CN112297246A - 一种耦合仿生金刚石圆锯片及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种耦合仿生金刚石圆锯片及其制备方法，本发明的金刚石圆锯片包括圆锯片基体，圆锯片基体外边缘的水槽结构，以及相邻水槽间均匀分布耦合仿生锯齿节块结构。所述的耦合仿生锯齿节块为基于毛蚶体表耐磨非光滑形态以及体表受损自再生功能设计耦合结构，将锯齿节块顶端结构制备为类似毛蚶体表表现的凹槽阵列，将锯齿节块内部设计隐藏凹槽，使磨损后工作层自再生非光滑工作层。本发明圆锯片适用于岩石、钢筋混凝土、半导体等硬脆材料的切割加工，具有耐磨性强，工作阻力小等特点，且延长了锯片寿命，减少了工作功耗，降低了生产成本。

Description

一种耦合仿生金刚石圆锯片及其制备方法

技术领域

本发明属于超硬材料制品领域，具体来说涉及一种耦合仿生金刚石圆锯片及其制备方法。

背景技术

金刚石圆锯片是一种超硬材料工具，具有良好的适用性，并兼备加工方便及二次加工量少的优点，在陶瓷、玻璃、半导体及房地产建筑业等硬脆材料加工领域显示了长期无法取代地位。圆锯片服役环境恶劣，去除工件多余材料过程中，锯齿节块(刀头)承受高强度复杂交变载荷应力(强冲击力、强摩擦力及热载荷应力等)，锯片易过度磨损，锯切阻力增大，导致传统锯片存在效率低、寿命短和能耗大等问题，使得每年对能源开采的资金、材料消耗巨大，在其加工过程中，提高金刚石锯片的锯切效率和使用寿命，是降低加工成本最为关键的方法。

国产金刚石圆锯片普遍存在锯切效率与锯切寿命相互制约问题，两者难以兼得。为了提高金刚石圆锯片耐磨性和锯片寿命，学界提出了类如优化胎体配方、选用高质量金刚石、金刚石合理排布等方案，但效果最明显的是增加锯齿节块(工作层)的高度。虽然增加锯齿节块高度能够增加锯切寿命，但锯片磨损到一定程度，仍存在金刚石易碳化、排屑效果不佳、自锐性不足及锯切阻力增大等问题，因此该方法没有从根本上解决问题。

生物体进化出丰富的形态、材料结构特征，表现了耐磨、减阻、自再生等优异性能。这些优异性能大多由各种仿生要素(耦元)耦合或相互协同的作用，有效实现生物功能的最佳展现，这种耦合仿生理念为圆锯片耐磨减阻设计提供了新方法。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种耦合仿生金刚石圆锯片及其制备方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种耦合仿生金刚石圆锯片，包括基体和耦合仿生锯齿节块；

所述基体的中心处形成有中心轴孔，所述基体的外圈间隔设置有多个结构相同的耦合仿生锯齿节块，在相邻的耦合仿生锯齿节块之间的基体外边缘处形成有排料槽；

所述耦合仿生锯齿节块边缘处间隔形成有边缘凹槽，所述耦合仿生锯齿节块靠近边缘处间隔形成有隐藏凹槽，所述边缘凹槽和所述隐藏凹槽的位置为交错设置，所述隐藏凹槽内填充有固体润滑剂；

所述边缘凹槽和所述隐藏凹槽的曲线可通过以下公式表示：

y＝A sin(Bx)

其中，0.5≤A≤1.5，200≤B≤300。

在上述技术方案中，所述基体采用75Cr1高碳钢合金或50Mn2V中碳钢材料，基体厚度为1.5～3mm。

在上述技术方案中，所述基体的直径为200～400mm，所述轴孔的直径为24～26mm。

在上述技术方案中，所述耦合仿生锯齿节块厚度为2～4mm，长度为20～40mm，高度为10mm～14mm，锯齿节块厚度比基体厚度大0.2mm～1.0mm。

在上述技术方案中，所述耦合仿生锯齿节块的数量为14～28个。

在上述技术方案中，所述固体润滑剂通过在液相条件将质量分数为20％～35％的氟化钙粉末与质量分数为65％～80％聚醚醚酮粉末混合均匀，将混合浆料干燥并研磨制得。

一种耦合仿生金刚石圆锯片的制备方法，按照下列步骤进行：

(1)将质量百分比为：Cu30％～50％、Fe10％～30％、Ni8％～10％、B3％～5％、Si4％～6％、Cr9％～12％、Co10％～15％的仿生锯齿胎体放入球磨机中进行机械合金化混匀，时长为12～24h；

(2)将体积浓度为10％～30％，粒度为40～60目金刚石与步骤(1)得到的仿生锯齿胎体混合料置入混料机内，充分混合，得到仿生锯齿混合料；

(3)在液相条件将质量分数为20％～35％的氟化钙粉末与质量分数为65％～80％的聚醚醚酮粉末混合均匀，将混合浆料干燥并研磨；

(4)基于仿生几何数学公式y＝A sin(Bx)，其中0.5≤A≤1.5，200≤B≤300，制备耦合仿生锯齿的模具，所述的模具由上压块、下垫块及上、下相同对称模板组成，所述上压块、下垫块结构尺寸与隐藏凹槽形态匹配，所述的上、下对称模板与仿生锯齿外表面形态匹配；

(5)按要求组装模具、装料实施热压成型，高温烧结；

(6)退模、清理、去毛刺；

(7)激光焊接，将耦合仿生锯齿与锯片基体焊接，制备耦合仿生圆锯片；

(8)校准和检测。

本发明的优点和有益效果为：

本发明的金刚石圆锯片包括圆锯片基体，圆锯片基体外边缘的水槽结构，以及相邻水槽间均匀分布耦合仿生锯齿节块结构。所述的耦合仿生锯齿节块为基于毛蚶体表耐磨非光滑形态以及体表受损自再生功能设计耦合结构，将锯齿节块顶端结构制备为类似毛蚶体表表现的凹槽阵列，将锯齿节块内部设计隐藏凹槽，使磨损后工作层自再生非光滑工作层。本发明圆锯片适用于岩石、钢筋混凝土、半导体等硬脆材料的切割加工，具有耐磨性强，工作阻力小等特点，且延长了锯片寿命，减少了工作功耗，降低了生产成本。

附图说明

图1为本发明整体结构示意图。

图2为耦合仿生锯齿节块结构示意图(一)。

图3为耦合仿生锯齿节块结构示意图(二)。

图4为毛蚶贝壳形貌照片。

图5为耦合仿生锯齿示意图。

图6为第一工作层磨损后耦合仿生锯齿示意图。

图7为耦合仿生锯齿节块锯切力示意图。

图8为普通锯齿节块锯切力示意图。

其中：1为基体，1-1为轴孔，1-2为排料槽，2为耦合仿生锯齿节块，2-1为边缘凹槽，2-2为隐藏凹槽，101为第一工作层，102为第二工作层。

对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据以上附图获得其他的相关附图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。

实施例

如图1-图3所示，一种耦合仿生金刚石圆锯片，包括薄圆板型基体1，基体中心处具有轴孔1-1，基体外边缘设有水槽1-2，水槽之间均匀分布耦合仿生锯齿2结构，耦合仿生锯齿节块顶端和锯齿内隐藏凹槽具有明显凹槽形态(如图2、图3所示)，即锯齿顶端正弦条纹及锯齿内隐藏凹槽正弦条纹，条纹的几何信息是利用三维测绘技术表征和测量毛蚶体表结构表征，其近似表示式为y＝A sin(Bx)，其中0.5≤A≤1.5，200≤B≤300；隐藏凹槽内填充固体润滑剂，固体润滑剂通过在液相条件将质量分数为35％的氟化钙粉末与质量分数为65％聚醚醚酮粉末混合均匀，将混合浆料干燥并研磨制得，固体润滑剂使磨损后工作层可自再生为非光滑工作层。

锯齿节块厚度T₁，2≤T₁≤4mm，基体厚度T₂，1.5≤T₂≤3mm，锯齿长度L，30mm≤H≤40mm，锯齿节块高度H，10≤H≤14mm，锯齿数目为14～28个。基体采用75Cr1合金材料；基体外圆直径D，200mm≤D≤400mm、轴孔直径d，d＝25.4mm；耦合仿生锯齿节块厚度为3mm，长度为30mm，高度为12mm，锯齿节块厚度比基体厚度大0.5mm，隐藏凹槽高度为0.5mm～1.5mm，高度为1mm。

所述隐藏凹槽结构基于毛蚶体表受损自修复功能设计。所述的隐藏凹槽内填充有固体润滑剂，固体润滑剂镶嵌于凹槽中，固体润滑剂具有剪切强度小、摩擦系数小的特点。工作过程中受热载荷和摩擦环境影响，固体润滑剂从凹槽略微突起，并通过接触摩擦作用在刀具-工件材料界面形成润滑膜，从而起到减摩和润滑功能；由于隐藏凹槽内始终含有固体润滑剂，凹槽磨损失效的生命周期内始终具有自润滑功能。另外，隐藏凹槽固体润滑剂磨损率高于同等高度的锯齿节块工作层材料，在耦合仿生圆锯片的磨损过程中可以先于工作层被磨损，从而使耦合仿生刀头试样在磨损过程中始终能够自生成非光滑凹槽形态。同时，固体润滑剂的作用，避免了或减少了工作过程润滑液的使用，有利于清洁化生产，并降低了生产成本。

上述一种仿生金刚石圆锯片的制备方法，如下所述：

(1)仿生锯齿胎体由铜基材料组成，由质量百分比分别为Cu40％、Fe24％、Ni10％、B4％、Si5％、Cr10％的组分组成，上述组分在球磨机中进行机械合金化混匀，时长为12h。

(2)将金刚石与步骤(1)得到的仿生锯齿胎体混合料置入混料机内，充分混合12h，得到仿生锯齿混合料，其中金刚石浓度为10％，金刚石粒度为40/50目。

(3)在液相条件将质量分数为25％的氟化钙粉末与质量分数为75％聚醚醚酮粉末混合均匀，将混合浆料干燥，然后研磨成粉末。

(3)将步骤(2)与(3)的得到的混合料分别置放模具，并压制成型耦合仿生锯齿，保压30min，压力为150Mpa。

(4)将步骤(3)得到耦合仿生锯齿在950℃进行真空高压烧结，保温8min。

(5)将(4)烧结后耦合仿生锯齿在保温箱内冷却，24小时后取出。

(5)激光焊接耦合仿生锯齿与锯片基体，制造仿生圆锯片，其中基体材料为75Cr1。

(6)校准和检测。

分析说明：

1、锯切加工过程中，金刚石圆锯片易摩擦受损、锯切阻力大、耐磨性不足的原因主要有：(1)锯齿节块表面金刚石磨粒承受剧烈的高应力磨粒磨损和应力疲劳破坏，工作条件极其恶劣部件，接触面产生的高温将使金刚石石墨化，加快磨粒的磨损，导致金刚石磨粒有效利用率低，降低了锯片锋利性和寿命；(2)锯切条件下，碎石屑、脱落的金刚石磨粒研磨性强，这些硬质相高速、持续地与锯齿节块产生反复磨损，不断刮擦锯齿节块表面，加速锯齿节块消耗，降低使用寿命。(3)锯齿节块顶端磨损到一定程度，容屑空间不足，排屑性能降低，降低了锯片的锋利度和自锐性(石屑等依附于刀头，使得刀头变钝)，导致锯切阻力增大，加速刀具磨损。

生物体在大自然优胜劣汰的法则下进化出了丰富的形态、材料结构特征，表现了耐磨、减阻、自再生等优异性能，保持了对环境的最大适应性和协调性。这些优异生物功能的实现是靠多种仿生因素耦合完成的，这为结构设计提供了仿生蓝本。生长在潮间带的典型贝类毛蚶(如图4所示)，在海水和砂砾、海沙混合物长期冲蚀环境中，其体表未出现明显磨损痕迹，保持完好，表现了良好的耐磨性。主要原因如下：一方面，毛蚶等耐磨生物体表承受摩擦较严重的部位普遍存在几何非光滑特征(毛蚶表面呈现非光滑放射肋)，这些非光滑形态有效地减少磨损物(砂砾、海沙等)与其体表的接触面积，将集中应力载荷分散为多点低应力载荷；同时也打破了磨损物与其体表接触的连续性，使磨损物与其体表接触表面之间存在润滑膜(气体、液体膜)，降低了摩擦系数，从而起到减磨的作用，使其具备了抗磨粒磨损和冲蚀磨损能力。另一方面，自再生与自修复功能也是典型的生物抵抗外界环境，保持正常生存的重要功能，如当生物组织、形态或结构等受到损伤或破坏后，对受损部分进行自我修补和替代。毛蚶体表受到破坏或损失时，毛蚶会启动修复与再生机制，其体表会分泌一种壳质，并将这些微碳酸钙颗粒带到体表损伤部位，对受损部位进行修补，再生新体表，这种自再生功能是毛蚶能够在恶劣复杂环境下正常生存的重要因素。这两种要素耦合作用，使得毛蚶表现了优异耐磨性能。

金刚石圆锯片锯切过程中与工件硬脆材料的接触过程类似于毛蚶与硬质相冲击与摩擦(海沙、砂砾及岩石等)的接触过程，两者的磨损形式也高度相似，均以固体-固体接触为主，磨损机理均表现了明显的磨粒磨损、冲击磨损。毛蚶体表具有优良耐磨性能关键因素是其体表几何非光滑特征和体表的自修复功能，这为研发高性能金刚石圆锯片耐磨减阻性能提供了仿生样本。因此，本发明以贝壳体表非光滑形态、自再生功能作为仿生要素，将仿生要素耦合，设计一种具有高效耐磨功能的耦合仿生金刚石圆锯片。

2、本发明设计了一种耦合仿生圆锯片，该锯片增加了工作层(锯齿节块)高度，且设计一种具有隐形凹槽的金刚石圆锯片，保证了锯齿节块在锯切过程中持续保持非光滑形态特征，解决了锯切效率与锯切寿命难以兼得的问题。

为了提高金刚石圆锯片耐磨减阻能力，提取了毛蚶体表非光滑形态几何特征，建立了基于正弦函数的非光滑凹槽结构的数学模型y＝sin(24×9.5x)，其中0mm≤x≤38mm。为了增加锯齿节块锋利度和提高磨粒使用率，在每个锯齿端部(顶端)设计基于数学模型的凹槽。所述锯齿节块高度为10mm～14mm，宽度为35mm～40mm，厚度为2mm～4mm。

锯切加工过程中，锯齿节块不可避免地磨损和消耗，刀头顶端的非光滑结构最终被磨平，此时仿生锯齿节块则与传统锯齿节块无异。为了避免此类情况过早出现，延长锯切寿命，根据毛蚶表面损伤自修复功能，如图5和图6所示，本发明设计了一种自再生结构，当第一层工作层磨损到一定程度，第二层工作层中的隐藏凹槽形态出露，作为新的刀头顶端，实现非光滑形态自再生，辅助第二层工作层进行锯切工作,并随着工作层的磨损，非光滑形态也会同步磨损，根据实际情况可设计第三层、第四层等。这种耦合仿生圆锯片提高了锯片的耐磨性且保持了锯片锋利度。

3、本发明建立了仿生锯齿石材锯切系统的动力学仿真模型，设置耦合仿生锯齿、石材的本构模型参数，基于有限元方法模拟仿生锯齿去除材料过程，分析、比较耦合仿生锯齿与传统锯齿在相同锯切条件下锯切力、锯切扭矩等变化情况。

研究发现：(1)如图7、图8所示，在相同条件下，耦合仿生锯齿锯切力与传统锯齿锯切力变化规律明显不同，耦合仿生锯齿在非光滑结构作用下将较大作用力分解为分散且幅值较小作用力，说明新型锯片改善了锯切环境，能够分解且降低冲击载荷的作用，有效地降低了锯片冲击损伤。(2)在同等条件下，石材与耦合仿生锯齿节块接触表面的等效应力值大于与普通锯齿节块接触表面的等效应力，说明在仿生锯齿顶端非光滑凹槽结构能够在石材锯切过程提供给石材表面的相对较大的剪切力，能够促进多余石材破碎与去除，增大了锯切效率。(3)扭矩是锯切过程中锯片是否能够有效利用能量锯切分解石材的重要因素，扭矩越大易引起锯齿冲击破坏和损伤，发现耦合仿生锯齿在同等状态下比传统锯齿扭矩降低10％～20％以上，说明耦合仿生锯齿能够有效地降低扭矩，降低了能量积累和锯齿受冲击损伤的可能性。(4)仿生耦合锯齿增加了工作层与石材接触界面空间，降低了普通圆锯片锯切过程石屑易堵塞、排屑不良等现象，有效地降低了金刚石磨粒“石墨化”，减少了金刚石提前脱落、过度磨损等现象，增加了锯切寿命。(5)耦合仿生锯齿节块内填充固体润滑剂，工作过程中固体润滑材料先于工作层材料被磨损再生为非光滑凹槽形态。固体润滑剂脱落后作为石材与锯片间固体润滑层，降低了接触界面的摩擦系数；同时，工作层自再生形成的非光滑凹槽又改善了锯切环境。说明了耦合仿生圆锯片不但能够降低工作阻力，同时延长了工作寿命。

本文中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本申请所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接(联接)。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种耦合仿生金刚石圆锯片，其特征在于：包括基体和耦合仿生锯齿节块；

所述基体的中心处形成有中心轴孔，所述基体的外圈间隔设置有多个结构相同的耦合仿生锯齿节块，在相邻的耦合仿生锯齿节块之间的基体外边缘处形成有排料槽；

所述耦合仿生锯齿节块边缘处间隔形成有边缘凹槽，所述耦合仿生锯齿节块靠近边缘处间隔形成有隐藏凹槽，所述边缘凹槽和所述隐藏凹槽的位置为交错设置，所述隐藏凹槽内填充有固体润滑剂；

所述边缘凹槽和所述隐藏凹槽的曲线可通过以下公式表示：

y＝A sin(Bx)

其中，0.5≤A≤1.5，200≤B≤300。

2.根据权利要求1所述的一种耦合仿生金刚石圆锯片，其特征在于：所述基体采用75Cr1高碳钢合金或50Mn2V中碳钢材料，基体厚度为1.5mm～3mm。

3.根据权利要求1所述的一种耦合仿生金刚石圆锯片，其特征在于：所述基体的直径为200mm～400mm，所述轴孔的直径为24mm～26mm。

4.根据权利要求1所述的一种耦合仿生金刚石圆锯片，其特征在于：所述耦合仿生锯齿节块厚度为2mm～4mm，长度为20mm～40mm，高度为10mm～14mm，锯齿节块厚度比基体厚度大0.2mm～1.0mm。

5.根据权利要求1所述的一种耦合仿生金刚石圆锯片，其特征在于：所述耦合仿生锯齿节块的数量为14～28个。

6.根据权利要求1所述的一种耦合仿生金刚石圆锯片，其特征在于：所述固体润滑剂通过在液相条件将质量分数为20％～35％的氟化钙粉末与质量分数为65％～80％聚醚醚酮粉末混合均匀，将混合浆料干燥并研磨制得。

7.一种耦合仿生金刚石圆锯片的制备方法，其特征在于，按照下列步骤进行：

一、将质量百分比为：Cu30％～50％、Fe10％～30％、Ni8％～10％、B3％～5％、Si4％～6％、Cr9％～12％、Co10％～15％的仿生锯齿胎体放入球磨机中进行机械合金化混匀，时长为12～24h；

二、将体积浓度为10％～30％，粒度为40～60目金刚石与步骤一得到的仿生锯齿胎体混合料置入混料机内，充分混合，得到仿生锯齿混合料；

三、在液相条件将质量分数为20％～35％的氟化钙粉末与质量分数为65％～80％聚醚醚酮粉末混合均匀，将混合浆料干燥并研磨；

四、基于仿生几何数学公式y＝Asin(Bx)，其中0.5≤A≤1.5，200≤B≤300，制备耦合仿生锯齿的模具，所述的模具由上压块、下垫块及上、下相同对称模板组成，所述上压块、下垫块结构尺寸与隐藏凹槽形态匹配，所述的上、下对称模板与仿生锯齿外表面形态匹配；

五、按要求组装模具、装料实施热压成型，高温烧结；

六、退模、清理、去毛刺；

七、激光焊接，将耦合仿生锯齿与锯片基体焊接，制备耦合仿生圆锯片；

八、校准和检测。

Images