CN107283650B - 一种磨粒均匀分布的绳锯串珠及制造方法 - Google Patents

Abstract

一种磨粒均匀分布的热压烧结绳锯串珠，串珠由胎体工作层和基体构成，其要点在于：胎体工作层上的磨粒在空间上均匀分布。胎体工作层由若干层切割单元环叠加热压烧结而成，切割单元环坯体中的磨粒在径向上沿与切割单元环中心轴同心的圆周有序排列。它的制作流程为：通过合金模具冷压的方式制造单层磨粒均匀分布的切割单元环坯体；按照统一同方向串在基体上；放入石墨烧结模具内，热压烧结成型得到磨粒在空间上均匀分布的绳锯串珠。本发明的优点：整个空间上磨粒均匀分布，保证了串珠均匀消耗，避免因磨粒分布不均导致的偏磨报废，以及由此造成的切割质量问题。减少磨粒的使用量，节约成本。不需使用粘结剂、辅助模板等进行金刚石有序分布，保质高效。

Description

一种磨粒均匀分布的绳锯串珠及制造方法

技术领域

本发明涉及金刚石绳锯，具体涉及一种磨粒均匀分布的热压烧结绳锯串珠及制造方法。制造的产品可广泛应用于石材、混凝土、铸铁、钢构件等脆硬材料加工领域。

背景技术

自金刚石串珠绳锯被发明以来，由于其与被切割材料较好的匹配通用性，以及对施工场地无特殊要求的便利性，被大范围的推广使用，特别是在石材开采与板材加工，钢筋混凝土切割，铸铁切割，以及其它脆硬材料加工等领域，取得了很好的社会经济价值。

目前热压烧结的绳锯串珠，如图1、2所示，普遍采用磨粒与金属粉（合金粉）机械混料，然后经过冷压和热压烧结的方法制造。制造过程中由于磨粒与金属粉（合金粉）的粒径差异，物理性能差异以及金属粉中不同成分在物理性能上的差异，在混料和冷压过程中就不可避免的产生磨粒分布不均问题。绳锯串珠中磨粒分布不均匀现象会对使用性能产生较大的影响，磨粒富集的地方会导致切不动打滑，继而金刚石在高速摩擦的状态下会被抛光而失去切削能力，同时由于摩擦产生的大量热量会导致支撑套与串珠的粘结开裂，继而钢丝失去保护，串珠出现转动，就很容易出现意外断绳等安全问题；金刚石分布偏少的地方，金属胎体会被很快的磨耗掉，串珠无法保持圆柱外形，绳锯无法实现自转，就会使得偏磨的部位持续消耗过快，磨削至钢丝直至断绳。同时金刚石的分布不均，在使用过程中会导致切割板面质量问题，比如板厚不均、深划痕、波浪面等等，这在多绳锯中，特别是特小直径多绳锯中是致命的。

随着串珠绳锯制造技术的不断提升，以及客户使用需求不断扩大，磨粒分布不均所导致的问题被越来越多的科研人员所关注，成为串珠绳锯性能提升急需要解决的问题。近年来，科研人员通过改进造粒剂、优化造粒工艺、控制冷压成型时粉末的流动状态等手段来改善磨粒的分布均匀性问题，但收效甚微。

随着对环境资源的重视与保护，为了减少切割所造成的浪费，串珠绳锯将向着直径不断减小的方向发展，而对于小直径或特小直径来讲，直径的减小意味着工作层厚度的变薄，因此磨粒分布不均匀所暴露的问题就越发致命。磨粒分布不均匀是金刚石串珠绳锯一个急需要解决的难题。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的缺陷，进行产品性能提升改造。提供一种磨粒均匀分布的热压烧结绳锯串珠以及制造方法，以消除磨粒分布不均对绳锯性能的影响，提升产品性能以及磨粒布置的经济性。

本发明所采用的技术方案为一种磨粒均匀分布的热压烧结绳锯串珠，串珠由胎体工作层和基体构成构成，其要点在于：胎体工作层上的磨粒在空间上均匀分布。

磨粒在径向上有序和轴向上均匀地分布。

胎体工作层由若干层切割单元环坯体叠加热压烧结而成，切割单元环坯体中的磨粒在径向上沿与切割单元环坯体的中心轴同心的圆周有序排列。

切割单元环坯体中相邻磨粒间隙为0.1-1.0mm。

本发明从磨粒的径向上和轴向上均匀分布来实现磨粒空间上均匀分布，设计出单层磨粒径向上均匀分布的切割单元环坯体，再将切割单元环坯体按统一方向层层叠加，以实现轴向上的均匀分布。

将串珠胎体工作层分成独立的切割单元环坯体，在切割单元环中磨粒只有一层，在径向方向上均匀分布，多个切割单元环坯体叠加后热压烧结成型，保证了串珠中磨粒在轴向方向上的近似等距分布，即在同个同心圆周面上的磨粒均匀分布，这就保证了串珠均匀消耗，可有效避免因为磨粒分布不均导致的串珠偏磨报废，以及由此造成的切割质量问题。

通过对切割单元环坯体中磨粒的间距，以及厚度控制，可以比较容易实现对单个串珠中磨粒的浓度控制，通过磨粒的有序控制，可以显著减少磨粒的使用量，节约成本。

一种制作上述磨粒均匀分布的绳锯串珠制作方法，其要点在于：胎体工作层由若干个切割单元环坯体热压烧结而成，它包含以下几个工艺流程：1）通过模具冷压的方式制造单层磨粒均匀分布的圆环柱型切割单元环坯体；2）将若干个切割单元环坯体按照统一同方向串在基体上；3）将串好的串珠坯体放入热压烧结石墨模具内，经过热压烧结成型得到磨粒在空间上均匀分布的绳锯串珠。

步骤1）所述的冷压制造切割单元环坯体的模具由主模、上压杆、下顶杆组成，下顶杆上预制有序排列的坑位，坑位直径为所选磨粒直径的1.1~1.5倍，坑深为所选磨粒直径的1/4~1/2，相邻坑位边缘的间隙尺寸为大于0.00 mm且小于等于5.0mm，在下顶杆上依设计的坑位内放置磨粒，然后投放合金粉，组模后压制成切割单元环坯体，装料量与冷压参数由设计的串珠尺寸以及所选的合金粉物理性能决定。冷压模具的设计可参照郑州大学出版社，2006年10月出版的《超硬材料及制品》的第351~355页。

在下顶杆的压制面对应位置排布磨粒，依据串珠的设计尺寸，以及合金粉的理论密度，可以比较容易计算出单个切割单元环坯体的用料量，压制力与保压时间参数选取只要能够使粉体有一定强度，在转移时不破碎掉粉即可，压制力一般取300-500MPa，保压时间不超过3min即可，参数设计及设备选取可参照《超硬材料及制品》的第357~360页。

由于是通过在冷压模具上直接用坑位的方式排布磨粒，通过施加的压力使磨粒嵌入金属粉中，不需使用粘结剂或是其它复杂的设备来有序分布磨粒，保质高效。

步骤2）所述的将若干个切割单元环坯体按照统一同方向串在基体上，是指切割单元环坯体表面镶嵌磨粒的一面朝着同一个方向串在基体上。以保证切割单元环坯体叠放时，镶嵌磨粒一面与相邻片的未露磨粒的一面接触。

步骤3）所述将串好的切割单元环坯体放入热压烧结石墨模具内是指在热压烧结石墨模具主模型腔内放下压头，在下压头上依次叠放切割单元环坯体，最后盖上上压头、组模后加热加压得到空间有序的绳锯串珠，保温温度、时间以及压制力由所选的合金粉决定。热压烧结石墨模具设计时，型腔尺寸不留余量，即主模的内径尺寸为绳锯串珠的外径尺寸。

一般厂家都会提供所售合金粉的理论密度，以及烧结温度。保温时间，压制力以及热压烧结曲线参数设计参照专业书上的推荐范围。

如选取黄河旋风公司生产的主要元素为FeCuNiSn的预合金粉，理论密度约8.11g/cm³，烧结温度为830℃。保压时间，压制力，以及热压烧结曲线参数的设计参照《超硬材料及制品》第371页，保压时间一般1~5min，压力100~250MPa。

所述的切割单元环冷压坯体厚度（冷压压实后）为所选磨粒粒径的1.0~10倍。

本发明的优点：将串珠胎体工作层分成独立的切割单元环坯体，切割单元环坯体中磨粒只有一层，容易实现在径向方向上的均匀分布，多个切割单元环坯体叠加串珠基体上后热压烧结成型，保证了串珠中磨粒在轴向方向上的近似等距分布，即整个空间上磨粒均匀分布，这就保证了串珠均匀消耗，可有效避免因为磨粒分布不均导致的偏磨报废，以及由此造成的切割质量问题。

通过对切割单元环坯体中磨粒的间距，以及厚度控制，可以比较容易实现对单个串珠中磨粒的浓度控制，通过磨粒的有序控制，可以显著减少磨粒的使用量，节约成本。由于是通过在冷压模具上直接用坑位的方式排布金刚石，通过施加的压力使金刚石嵌入金属粉中，不需使用粘结剂或是其它复杂的设备来有序分布金刚石，保质高效。

附图说明

图1为典型热压烧结金刚石绳锯串珠的结构示意图

图2为图1的俯视图

图3本发明实施例1的金刚石均匀分布绳锯串珠示意图

图4 为切割单元环坯体的结构示意图

图5 为图4的俯视图

图6为实施例1中φ6.30mm串珠冷压下顶杆结构示意图

图7为图6的俯视图

图8本发明使用的冷压合金模具及压制示意图

图9本发明使用的石墨模具及热压烧制示意图

图10实施例2中φ12.0mm串珠冷压下顶杆结构示意图

其中：1基体2胎体工作层21磨粒22切割单元环坯体3上压杆4主模5下顶杆51坑位6上压头7热压烧结石墨模具主模8下压头。

具体实施方式

下面结合视图和具体的实施方式对本发明进行进一步详细的描述, 下面的实施例可以使本专业的技术人员更理解本发明，但不以任何形式限制本发明。

如图3-9所示，一种磨粒均匀分布的热压绳锯串珠，串珠由胎体工作层和基体构成，胎体工作层2上的磨粒21在空间上均匀分布，通过磨粒21在径向上有序和轴向上均匀地分布来实现磨粒21在空间上均匀分布，先通过设计切割单元环坯体，一层切割单元环坯体只布置一层磨粒，以实现磨粒轴向上均匀分布，同时切割单元环坯体中的磨粒21在径向上沿与环的中心轴同心的圆周有序排列，胎体工作层由若干层切割单元环坯体22叠加而成。

将串珠胎体工作层分成独立的切割单元环坯体，切割单元环坯体中磨粒只有一层，在径向方向上均匀分布，多个切割单元环坯体叠加后热压烧结成型，保证了串珠中磨粒在轴向方向上的近似等距分布，即在同个同心圆周面上的磨粒均匀分布，这就保证了串珠均匀消耗，可有效避免因为磨粒分布不均导致的偏磨报废，以及由此造成的切割质量问题。

一种制作上述磨粒均匀分布的绳锯串珠制作方法，胎体工作层由若干个切割单元环坯体热压烧结而成，它包含以下几个工艺流程：1）通过模具冷压的方式制造单层磨粒均匀分布的圆环柱型切割单元环坯体，切割单元环坯体厚度（冷压压实后）大于所选磨粒粒径的1.0倍且小于等于10倍；2）将若干个切割单元环坯体按照统一同方向串在基体上，即切割单元环坯体表面镶嵌磨粒的一面朝着同一个方向串在基体上，切割单元环坯体叠放时，镶嵌磨粒一面与相邻片的未露磨粒的一面接触；3）将串好的串珠坯体放入热压烧结石墨模具内，经过热压烧结成型得到磨粒在空间上均匀分布的绳锯串珠，热压烧结石墨模具设计时，型腔尺寸不留余量，即热压烧结石墨模具主模7的内径尺寸为绳锯串珠的外径尺寸。

步骤1）所述的冷压制造切割单元环坯体的模具由主模4、上压杆3、下顶杆5组成，下顶杆上预制有序排列的坑位51，坑位直径为所选磨粒直径的1.1~1.5倍，坑深为所选磨粒直径的1/4~1/2，相邻坑位边缘间隙为0.00~5.0mm，在下顶杆上依设计的位置放置金刚石，然后投放合金粉，组模后压制成有一定强度的切割单元环坯体22，装料量与冷压参数由设计的串珠尺寸以及所选的合金粉物理性能决定。

在下顶杆上对应位置排布金刚石，依据串珠的设计尺寸，以及合金粉的理论密度，可以比较容易计算出单个切割单元环坯体的用料量，压制力与保压时间参数选取只要能够使粉体有一定强度，在转移时不破碎掉粉即可，压制力一般取300-500MPa，保压时间不超过3min即可。参数设计及设备选取可参照《超硬材料及制品》的第357~360页。

步骤3）所述将串好的切割单元环坯体放入热压烧结石墨模具内是指在热压烧结石墨模具主模7型腔内放下压头8，在下压头上依次叠放切割单元环坯体22，最后盖上上压头6、组模后加热加压得到空间有序的绳锯串珠，保温温度、时间以及压制力由所选的合金粉决定。一般厂家都会提供所售合金粉的理论密度，以及烧结温度。保温时间以及压制力参照专业书上的推荐范围。

如选取黄河旋风公司生产的主要元素为FeCuNiSn的预合金粉，理论密度8.11g/cm³，烧结温度为830℃。保压时间，压制力，以及热压烧结曲线参数的设计参照《超硬材料及制品》第371页，保压时间一般1~5min，压力100~250MPa。

具体实施例1：如图3-9所示，特小直径（φ6.30mm-6.0mm）金刚石均匀分布绳锯串珠制造

基体1为45#圆环柱体，长度10mm内外径分别为φ3.70和φ4.50mm，金刚石粒度45/50(粒径φ0.30-0.36mm),选取主要元素为FeCuNiSn的预合金粉，理论密度约8.11g/cm3，串珠工作层外径开刃前为φ6.50mm，高度6.00mm，由四个切割单元环坯体组装烧结而成。串珠制作流程：1、冷压模具选Cr12，根据串珠尺寸，确定冷压模具的尺寸，上压杆3的外径为φ6.50mmH8，内径为φ4.50h7mm，主模4的内径为φ6.50H8mm，下顶杆5的内圈顶柱的外径为φ4.50h7mm，下层外径为φ6.50h7mm，特别的设计下顶杆与金属粉接触的压制面上设计有序分布的排布金刚石的坑位51，坑位为半径0.20mm的半球形，两圈同心圆分布，内圈圆圆心所在圆的直径为5.1mm，同圆周上相邻坑位圆心的圆心角为20°，外圆圈圆心所在圆的直径5.9mm，同圆周上相邻坑位圆心的圆心角为20°，内外两圈相邻的坑位中心点圆心角错开10°，即两圈相邻的坑位相间，下顶杆面上坑位分布如图7所示； 2、在下顶杆面上的坑位排布满金刚石，剔除其它位置多余金刚石，根据所选金属粉的密度以及串珠设计尺寸，称取0.40±0.05g装入冷压模具中，控制压力400MPa，保压时30s，限制上压杆下行行程，脱模得到2mm厚的冷压切割坯体，过程如图8所示；3、将压制好的切割单元环坯体镶嵌金刚石的一面朝下，四片叠加在一起，串在基体上，整体放入热压烧结石墨模具内，过程如图9所示，根据串珠尺寸设计石墨模具尺寸，上压头6的外径为φ6.50mmH8，内孔径为φ4.50h7mm，内孔深2mm，热压烧结石墨模具主模77的内径为φ6.50H8mm，下压头8尺寸与上压头6一致，取厂家推荐的热压烧结温度830℃，保温时间2min，保压压力200MPa,控制上压头的压制行程，将整体工作层厚度由8.0mm压制到6.0mm，烧结完后用砂轮磨削表面金属层至直径6.30mm（称为开刃），露出最外层的金刚石，得到金刚石在空间上均匀分布的绳锯串珠。其余未述部分与现有技术相同。

实施例2：如图10所示，常规尺寸型号（φ12.0mm-6.5mm）混凝土切割绳串珠制造

基体1为45#圆环柱体，长度12mm内外径分别为φ5.0和φ7.0mm，金刚石粒度40/45(粒径φ0.35-0.43mm),选取主要元素为FeCoCu的预合金粉，理论密度约为8.78g/cm³, 推荐烧结温度900℃。

串珠工作层外径φ12.0mm，内径φ7.00 mm，高度6.50mm，由四个切割单元环坯体组装烧结而成。串珠制作流程：1、选取冷压模具材质Cr12，根据串珠的设计尺寸，确定冷压模具的尺寸，上压杆3的外径为φ12.00mmH8，内径为φ7.00h7mm，主模4的内径为φ12.00H8mm，下顶杆5的内圈顶柱的外径为φ7.00h7mm，下层外径为φ12.00h7mm，特别的设计下顶杆与金属粉接触的压制面上设计有序分布金刚石的坑位，坑位为半径0.25mm的半球形，坑位中心点位置以五个同心圆圈有序分布，半径分别为R4.00，R4.40,R4.80，R5.20,R5.60，同圆周上相邻坑位圆心的圆心角为15°，相邻圈的相邻坑位圆心夹角7.5°，具体分布如图10所示； 2、在下顶杆面上的坑位排布满金刚石，根据所选金属粉的密度以及串珠尺寸，称取1.565±0.05g金属粉装入冷压模具中，在500MPa压力和50s的保压时间条件下，限制上压头的行程，得到2.5mm厚的冷压切割坯体；3、将压制好的切割单元环坯体镶嵌金刚石的一面朝下，四片叠加串在基体上一起放入热压烧结石墨模具内，根据串珠尺寸设计石墨模具尺寸，上压头6的外径为φ12.00mmH8，内孔径为φ7.00h7mm，内孔深2mm，热压烧结石墨模具主模7的内径为φ12.00H8mm，下压头8的外径为φ12.00h7mm，内孔径为φ7.00h7mm，内孔深1.5mm，设置烧结温度900℃，保温时间3min，保压压力500MPa，过程示意如图5所示，限制上压头的行程将切割单元环坯体由由10.0mm压制到6.5mm，脱模得到金刚石在空间上均匀分布的绳锯串珠。其余未述部分与实施例1相同。

Claims (7)

1.一种磨粒均匀分布的绳锯串珠制作方法，其特征在于：胎体工作层由若干个切割单元环坯体（22）热压烧结而成，所述方法的具体步骤如下：1）通过模具冷压的方式制造单层磨粒均匀分布的切割单元环坯体（22）, 所述模具由主模（4）、上压杆（3）、下顶杆（5）组成，下顶杆上预制有序排列的坑位（51），坑位直径为所选磨粒直径的1.1~1.5倍，坑深为所选磨粒直径的1/4~1/2，相邻坑位边缘的间隙尺寸为大于0.00 mm且小于等于5.0mm，在下顶杆上的坑位（51）内放置磨粒，然后投放合金粉，组模后压制成切割单元环坯体（22），装料量与压制力由所选的合金粉物理性能决定；2）将若干个切割单元环坯体按照统一同方向串在基体上；3）将串好的切割单元环坯体放入热压烧结石墨模具内，经过热压烧结成型得到磨粒在空间上均匀分布的绳锯串珠。

2.根据权利要求1所述的一种磨粒均匀分布的绳锯串珠制作方法，其特征在于：步骤2）所述的将若干个切割单元环坯体按照统一同方向串在基体上，是指切割单元环坯体表面镶嵌磨粒的一面朝着同一个方向串在基体上。

3.根据权利要求1所述的一种磨粒均匀分布的绳锯串珠制作方法，其特征在于：步骤3）所述将串好的切割单元环坯体放入热压烧结石墨模具内是指在热压烧结石墨模具主模（7）的型腔内放置下压头（8），在下压头上依次按统一方向叠放切割单元环坯体（22），最后盖上上压头（6），组模后，加热加压得到空间有序的绳锯串珠，保温温度、时间以及压制力由所选的合金粉物理性能决定。

4.根据权利要求1所述的一种磨粒均匀分布的绳锯串珠制作方法，其特征在于：切割单元环坯体的厚度大于所选磨粒粒径的1.0倍且小于等于10倍。

5.一种由权利要求1-4任一所述的一种磨粒均匀分布的绳锯串珠制作方法制作的磨粒均匀分布的绳锯串珠，串珠由基体（1）和胎体工作层（2）构成，其特征在于：磨粒（21）在胎体工作层（2）的整个空间体中均匀分布。

6.根据权利要求5所述的绳锯串珠，其特征在于：磨粒（21）在径向上有序和轴向上均匀地分布。

7.根据权利要求5所述的绳锯串珠，其特征在于：胎体工作层由若干个切割单元环坯体（22）叠加热压烧结而成，切割单元环坯体中的磨粒（21）在径向上沿与切割单元环坯体的中心轴同心的圆周有序排列。

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