CN113560564B - 一种具有钻-磨复合功能的纳米金刚石多层钎焊钻头的制备方法 - Google Patents

一种具有钻-磨复合功能的纳米金刚石多层钎焊钻头的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种具有钻‑磨复合功能的纳米金刚石多层钎焊钻头的制备方法，通过将纳米金刚石、钎料粉末、液态光敏树脂等均匀混合制备出浆料，利用3D打印技术制备出钻头工作层；然后将钻头工作层与刀杆进行整体焊接制备出具有钻‑磨复合功能的纳米金刚石磨粒钎焊钻头。其中，3D打印技术能制备出形状复杂、具有钻‑磨复合功能的钻头工作层结构；且纳米金刚石粒度细小、显微硬度高，耐磨损；制备的纳米金刚石多层钎焊钻头具有排屑能力强、散热速度快、加工性能优良等特点，可应用于碳纤维增强树脂基复合材料等难加工材料的高效低损伤制孔加工领域。

Description

一种具有钻-磨复合功能的纳米金刚石多层钎焊钻头的制备 方法
技术领域
本发明涉及一种新型钻头的制备技术，具体涉及一种具有钻-磨复合功能的纳米金刚石多层钎焊钻头的制备方法。
背景技术
碳纤维增强树脂基复合材料具有比强度、比模量高、抗疲劳及减振性能好等优异性能，在民用及军工领域中均得到了广泛的应用。碳纤维增强树脂基复合材料在应用过程中往往要与其他结构件进行连接，大多需要钻削等工艺进行制孔加工以满足连接和装配需求。目前，常采用麻花钻、中心钻、匕首钻等钻头进行制孔加工。但碳纤维增强复合材料具有材料各向异性、层间剪切系数小、导热性差等特性，属于典型的难加工材料之一。在钻削加工中常存在：1)钻头磨损严重，使用寿命低。碳纤维增强体具有高强度和高硬度，其作为切削硬质点直接与钻头刃口发生剧烈摩擦，造成刀具的磨损；且其导热性差，钻削热主要集中在钻头切削刃处，加速了钻头的严重磨损；2)钻削过程中易产生分层、撕裂、毛边等加工缺陷。碳纤维增强数值基复合材料的层间结合强度低，钻削过程中轴向力若超过层间结合强度就会引起分层、撕裂等缺陷，且钻头磨损越严重，加工缺陷越明显。目前，传统钻头在碳纤维增强树脂基复合材料的钻削过程中钻头的磨损十分严重，如高速钢钻头钻削碳纤维增强树脂基复合材料时，每个钻头只能钻削3～4个孔；硬质合金钻头钻孔数目为40～60个孔时发生了严重磨损；聚晶金刚石复合片钻头虽然加工性能突出，但聚晶金刚石材料较脆，在钻削过程涂层存在剥落现象。钻头磨损严重，使用寿命短，需频繁换刀，这大大限制了碳纤维增强树脂基复合材料制孔效率的提高，并增加了生产成本。
金刚石是自然界里硬度最大的材料，一些学者采用电镀工艺或钎焊技术开发出了金刚石套料钻，并应用到碳纤维增强树脂基复合材料的制孔加工中。套料钻内外表面固定有金刚石磨粒，材料去除过程主要由金刚石磨粒的微切削实现，能有效提高加工质量。但电镀工艺制备的金刚石套料钻的磨粒把持强度有限，金刚石易过早脱落，金刚石利用率不高，且加工质量不稳定。因此，有学者尝试开发了磨粒把持力大的钎焊金刚石套料钻，如牟娟等对比了金刚石套料钻与麻花钻的加工性能，发现在相同工艺参数下，钎焊金刚石套料钻更有利于减少撕裂缺陷，提高加工效率，且磨粒利用率高，没有出现过早脱落的现象；徐九华等制作了钎焊套料钻，分析了套料钻制孔中已加工表面的形成过程，表明钎焊套料钻轴向力小，制孔质量明显提高。但目前的钎焊套料钻存在如下问题：1、套料钻金刚石磨粒是单层的，当磨粒磨耗后，没有后续磨粒补充，使用寿命有限；2、磨粒存在局部堆积现象，这对磨粒的有效利用及加工性能都有显著影响。因此，制备一种耐磨损、钻削性能好、使用寿命长的钻头以实现碳纤维增强树脂基复合材料的低损伤加工是值得研究的内容。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供一种具有钻-磨复合功能的纳米金刚石磨粒多层钎焊钻头的制备方法。该方法首先将纳米金刚石磨粒、铜基钎料粉末与分散剂进行均匀混合，并利用机械球磨工艺获得理想的分散效果；然后将分散后的纳米金刚石磨粒/铜基钎料混合粉末与光敏树脂进行混合，采用超声波振动辅以机械搅拌的方式制备出粉体分布均匀的浆料；并利用特定波长紫外线进行照射，紫外线照射路径根据钎焊钻头三维模型分层切片产生的轮廓信息轨迹进行规划和实施，紫外线照射到的地方，液态光敏树脂发生聚合反应形成固体，将纳米金刚石、铜基钎料粉体固结成型；并按照每一层形成的轮廓轨迹逐层扫描照射，形成的固体层层叠加，并对层厚、扫描速度等进行精准控制，实现层间厚度均匀、粘结强度可控的效果，制备出组织均匀、成型精度高的钎焊钻头工作层毛坯；然后对其进行后续高温烧结，光敏树脂在烧结过程中逐渐被脱除，而钎料粉末在烧结过程产生致密化，形成对纳米金刚石的高强度把持，从而制备出钎焊钻头工作层；并利用高频感应焊接机将钎焊钻头工作层与刀杆整体焊接制备纳米金刚石磨粒多层钎焊钻头。
本发明采用的技术方案是：
一种具有钻-磨复合功能的纳米金刚石多层钎焊钻头的制备方法，包括钻头工作层与刀杆的整体焊接，所述钻头工作层通过钎焊钻头工作层毛坯进行烧结得到，所述的钎焊钻头工作层毛坯通过纳米金刚石、钎料粉末、液态光敏树脂均匀混合制备出的混合浆料利用3D打印技术制备得到。
进一步地，所述混合浆料的制备具体为：首先将纳米金刚石磨粒、分散剂、铜基钎料粉末加入到无水乙醇中，然后将其放置于行星式球磨机的料罐中进行球磨1～2小时得到混合物，然后将混合物与液态光敏树脂(液态光敏树脂的体积分数为40％～60％)在超声波振动辅以机械搅拌的条件下进行混合，即得到混合浆料。
进一步地，磨球选用碳化硅陶瓷材料，磨球直径为5～10mm，球料比为12～15：1，转速为180～200转/分钟；超声波振动的频率为30000赫兹～60000赫兹，超声振动时间为1～1.5小时，期间利用玻璃棒辅助机械搅拌4～5次，每次2～3分钟。
进一步地，纳米金刚石磨粒采用爆轰技术制备而成，金刚石平均粒径为10～20纳米，为球形或椭球形；铜基钎料粉末为Cu-Sn-Ti粉末，其中，Cu的质量分数为75％～85％，Sn的质量分数为10％～15％，Ti的质量分数为5％～10％，钎料粉末为气雾化制备而成，粉末平均粒径为5-8微米，粉末形状为球形或近球形。
进一步地，分散剂为十二烷基苯磺酸钠阴离子型表面活性剂，分散剂的加入量为金刚石磨粒与铜基钎料粉末总质量的0.5％～1％，金刚石磨粒与铜基钎料粉末的体积比为1～1.2：1。
进一步地，钎焊钻头工作层毛坯的制备具体为：采用波长为280～315纳米的紫外线对混合浆料进行照射，紫外线照射路径根据钎焊钻头三维模型分层切片产生的轮廓信息轨迹进行实施，扫描速度为30～60微米/秒，紫外线照射到的地方，液态光敏树脂发生聚合反应形成固体，固化过程中将纳米金刚石、钎料粉体固结成型；按照每一层形成的轮廓轨迹逐层扫描照射，形成的固体层层叠加，制备出组织均匀、成型精度高的钻头工作层毛坯。
进一步地，烧结工艺具体为：以3℃～5℃/min的升温速率从室温升至T1±10℃，保温20～30min后以1℃～2℃/min的升温速率升至T2保温60min，其中，T1表示光敏树脂出现热分解的温度，T2表示光敏树脂热分解结束的温度，在此过程中光敏树脂逐渐被裂解脱除；然后以5℃～8℃/min的速率加热到900℃～920℃并保温10～12min实现铜基钎料粉末的致密化烧结，并以3℃～5℃/min的降温速率降至200℃后随炉冷却，从而制备出钎焊钻头工作层。
进一步地，光敏树脂的热分解温度采用差示扫描量热仪进行测量。
进一步地，所述的光敏树脂为丙烯酰胺树脂、聚氨酯丙烯酸树脂、丙烯酸树脂中的一种。
进一步地，所述的整体钎焊利用感应钎焊装置进行，采用的感应频率为350～450kHz，感应加热时间为3～5分钟。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明通过3D打印技术制备出了一种散热良好、刀具寿命长的具有钻-磨复合功能的纳米金刚石磨粒多层钎焊钻头。钻头工作层的前端为具有锋利切削刃的切削部分，后端为修磨部分，切削部分实现材料的高效钻削作用，而后端磨削部分则起到修磨作用，细小的纳米金刚石磨粒能将毛刺等进行微量切除，二者钻-磨协同作用能实现碳纤维增强树脂基复合材料的高效低损伤制孔加工；且纳米金刚石磨粒显微硬度高，耐磨损，加工性能稳定。
总而言之，本发明的纳米金刚石钎焊钻头在获得良好制孔质量的同时，其使用寿命明显延长，且在制孔加工中不仅效率高而且能够显著降低损伤，具有良好的应用前景。
附图说明
图1为感应焊接装置的结构示意图。
图2为本发明实施例1所得纳米金刚石多层钎焊钻头的结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细说明，但本发明并不限于此。
实施例1
首先将纳米金刚石磨粒、分散剂、铜基钎料粉末加入到无水乙醇中，其中，所用的纳米金刚石磨粒为爆轰技术制备而成，平均粒径为10～20纳米，为球形或椭球形；铜基钎料粉末为Cu-Sn-Ti粉末(Cu的质量分数为80％，Sn的质量分数为15％，Ti的质量分数为5％)，钎料粉末为气雾化制备而成，粉末平均粒径为5-8微米，粉末形状为球形或近球形。金刚石磨粒与铜基钎料粉末的体积比为1.1：1。分散剂为十二烷基苯磺酸钠阴离子型表面活性剂，其能吸附在纳米金刚石粒子的表面，可以增大粒子间的空间位阻而使得纳米金刚石分散更为稳定，分散剂的加入量为金刚石磨粒与铜基钎料粉末总质量的0.6％。然后将上述混合粉末放置于行星式球磨机的料罐中进行球磨，磨球选用碳化硅陶瓷材料，磨球直径为8mm左右，球料比为12：1，转速为200转/分钟，球磨时间为1.5小时。球磨后将金刚石磨粒/铜基钎料混合粉末与液态丙烯酰胺树脂进行混合。为了保证混合的均匀性，采用超声波振动辅以机械搅拌的方式进行，具体操作为：超声振动频率为40000赫兹，超声振动时间1.2小时，期间利用玻璃棒辅助机械搅拌4次，每次2分钟左右，从而制备出粉体分布均匀的浆料。
然后采用波长为280纳米的紫外线进行照射，紫外线照射路径根据钎焊钻头三维几何模型分层切片产生的轮廓信息轨迹进行实施，扫描速度为40微米/秒。紫外线照射到的地方，液态光敏树脂发生聚合反应形成固体，固化过程中将纳米金刚石、钎料粉体粘结成型；按照每一层形成的轮廓轨迹逐层扫描照射，形成的固体层层叠加，制备出组织均匀、成型精度高的钻头工作层毛坯。采用差示扫描量热仪对丙烯酸树脂的热分解温度进行测量，测得丙烯酸树脂出现热分解的温度T1为280℃和热分解结束的温度T2为400℃，以确定后续烧结工艺参数将光敏树脂顺利去除。根据差热扫描量-热重分析曲线的分析结果，确定烧结工艺参数：以4℃/min的升温速率从室温升至300℃，保温25min后以2℃/min的升温速率升至450保温60min，在此过程中光敏树脂逐渐被裂解脱除；然后以6℃/min的速率加热到900℃并保温10min实现铜基钎料粉末的致密化烧结，并以4℃/min的降温速率降至200℃后随炉冷却，从而制备出钎焊钻头工作层。
然后利用感应焊接装置将钎焊钻头工作层与刀杆整体焊接制备纳米金刚石磨粒多层钎焊钻头。感应焊接装置如图1所示，控制系统1控制机械臂及机械手4，机械手7进行刀杆的抓取和输送等动作；机械臂液压系统2为机械臂及机械手4，机械手7的运动及抓取动作提供夹紧力；机械臂电机组3为相关机械运动提供动力驱动；机械手7抓住刀杆8下端，机械手4固定钎焊钻头工作层5，刀杆8上端顶部涂覆有低熔点焊剂；感应焊接机9工作时，感应线圈6中心处快速产生感应加热，将放置在此处的刀杆8和钻头工作层5进行高频感应加热，将其中涂敷的低熔点焊剂进行加热实现刀杆8与钻头工作层5的高强度焊接。其中采用的感应频率为350～450kHz，感应加热时间为3～5分钟；感应加热结束5～10分钟后，控制系统1控制机械手4和机械手7抓取刀杆8和钻头工作层5移出加热区，空冷后得到纳米金刚石钎焊钻头。
所得具有钻-磨复合功能的纳米金刚石多层钎焊钻头其结构示意图如图2所示。钻头工作层上端为钻削功能区11，其具备锋利刀刃，可实现材料的高效钻削去除；10为排屑槽，便于切屑的顺利排出；钻头下端为钻头磨削区12，其可对孔进行精密修磨；13为散热槽，便于磨削热的及时散失；钻头工作层中的钻削功能区11与磨削区12的钻-磨复合作用可实现钻头的高效低损伤制孔加工。

Claims (9)

1.一种具有钻-磨复合功能的纳米金刚石多层钎焊钻头的制备方法，包括钻头工作层与刀杆的整体钎焊，其特征在于，所述钻头工作层通过钎焊钻头工作层毛坯进行烧结得到，所述的钎焊钻头工作层毛坯通过纳米金刚石磨粒、铜基Cu-Sn-Ti钎料粉末、液态光敏树脂均匀混合制备出的混合浆料利用3D打印技术制备得到；
所述纳米金刚石磨粒采用爆轰技术制备而成，金刚石平均粒径为10~20纳米，为球形或椭球形；所述铜基Cu-Sn-Ti钎料粉末中，Cu的质量分数为75%~85%，Sn的质量分数为10%~15%，Ti的质量分数为5%~10%，钎料粉末为气雾化制备而成，粉末平均粒径为5-8微米，粉末形状为球形或近球形。
2.根据权利要求1所述的具有钻-磨复合功能的纳米金刚石多层钎焊钻头的制备方法，其特征在于，所述混合浆料的制备具体为：首先将纳米金刚石磨粒、分散剂、铜基Cu-Sn-Ti钎料粉末加入到无水乙醇中，然后将其放置于行星式球磨机的料罐中进行球磨1~2小时得到混合物，然后将混合物与液态光敏树脂在超声波振动辅以机械搅拌的条件下进行混合，即得到混合浆料。
3.根据权利要求2所述的具有钻-磨复合功能的纳米金刚石多层钎焊钻头的制备方法，其特征在于，磨球选用碳化硅陶瓷材料，磨球直径为5~10 mm，球料比为12~15：1，转速为180~200 转/分钟；超声波振动的频率为30000赫兹~60000赫兹，超声振动时间为1~1.5小时，期间利用玻璃棒辅助机械搅拌4~5次，每次2~3分钟。
4.根据权利要求2所述的具有钻-磨复合功能的纳米金刚石多层钎焊钻头的制备方法，其特征在于，分散剂为十二烷基苯磺酸钠阴离子型表面活性剂，分散剂的加入量为金刚石磨粒与铜基钎料粉末总质量的0.5%~1%，金刚石磨粒与铜基钎料粉末的体积比为1~1.2：1。
5.根据权利要求1或2所述的具有钻-磨复合功能的纳米金刚石多层钎焊钻头的制备方法，其特征在于，钎焊钻头工作层毛坯的制备具体为：采用波长为280~315纳米的紫外线对混合浆料进行照射，紫外线照射路径根据钎焊钻头三维模型分层切片产生的轮廓信息轨迹进行实施，扫描速度为30~60微米/秒，紫外线照射到的地方，液态光敏树脂发生聚合反应形成固体，固化过程中将纳米金刚石、钎料粉体固结成型；按照每一层形成的轮廓轨迹逐层扫描照射，形成的固体层层叠加，制备出组织均匀、成型精度高的钻头工作层毛坯。
6.根据权利要求1或2所述的具有钻-磨复合功能的纳米金刚石多层钎焊钻头的制备方法，其特征在于，烧结工艺具体为：以3℃~5℃/min的升温速率从室温升至T1±10℃，保温20~30min后以1℃~2℃/min的升温速率升至T2保温60min，其中，T1表示光敏树脂出现热分解的温度，T2表示光敏树脂热分解结束的温度，在此过程中光敏树脂逐渐被裂解脱除；然后以5℃~8℃/min的速率加热到900℃~920℃并保温10~12min实现铜基钎料粉末的致密化烧结，并以3℃~5℃/min的降温速率降至200℃后随炉冷却，从而制备出钎焊钻头工作层。
7.根据权利要求6所述的具有钻-磨复合功能的纳米金刚石多层钎焊钻头的制备方法，其特征在于，光敏树脂的热分解温度采用差示扫描量热仪进行测量。
8.根据权利要求6所述的具有钻-磨复合功能的纳米金刚石多层钎焊钻头的制备方法，其特征在于，所述的光敏树脂为丙烯酰胺树脂、 聚氨酯丙烯酸树脂、丙烯酸树脂中的一种。
9.根据权利要求1所述的具有钻-磨复合功能的纳米金刚石多层钎焊钻头的制备方法，其特征在于，所述的整体钎焊利用感应钎焊装置进行，采用的感应频率为350~450kHz，感应加热时间为3~5分钟。
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