微米級金剛石選形關鍵技術的研究

于廣華,林峰,齊飛,樊帆,盧笛,韋贊

(1.廣西柳州華地探礦機械廠,廣西柳州 545005;

2.廣西超硬材料重點實驗室中國有色桂林礦產地質研究院有限公司國家特種礦物材料工程技術研究中心,廣西桂林 541004)

微米級金剛石選形關鍵技術的研究

于廣華1,林峰2,齊飛1,樊帆1,盧笛1,韋贊1

(1.廣西柳州華地探礦機械廠,廣西柳州 545005;

2.廣西超硬材料重點實驗室中國有色桂林礦產地質研究院有限公司國家特種礦物材料工程技術研究中心,廣西桂林 541004)

針對國內微米級金剛石無法有效選形、難以滿足高端使用要求的行業技術難題,通過對微米級金剛石顆粒的物理特性分析,采用國內普遍使用的選形設備對其選形,觀察、分析其運動軌跡,察看鏡檢效果以及對選形設備的結構、振動特性進行詳細的技術分析,以此為依據研發微米級金剛石選形的關鍵新技術和新設備。

微米級金剛石;選形;運動軌跡;隔振系統

1 引言

微米級金剛石在集成電路、光電材料、光學等精密和超精密加工中有廣泛的應用前景,而經過篩分的微米級金剛石其晶形差別較大,無法滿足上述高精加工的要求,必須通過選形進行質量控制,但目前國內尚無對其進行有效選形的相應技術和設備,嚴重制約了我國微米級金剛石在精密和超精密加工領域的應用,研發可對微米級金剛石進行有效選形的關鍵技術和設備迫在眉睫,成功研發微米級金剛石選形的關鍵新技術和新設備,不僅解決了行業重大技術難題,也將極大推動金剛石行業及相關應用行業的技術進步。

本文擬通過對微米級金剛石顆粒的物理特性分析,并分析研究用國內目前普遍使用的選形設備對其選形時的運動軌跡,并察看鏡檢效果以及選形設備的結構、振動特性,結合我們多年研究制造金剛石選形設備的經驗,闡述研發微米級金剛石選形的關鍵新技術和新設備的技術思路和需要解決的關鍵技術問題,希望能為微米級金剛石選形關鍵新技術的研發以及新設備的研制提供一些建設性的意見和建議。

2 選形機的結構特點及工作原理

金剛石選形機主要由七個部分組成:(1)給料部,包括振動器(電磁鐵)、料槽、振動彈簧組、萬向支承體;(2)分選部,包括振動器(電磁鐵)、分選盤、主振彈簧組與聯接體、隔振系統、托板;(3)工作臺;(4)機架部份,包括機架體、工作臺面、雙向角度調節裝置;(5)控制部,電氣控制箱;(6)調節部;(7)接料部分,包括分料槽、接料斗、支架。見圖1[1]所示。

圖1 XX-83型金剛石選形機Fig.1 XX-83 diamond shape sorting table

金剛石選形時放置于給料部的金剛石顆粒在振動器的作用下被連續定量投放到分選盤接料端,分選盤上的金剛石顆粒由于形狀的不同將在電磁振動的作用下沿一定軌跡向接料部滾動,最終落入不同的接料斗內,從而實現不同形狀金剛石顆粒的分選。

根據我們多年來的研究結果,在金剛石選形過程中,金剛石的形狀、金剛石的粒度、選形機的振動力大小、振動方向、分選盤的工作角度及分選盤的表面粗糙度等因素對選形效果均有不同程度的影響。

3 400～800目金剛石顆粒特性與選形軌跡分析

使用高倍顯微鏡對400目～800目的微米級顆粒金剛石進行單體觀察,可以發現其形狀的種類基本上與粗顆粒金剛石相似,但是由于其單體體積十分微小,重量特別輕,單體顆粒極易像粉塵一樣漂浮起來,同時單體之間因為庫倫力的作用又容易聚團。這些特性使得其用原有選形機進行選形時其在分選盤上的運動軌跡與粗顆粒金剛石的運動軌跡有了較大的差別。

一般情況下,較粗粒度的金剛石在選形時顆粒在分選盤上會遵照選形原理依據摩擦力的不同在盤面上呈射線狀的散開,如圖2所示。我們用從微米級金剛石生產廠家購買回的400～800目金剛石桶料(即生產廠家已進行粒度分級后尚未進行選形的混合料)分別在廣西柳州華地探礦機械廠生產的十七斗和十三斗選形機(即市場上普遍正在使用的機型)進行了選形試驗。我們觀察到:開機后,當激振力稍大時物料就不再以傳統的散面狀軌跡滾動,而是飛揚起來、到處亂串,而將激振力逐漸調小使物料不揚起時,物料卻聚成一條粗線不以傳統的散面狀分選軌跡分散開,同時粘盤現象嚴重。同時,我們用13斗選形機分別對400目、500目、600目、700目、800目的金剛石進行選形,然后進行了鏡檢,結果如表1所示。從表1的統計數據中可看出:用原有的機型對400目以細的金剛石進行選形均無法達到行業標準的要求(標準號JB/T8374-2012),其中400～500目的金剛石集料斗收集效果尚可,估計每種料多復選幾次基本能達到使用的要求,但600目以細的則無規律可言,混料嚴重,根本無法使用。

圖2 金剛石選形時正常的分選軌跡示意圖Fig.2 Regular separation trajectory of diamond shape sorting

表1 各集料斗等積形顆粒百分含量Table.1 percentage of equal-area particles for aggregate bins

4 原有機型的結構特點、性能對微細物料選形的影響分析

4.1 隔振系統的影響

選形機其實就是一種電磁振動機械。電振機的兩個質體(分選部分、工作臺面)和隔振系統組合成一個工作體系進行工作,振動器所產生的振動力通過儲能彈簧傳遞到分選盤上使分選盤振動,與此同時還有一部分振動力會傳到彈簧支座板上給其它部分帶來振動,而這種振動對選形而言是有害的,如果沒有采取有效的隔振措施予以消除將會與分選盤上的振動產生干涉,從而影響分選效果并且會產生較大的振動噪音,為此,原有型號選形機在設計時采用了立柱式的橡膠彈簧組進行隔振,實踐證明,這樣的設計對300目以粗的金剛石進行選形效果還是不錯的。但在對400目以細的細顆粒物料進行選形時,由于物料太細,黏盤嚴重,致使選形效果變差,必須將分選盤的角度調得較高以增大物料的下滑角,讓等積形的顆粒容易滑落到分選盤的下部才能達到分選的目的。但這樣的改進設計會導致整個分選部分的重心大大后移,使得橡膠彈簧前面被拉伸、后面被壓縮的受力不均的現象(如圖3所示)加大,會嚴重影響隔振效果,致使分選盤共振而影響分選效果。

4.2 分選角度的影響

原有型號選形機的分選角度調節是采用螺桿四邊形的調節器來實現0°～15°的角度調節的。而根據選形原理進行400目以細的金剛石選形時則需要更大的分選角度,同時400目～800目的金剛石顆粒其體積差別極大,從而對選形的角度要求也不一樣,原有型號選形機的角度調節器本身沒有這么大的調節范圍而無法滿足分選角度調節的要求,需要更新設計調節器。

4.3 分選盤的振動和共振現象對分選效果的影響

圖3 橡膠彈簧受力如圖Fig.3 force diagram of rubber spring

分選盤的振動是影響分選效果的最主要因素。國內外選用的分選盤材質基本上均為合金鋁,目前國內標準要求的厚度是6毫米,形狀為兩邊折邊的等腰三角形,出料端13斗機型為700多毫米,17斗機型為900毫米。分選盤通過板簧傳遞振動力和支撐,支撐目前有三種形式[2]:懸臂式、V型板簧組、//型板簧組,因為盤面板薄,面積大,就像一個大鼓面或一個大鑼面,激振力通過板簧傳到分選盤時,各系統協調不好就會引起盤面共振,影響分選效果并帶來較大的噪音,我廠當年研發92型選形機時對此項技術難題進行了重點攻關,較好地解決了這一技術關鍵,目前市場上使用的選形機在進行320目以粗的金剛石物料選形時可得到比較滿意的效果,但對400～800目細料選形時原機型的結構仍無法滿足精確選形的要求。

經過以上綜合分析和多次的試驗觀察,我們認為分選盤的共振和晃動是對物料選形有效性影響最大的因素。

5 存在的技術問題及解決的思路

金剛石顆粒跳動、漂浮、亂串、嚴重粘盤和不能呈射線狀散開是原有型號選形機對400～800目細料選形時存在的突出問題,如何采用有效措施將細顆粒壓在分選盤上,使之能按照分選原理正常進行選形是實現400～800目金剛石有效精確選形的關鍵。

根據對用原有型號選形機選形400～800目金剛石的測試結果,我們認為可以用以下技術思路解決上述問題:(1)擴大角度器的調節范圍使之能方便可靠的使用;(2)對隔振系統進行重新設計保證隔振效果;⑶采取相關的技術措施,克服分選盤的共振和晃動現象。

6 改進設計及效果

6.1 新型角度調節器設計及擴大角度調節范圍的實現

針對如何擴大角度調節器角度調節范圍的問題,我們經過測試和分析,決定在原用的四邊形螺桿角度器上進行改進來擴大它的角度調節范圍,以達到既能方便可靠的使用,制造成本和難度又不過高的目的。具體技術方案是:將原螺桿角度器通過鉸鏈固定可滑動的升降塊,該滑動升降塊安裝在選形機的機架支柱上,螺桿角度器上部與分選工作臺連接。在使用中如果螺桿角度器調節角度達到極限無法擴大角度時,則將滑動升降塊滑槽內的螺栓松開將滑動塊向機架上方推動,即可方便增大金剛石分選部的工作角度,據測量,改進設計的角度調節器可實現2°～65°范圍內的任意調節,比原設備最高可調節15°增加了50°,可以很容易滿足增加超細物料分選角度的要求。改進后的新角度調節器的結構示意如圖4所示。

圖4 改進后的新角度調節器的結構示意圖Fig.4 Structure diagram of the improved angle demodulator

6.2 隔振系統的創新設計

金剛石選形機的工作原理是使用電磁振動器通過板簧傳遞、帶動分選盤振動而對物料進行選形的。但振動器在帶動分選盤振動的同時,也帶動選形機其它部件的振動,而其它部件的振動傳遞到分選盤上就會影響分選盤的正常振動,從而影響選形效果并容易產生噪音。因此選形機在工作時振動器在帶動分選盤時應盡量減少振動器給其它無關部件帶來的振動,使分選盤的振動受到最小的干擾,安裝合適隔振裝置可以達到理想的隔振效果。

原有機型選形機的隔振裝置是將四個或八個橡膠圓柱彈簧分別豎立安裝在分選部分的托板下進行隔振,此裝置在選形機的分選盤處于水平狀態或傾斜角度不大時隔振效果良好。但隨著分選盤角度的增大,選形的效果則明顯的減弱,同時噪音也隨之加大,此隔振裝置的隔振效果已無法滿足400～800目金剛石顆粒選形的要求。為了解決上述技術難題,必須重新設計隔振系統以克服因分選角度擴大后分選部分重心后移使隔振彈簧受力不均而影響隔振效果的問題。我們經過分析研究、設計、修改和反復多次的試驗,最后確定使用碟型組合隔振系統的創新設計。具體結構如圖5所示。

采用上述隔振系統后,由于橡膠圓柱彈簧橫向斜置的結構特點使之緩振效果非常好。在選形機工作中可以任意調整分選盤的工作角度,振動器除了傳給分選盤的振動力不變之外,傳給其它的零部件的振動相對立式隔振裝置而言已大大減少對分選盤振動的影響,從而提高了分選效果,工作穩定性也更好,噪音也大幅度降低。

圖5 使用碟型組合隔振系統的選形機結構示意圖Fig.5 Structure diagram of shape sorting equipment using saucer composite isolation system

6.3 分選盤的振動和共振現象對分選效果影響程度的控制

選形機分選盤的晃動和鼓面效應帶來的振動對分選效果有較大影響,隨著金剛石顆粒的細化,這種影響會更加嚴重,要實現400～800目金剛石顆粒的有效選形,必須有效控制分選盤的振動和共振現象帶來的不利影響。

圖6 選形機的盤面和托板連接示意圖Fig.6 Connection diagram of disk surface and support plate of the shape sorting equipment

目前選形機上使用的分選盤其底部粘接一板托,通過托板與主振板簧連接使振動傳遞到盤面上,其結構如圖6所示。這種結構導致分選盤的晃動隨著盤的面積增大而明顯的增大。而這種晃動對物料的運動軌跡會帶來較大的影響,進而影響分選效果。我們在用十三斗選形機進行選形試驗時發現:300目以粗的物料進行選形時,盤面的晃動對選形的效果基本上沒有明顯的影響,但是對細顆粒物料選形特別是600目以細時,因為顆粒的質量特別輕,盤面的晃動就對物料的運動產生較大的影響。在研制十七斗的選形機時我們曾采取擴大托板面積來克服此種現象的辦法,但此方法需要對電磁鐵等部件進行重新設計,并對整機結構都要進行極大的改動,導致設備成本會增加很多。同時,托板的擴大還會帶來質振中心和盤體重心的改變,這些改變都將會影響分選的效果。為了減少分選盤的振動和共振現象對400～800目金剛石顆粒分選效果的影響,我們經過反復分析、討論和反復試驗,提出采用縮小盤體面積的方式來解決此問題的設計思路:(1)在不改動分選盤托板的前提下縮小盤體面積實現大幅度降低盤面的晃動;(2)增加了盤體的剛性有效降低鼓面效應的產生;(3)研制成本大幅下降;(4)技術措施簡單、可靠宜行。此改進將盤體制成出料口長度為450毫米的等腰三角形,相應的接料斗斗數改為9個,以滿足金剛石生產廠家對物料選形分類五個級別的要求。試驗結果表明,經此改進后的選形機對400～800目金剛石顆粒的選形效果還是比較明顯的,但仍然達不到標準要求的選形效果,分析認為是分選盤盤面的鼓面效應帶來的共振問題沒有得到有效解決。金屬材料本身都有固有頻率,而選形機的振動頻率高達3000次/分鐘,容易與分選盤盤體產生頻率共振,加之分選盤盤體較薄但面積又大從而形成鼓面效應,也就是盤面在激振力作用下前后往復運動的同時分選盤盤面還會像鼓面或鑼面一樣的上下振動,這種振動對分選是非常有害的,首先它會產生較大的噪音,其次這種上下的振動使物料會在分選盤盤上翻滾而無法按分選原理沿分選軌跡進行運動。尤其是細顆粒物料本身由于質量輕,當振動稍大時物料就會飛揚起來而無法選形。因此解決盤面的跳動問題是實現細顆粒物料有效選形的最重要的技術關鍵。為此,我們經過將近一年時間的攻關,確定了對整個分選部分進行設計改進,對盤體、電磁激振力、振動彈簧各技術要素采取相應的改進措施——重車大功率穩定拖帶,實現細顆粒物料壓盤、不飛揚的創新設計和選形工藝的確定,最終取得了成功。研制的新型選形機對400～800目細顆粒物料進行選形,鏡檢結果表明取得了比較滿意的效果,表2是新型選形機對細顆粒物料選形后的等積形顆粒百分比含量。

表2 新型選形機對細顆粒物料選形后的等積形顆粒百分含量Tab.2 percentage of equal-area particles of the fine particle materials after sorted by new shape sorting equipment

7 結束語

在金剛石選形過程中,金剛石的形狀、金剛石的粒度、選形機的振動力大小、振動方向、分選盤的工作角度及分選盤的表面粗糙度等因素對選形效果均有不同程度的影響。金剛石顆粒跳動、漂浮、亂串、嚴重粘盤和不能呈射線狀散開是原有型號選形機對400～800目細料選形時存在的突出問題,如何采用有效措施將細顆粒壓在分選盤上,使之能按照分選原理正常進行選形是實現400～800目有效精確選形的關鍵。本研究通過新型角度調節器、碟型組合隔振系統等創新設計,實現了角度調節器角度調節范圍的擴大和分選盤的振動和共振現象對分選效果的影響程度的有效控制,新型選形機對400～800目細顆粒物料進行選形,鏡檢結果表明取得了比較滿意的效果。

[1] 于廣華.中國金剛石選形機發展回顧.中國超硬材料與制品50周年精選文集[M].浙江大學出版社,2014:249-251.

[2] 于廣華.淺析金剛石選形機振動結構對選形效果的影響.第五屆鄭州國際超硬材料及制品研討會文集[M].海洋出版社,2008: 339-342.

立方氮化硼刀片——一種加工齒輪的高效率刀片

加工齒輪的刀具材料應具備以下要求:①刀具硬度高,耐磨性和耐高溫性好;②有足夠的抗彎強度和抗沖擊韌性;③具有良好的加工穩定性,抗氧化性。滿足以上要求的刀具材料有:涂層硬質合金刀具,陶瓷刀具,立方氮化硼刀片。

以上三種刀具的性能不再一一介紹,但每種刀具都有本身的缺陷,之后我國華菱超硬根據以上三種刀具的性能及加工齒輪時出現的問題,于2005年就研制出了可高效率加工齒輪的立方氮化硼刀片BN-S20牌號,屬于國家新型專利產品,打破了立方氮化硼刀片不能用于強斷續大余量車削淬硬鋼的神話。

目前立方氮化硼刀片在精加工大余量齒輪等材料的工件中,由于被加工材料本身的特性及加工精度的要求,以及熱處理后的大型齒輪變形量大的問題困擾著機械制造商,以上問題華菱超硬立方氮化硼刀片BNS20牌號均可解決。如加工大型斷續齒輪齒面,華菱超硬立方氮化硼刀片BN-S20牌號采用吃刀深度ap= 2.5mm,進給量Fr=0.12mm/r,切削速度Vc=90m/min的切削參數,加工效果是陶瓷刀具的16倍以上。

華菱超硬立方氮化硼刀片BN-S20牌號之所以可有效大余量加工斷續齒輪,是在于立方氮化硼刀片BN -S20牌號的硬度在HRC98.5左右。是加工黑色領域中最硬的刀具,而且可在高溫下正常加工。并且華菱超硬研制的立方氮化硼刀片BN-S20牌號采用非金屬(陶瓷)作為粘結劑,提高了其立方氮化硼刀片本身的抗沖擊性能。 (中國刀具商務網)

Study of the Key Technology of Shape Sorting of Micron-sized Diamond

YU Guang-hua1,LIN Feng2,QI Fei1,FAN Fan1,LU Di1,WEI Zan1
(1.Guangxi Liuzhou Huadi Prospecting Equipment Plant,Liuzhou,Guangxi,545005,China;
2.Guangxi Key Laboratory of superhard material,China Nonferrous Metal(Guilin)Geology And Mining Co.,Ltd, National Engineering Research Center for Special Mineral Material,Guilin,Guangxi,541004,China)

For domestic micron-sized diamond industry in China,the diamond product can not be effectively shape sorted to meet the high-end use requirement.In order to solve this technical problem,the physical property of the micron-sized diamond particle has been analyzed and shape sorted by commonly used shape sorting equipment in China. Meanwhile,its movement locus has been observed and analyzed and the effect of microscopy has been reviewed.Moreover,the structure and vibration performance of the shape sorting equipment has been given a detailed technical analysis.Based on the result of the above mentioned work,the key new technology and equipment for micron-sized diamond shape sorting will be researched and developed.

micron-sized diamond;shape sorting;movement locus;vibration isolation system

TQ164

A

1673-1433(2015)04-0001-06

2015-06-10

于廣華(1956-),男,高級工程師,從事機械設計工作30余年,1991年起一直從事金剛石選形機的研究開發。E-mail:ygh1956@163.com。

柳州市科學研究與技術開發計劃項目(項目編號:2014H020402)

于廣華,林峰,齊飛,等.微米級金剛石選形關鍵技術的研究[J].超硬材料工程,2015,27(4):1-6.