環(huán)狀金剛石薄壁鉆齒自動(dòng)冷壓工藝研究

祝文劍

(1.桂林特邦新材料有限公司,廣西 桂林 541004;2.中國(guó)有色桂林礦產(chǎn)地質(zhì)研究院有限公司 廣西超硬材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,國(guó)家特種礦物材料工程技術(shù)研究中心,廣西特種礦物材料技術(shù)創(chuàng)新中心,廣西 桂林 541004)

0 引言

金剛石薄壁鉆頭作為一種用途廣泛的金剛石工具,在建筑裝修,混凝土拆除、植筋加固,混凝土、淺層地表取樣檢驗(yàn),設(shè)備安裝等方面都有廣泛的應(yīng)用,市場(chǎng)需求潛力較大[1]。金剛石薄壁鉆頭由圓鋼筒基體和粉末冶金金剛石鉆齒組成,傳統(tǒng)制造工藝一般采用電鍍﹑整體燒結(jié)、火焰釬焊﹑高頻焊以及激光焊接等方法將刀頭固定在基體上;火焰釬焊﹑高頻焊和激光焊接薄壁鉆頭,一般都由一顆顆簡(jiǎn)單的扇形鉆齒焊接到鉆管基上,其中小于Φ50 mm的鉆頭我們可以做成環(huán)狀的鉆齒[2-3]。因?yàn)橛捎诜勰Y(jié)合金化的刀頭結(jié)合強(qiáng)度大于一般的單齒刀頭焊接焊縫強(qiáng)度,所以整體圓環(huán)焊接的薄壁鉆的結(jié)合強(qiáng)度自然高于其他普通單齒焊接的刀頭強(qiáng)度[4]。

使用激光焊接時(shí),高功率密度激光產(chǎn)生的高溫使鉆齒中的金剛石極易石墨化。因此,為了保證鉆齒與基體材料的焊接性能,需要在基體與刀頭間加入過(guò)渡層(也就是焊接層),通常有1.5～2 mm的高度。在激光焊接快速熔化和凝固的條件下,基體和金剛石刀頭通過(guò)過(guò)渡層牢固結(jié)合。所以,采用自動(dòng)冷壓環(huán)鉆,需要分別填裝工作層粉料和過(guò)渡層粉料。

以往不論是用粉末燒結(jié)法生產(chǎn)鋸片刀頭還是鉆頭,均是在石墨模具中加進(jìn)混合好的金屬粉末和金剛石,然后直接加壓燒結(jié),生產(chǎn)出來(lái)的刀頭、鉆齒密度不均,尺寸誤差大,石墨材料消耗大,而冷壓工藝能解決這些缺陷[5]。

1 冷壓模具設(shè)計(jì)

1.1 冷壓模具組成

環(huán)鉆冷壓模具由上、下壓頭(圖1)、型腔(圖2)、芯桿(圖3)以及固定壓頭和芯桿的一些配件組成。

圖2 模具型腔

圖3 芯桿

以Φ26.5 mm規(guī)格環(huán)鉆為例,成品具體尺寸為外直徑Φ26.5 mm,壁厚3 mm,高10 mm (其中工作層高8 mm焊接層高2 mm)。

為了使冷壓成型的環(huán)鉆冷壓胚能夠順利裝進(jìn)燒結(jié)模具,自動(dòng)冷壓模具的尺寸需要與成品尺寸至少有0.2 mm的間隙;模具型腔內(nèi)徑Φ26.3 mm,芯桿外徑Φ20.7 mm。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 環(huán)鉆自動(dòng)冷壓填料均勻性分析

填料的均勻性影響著環(huán)鉆燒結(jié)后的質(zhì)量。料多部分燒結(jié)到較高致密度后會(huì)燒結(jié)不下去,料少部分又達(dá)不到足夠致密度,會(huì)使環(huán)體各部位密度不同,導(dǎo)致環(huán)齒無(wú)法燒結(jié)到理論設(shè)計(jì)尺寸;如加溫加壓再燒結(jié)能夠燒結(jié)到符合尺寸,但是會(huì)使環(huán)齒料多部分致密度偏高而應(yīng)力集中,影響使用效果。

將不含金剛石的A粉料(A粉料理論密度8.05 g/cm3進(jìn)行制粒,以提高其流動(dòng)性,用該粉料進(jìn)行自動(dòng)冷壓,燒結(jié)后將其盡量均勻分割成四瓣(圖4),采用水重法分別測(cè)量每瓣密度,并計(jì)算致密度。

圖4 密度檢測(cè)樣品

該樣本整體檢測(cè)時(shí)密度為7.89 g/cm3,致密度98.0%,在金剛石燒結(jié)工具中,從表1看,該樣品每瓣的密度和致密度相差不大,說(shuō)明采用自動(dòng)填料冷壓,可以保證環(huán)鉆材料分布的均勻性。

表1 樣品密度和致密度

2.2 環(huán)鉆自動(dòng)冷壓試驗(yàn)過(guò)程

生產(chǎn)的環(huán)鉆為激光焊接,所以環(huán)鉆需包含工作層和焊接層,冷壓就需要分別裝填工作層和焊接層后再冷壓。

2.2.1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的問(wèn)題

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)兩個(gè)明顯的問(wèn)題,一是:冷壓完成后冷壓胚推出型腔時(shí)出現(xiàn)開(kāi)裂(圖5)。

圖5 實(shí)驗(yàn)樣品開(kāi)裂

2.2.2 實(shí)驗(yàn)問(wèn)題分析

問(wèn)題一: 冷壓開(kāi)裂問(wèn)題經(jīng)過(guò)多次調(diào)整冷壓壓力、速度等相關(guān)參數(shù),都未能解決;最后從模具方向進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn),芯桿、型腔都是相對(duì)固定的(圖6),只有壓頭可以在軸向進(jìn)行運(yùn)動(dòng),如果芯桿在軸向上偏移一點(diǎn)使型腔與不同軸,退模時(shí)冷壓胚會(huì)同時(shí)受到型腔內(nèi)壁和芯桿外壁很大的摩擦,且環(huán)胚某邊受到型腔和芯桿擠壓,最終使冷壓環(huán)胚從型腔內(nèi)部出來(lái)后開(kāi)裂。

圖6 芯桿固定

既然冷壓胚是受到芯桿和型腔兩者間的摩擦力以及擠壓造成的,如果不固定芯桿,冷壓胚退時(shí)包裹著芯桿一起退出,冷壓胚不就只受到型腔內(nèi)壁的摩擦力,也不會(huì)受到擠壓了嗎?是否也就不會(huì)開(kāi)裂了?

2.2.3 實(shí)驗(yàn)問(wèn)題原因驗(yàn)證

為了驗(yàn)證不固定芯桿冷壓,冷壓胚退出時(shí)不會(huì)開(kāi)裂,按照上述設(shè)想進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。將芯桿固定松開(kāi)后進(jìn)行自動(dòng)冷壓,環(huán)鉆退模時(shí)芯桿確實(shí)與環(huán)鉆冷壓胚一同退出(圖7)。

圖7 芯桿與環(huán)鉆冷壓胚

此時(shí)環(huán)鉆冷壓胚(圖8)未見(jiàn)開(kāi)裂,重復(fù)多次依舊不會(huì)開(kāi)裂,證明開(kāi)裂確實(shí)如上述分析的原因造成。

在芯桿跟隨冷壓胚一起退出后又出現(xiàn)新的問(wèn)題,就是芯桿有時(shí)不能自動(dòng)歸位,送料機(jī)構(gòu)送料時(shí)撞到芯桿,導(dǎo)致無(wú)法完成自動(dòng)冷壓。后經(jīng)過(guò)在芯桿增加復(fù)位彈簧(圖9)解決該問(wèn)題。

圖9 回位彈簧

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比,采用自動(dòng)冷壓的工藝,相較裝料燒結(jié),效率提升了3.8倍(表2)。同時(shí)經(jīng)過(guò)驗(yàn)證,環(huán)齒冷胚開(kāi)裂確實(shí)如猜想一樣是受到芯桿和型腔兩者間的擠壓造成開(kāi)裂的(圖10)。

表2 生產(chǎn)效率對(duì)比

4 結(jié)論

通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究,首先解決了實(shí)驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)的環(huán)齒冷壓胚開(kāi)裂問(wèn)題,為環(huán)鉆自動(dòng)冷壓工藝奠定了基礎(chǔ),在與使用燒結(jié)模具直接裝料后再燒結(jié)的工藝相比,環(huán)齒采用自動(dòng)冷壓成型的工藝,保證了環(huán)齒整體的均勻性,環(huán)齒燒結(jié)后各部分致密度相差不大,提高了環(huán)齒燒結(jié)質(zhì)量。同時(shí)采用自動(dòng)冷壓成型的工藝在效率上提高了3.8倍。