e r i n gc e r a m i c s h o l e 2 1 3 4 2e f f e c to fd i a m o n dp a r t i c l es i z eo nh o l es u r f a c eq u a l i t yo f e n g i n e e r i n gc e r a m i c s 2 1 3 5s u m m a r y 2 5 c h a p t e r4e f f e c to fc o o l a n to nd r i l l i n g 2 6 4 1e f f e c to fc o o l a n to ne f f i c i e n c yo fb r a z e dd i a m o n dt o o ld r i l l i n g e n g i n e e r i n gc e r a m i c s 2 6 4 1 1e f f e c to fo p l 0o nd r i l l i n gt i m e 2 7 4 1 2e f f e c to fb r o m i d eo nd r i l l i n gt i m e 2 8 4 1 3c o m p a r i s o no fd i f f e r e n tc o o l a n t 2 8 4 2c h a r a c t e r i s t i c s o fl a t e r a lf o r c eg e n e r a t e db yb r a z e dd i a m o n dt o o l d r i l l i n gu n d e ra d d i n gc o o l a n tc o n d i t i o n 2 9 4 3e f f e c to fc o o l a n to nl a t e r a lf o r c e 3 0 4 3 1e f f e c to fo p l 0o nl a t e r a lf o r c e 3 0 4 3 2e f f e c to fb r o m i d eo nl a t e r a lf o r c e 31 4 3 3c o m p a r i s o no fd i f f e r e n tc o o l a n t 3 2 4 4e f f e c to fc o o l a n to ne n g i n e e r i n gc e r a m i c s h o l eq u a l i t y 3 3 4 4 1e f f e c t o fc o o l a n to nh o l ew a l lr o u g h n e s so fe n g i n e e r i n g c e r a m i c sh o l e ：；：； 4 4 2e f f e c to fc o o l a n to nh o l eq u a l i t yo fe n g i n e e r i n gc e r a m i c s 3 3 4 5s u m m a r y 3 7 c h a p t e r5r e s e a r c ho nw e a ra n d f a i l u r eo fb r a z e dd i a m o n dt o o l s 3 8 广东工业大学硕士学位论文 5 1m i c r o t o p o g r a p h yo fb r a z e dd i a m o n dt o o l 3 8 5 2p e r f o r m a n c eo f b r a z e dd i a m o n dt o o l 3 9 5 2 1 g r i n d i n gr a t i oo fm a c h i n i n ge n g i n e e r i n gc e r a m i c sb yb r a z e d d i a m o n dt 0 0 1 3 9 5 2 2r e m o v a lc h a r a c t e r i s t i c so fe n g i n e e r i n gc e r a m i c sd r i l l i n gb y b r a z e dd i a m o n dt 0 0 1 4 0 5 3w e a ra n df a i l u r eo fb r a z e dd i a m o n dt o o l s 4 3 5 3 1r e l a t i o no fb r a z e dd i a m o n dt o o l s w e a rw e i g h ta n d d r i l l i n g d e p t h z i ：； 5 3 2w e a rc h a r a c t e r i s t i c so fe l e c t r o p l a t e db r a z e dd i a m o n dt o o l s 4 4 5 3 3f a i l u r ec h a r a c t e r i s t i c so fe l e c t r o p l a t e db r a z e dd i a m o n dt o o l s4 9 5 4 s u m m a r y 4 9 c o n c l u s i o n sa n dp r o s p e c t 51 r e f e r e n c e 。! ；：； 】p i i b l i c a t i o n ! ；7 s t a t e m e n t ! ；8 c o p y r i g h tl i c e n s e ：；9 a c k n o w l e d g e m e n t 6 ( ) x 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景及课题提出 工程陶瓷具有高强度、高硬度、耐高温、耐磨损、耐热、抗腐蚀、抗 氧化、防核辐射等优异的性能特点，被广泛应用于航天航空、机械、电子、 能源、军事、国防工业等领域。由于工程陶瓷是由粉末状原料制造成型后 在高温下烧结而成，不可避免的会存在变形和收缩；另外由于零件的形状 与结构的要求，使得工程陶瓷零件需要经过各种加工才能满足尺寸、形状 公差要求和表面粗糙度要求 i - 3 】。工程陶瓷的孔加工是一种重要的加工形 式，目前很难使用传统方法及特种加工方法，大多使用金刚石钻孔( 取孔) 工具进行加工。 相比其它工程陶瓷，氧化铝和碳化硅具有非常高的硬度( 如表卜1 ) 。 尤其是碳化硅，其硬度仅次于金刚石及c b n 4 , 5 】，对其的孔加工就更加困 难，目前，对加工这类高硬度工程陶瓷的孔加工工具研究较少，尤其是对 钻孔工具的制备、加工中的受力、冷却液对加工过程的影响及工具的磨损 机理缺乏系统的研究。 表1 1 工程陶瓷材料的力学性能比较 t a b l e1 1p r o p e r t i e so fd i f f e r e n te n g i n e e r i n gc e r a m i c s 因此，本文采用钎焊法制备不同粒度的金刚石钻孔工具，研究工具在 不同冷却液加工条件下加工碳化硅和氧化铝工程陶瓷时的加工效率、磨削 力和磨削比，观察加工后工具和工程陶瓷的微观形貌，探讨工具的磨损机 理及失效形式。 广东工业大学硕士学位论文 ! = = 詈= j = = ! ! ! ! ! 暑= ! ! = = = = ! = ! = ! ! 詈 1 2 国内外研究现状 1 2 1 金刚石工具 硬脆材料，如玻璃、石材、陶瓷等普通建筑材料，以及半导体，工程 陶瓷、宝石、光学晶体、生物陶瓷、磁性材料等高档先进工程和功能材料 的加工，需要采用具有更高硬度的磨料制备的工具，金刚石与其他磨料相 比拥有极高的硬度、高相对耐磨性、热导率和抗压强度1 4 , 6 】。因此，金刚石 工具是硬脆材料切割、磨削、抛光等加工的最常用工具。 金刚石工具按照结合剂种类可以分为：金属基、陶瓷基、树脂基三种， 其中金属结合剂金刚石工具由于强度高、磨削效率高、使用寿命长等显著 特点在生产中得到广泛应用。金属结合剂金刚石工具按制造方法主要有烧 结法和电镀法，但由于金刚石与结合剂之间大多属于机械镶嵌，金刚石结 合强度低，出刃低而导致工具的加工效率和寿命较低。近年来，钎焊法制 备金刚石工具得到了国内外的广泛关注，钎焊工具由于金刚石和钎料之间 能够形成化学冶金结合而具有较高的结合强度和出刃高度，进而提高了工 具的加工性能和自锐性。因而特别适用于难加工材料的高速高效加工。 1 2 1 1 烧结金刚石工具 烧结金刚石工具已广泛应用于硬脆难加工材料的加工领域中，然而大 多数的研究集中于地质勘探、水电工程及建筑工程等领域，加工对象多为 岩石及石材等。烧结金属结合剂金刚石工具有其缺点：( 1 ) 结合剂与金刚 石界面未形成完全的化学键合，使其在加工磨损过程中不能保持对磨料的 较强把持力；( 2 ) 金刚石的出刃率低，加工效率低，大部分金刚石磨料工 具实际上只发挥了它很低的工作效能( 小于3 0 ) ，超过7 0 的昂贵金刚 石脱落后很难再回收利用；( 3 ) 烧结温度高( 8 0 0 以上) ，由于金刚石 热稳定性差，烧结时间过长对金刚石造成热损伤，降低了金刚石本身的强 度【7 1 。方啸虎等8 1 的研究表明，在孕镶烧结金刚石工具中，金刚石无序排 列，出刃自锐问题难于解决，金刚石与粉料也很难实现冶金结合。这种工 艺不能充分有效的发挥金刚石的锯切性能。 2 第一章绪论 1 2 1 2 电镀金刚石工具 单层电镀金刚石工具是通过电镀金属的电沉淀作用，把金刚石固结在 金属镀层中。电镀工具制备简单，出刃好，切削能力强，无需修整1 9 】。但 金刚石颗粒与电镀层之间仅是简单的机械镶嵌作用，结合剂与金刚石结合 强度不高。为了增加镀层金属对金刚石的把持力，必须增加镀层厚度，减 小磨粒的裸露高度，但这又导致容屑空间减小，工具易发生堵塞 5 , 1o 】。另 外，电镀液对人体和环境都有危害。早在九十年代初期，国外就开始大力 研究可商业化应用的以高温钎焊替代电镀工艺的新型单层高温钎焊金刚石 工具，国内的南京航空航天大学【11 1 、南京理工大学【12 1 、华侨大学【13 1 和本 课题组【1 4 】等先后成功实现了单层金刚石工具的钎焊。 1 2 1 3 钎焊金刚石工具 钎焊金刚石工具的原理是采用含有碳化物形成元素( 如t i 、c r 、w 等) 的钎料合金，在钎焊过程中于金刚石表面发生化学反应，在界面形成一层 碳化物。借助于这层碳化物的作用，金刚石、钎料、基体三者之间能通过 钎焊实现牢固的化学冶金结合【l0 1 ，钎焊金刚石具有较高的结合强度，仅需 要将结合层厚度维持在金刚石高度的3 0 左右就能在大负荷高速高效加工 中牢固的把持住金刚石。因此，理论上钎焊工具的金刚石裸露高度可达磨 粒高度的7 0 左右，从而创造了切割锋利、排屑好的优越条件；此外，金 刚石在工具表面可以实现规则均布，充分发挥金刚石的作用，节省金刚石 用量，降低成本；在保证寿命的条件下，切削效率成倍提高【4 - 5 1 。 锯基体 图卜1 钎焊工具的金刚石出刃【1 6 1 f i g 1 1t h ep r o t r u s i o ns t a t u so fb r a z e dt o o l sd i a m o n d 润湿性是钎焊研究最基础的问题，而钎料对金刚石的润湿性是研究金 刚石钎焊的重要问题。一般情况下，钎焊时液态钎料对金刚石的润湿角应 3 广东工业大学硕士学位论丈 小于2 0 叭1 4 , 17 。目前，大部分研究者对金刚石润湿性的研究工作主要集中 在加入活性元素c r 、t i 等的n i 基、a g 基、c u 基等钎料。国内众多研究 单位对钎料与金刚石的润湿性作了大量研究。卢金斌【l8 】等人利用扫描电镜 技术及x 射线结构分析，研究了n i c r 钎料在金刚石上的润湿状况，通过 观察金刚石界面微观照片发现在界面存在片状的c r a c 2 和针状碳化物 c r 7 c 3 ，从而降低了金刚石与钎料之间的表面张力，提高了金刚石表面的润 湿性。在他们后期研究中，发现n i c r 合金中如果含有活性元素s i ，在金 刚石表面会生成s i c ，然后才生成c r 的碳化物，说明s i 也是形成碳化物的 活性元素 1 5 1 9 】。李丹【2 0 】等研究了a g c u t i 钎料在金刚石上的润湿状况， 观察到a g ，c u ，t i ，c 各元素都有明显的浓度梯度，并发现界面上有t i c 生成。a k c h a t t o p a d h y a y 2 1 ，2 3 】等研究了铜合金对金刚石磨料和钢基体的 润湿性以及润湿角、钎焊后的结合强度、钎缝硬度之间的关系，发现铜合 金中，随着c r 含量提高，钎料对金刚石的润湿角将减小，这是因为在钎料 与金刚石的界面上发生了化学冶金反应，生成了c r 的碳化物。本课题组【2 2 1 发现在n i - c r 钎焊合金与金刚石磨料之间存在两个界面过渡层，金刚石与 钎焊合金之间形成了碳化物c r 3 c 2 【2 3j 。 1 2 2 工程陶瓷的孔加工 目前国内外对陶瓷材料的加工方法有比较多的研究较多，主要包括超 声波震动磨削钻孔、激光打孔、金刚石工具钻孔等。 山东工业大学的张勤河【2 4 】等对超声波加工工程陶瓷孔进行了研究，超 声波加工是利用工具作超声频震动，通过磨料悬浮液加工材料。山东大学 研究开发了工程陶瓷小孔超声振动脉冲放电加工方法，兵器工业五二研究 所研究了陶瓷深孔精密加工新方法一超声振动磨削；超声加工是在加工工 具或被加工材料上施加超声波振动，在工具与工件之间加入液体磨料或糊 状磨料，并以较小的压力使工具贴压在工件上。加工时，由于工具与工件 之间存在超声振动，迫使工作液中悬浮的磨粒以很大的速度和加速度不断 撞击、抛磨被加工表面，加上加工区域内的空化、超压效应，从而产生材 料去除效果【25 1 。 史进等2 6 1 和陈锡让等2 7 1 对工程陶瓷进行了激光小孔加工研究，还有张 4 第一章绪论 铭峰等【2 8 1 利用c 0 2 激光连续脉冲对氧化铝陶瓷基片的钻孔研究及张银江 等【2 9 】的激光打孔，激光打孔是利用激光的光学特性，通过透镜聚焦在工件 上，所以加工出来的孔会有一定的锥度存在【2 9 1 。 对于硬脆材料的孔加工，金刚石钻孔工具是一种重要工具。钻头部分 含有金刚石颗粒，是刀具的工作部分。根据前苏联a b 霍达柯芙对切入 磨削的试验，采用间断工作表面的砂轮磨削温升比普通砂轮低8 2 7 ， 且水1 3 数越多温升越低【30 1 。根据此结论，在金刚石钻孔工具端面开水1 3 ， 将连续工作面改为间断工作面，可改善切削条件，起到冷却和排屑作用， 很有效地减少接触面积，提高加工效率和延长刀具使用寿命【30 1 。根据磨削 基本原理，钻孔工具利用钻头的端面作为主要切削面进行加工，在实体材 料上直接钻孔，圆柱面只起修磨作用；当磨粒接触工件表面后，切下不连 续的细微切屑，又由于分布在磨钻头环形端面上的磨粒很多，工件表面上 受到众多磨粒的切削和刻划，把要切除的部分全部磨掉；由切削原理可知， 在钻削相同尺寸的前提下，采用麻花钻基体的工具钻削时，切削厚度是孔 的半径，材料的去除量是一个圆柱体；采用套料钻加工，切削厚度是刀具 的壁厚，材料的去除量大大减少，从而提高了加工效率。另外，在切削力 一定的情况下，单位切削力的大小取决于接触面积，因此金刚石钻孔工具 可以减小接触面积，提高加工效率【3 川。 本课题组郭长文【3 l 】等采用高温钎焊法制备了金刚石钻孔工具，进行了 对硅酸盐玻璃的钻孔实验。研究了金刚石钻孔工具的使用寿命，加工过程 中工具磨损情况，同时研究了钻孔工具钻孔效率的变化规律和钻孔表面质 量变化情况，并通过扫描电镜对钻孔工具的微观形貌进行了观察分析，研 究了钻孔工具失效的原因。 南京理工大学的郑雷，袁军堂等【3 2 】人针对陶瓷复合构件( 由轻质合金、 高性能纤维复合材料和工程陶瓷复合而成) 组成材料的物理机械性能和加 工特性，专门研制了烧结金刚石钻孔工具对其进行孔加工技术研究，讨论 了影响加工效率的主要参数。根据复合构件加工中的各种缺陷，分析了采 用预压应力钻削对改善表面加工质量的重要性。以加工效率为指标，通过 正交试验对钻头的磨料粒度、浓度、水槽数和壁厚等因素进行了优化分析， 确定了适宜的刀具参数；以及他们后期研究了烧结金刚石工具p 引加工工程 5 广东工业大学硕士学位论文 陶瓷的使用性能和钎焊金刚石工具【3 4 1 对工程陶瓷的孔加工及表面形成机 理。王庆安，胡小秋【3 0 】等人，分析了钻孔工具加工原理，讨论了金刚石钻 孔工具的结构及制作工艺，成功研制出工程陶瓷专用热压烧结金刚石钻孔 工具，并给出了金刚石钻孔工具的主要性能参数；南京理工大学的靳小丽 1 2 , 35 】，立足于传统加工方法，考虑加工的经济性、实用性和易操作性，采 用单层高温钎焊金刚石套料钻及专用钻套夹具对工程陶瓷进行了钻孔加工 研究，以及使用钎焊金刚石套料钻孔加工新型复合材料“凯芙拉复合材料 一特种陶瓷一铝合金”的研究，解决了该新型材料孔加工的难题；山东工 业大学的张勤河 3 6 3 7 等使用金刚石工具对a 1 2 0 3 工程陶瓷进行机械孔加工 研究，理论分析了材料的去除机理，建立了钻削加工工程陶瓷孔时的材料 去除率模型。 使用钎焊金刚石工具对高硬度的工程陶瓷的钻孔工具以及工具的磨损 及失效机理的研究较少，因此本研究提出采用钎焊法制备金刚石工具，并 将其进行对高硬度工程陶瓷( s i c 和a 1 2 0 3 ) 的钻孔加工。 1 3 论文研究目的、意义及主要内容 1 3 1 研究目的与意义 采用真空钎焊法制备金刚石钻孔工具，优化制造工艺和工具结构，制 造出适于高硬度工程陶瓷加工的金刚石工具，并研究该工具的加工工艺以 及工具磨损及失效机理，为高硬度工程陶瓷钻孔提供优化的工艺参数。 1 3 2 主要研究内容 ( 1 ) 研究钎焊工艺，金刚石布料和结构、金刚石粒度与分布、工具结 构等对金刚石钻孔工具性能的影响。 ( 2 ) 采用优化工艺的钎焊金刚石工具研究不同工具的加工工艺、加工 性能、