預(yù)合金粉鉆頭鉆進(jìn)玻璃效果測試

漆細(xì)才,周天盛,莫松林,李靜儀,唐蘭艷,鄭雪蓮

(桂林金剛石工業(yè)有限公司，廣西 桂林 541199)

1 前言

由于預(yù)合金生產(chǎn)工藝的不斷進(jìn)步，預(yù)合金粉生產(chǎn)廠家對預(yù)合金粉的開發(fā)和細(xì)分，以及預(yù)合金粉本身優(yōu)良的性能，因此各類金屬預(yù)合金粉末目前幾乎應(yīng)用到了超硬材料工具制作的各個方面，涉及石材、陶瓷、混凝土、玻璃加工等領(lǐng)域。由于玻璃加工工具的金屬結(jié)合劑消耗量相對較少，各合金粉末廠家基本未在此應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行開發(fā)，市場所用預(yù)合金粉末只有部分Cu-Sn合金，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足生產(chǎn)的需求。同時，隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展及人民生活水平的不斷提高，汽車走進(jìn)了普通百姓家庭，汽車工業(yè)也得到了迅猛發(fā)展，汽車玻璃的加工數(shù)量越來越多，同時對汽車玻璃加工質(zhì)量的要求也越來越高。板東線，百超線等全自動化玻璃加工設(shè)備的引進(jìn)，對玻璃加工用金剛石工具如玻璃磨邊輪、玻璃鉆頭的要求也越來越高。全自動化生產(chǎn)線金剛石工具的加工效率比普通生產(chǎn)線高1～2倍，壽命要長2～3倍，被加工玻璃質(zhì)量也更好。金剛石工具的使用方式也發(fā)生了改變。為提高生產(chǎn)效率，保持金剛石工具的鋒利度，金剛石工具在使用過程中，不斷被修整，金剛石工具的消耗成倍增加。

汽車玻璃加工工具用金剛石粒度較細(xì)，主要使用140/170以細(xì)的金剛石，制品的燒結(jié)溫度不能偏高，以不高于850℃為宜。為提高鋒利度，玻璃鉆頭刃口壁厚為0.6mm～1.0mm為佳。以機(jī)械混合粉末制作的金剛石工具無法滿足這種生產(chǎn)工藝的要求。由于預(yù)合金粉具有以下顯著的優(yōu)點(diǎn)[1-3]，使這一要求能得到滿足。

(1)預(yù)合金粉燒結(jié)制品比機(jī)械混合粉末燒結(jié)制品元素分布均勻，從根本上避免了成分偏析。

(2)預(yù)合金粉末合金化充分，大大提高了燒結(jié)制品的抗壓、抗彎強(qiáng)度，易于滿足金剛石制品胎體性能要求。

(3)由于預(yù)先合金化大大降低了燒結(jié)過程中金屬原子的擴(kuò)散所需的激活能，降低了燒結(jié)溫度，縮短了燒結(jié)時間，可避免金剛石的高溫?zé)齻?。同時，也有利于降低生產(chǎn)成本。

(4)預(yù)合金粉胎體具有高硬度和高沖擊強(qiáng)度。

(5)預(yù)合金粉可提高對金剛石的把持力，從而提高金剛石工具的鋒利度，延長工具的使用壽命。

預(yù)合金粉的分類，各廠家都有自己的型號，種類繁多。利用預(yù)合金粉的低熔點(diǎn)和成分的均勻性，與多種添加物混合使用，可以調(diào)整和控制金剛石工具的胎體性能，滿足對工具特殊性能的要求。

本試驗(yàn)采用不同預(yù)合金粉燒結(jié)的小鉆頭，鉆進(jìn)3.5mm厚玻璃，測試其鉆進(jìn)效果，從而確定不同預(yù)合金粉制造的產(chǎn)品的性能和特性，為預(yù)合金粉金剛石工具在汽車玻璃加工中的應(yīng)用提供參考依據(jù)。

2 試驗(yàn)設(shè)計

2.1 結(jié)合劑的選用

預(yù)合金粉的分類，各廠家都有自己的型號，種類繁多?，F(xiàn)在市場上主要有銅基預(yù)合金粉、鐵基預(yù)合金粉、鈷基預(yù)合金粉等幾種[4]。 本試驗(yàn)采用銅基、鐵基、鈷基預(yù)合金粉及鈷基加Cu-Sn預(yù)合金粉為結(jié)合劑制作鉆頭，測試鉆頭鉆進(jìn)玻璃的效果。鉆頭編號為K1、K2、K3、K4。

K1、K2、K4為市場上購買的預(yù)合金粉,含低熔成分錫，可單獨(dú)燒結(jié)。K1為湖南長沙某單位生產(chǎn)的鈷基結(jié)合劑預(yù)合金粉末，K2為鄭州某單位生產(chǎn)的鐵基結(jié)合劑預(yù)合金粉末，含磷和稀土等微量元素，K4為湖南長沙生產(chǎn)的青銅基結(jié)合劑預(yù)合金粉末，K3為K1預(yù)合金粉與40%的Cu-Sn預(yù)合金粉混合的結(jié)合劑,目的是適當(dāng)降低胎體硬度,增加胎體的自銳性。具體的成分含量如表1所示。

表1 預(yù)合金粉末主要成分(%)Table 1 The main content of pre-alloyed powders

2.2 試驗(yàn)鉆頭的設(shè)計與加工

(1)試驗(yàn)鉆頭外徑的確定：汽車玻璃生產(chǎn)線鉆孔工具為Φ12mm帶倒角的錐柄鉆頭。為節(jié)約玻璃用量，另外還考慮產(chǎn)品規(guī)格越小，加工工藝越難控制的情況，試驗(yàn)鉆頭的規(guī)格及制作工藝盡量簡化，以確保試驗(yàn)鉆頭制作工藝的穩(wěn)定性和產(chǎn)品性能的穩(wěn)定性。本試驗(yàn)采用Φ15mm外徑的不帶倒角的直筒鉆頭。

(2)試驗(yàn)鉆頭壁厚的確定：以K1為結(jié)合劑，用中頻燒結(jié)爐燒結(jié)三只Φ15.4mm/Φ13mm規(guī)格的試驗(yàn)鉆頭，用電火花將三只鉆頭外徑按圖1要求分別修整到Φ15.2mm，Φ15mm，Φ14.8mm。按試驗(yàn)工藝鉆進(jìn)玻璃，做對比試驗(yàn)。鉆進(jìn)效果如表2所示。外徑Φ14.8mm的鉆頭效率高，鉆孔數(shù)量最多，共85孔(表中未列全)。Φ15.2mm鉆頭效果最差，效率低，鉆孔數(shù)量少，只有20孔。為節(jié)省玻璃和縮短試驗(yàn)時間，并綜合考慮試驗(yàn)效果，選用外徑Φ15mm即壁厚為1.0mm的鉆頭作為本次試驗(yàn)用鉆頭規(guī)格。

表2 不同壁厚鉆頭鉆孔時間Table 2 The drilling time of different thickness of bit

*說明：序號1為鉆頭鉆第一個5孔時所用時間，序號2為鉆頭鉆第二個5孔時所用時間，以此類推。

(3)試驗(yàn)鉆頭刃口形狀的確定：玻璃是一種非晶態(tài)脆性材料，在切削和磨削加工中，材料的去除不似切削金屬那樣通過滑移和塑性變形進(jìn)行。鉆頭鉆削玻璃即將鉆出時，玻璃強(qiáng)度下降，會導(dǎo)致破碎，出口出現(xiàn)崩邊，從而影響鉆進(jìn)效果，影響測試結(jié)果。為改善鉆孔效果，本次試驗(yàn)采用鉆頭外徑刃口處30°倒角[5]，刃口尖端寬度0.5mm的方法處理刃口形狀。為了解決排粉和散熱的問題，參考并優(yōu)化了龍慧玲[6]的設(shè)計，在鉆頭刃口處開兩個水口。最后確定的鉆頭規(guī)格如圖1所示。

圖1 鉆頭修整效果圖Fig.1 Sketch map of bit

(4)試驗(yàn)鉆頭的燒結(jié)與加工：在中頻燒結(jié)機(jī)上燒結(jié)小鉆頭各三只，磨料采用170/200的MBD8金剛石。鉆頭通過機(jī)加工成型后，用電火花按圖1要求加工到尺寸，從而使試驗(yàn)鉆頭的尺寸保持一致。

2.3 玻璃的鉆進(jìn)

恒壓鉆進(jìn)試驗(yàn)在臺式小鉆床上進(jìn)行。為滿足恒壓鉆進(jìn)條件，在鉆床手柄上吊掛一個自制法碼。鉆進(jìn)壓力通過對比試驗(yàn)，選取1.6kg重的法碼壓頭，最終鉆進(jìn)壓力為80N。玻璃是市場上購買的3.5mm厚的浮化玻璃。玻璃切割成110mm×200mm規(guī)格的小玻璃方塊，以方便鉆進(jìn)時使用。鉆床轉(zhuǎn)速為2580r/min。冷卻液用循環(huán)水。玻璃鉆進(jìn)前，測量鉆頭長度，并做好記錄。鉆進(jìn)玻璃時，每鉆5個玻璃孔記錄一次時間，當(dāng)鉆孔時間超過50秒時，用油石修整鉆頭使金剛石出刃，重復(fù)上述操作5次，并做好記錄。結(jié)束鉆進(jìn)工作后，測量鉆頭的長度。以5孔為基準(zhǔn)，計算K1、K2、K3、K4結(jié)合劑燒結(jié)鉆頭鉆孔所用時間的平均值，見表3。繪制鉆進(jìn)效果圖。

圖2 鉆頭鉆進(jìn)玻璃Fig.2 Bit being drilling the glass

3 試驗(yàn)結(jié)果

表3是K1、K2、K3、K4所做鉆頭修整5次時,每5孔鉆進(jìn)時間的平均值,時間單位為秒；表4為鉆頭平均鉆孔總數(shù)及單孔時間消耗數(shù)值。圖3是根據(jù)表3數(shù)據(jù)繪制的效果圖。圖4為鉆頭消耗柱狀圖。

表3 每鉆5孔所用時間的平均值(秒)Table 3 The average drilling time (seconds) of drilling 5 holes per drill

*說明：序號1為鉆頭鉆第一個5孔時的平均時間，序號2為鉆頭鉆第二個5孔時的平均時間，以此類推。

表4 鉆頭平均鉆孔總數(shù)及鉆頭消耗情況Table 4 The total amount of drilling holes and the consumption of bits

圖3 鉆進(jìn)效果圖Fig.3 The results of drilling

圖3中，橫坐標(biāo)表示預(yù)合金粉鉆頭在修整后所鉆玻璃孔數(shù)的平均值，反映了鉆頭鋒銳度及鉆頭的自銳性，數(shù)值越大，反映鉆頭自銳性越好?？v坐標(biāo)反映了鉆頭的鉆進(jìn)效率，所用時間越少，鉆進(jìn)效率超高。從圖中曲線形態(tài)來看，曲線的斜率越小(越平)、位置越低、長度越長，鉆頭的鉆進(jìn)效果越好。斜率越小，制品的鉆進(jìn)效率下降越慢，自銳性越好。曲線位置越低，鉆孔所用時間越少，效率越高。鉆頭自銳性好，鉆進(jìn)效率下降就慢，所鉆玻璃孔數(shù)就越多，曲線長度就越長。從圖3中可知,K3曲線斜率最小，位置最低，而且曲線長度最長，反應(yīng)出K3作結(jié)合劑制作的鉆頭鉆進(jìn)效率最高，鉆頭自銳性下降速度最慢即其自銳性最好，修整出刃一次所鉆玻璃孔數(shù)最多，其整體性能表現(xiàn)也最好。其次為K2制作的鉆頭。K1和K4鉆進(jìn)性能則相對較差。從圖4看，K1、K3、K4的單孔消耗相近，僅K2即鐵基結(jié)合劑預(yù)合金粉燒結(jié)的鉆頭消耗較小，約為其它三種鉆頭消耗的2/3。

圖4 鉆頭消耗柱狀圖Fig.4 The consumption of bits

由于預(yù)合金粉大大提高了燒結(jié)制品的抗壓、抗彎強(qiáng)度，在增加制品機(jī)械性能的同時，也增加了制品胎體的硬度，且在玻璃加工過程中，由于玻璃屬于非晶態(tài)脆性材料，易碎，鉆進(jìn)壓力受到限制，因此金剛石出刃變得更為困難。所以，不論是鈷基預(yù)合金粉還是銅基預(yù)合金粉制品，金剛石出刃效果均不理想。但在鈷基預(yù)合金粉末中加入適量的Cu-Sn預(yù)合金粉末，可降低結(jié)合劑胎體的耐磨性，增加自銳性，提高鉆進(jìn)效果；而在鐵基預(yù)合金粉中加入微量元素和磷元素，能提高鉆頭上金剛石的出刃高度，通過優(yōu)化配比最終使K2、K3的鉆進(jìn)效果比K1、K4好。

所以，從鉆進(jìn)性能和壽命綜合考慮，K3結(jié)合劑制作的鉆頭(金剛石粒度170/200,強(qiáng)度MBD8,濃度50%的前提條件下)總體性能最好，其次為K2結(jié)合劑制作的產(chǎn)品。

4 結(jié)論

(1)在玻璃的加工、鉆進(jìn)過程中，選擇的三種純預(yù)合金粉燒結(jié)的鉆頭自銳性較差，鉆進(jìn)效率一般。

(2)制作玻璃加工用金剛石工具時，鈷基預(yù)合金粉K1與Cu-Sn預(yù)合金粉末調(diào)配使用，可增加產(chǎn)品的自銳性，增加鉆進(jìn)效率，而對鉆頭壽命影響不大。

(3)鐵基預(yù)合金粉K2中加入了微量元素和磷元素，使其制品的鉆進(jìn)效果好于鈷基預(yù)合金粉K1。而且，K2預(yù)合金粉鉆頭的壽命是四種預(yù)合金粉中最長的。在綜合考慮用戶使用要求的前提條件下，玻璃鉆頭用預(yù)合金粉可在K2、K3中作出選擇。