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提高陶瓷固结磨具制造水平的几个关键节点探究

http://www.momo35.com    来源:丁顺利/山东双立磨具有限公司    日期:2019-07-17

提高陶瓷固结磨具制造水平的几个关键节点探究
丁顺利/山东双立磨具有限公司
 
我于今年参观了北京机床展,感受颇深。总的而言,磨床制造向自动化、智能化、高精度、高效率发展,估计按照目前制造业加速发展的形势,未来五至十年内,全面实现磨加工的两化两高或将成为现实,而且大方向的国家政策导向和国际磨加工技术提升也会倒逼两高两化成为现实。
而作为对磨加工影响最直接的国内磨具企业,如何衔接并为两高两化磨床配套,成为摆在我们这些磨具技术人员面前最大的课题。传统的成本最低化、重资本扩张清研发服务必将成为磨企发展的掣肘,我个人认为,一要重视研发与服务以及人才的引进和培养、二要踏踏实实制定计划与目标并持之以恒的执行、三要实实在在做事而不是光喊口号,要练好内功、要外引内练、要吸收提高。
两高两化要求磨具产品在质量稳定性、磨削适应性方面要有极高的性能,进而延伸要求企业管理及技术工艺控制、以及设备工装的自动化要有很高的保证,笔者结合多年来的技术市场经验、与磨界专家和磨削专家以及一线磨加工职工的良好互动沟通,提出了一些观点,希望与大家共同探讨、共同成长。
 
一、实现为两高两化磨加工精准配套第一条,提供质量稳定的磨具产品。
质量稳定是磨具制造永远的主题,有时甚至超过磨具产品本身的质量水平要求,行业有句话叫做“要么质量差的一致,要么质量好的一致,最怕忽好忽坏,质量水平忽高忽低”。两高两化要求配套磨具产品要有优异的质量稳定性,因为两高两化的目标是给定磨削参数后磨床系统自动装夹、自动调集砂轮、自动修正、自动磨削,如果你的配套磨具产品做不到质量稳定、做不到物理指标稳定,那么反映到使用方面会频繁跳机,严重影响客户使用。
那么,如何实现产品质量的稳定、物理指标的稳定,我们试着从几个方面去探讨一下:
第一、原料要素管理控制,详细一点就是原材辅料湿润剂临时粘结剂填料等组成产品的要素控制,包括稳定的进料渠道、程序化的进料检验技术分析、对批次差值的配方验证调整(针对无法解决进料渠道质量符合磨企要求的情况),对原料要素管理的控制可以说是保证质量稳定性最基础的环节,如果要素环节都控制不好,基本距离两高两化要求无缘了。
第二、工艺管理控制,现在大家都在谈“工艺为王”,这个说法一点不过份,工艺是什么?工艺是配方设计得以严肃执行的必要管理手段。工艺要解决的是做的问题,做就要有程序、有方法,这些程序和方法最终是为了达成配方的设计要求,配方设计一定要考虑工艺手段能否具体实施,工艺管理一定要考虑配方目的能否实际完成,忽略了两者的关系,对于两高两化配套而言,肯定是不行的。举几个例子:
一个是关于混料过程控制,混料是为压制成型服务的(实际上每一个前道工序都是为后道工序服务的),我们希望得到松散的、成型能力好的、微观结合剂包覆均匀的、最好每一批次都稳定的料性。当然料性也与结合剂性能、湿润剂对于环境的变化、原材料的稳定性有关联,结合剂组成中塑性材料的占比不同,配方设计之湿润剂、临时粘结剂的构成也要相应调整,具有良好可塑性的结合剂,需要相应调低湿润剂、临时粘结剂的使用量。而实际上,随着磨具行业发展,大量瘠性材料和一价二价氧化物的使用,塑性材料使用比例逐步减少,在这样的情况下,需要适量提高湿润剂、临时粘结剂的比例,最佳比例的确定一是靠试验确定、二是靠大量的现场数据积累,如果做不到这些,那么很难保证配方设计目的实现,也会给后道工序造成很大的麻烦。
一个是关于成型过程控制,这一点是除混料外对于磨具产品质量稳定性影响最为关键的环节,成型主要控制称量精度、尺寸精度(尤其是厚度尺寸精度)、垫铁厚度、转盘转速、投料方法、搅刮料方法、压制偏差几个方面。其中前四种决定内在质量水平与稳定性,后三种决定产品物理指标是否达标与稳定。其实,掌控这7点并不复杂,主要是合理的工艺管理制度的制定与执行监督到位。随着磨床配套向两高两化的发展,我们必须在制定工艺制度方面加码加严,比如成型厚度控制,以前是控制于正负0.5mm,但这显然不适合厚度较小的砂轮,也不符合磨具产品稳定性一致性的要求,我认为,在目前的设备条件下,实现控制+0mm--+0.3mm是完全能做到的,如果排除其他因素,达到这个要求,产品实现1/3小级级差供货是能实现的。
执行与监督是非常重要的,制度的建立就是为了界定流程与标准。执行与监督是为了保证制度的有效稳定实施,缺乏执行与监督的制度也就没有了意义,这一点我想大家都明白,但关键还是不溃余力的坚持。
一个是关于装窑及烧成工艺控制,陶瓷磨具产品是依靠烧成从而达到物理化学及结构要求的,窑炉烧成是依靠热的辐射对流传导并借助一定的压力进行的,同时,合理科学的升降温曲线对产品质量的稳定提供了保障。目前大部分厂家已经实现使用清洁能源和自动化控制,这里只对影响产品稳定性的装窑位置安排进行分析。窑炉压力和温度以及气氛在窑炉内各个区域是不一致的,从热历史角度讲,从点火到闭火在每一个时间点的区域烧成指标都是在变化的,但总的而言具体到每个区域的热历史规律大体一致,所以,对特定产品进行装窑区域界定很有必要。
一个是关于加工工艺控制,陶瓷磨具产品的机加工目的是为了有效保证客户的正常使用,我们有行业标准对具体的尺寸形位公差进行限定,而且,大多数企业机加工设备实现数控化和金刚石磨轮应用,因此各个企业的加工标准实际已经进行了不同程度的加严,这得益于技术与设备进步。这里只是强调一下特殊加工的情况,比如成组砂轮的机加工,成组砂轮顾名思义就是2片或者多片砂轮安装于一个机台对同一目标工件进行同时或分时磨削,要求严格按照图纸要求进行加工,这种加工要比普通加工要求高得多,另外对每一批次的加工要求相符度也高得多。
另外,由于形位公差造成的动不平衡状况已经引起足够重视,两高两化磨削系统不仅要求较高的静平衡指标,对于动平衡的要求也极其严格,检测手段也越来越全面,动不平衡造成的危害是制约两高两化磨削系统正常工作的障碍。这就要求磨企一要配置检测手段,二要进行加工技术提升和工艺控制手段提高,保证平行度、平直度、同心度、孔与平面垂直度、基准面确定等在原国标基础上进行大幅度加严,自我加压似的前瞻性解决动平衡问题。
第三、工作现场管理控制,现场管理实际上就是对人机物料等生产要素进行定置化管理,通过合理科学的设备布置、物资工具摆放、领用料及工具行为进行制度约束、定期生产废物资处理、机台场地清洁,最大程度的进行空间利用和节约冗余时间浪费以及尽量减轻劳动强度,同时对优化生产节拍和有序化车间管理具有重要意义。现场管理难点同样是制度的有效执行与监督。
如果认为现场管理与产品稳定性没有关联那一定是错误的,试问:又脏又乱的原材料、结合剂管理现况是否会加大错领用料的概率?无序的工具摆放导致错用垫铁是否会导致砂轮厚度方向组织不均硬度不一致从而影响稳定性?脏乱差的机台、场地卫生状况是否会导致成型料夹杂、影响成型机台压制误差与偏差?
 
二、实现为两高两化磨加工精准配套第二条,提供适合的磨具产品。
磨削适应性也就是说产品一定要适应客户磨削参数要求并能够达到客户磨削目的,为客户提供定制化的产品和服务。不同的磨床系统,不同的加工工艺对磨具的指标要求是不一样的:工件的材质、硬度、热处理方式、加工方法、磨加工技术指标要求、加工余量、进刀量、修整方法、磨削液、机床本身刚性等决定了每一个客户都会有他独特的磨削要求,以前老的磨削产品选型的方法一般是进行基本砂轮信息对应选型,这对于普磨产品或许可行,对于专磨、特磨产品,仅有基本信息就不够了。第一、竞品信息存在虚标现象,竞品在磨料构成、组织号、结合剂系统选型方面一般很难模仿,何况不同的原材料厂家性能也不一致;第二、有可能客户老的选型本身就是错的或者是有偏差的,所以需要精准选型、需要磨削提升就一定需要进行现场数据信息采集,需要明白最终客户真正的提升要求、有条件的甚至要进行工厂小样磨削试验后最终确定方案。
为两高两化配套的磨具产品必须要有精准高效的性能,配方系统的设计和工艺措施的保障极其重要。前面说过,配方设计需要依靠精准的磨削参数、实际磨削数据采集、现场交流、同类型磨削案例参考、竞品数据采集等,一般给定的磨床参数都有一定的大范围归类成分,因此真实的工件图纸、磨削参数数据取得尤其重要,这一方面可以进行表格化归类汇总;同类型磨削案例参考在实际配方设计时作用很大,它要依靠磨企进行大数据管理,需要企业有专人进行大量的归类、整理工作;竞品数据采集需要提取基本竞品信息作为配方设计参考。总之,详尽而具体完备的信息收集、处理、匹配是进行磨具选型的最基础的工作。
前面说过“精准高效”四个字,信息的采集、处理、匹配是为了完成“精准”的要求,而“高效”是为了体现配方体系和结合剂体系的优异性。我们讲的配方体系是包括2个层面的东西,一是某一具体配方之内各组成要素针对磨削课题进行的合理搭配;二是整个体系根据粒度、材质、硬度的区段不同对于适用结合剂体系的划分。以下分开尝试探讨:
每一单个的配方都有五至六个元素,即原材料、结合剂、湿润剂、临时粘结剂、填充材料、成型密度,其中湿润剂(除水玻璃外)、临时粘结剂、部分填充材料是为了解决混料成型至烘干烧成过程的物理聚合作用,一旦高温烧成后,这些材料经燃烧后,除留余气道、气孔外基本不参与反应从而基本不会对烧后产品指标造成影响(只是会对于工艺和干密度造成些微影响),实际上真正影响产品指标的是原材料、结合剂和成型密度。
(连载一)
根据不同的工件材质选择不同的原材料这是个常识,这里就不展开叙述,只是对于难磨材料或特殊磨削而言,单独的磨料组份使用有时会力不从心。目前适应各种特殊用途的特殊金属材料层出不穷,要么加工硬化严重、要么材料有很大韧性、要么有极高的硬度、要么复合了几种材料的共同性质,这些对于磨料的选择都是挑战。在目前国内基础磨料体系没有重大改变及发展的情况下最好的选择是进行不同材质或者不同粒度的混合使用,以发挥各组分磨料的磨削优势。以最简单的已经普遍应用的轴承沟道内外圆磨为例,大量使用A/WA混合产品,A磨料韧性好、硬度略低,WA磨料脆性好,硬度高,两者结合使用,既能体现韧性以保证磨具好的抗冲击性能又能体现脆性以保证好的自锐性从而保证加工精度,当然,3种甚至更多种的混合磨料制作的砂轮产品随着磨加工要求的提高越来越普遍使用。
适应磨削要求合理选择结合剂品种是配方设计要考虑的重点内容,其中对于强度要求是第一要考虑的因素,重点是考虑抗拉强度,针对不同磨料粒度区段,针对磨床不同的转速要求,需要选择不同种类结合剂。如粗粒度软级的砂轮、中等粒度高速砂轮需配比高强度结合剂,对于细粒度砂轮即使中等强度结合剂也可以满足中等硬度及以上的高速使用要求,这是因为越粗的磨料组成的砂轮,其内部微裂纹扩展的可能性越大。对于结合剂热稳定性要求近年来受到更多的重视,实际结合剂是在高温下通过相变进行成瓷化和成玻化,从而在微观上对磨料进行浸润并通过形成结合剂桥进而形成不规则网络化的磨具实体,这个过程既包含磨料的热胀冷缩,也包括结合剂的热胀冷缩,关键是两种物质的膨胀系数必须适配,否则会影响成品强度。
   还要充分考虑结合剂的反应能力,对于刚玉类产品而言,微观上结合剂对磨料表面进行侵蚀一部分磨料表面的氧化铝成份融入结合剂,从而强化了结合剂桥的强度,因而高强度结合机一般都是具有比较高的反应能力,有的甚至达到百分之百。但是我们都会遇到一个问题,过高的强度是否会影响到产品磨削的自锐性,从而影响到磨削效率的发挥和磨削精度粗燥度的保证,因为从修整角度讲砂轮的修整过程既有磨粒基团的整体脱落也有磨粒本身的修锐,随着硬度的变大,磨粒修锐的比例相较于磨粒基团脱落比例变大,自锐性差的结合剂会造成前者作用放大,对于磨削是很不力的。如何设计既有高的强度,又有好的自锐性和热稳定性的结合剂需要对结合剂成份组成进行理论研究和相关试验,有效途径是加大一价二价氧化物的使用,替代部分传统的自然矿物使用。这样做既有提高产品质量的考虑也有提高产品稳定性的考虑。
成型密度的设计是根据磨削用途进行的,同时也要充分考虑结合剂系统的能力水平,还要考虑工艺是否能够实现。对于切断、外圆、内圆、平面等磨削而言执行疏松的组织号比较适宜,对于成型磨,无心磨,切入磨等执行紧密的组织号比较适宜,但也要考虑工件材质和热处理状况,比如难加工的材料即使成型磨削也要尽量执行松组织设计以降低磨削区温度,降低烧伤情况发生。
从大的配方体系去进行分类是很有必要的,根据不同粒度的磨料,进行横向分类;根据不同的硬度进行竖向分类,这都必须结合工艺实现来进行区分。这里不多叙述,只强调几点,1、以有机湿润剂全面替代水玻璃等无机湿润剂,避免无机湿润剂参与影响磨具产品结构及性能是很有必要的,这一是从产品质量实现提出的要求,另外也是保证产品质量稳定性的要求;2、高硬度区不适合使用高反应能力结合剂,一是高硬度区结合剂用量大,结合剂桥粗壮,成型密度大,一般结合机已经可以满足要求,反应能力过大的结合剂往往会造成工艺变形与废品;3、细粒度区不适合高反应能力结合剂,一是磨料粒度细到一定程度,由于微观裂纹扩展很难进行,所以较之粗粒度产品有很好的成品强度,从另一个角度讲,细粒度应用高反应能力结合剂反而容易破坏磨粒结构型面,从而不利于磨削。
以上林林总总对于陶瓷固结磨具的质量稳定性和适合磨削性进行了浅显的分析,磨削是一门学问也是一门艺术,磨具工业一定是紧跟磨床制造加工业的发展而发展的,在紧跟的同时,也要有计划的进行前瞻性的基础研究。对于相近的陶瓷,玻璃工业进行技术工艺借鉴也非常有必要。 
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