CN1238717A - 锯齿状研磨工具 - Google Patents
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Abstract
一种用于切削极强耐磨性材料的研磨工具,包括一新颖的大致矩形锯齿外观的研磨片。该研磨片具有在研磨片长度上延伸的基本研磨料和第一种粘结材料的一整体式纹路。纹路和与纹路重合面相反的面之间的间隔中有第二种粘结材料,以及可根据选用的第二种研磨料,因而可形成多个分开的研磨区。研磨片可与换向的切削边曲率相符,因而可用于转动和往复运动锯刀和空心钻头中。基本研磨料和第一种粘结材料可压缩成一纹路预制件,该预制件可在纹路模具中烧结成一末成熟纹路。未成熟纹路可置于一研磨片模具中,然后将第二种粘结材料和选用的第二种研磨料置于纹路和研磨片各面之间的腔室中以形成分开的研磨区。烧结研磨片。
Description
发明领域
本发明涉及一种用于切削和磨削工业材料的工具,具体涉及一种具有锯齿状研磨片的工具和制造这种工具的方法。
发明背景和概述
研磨工具具有广泛的工业用途,如钻芯、为加工部件而对毛坯进行磨削以及对诸如砖块、瓦片、金属和混凝土之类的建筑材料进行切削。这些工具一般包括一个或多个固定到一刚性的、较佳地为金属芯体的切削刃上的研磨构件。这些工具的研磨构件经常主要是由嵌在一粘结材料中的硬质、细分颗粒构成。在其它的一些物质中,粘结材料可将研磨构件保持为可使研磨颗粒在工件上产生所需的切削效果的形状。
诸如氧化铝、碳化硅之类的、适中硬度的研磨料可用于切削多种材料。诸如金刚石和氮化硼立方体的、所谓非常硬的超研磨料较佳地用于切削坚韧的、即耐磨性非常高的材料、如混凝土。由于超研磨料成分非常昂贵,故含有超研磨料的工具成本一般相当高。所以,亟需开发一种既可良好地切削坚韧材料、价格又较其研磨料成分是一种专用超研磨料的工具为低的一种研磨工具。
一种制造这种较佳的研磨工具的方法是将超研磨料和非超研磨料颗粒结合在研磨构件中。以此方式,含有相同总体积的研磨料、但所含超研磨料较少的工具,其切削效果与含有100%超研磨料的昂贵工具的效果相同。例如,美国专利5,152,810和4,944,773启示了通过用一种可溶性凝胶铝研磨料来代替部分超研磨成分,可获得意想不到的优点并且可显著地降低成本。美国专利5,443,418代表了这种技术中的进步,它揭示了一种研磨工具,其中,至少一种超研磨料成分和微晶体铝的基本均匀定向细粒分散在一种粘结材料中。
然而,已经认识到,超研磨料/非超研磨料结合形式的工具的性能在切削速度和工具寿命之间存在折衷问题。切削速度用于衡量该工具切入给定材料的快慢程度。工具寿命是工具刀片保持有效的持续时间。通常,快速切削的研磨工具具有较短的寿命,而寿命较长的工具切削速度慢。
已经发现,某些具有圆周向不同研磨片的成片研磨工具可改善一定的操作性能。1980年8月1日申请的日本专利昭55-10568启示了:通过一切削轮的金刚石研磨区之间圆周向设置非金刚石研磨区可减小石头的切削噪音程度。国际专利公开号WO92/01542揭示了一种切削工具,通过改变磨粒尺寸、类型和密集度以及相对切削工具转动方向的切削片长度上的粘结类型可获得不同的磨削性能。
近来,已经开发出在切削速度和工具寿命方面都有所改善的高性能研磨工具。例如,美国专利5,518,443就揭示了一种研磨工具,通过使工件与优先集中的研磨粒交替区域的接触,而获得一种高切削速度和长寿命的改进组合。
用于制造既可高速切削又不损失其寿命的工具的现代技术可使不同的研磨成分优先集中在切削片内的几何学交叉形成的区域中。然而,利用在一个研磨构件中具有不同研磨料密度和粘结类型来制造研磨工具是复杂而昂贵的。另外,与传统的构件相比,较新的磨料构件略为敏感。因而,由多种研磨料和粘结类型区域所构成的研磨构件在制造和使用过程中易于至少局部过早开裂。
因此,本发明的一个目的在于提供一种能够切削诸如混凝土、瓦片、砖石和金属之类的坚韧材料的、低制造成本、高性能的研磨工具。更具体地说,目的在于提供一种可切削坚韧材料的研磨工具,与一种较有效的专用超研磨料工具相比,其超研磨料成分的体积密度较小。
本发明另一个目的在于通过采用一种在各研磨片中含有不同研磨料成分的多个不连续区域的研磨工具方案来实现安全、快削、可靠、长寿命的切削性能。
本发明再一个目的在于提供一种用于坚韧材料的高性能研磨工具,它很简单,又快速,并且尽管在各研磨片中具有不同类型、密度和尺寸的研磨颗粒和粘结材料,但生产成本仍然较低。
本发明还有一个目的在于提供一种用于生产高性能研磨工具的研磨片的简易方法。
本发明再有一个目的在于提供一种结构强度高、多区域的研磨片,它能够被制造和组装成比目前市场上所有的工具更牢固的高性能研磨工具。
由于整体性加强并且相关的快速制造方法,可以预见这种新颖的工具能大批量生产。即,与传统的制造交错结构的研磨工具相比,可降低生产各工具所耗费的能量和材料并提高单位产品的生产率。所以,本发明再一个目的是提供一种高性能坚韧切削研磨工具,它可明显地减少切削加工的总成本。
因此,现在提供了一种锯齿形研磨片,它特别适用于切削工业上所用的各种坚韧材料。这种新颖的具有工作周边的研磨片,包括:工作周边上的一长度;与一外面隔开研磨片宽度的一内面,所述内面基本上与外面平行而形成工作周边上的研磨片侧边;一纹路,包括基本研磨料和第一种粘结材料,所述纹路连续且完全在研磨片长度上延伸,并且横过研磨片宽度至少一次以与内面和外面各自的一部分交替地重合,从而形成小于研磨片宽度的、基本上均匀的纹路宽度的纵向纹路部分以及连接相邻纵向纹路部分的横向纹路部分;以及在内面和外面之间的多个分开的研磨区,并且所述纹路包括第二种粘结材料。
同时根据本发明,还提供了一种具有至少一个、但较佳地由多个安装到一刚性芯体上的锯齿形研磨片的研磨工具。锯齿形研磨片较佳地可用于形成空心钻头、转动或往复锯刀,以及其它的研磨工具。
本发明还提供了一种用于生产锯齿形研磨片的方法,以及生产包括安装于一芯体上的锯齿形研磨片的研磨工具的方法。
附图的简述
图1是用于一段锯刀的、本发明一研磨片实施例的立体图;
图2A是此研磨片一部分的平面图,示出了斜横过研磨片的纹路;
图2B是此研磨片一部分的平面图,示出了垂直于内、外面横过研磨片的纹路;
图3是根据本发明的一研磨工具或轮的侧视图;
图4是在制成这种新颖研磨工具的方法中形成纹路的模具的立体图;
图5是在制成这种新颖研磨工具的方法中用于完成研磨片形状的模具的立体图;
图6A是进一步举例描述的O形锯齿形研磨片的立体图;以及
图6B是进一步举例描述的I形锯齿形研磨片的立体图。
详细描述
在其一种形式中,本发明是用于一研磨工具的、具有如图1所示锯齿形外观的研磨片。该研磨片具有两个表示为内面2和外面4(在视图的背面)的基本上平行的面。这两个面构成研磨片的相对侧。研磨片的特点是其长度从端部12伸到端部14,并且片宽度W为内、外面之间的距离。该研磨片包含一个纹路16,该纹路长度方向连接延伸,即是在端部12处开始的内面2上的一个非直线路径,横过宽度多次并且在端部14处的内面2处结束。该纹路与内面上的表面18a、18c和18e轮流重合,并且与外面上的表面18b和18d轮流重合(在视图的背面)。该纹路具有基本均匀的、小于研磨片宽度的宽度T。因此,该纹路与研磨片上的各纵向位置上的内面或外面重合,并且在横过研磨片宽度之前保持与该面重合的距离在长度方向为F,从而与研磨片另一侧上的面重合。
本发明的一个重要方面是,该纹路仅从研磨片的一端向另一端以一体方式连续延伸。虽然并不希望限定成一个特定的观念,但可以相信,连续的一体结构可使研磨片的强度更大并且便于研磨工具的制造。
沿着研磨片长度的各纵向位置上,该纹路构成研磨片的一个侧面。纹路和研磨片另一侧上的面之间的间隙形成分开的研磨区20a至20e。纹路和分开的研磨区都在整个高度上从底面22(在视图背面)伸到研磨片的顶面24上。各分开研磨区的体积充填第二种粘结材料。或者也可将第二种硬度料分散在第二种粘结材料中。
纹路横过研磨片宽度是有意义的。在本发明的研磨片最基本的实施例中,纹路横过研磨片宽度一次,以与各内外表面,确切地沿着长度方向重合一次。图1所示实施例示出了一研磨片,其中纹路多次横过各个面,具体地说,四次。因而显然,分开区20a至20e的数量和每个研磨片上纹路-面重合表面18a至18e数量等于纹路横过研磨片宽度的次数加1。
图2A和2B以平面图示出了纹路16横过研磨片宽度以连接纵向纹路部分18a和18b、从而隔离分开的研磨区20a和20b的不同实施例。图中,类似部件用相同标号示出。如图2A所示,横向纹路部分21相对于垂直于面方向以角度A斜横。
由于纹路较佳地在研磨片总长度的各个纵向位置上与一个面重合,所以面长度F的总和、即纵向纹路部分长度的总和应近似与一个研磨片长度相等。另外,纹路的纵向部分应交替地依次在长度上与内、外面重合。当研磨片处于工作运动时,这些特性可保证两个表面的第一和第二研磨部交替地与工件上的任何给定点接触。所以,相邻纵向纹路部、例如18a和18b不能由于重叠或隔得太远而在长度方向上明显地偏移。较佳地,角度A为0至45度,最好约为0至30度。图2B示出完全垂直于各面的横向纹路部分23。在纵向上的横向纹路部分的宽度N构成相邻分开的研磨片之间的最近接通道的距离。横向纹路部分宽度应大致与纵向纹路部分宽度一样大以提供所需的结构整体性。最大横向纹路部分宽度并非是特别关键的。然而,应当认识到,N值的增加会增加研磨片的成本,因为,纹路经常含有一种昂贵的基本研磨料。因此,N较佳在0.5-2倍纵向纹路部分宽度T的范围内,最好约为0.9-1.1倍。
可以设想在本发明范围中还有其它实施例。例如,纹路和分开研磨区之间水平横截界面可以是弧形的,如图2A中的虚线19所示。同样地,角17可以制成圆形的以缓解应力。
如上所述的,纹路包括一基本研磨料和第一种粘结材料,而分开的研磨区包括第二种粘结材料。第二种粘结材料可以与第一种粘结材料相同或不同。较佳地,第二种研磨料可分散在第二种粘结材料中。第二种研磨料可由多种研磨材料中选出。然而,重要的是,为了获得所需的高性能,纹路的研磨料强度和分开的研磨区强度是不同的。当工具在工件上工作时,研磨料强度不同可保证工作上的任何给定点将与不同的切削性能的物质反复接触。本发明的这方面内容可从图3所示的侧视图中了解,该图示出研磨片的各内、外面可代表研磨片长度上交替的一系列基本和第二研磨部分。
当采用第二种研磨料时,研磨料强度差异可通过采用含有与第二种研磨料不同硬度的磨粒的基本研磨料获得。第二种研磨粒材料也可以与基本研磨粒相同,那么当然,基本和第二种研磨粒具有相同的硬度。为了在此情况下获得所需的研磨料强度差,在分开区中的研磨粒密度应与纹路很不相同。总的来说,含有大体积密度的给定研磨物质的研磨片一部分的研磨强度将高于含有相同研磨物质的低体积密度的另一部分。因此,当基本和第二种研磨粒相同时,纹路中的研磨料体积密度应高于分开研磨区中的体积密度,以便在纹路中获得较高的研磨强度。较佳地,研磨片的一部分的密度应至少是另一部分密度的两倍。
研磨粒均匀地分散在粘结材料中。各基本和第二种研磨料可以是单种研磨物质或一种研磨物质以上的混合物。可采用非常硬的研磨物质、一般称为超磨料、如金刚石和立方体氮化硼。可用于本发明中的代表性非超研磨料包括氧化铝、硼化硅、碳化硅、氮化硅、碳化钨、柘榴石、浮石和类似物质。超研磨料和非超研磨料可以存在于基本和第二种研磨料部分之一中或同时存在于其中。
一种较佳的非超研磨料是微晶铝,如Cottringer等人的美国专利4,623,364号以及Leitheiser等人的美国专利4,314,827中所描述的,这两篇文献皆援引在此以供参考。较佳的还有美国专利5,194,072和5,201,916(援引在此以供参考)所述的可溶性凝胶铝丝研磨颗粒。“微晶铝”意思是烧结的可溶性铝,其中,α铝晶体为直径大致小于10微米、较佳地小于5微米、并且最好小于约1微米的基本均匀尺寸。晶体都是通过大角度磨粒边界而与相邻晶体分开的基本均匀结晶方向的区域。
可溶性凝胶铝研磨料一般是这样制成的,即干燥通常为(并不一定是)勃姆石的α铝先质的溶液或凝胶;将干燥后的凝胶形成所需尺寸和形状的颗粒;然后将其烧至足够高的温度以使之转换成α铝形式。美国专利4,314,827和4,518,397、以及英国专利申请2,099,012都描述了简单的可溶性-凝胶工艺,这些文献援引在此以供参考。
在一种具体的可溶性-凝胶工艺中,α铝先质是用具有相同晶体结构的物质、即晶格参数尽可能与α铝本身的相同的物质引晶的。“晶种”以尽可能细分的形式加入并且均匀地分散在整个溶液或凝胶中。其可早先添加或可在现场形成。晶种的功能是当温度比晶种不存在时所需温度低得多的情况下,在先质中均匀地进行向α形式的转变。此工艺可产生一种晶体结构,其中,α铝的单独晶体尺寸非常均匀并且所有的直径基本上都是亚微米的。合适的晶种除了α铝本身以外,还有其它成分,如α氧化铁、低价氧化铬、钛化镍,以及其它多种成分,这些成分具有与α铝很相似的晶格参数,以有效地在温度一般在低于没有晶种时所发生转变的温度时在先质中产生α铝。这种种晶的可溶性凝胶工艺的例子描述在美国专利4,623,364;4,744,802;4,788,167;4,881,971;4,954,462;4,964,883;5,192,339;5,215,551和5,219,806中,这些文献援引在此以供参考。
对于一种用于切削坚韧材料的工具,纹路或分开研磨区中至少一种研磨料应包括超研磨物质。通常需要使纹路具有比分开的研磨区大的强度。因此,超研磨物质较佳地是基本研磨料的组成部分。较佳地,基本研磨料是一种超研磨料,第二研磨料是非超研磨料。而第二种研磨料和第二种粘结材料可以在某一研磨片中的各第二种研磨区中不同,在一研磨片中的所有第二研磨区中应易于产生具有相同组成的研磨片。因此,较佳的是,所有一研磨片中的所有第二研磨区都是相同组成的,例如相同的第二研磨料、第二粘结材料和研磨颗粒的体积密度。在一些较佳的实施例中,基本研磨料是金刚石或立方体氮化硼,第二种研磨料是微晶铝。
根据本发明的锯齿形研磨片用于切削坚韧材料的组成工件。“组成工件”一词代表这些物质,即具有明显不同耐磨性的多种成分的非均匀混合物。由金属缆、管和诸如砖块和瓦片的陶瓷构成的建筑拆除材料,以及钢筋混凝土是两个较好的例子。由于金属和陶瓷的不同耐磨性,所以经常发现,对一种材料是较理想的研磨媒质对另一种材料下并非有效。而且,组成中的一种成分甚至会过早地磨损掉其能够切削其它成分的研磨媒质。在一个研磨片中的基本和第二种研磨料的结合可使本发明的研磨工具切削组成工件。在用于切削陶瓷和金属组成工件的锯齿形研磨工具的一个较佳实施例中,基本研磨料是金刚石,第二种研磨料是立方氮化硼、硬质合金、如碳化钨或其混合物。
用于第一和第二种粘结材料的成分组成可以是现有技术中常用形式中的任一种。例如,玻璃或玻璃化的物质、热固性树脂或金属都可有效地应用,以及诸如充填金属的热固性树脂粘结材料和树酯浸渍玻璃化粘结剂也都可用。对于用来切削在建筑工业中所用的坚韧材料的工具而言,金属和玻璃粘结材料是较佳的,金属是最佳的。
纹路和/或分开的研磨区的组成最好包括多孔的构成物和其它添加剂。典型的多孔构成物和其它添加剂包括聚四氟乙烯、空心陶瓷球(例如起泡铝)和石墨、银、镍、铜、硫化钾、冰晶石和蓝晶石。当采用多孔构成物时,封闭壳形、如超泡铝用于保持锯齿形研磨片几何形状的结构整体性是较佳的。
在另一种形式下,本发明可应用于通过一个或多个安装于一芯体上的研磨片而进行切削动作的所有研磨工具上。这种工具中最常见的是空心钻头,以及转动和往复锯刀和用于磨削的杯形砂轮。这些研磨工具的芯体一般是一种坚固的刚性结构,较佳地为淬硬的金属、如工具钢。也可采用刚性的塑料芯体、较佳地为增强塑料。芯体一般包括用于保持工具的装置,例如一钻头轴、带有使砂轮在一主轴上转动的中心孔的金属盘以及用于抓住手工工具的手柄。芯体具有工作周边,工具通常包括多个沿工作周边隔开的研磨片。“工作周边”表示工具的曲线特征,其构成切削刃或表面。例如,在一空心钻头中,工作周边是钻头的圆形端部,其上安装有一个或多个研磨片。一转动锯刀的工作周边是圆形芯体的周边。在具有弯曲工作周边的工具中,如空心钻头和转动锯刀中,研磨片在其长度方向是弯曲或成拱形的以使研磨片与工作周边的曲率相符。上述的锯齿形研磨片通常可通过焊接安装到芯体上。
如上所述的,锯齿形研磨片具有一基本上矩形的棱柱形。通常,研磨片沿长度安装到工作周边上。因而,研磨片是这样安装到芯体上的,即在切削过程中,内、外面呈现为与工件表面垂直。研磨片的宽度至少与其所安装的芯体边厚度相同。本发明的研磨工具可经受现有技术中所知的空刀现象,此时当工具穿过工件时,正被切削的工件壁可侵蚀芯体。为了防止空刀,其宽度较佳地应比边厚度略大。
图3示出了根据本发明的一研磨工具刀的侧视图。轮30包括钻有将轮安装于一动力驱动切削装置的刀轴轴线上使之沿箭头所示方向旋转的一中心孔34的金属盘32。多个研磨片36和37的底面22通过沿长度方向的焊接而安装到金属肋边缘33上。各研磨片36和37在图中都是内面朝着观察者的,并且可见到包括以“PA”表示的基本研磨料的纹路16,以及以“SA”表示的第二研磨料的几个分开的研磨区,例如20b。纹路横过各研磨片侧面两次,所以在图中可见到研磨料的三个部分。应当很容易了解,从另一侧可见的轮的视图将示出在端部12和14处的两个分开的研磨区和与各研磨片面重合的纹路基本研磨料。研磨片沿着边缘由间隙38隔开,该间隙可提供研磨片的多个前端12以在其他物料中因轮的各次转动而撞击工件。所示的轮还包括从边缘径向地伸向盘中心的可选用的槽39。这些槽的目的在于便于切削操作中经常所用的冷却液循环,并且促使工件上的切屑去除。虽然所示的槽低于隔开的研磨片的交替间隙,但在本发明的范围中其它结构也是可能的以及可考虑的。例如,这些槽可在各间隙中并且在间隙之间的圆周位置上。槽结构参数:如数量、位置和深度、亦即径向尺寸可通过现有技术的方法选择成与某一切削应用的要求相符。
虽然纹路横过图3所示的所有研磨片的次数相同,所有研磨片的内面都在轮的相同侧上,但本发明的范围并不受此限制。实际上,可以认识到,当工件在轮相反侧上时,图示实施例的结构可在基本研磨料和第二研磨料之间提供不成比例的接触。即,与图示轮侧面接触的工件部分与基本研磨料的接触要为与第二种研磨料接触的两倍之多,而在另一侧上也成立。这种不成比例的接触对于某些切削应用是需要的,然而,应当理解,与基本研磨料和与第二种研磨料接触的一个较平衡比例对于其它应用情况是较佳的。因此,可将具有不同纹路横过数量的研磨片应用于相同的轮上,也可采用平衡研磨接触比例的其它研磨片结构。
可用于设定工具各侧上的与基本研磨料和与第二种研磨料接触比例的另一参数是面距离F。在图3中,所有的面距离皆为相同的。可以根据本发明设计一种锯齿形研磨片工具,其中,面距离可以改变。例如,可以设想,图3中可见的所有分开研磨区的面距离可以增加而可见的面PA的面距离相应地减少,用以更接近地平衡轮在此侧面上露出的基本和第二种研磨料的数量。这种设计可在轮的相反侧上具有等同的效果,而较少的PA面将扩大,而更多的分开研磨区将收缩。改变研磨片长度上的面距离可能会对研磨片结构整体性有不利影响。从为了提供一种易于制造、耐用的研磨片的这一根本目的观点来看,还是以各研磨片的所有面距离大致相等为宜。
另一方面,本发明可以是一空心钻头。芯体是一金属圆柱体,其一端空心以形成一工作周边,该工作周边可以是一朝着工件的圆形切削刃。“芯体”一词在本文中用于表示研磨工具的一个部件,除了工具的其它部件,该芯体可支撑研磨片。“空心钻头”系指一转动研磨工具,通常用在工件中钻一圆形孔。未示出的圆柱形芯体的另一端用于与钻削装置的一卡盘配合,以使钻头可绕其中心轴线转动并且轴向地进入一工件。研磨片可通过各研磨片底面焊接到芯体上而固定在端部。大致矩形的研磨片的长度呈弧形以与钻头端部的曲率相符。由于圆柱体有限的厚度,研磨片位于一圆形边上,其边缘分别具有一内径和一外径。较佳地,研磨片的宽度和曲率为研磨片伸出圆柱形芯体上以自由切削并且防止如上所述的空刀。因此,研磨片的内面将沿圆弧半径小于圆柱体内径的弧弯曲,而外面将沿半径大于圆柱体外径的圆弧弯曲。
在空心钻头中,如一些研磨刀中,较佳地,钻头是“可反转的”。即,钻头可以绕其中心轴顺时针或逆时针旋转。为了保证在钻头反转时,各研磨片对工件的撞击边是相同的,较佳地,采用锯齿形研磨片,其中各研磨片的纹路以相等次数横过研磨片。这可在每个研磨片上提供奇数量的分开研磨区,并且保证研磨片纵向对称。在一较佳的研磨片中,纹路横过研磨片宽度两次。
如图6A和6B所示,空心钻头研磨片可以为如图6A所示的O形,以及如图6B所示的I形。这些结构设计都可应用于研磨片,其中纹路横过宽度次数相同以提供奇数量的分开研磨区。此研磨片中的纹路将弯曲以与工作周边曲率相符,其横过方式之一为:对于O形研磨片而言,纹路将与外面重合奇数次,即与钻头外侧对应的面;对于一I形研磨片而言,纹路将与内面重合奇数次。研磨片结构沿钻头工作周边的排列顺序可以改变以实现不同的切削性能。
研磨片结构可以集聚成组。也可选择包括在一个研磨工具上超过两种类形的研磨片的其他组合。例如,含有其中纹路奇数次横过研磨片宽度的研磨片可以利用O形和I形研磨片一起形成工具。
根据本发明的研磨片可适合于标准的制造方法。通常,本发明所用的粘结材料可以呈流体形式提供,如粘性液体或自由流动的细粉末。归根结底,粘结材料一般通过热熔或化学反应而固化成一嵌有相应研磨颗粒的固体。一开始,基本研磨料和第一种粘结材料可以混合成在粘结时含有所需研磨料体积密度的均匀分散体。较佳地,这种组成成分在压缩时可具有用于保持形状的膏体般的粘度,而且有足够的流体可分散到如图4所示的模具50中。分散体位于顶部边缘52和底部边缘53之间的腔室51中。该边缘勿需加热就可嵌在一起以预制成研磨片的纹路54。纹路预制是接着“预烧结”或冷压缩以获得一至少约为50-55%理论密度的“未成熟”纹路。“理论密度”一词表示粘结材料的纯成分的平均重量密度。例如,假定重量百分比80%铜(密度为8.8克/厘米3)和重量百分比20%锡(密度为7.3克/厘米3)的理论密度为8.5克/厘米3,冷压缩的未成熟纹路密度应至少为4.2-4.7克/厘米3。预烧结可以在如H2/N2混合物的惰性气体环境下、在一带式熔炉中约650-700℃下进行,或者通过约120秒的导热在约750-780℃下进行,或通过冷压缩来进行。在本文中,“未成熟”意味着纹路强度不足以在切削工作中保持结构整体性,而是具有足够的所谓“未成熟强度”以保持其形状以便在接下来的制造工艺步骤中进行处理。在制造工艺的此阶段应避免石墨碳杂质,特别是在进行预烧结时。虽然可采用含石墨的模具并与惰性气体层或在抽真空条件下相配合,但还是陶瓷模具可较佳地消除石墨杂质。在冷压缩工艺步骤中可采用钢模具。在另一种较佳的变化形式中,可在纹路模具中制成一比实际所需长的未成熟纹路并且接下来用激光切削成适当长度。
另一步骤中,第二种研磨料和第二种粘结材料可混合成在粘结时具有所需体积密度的研磨料均匀分散体。如图5所示,纹路预制件54可移到具有适当形状顶边缘62和底边缘63的模具60中。第二种研磨料分散体位于纹路和边缘之间的腔室中以形成分开的研磨区64。组成研磨片在每平方英寸约4,00-7,500磅的压力以及约750℃-975℃温度下压缩近180-200秒,以完全固化粘结材料,从而形成本发明的锯齿形研磨片。这些固化条件通常用于金属粘结材料。实际的冷却温度可以随所选的粘结材料的属性而变化。
在锯齿形研磨片制成之后,藉由现有技术中的多种方法可将其安装到芯体上,如钎焊接或激光焊接法。用于制造锯齿形研磨片的标准方法最适合的是激光焊接法。一种激光可焊接的第二种粘结材料可以很好地用来形成分开的研磨区并提供一个可将研磨片安装到芯体上的激光可焊接底表面。这是通过采用一略高于研磨片最终尺寸的研磨片模具来实现的。例如,可采用一8毫米高的模具制造7毫米高的研磨片。纹路置于研磨片模具中,并且顶表面贴着模具壁,而在底表面上留出一细带状腔室。激光可焊接的第二种粘结材料可加到模具中以填充分开区并形成研磨片底上的一条带。以此方式形成一锯齿形研磨片还有一个优点是:当研磨片模具关闭和压缩时,分开区被第二种粘结材料均匀且完全地充满。激光焊接是一种将研磨片安装到芯体上以制成为干切削应用情况所设计的工具的较佳的方法。
实例
例1:制造空心钻头
由在一金属芯体安装多个锯齿形研磨片所构成的空心钻头应按下述来制备:
纹路组成成分:在第一种粘结材料中制备三种纹路组成成分,即涂有金刚石颗粒的、体积密度在10.6-15%范围中的35/40US筛目尺寸的金属(高级锯砂)。通过将含有钴颗粒的金属粉末与金刚石颗粒搅拌在一起制成自由流动的粉末混合物VC1。另一种纹路粉末混合物VC2由相同的金刚石颗粒和一种包含钴颗粒及铜/锡粉末的混合物类似地来制成。还有另一种粉末混合物VC3采用金刚石颗粒和含有铜/锡粉末、铁颗粒和硼化铬的金属粉末搅拌物以相似方式来制成。所有金属粉末的颗粒尺寸都小于400US筛目。
分开的研磨区组成成分:通过搅拌第二种研磨料与第二种粘结材料混合物来制备三种粉末混合物。在一种粉末混合物SARC1中,第二种研磨料是2%体积的种晶可溶性凝胶α铝。SARC1中的第二种粘结材料是一种含有铜/锡和钴粉末的金属粉末。粉末的最大颗粒尺寸是200US。第二种粉末混合物SARC2是涂有钴粉末的21%重量的碳化钨颗粒(>325US筛目)以及含有铜/锡颗粒/镍/铬颗粒/铁和硼化铬的金属粉末混合物。SARC2中的所有颗粒都小于100US筛目尺寸。第三种粉末混合物SARC3是立方体氮化硼与第二种粉末混合物的混合物。
研磨片制造:用纹路组成成分VC1-VC3和分开研磨区组成成分SARC1-SARC3的多种组合来制备锯齿形空心钻头研磨片。可以是O形和I形的锯齿形研磨片几何形状,分别如图6A和6B所示,其中所示的所有尺寸都是毫米。各研磨片名义尺寸为3毫米宽×7毫米高×24毫米长,总的研磨片体积近似0.504厘米3。标称纹路为总体积的70%。金刚石含量在锯齿形研磨片的每份总体积中为在0.65至0.75克拉范围中。
通过先将一选定的纹路组成成分置于一适用于形成如图6A和6B所示几何形状的未成熟纹路的、预成形的纹路模具中来制成各研磨片。将填充的纹路模具加热到750-780℃并且在1000帕斯卡压力下压缩120秒,这样形成50%理论密度以上的未成熟纹路。该模具由石墨构成。
接着,将未成熟纹路置于一研磨片模具中并且对用于分开研磨区的腔室填充一种有选定的SARC粉末混合物。在烧结之前,在大气压下压缩模具以压缩纹路周围的SARC粉末混合物。然后在约750℃下压缩模具约180-200秒以烧结材料,从而制成最终的研磨片。
如上所制成的九个锯齿形研磨片通过底表面钎焊到直径为10.2厘米(4英寸)的钢管端部。组装成两个这种钻头,具体为,一个是九个O形结构的钻头,一个是连续交替的五个O形结构和四个I形结构的钻头。管另一端制成为用于安装到一动力钻头主轴中的形状。
例2和对比例1-4
根据本发明的一空心钻头和四个非锯齿形的研磨片钻头在使用状态下置于一空心钻测试机上,其结果示于表1中。所有被测试的钻头直径为10.2厘米。所测试的钻头如下:
例2:该工具具有由金刚石基本研磨纹路组成成分VC2和在分开的研磨区组成区中的碳化钨第二种研磨料SARC2的九个锯齿状磨料片。该工具根据例1所述的工序制成。
对比例1:此钻头具有多个研磨片。研磨片由一种粘结材料构成,并且在一半研磨片的外切削表面和其它研磨片的内切削表面上有一层种晶的可溶性凝胶铝棒。
对比例2:此钻头具有与对比例1相同的结构,只是所有研磨片的外、内切削表面都用种晶的可溶性凝胶铝棒加硬。
对比例3:此钻头与对比例1结构相同,只是研磨片的外、内切削表面交替地用种晶的可溶性凝胶铝棒加硬,并且种晶的可溶性凝胶铝颗粒分散在所有粘结材料中。
对比例4:一种由美国马萨诸塞州沃斯特市诺顿公司生产的空心钻头产品。
对比例1-3的钻头都是在商业生产设备上制造的近似生产的样品。采用测量和记录工作过程中的速度、功率和穿透速率用的大功率混凝土空心钻在固化的混凝土工件上钻孔来进行测试。
表1示出了例和对比例1-3的钻头都具有较高的穿透速率(ROP)和基本都较对比例4成品钻头较高的耐用性能。然而,应当注意到,对比例4的钻头是为由低功率钻头马达驱动而特殊设计的。试图在与其它钻头相同的条件下工作会使低功率钻头秃钝。重复地修整低功率钻头也不能解决问题。因此,表中所示的此种钻头的受限制数据条件不与其它钻头的相重合。
在低速和低电流的900转/分钟条件下,例2耐用性能明显地超过对比例1-3。仅在高速和大电流时对比例2钻头略超出例2。然而,在此情况下,根据本发明的钻头表明67%的切削速度时的性能有提高(ROP6.2对3.7)。新颖的钻头在高速、低电流状况存在不同寻常的极优的耐用性能、即相当好的ROP。例2的钻头比对比例1-3钻头的自由切削略少。这是相当耐用的,并且数据表示在较大的速度范围和钻头重量范围中具有极好的性能。
虽然为了用附图和举例说明而选择了本发明的具体给定形式、且上述说明是专门用来说明本发明的这些形式的,但这些描述并不是用来限制权利要求书中的所限定的本发明的范围。
表1钻头 速度 安培 试验间隔 穿透速率 耐用性能
(转/分钟) (芯) (厘米/分钟) (米/毫米)例2 900 22 4-8 6.2 7.9
450 22 9-11 5.6 1.5
450 17 13-17 5.4 2.6
900 17 18-27 3.6 16对比例1 900 22 6-10 5.5 1.5
450 22 11 4.5 0.20
450 17 12-13 4.1 0.43
900 17 14-18 4.4 1.3对比例2 900 22 2-7 3.7 8.6
450 22 8-9 4.2 0.66
450 17 10-12 4.0 0.75
900 17 13-21 4.0 2.5对比例3 900 22 4-10 5.4 1.5
450 22 11 4.7 0.25
450 17 12 3.8 0.085
900 17 13-17 3.8 1.0对比例4 450 11 1-4 3.6 0.92
900 11 5-18 3.0 4.3
Claims (72)
1.一种具有工作周边的研磨片,包括:
工作周边上的一长度;
与一外面隔开研磨片宽度的一内面,所述内面基本上与外面平行而形成工作周边上的研磨片侧边;
一纹路,包括基本研磨料和第一种粘结材料,所述纹路连续且完全在研磨片长度上延伸,并且横过研磨片宽度至少一次以与内面和外面各自的一部分交替地重合,从而形成小于研磨片宽度的、基本上均匀的纹路宽度的纵向纹路部分以及连接相邻纵向纹路部分的横向纹路部分;以及
在内面和外面之间的多个分开的研磨区,并且所述纹路包括第二种粘结材料。
2.如权利要求1所述的研磨片,其特征在于,基本研磨料是由金刚石、立方体氮化硼和其混合物构成的一组材料中选出的。
3.如权利要求1所述的研磨片,其特征在于,第二种粘结材料与第一种粘结材料相同。
4.如权利要求2所述的研磨片,其特征在于,各分开的研磨区还包括第二种研磨料。
5.如权利要求4所述的研磨片,其特征在于,基本研磨料是由金刚石、立方体氮化硼和其混合物构成的一组材料中选出的。
6.如权利要求5所述的研磨片,其特征在于,第二种研磨料与基本研磨料相同,并且纹路中的基本研磨料的体积密度至少是分开研磨区中第二种研磨料体积密度的两倍。
7.如权利要求5所述的研磨片,其特征在于,基本研磨料比第二种研磨料硬。
8.如权利要求7所述的研磨片,其特征在于,第二种研磨料是由氧化铝、碳化硅、碳化钨、硼化硅和氮化硅和其混合物构成的一组材料中选出的。
9.如权利要求7所述的研磨片,其特征在于,第二种研磨料是微晶α铝。
10.如权利要求1所述的研磨片,其特征在于,所有纵向纹路部分在工作周边上的长度相同。
11.如权利要求10所述的研磨片,其特征在于,纹路偶数次地横过研磨片宽度。
12.如权利要求11所述的研磨片,其特征在于,纹路横过研磨片宽度两次。
13.如权利要求1所述的研磨片,其特征在于,纹路以相对于内面和外面垂直的一个方向约呈0-45度斜角横过研磨片宽度。
14.如权利要求13所述的研磨片,其特征在于,横向纹路部分的纹路宽度是纵向纹路部分宽度的0.5-2倍。
15.一种研磨工具,包括:
具有一工作周边的一芯体;以及
位于所述工作周边上的至少一个研磨片,各研磨片包括:
工作周边上的一长度;
与一外面隔开研磨片宽度的一内面,所述内面基本上与外面平行而形成工作周边上的研磨片侧边;
一纹路,包括基本研磨料和第一种粘结材料,所述纹路连续且完全在研磨片长度上延伸,并且横过研磨片宽度至少一次以与内面和外面各自的一部分交替地重合,从而形成小于研磨片宽度的、基本上均匀的纹路宽度的纵向纹路部分以及连接相邻纵向纹路部分的横向纹路部分;以及
在内面和外面之间的多个分开的研磨区,并且所述纹路包括第二种粘结材料。
16.如权利要求15所述的研磨工具,其特征在于,基本研磨料是由金刚石、立方体氮化硼和其混合物构成的一组材料中选出的。
17.如权利要求15所述的研磨工具,其特征在于,所述第二种粘结材料与第一种粘结材料相同。
18.如权利要求16所述的研磨工具,其特征在于,各分开的研磨区还包括第二种研磨料。
19.如权利要求18所述的研磨工具,其特征在于,基本研磨料是由金刚石、立方体氮化硼和其混合物构成的一组材料中选出的。
20.如权利要求19所述的研磨工具,其特征在于,第二种研磨料与基本研磨料相同,并且纹路中的基本研磨料的体积密度至少是分开研磨区中第二种研磨料体积密度的两倍。
21.如权利要求19所述的研磨工具,其特征在于,基本研磨料比第二种研磨料硬。
22.如权利要求21所述的研磨工具,其特征在于,第二种研磨料是由氧化铝、碳化硅、碳化钨、硼化硅和氮化硅和其混合物构成的一组材料中选出的。
23.如权利要求21所述的研磨工具,其特征在于,第二种研磨料是微晶α铝。
24.如权利要求15所述的研磨工具,其特征在于,所有纵向纹路部分在工作周边上的长度相同。
25.如权利要求24所述的研磨工具,其特征在于,每个研磨片的纹路偶数次地横过研磨片宽度。
26.如权利要求25所述的研磨工具,其特征在于,纹路横过研磨片宽度两次。
27.如权利要求15所述的研磨工具,其特征在于,纹路以相对于内面和外面垂直的一个方向约呈0-45度斜角横过研磨片宽度。
28.如权利要求27所述的研磨工具,其特征在于,横向纹路部分的纹路宽度是纵向纹路部分宽度的0.5-2倍。
29.如权利要求15所述的研磨工具,其特征在于,还包括多个在工作周边上隔开的研磨片。
30.如权利要求29所述的研磨工具,其特征在于,芯体包括一个在选定的相邻研磨片之间的工作周边上向内延伸的槽。
31.如权利要求29所述的空心钻头,其特征在于,芯体是一个一端空心的金属圆柱体以形成具有内、外半径的圆形工作周边;其中研磨片沿工作周边弧形弯曲,以使内面具有小于内径的弧形曲率半径,而外面具有大于外径的弧形曲率半径。
32.如权利要求31所述的空心钻头,其特征在于,一些研磨片是由与外面重合奇数次的纹路构成的O形研磨片,所有其它研磨片是由与内面重合奇数次的纹路构成的I形研磨片。
33.如权利要求32所述的空心钻头,其特征在于,多个O形研磨片沿工作周边依次排列,而多个I形研磨片沿工作周边依次排列。
34.如权利要求32所述的空心钻头,其特征在于,O形研磨片和I形研磨片沿工作周边依次交替排列。
35.如权利要求31所述的空心钻头,其特征在于,所有纵向纹路部分在工作周边上的长度相同。
36.如权利要求29所述的转动锯刀,其特征在于,芯体是一圆形金属盘,研磨片都位于所述盘的周边上。
37.如权利要求36所述的转动锯刀,其特征在于,芯体包括在选定的相邻研磨片之间的工作周边上向内延伸的一槽。
38.如权利要求36所述的转动锯刀,其特征在于,所有纵向纹路部分在工作周边上的长度相同。
39.如权利要求15所述的往复运动锯刀,其特征在于,芯体是具有基本上直线的工作周边的金属片。
40.如权利要求39所述的往复运动锯刀,其特征在于,每个研磨片的纹路偶数次地横过研磨片宽度。
41.如权利要求40所述的往复运动锯刀,其特征在于,芯体包括在选定的相邻研磨片之间的工作周边上向内延伸的一槽。
42.如权利要求39所述的转动锯刀,其特征在于,所有纵向纹路部分在工作周边上的长度相同。
43.一种制造具有一锯齿形研磨工具片的方法,所述方法包括以下步骤:
(a)用一种基本研磨料和第一种粘结材料的材料预先模制成一未成熟纹路;
(b)将未成熟纹路置于体积比其大的研磨工具研磨片模具中以形成未成熟纹路和模具之间的、用于分开研磨区的多个腔室;
(c)在用于分开研磨区的腔室中充填第二种粘结材料;
(d)在研磨工具片模具中、在有效地固化纹路和第二种粘结材料的温度和压力条件下模制未成熟纹路和第二种粘结材料,从而形成一功能完全的研磨工具片,其中锯齿形状是这样形成的:
一研磨片长度;
一研磨片宽度;
隔开研磨片宽度的、基本上平行的内、外两面、以形成研磨片的相对侧边;
纹路在研磨片长度上连续而完全延伸并且至少一次横过与内、外面部分交替重合的研磨片宽度,以形成小于研磨片宽度的、基本均匀纹路宽度的、纵向纹路部分以及与纵向纹路部分相邻连接的横向纹路部分;以及
在内、外两面之间的多个分开的研磨区,纹路包括第二种粘结材料。
44.如权利要求43所述的方法,其特征在于,模制条件可有效地避免未成熟纹路中的石墨杂质。
45.如权利要求44所述的方法,其特征在于,预先模制条件包括至少以下一种:
(a)在一陶瓷或钢质纹路模具中预制;
(b)在一抽真空、惰性气体环境中预制;
(c)在大气压下预制。
46.如权利要求43所述的方法,其特征在于,预制条件可有效地产生至少约为50-55%理论密度的未成熟纹路。
47.如权利要求43所述的方法,其特征在于,预制步骤可生产出比研磨工具片长的纹路,还包括在将未成熟纹路置于研磨工具片模具中之前、切削未成熟纹路以与研磨工具片配合的步骤。
48.如权利要求43所述的方法,其特征在于,基本研磨料是由金刚石、立方体氮化硼和其混合物构成的一组材料中选出的。
49.如权利要求43所述的方法,其特征在于,所述第二种粘结材料与第一种粘结材料相同。
50.如权利要求48所述的方法,其特征在于,各分开的研磨区还包括第二种研磨料。
51.如权利要求50所述的方法,其特征在于,基本研磨料是由金刚石、立方体氮化硼和其混合物构成的一组材料中选出的。
52.如权利要求51所述的方法,其特征在于,第二种研磨料与基本研磨料相同,并且纹路中的基本研磨料的体积密度至少是分开研磨区中第二种研磨料体积密度的两倍。
53.如权利要求51所述的方法,其特征在于,基本研磨料比第二种研磨料硬。
54.如权利要求53所述的方法,其特征在于,第二种研磨料是由氧化铝、碳化硅、碳化钨、硼化硅和氮化硅和其混合物构成的一组材料中选出的。
55.如权利要求53所述的方法,其特征在于,第二种研磨料是微晶α铝。
56.如权利要求43所述的方法,其特征在于,纹路偶数次地横过研磨片宽度。
57.如权利要求56所述的方法,其特征在于,纹路横过研磨片宽度两次。
58.制造具有一芯体和一工作周边的研磨工具的方法,包括将具有锯齿形状的至少一个研磨工具片安装于金属芯体的工作周边上,
其中锯齿形状通过以下部分形成:
一研磨片长度;
一研磨片宽度;
隔开研磨片宽度的、基本上平行的内、外两面,以形成研磨片的相对侧边;
纹路在研磨片长度上连续而完全延伸并且至少一次横过与内、外面部分交替重合的研磨片宽度,以形成小于研磨片宽度的、基本均匀纹路宽度的、纵向纹路部分,以及与纵向纹路部分相邻连接的横向纹路部分;以及
在内、外两面之间的多个分开的研磨区,纹路包括第二种粘结材料。
59.如权利要求58所述的方法,其特征在于,将锯齿形的多个研磨工具片安装于一金属芯体上。
60.如权利要求59所述的方法,其特征在于,还包括在芯体上设置一个在选定的相邻研磨片之间的工作周边上向内延伸的槽。
61.如权利要求58所述的方法,其特征在于,所有纵向纹路部分在工作周边上的长度相同。
62.如权利要求58所述的方法,其特征在于,每个研磨片的纹路偶数次地横过研磨片宽度。
63.如权利要求62所述的方法,其特征在于,纹路横过研磨片宽度两次。
64.制造如权利要求58所述空心钻头的方法,其特征在于,所述芯体是一端空心的金属圆柱体以形成具有内径和外径的圆形工作周边;其中研磨片在工作周边上弧形弯曲,以使内面具有小于内径的弧形曲率半径,而外面具有大于外径的弧形曲率半径。
65.如权利要求64所述制造空心钻头的方法,其特征在于,一些研磨片是由与外面重合奇数次的纹路构成的O形研磨片,所有其它研磨片是由与内面重合奇数次的纹路构成的I形研磨片。
66.如权利要求65所述制造空心钻头的方法,其特征在于,多个O形研磨片沿工作周边依次排列,而多个I形研磨片沿工作周边依次排列。
67.如权利要求65所述制造空心钻头的方法,其特征在于,O形研磨片和I形研磨片沿工作周边依次交替排列。
68.如权利要求64所述制造空心钻头的方法,其特征在于,所有纵向纹路部分在工作周边上的长度相同。
69.制造如权利要求58所述转动锯刀的方法,其特征在于,芯体是一圆形金属盘,研磨片都位于所述盘的周边上。
70.制造如权利要求58所述的转动锯刀的方法,其特征在于,所述芯体是具有基本上直线的工作周边的金属片。
71.如权利要求58所述的方法,其特征在于,纹路以相对于内面和外面垂直的一个方向约呈0-45度斜角横过研磨片宽度。
72.如权利要求71所述的方法,其特征在于,横向纹路部分的纹路宽度是纵向纹路部分长度的0.5-2倍。
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