ITMI20012580A1

ITMI20012580A1 - MANUFACTURING PROCEDURE OF A DIAMOND CUTTING TOOL, ORIENTED CRYSTALS, AND CUTTING TOOL MADE WITH IT

Info

Publication number: ITMI20012580A1
Application number: IT2001MI002580A
Authority: IT
Inventors: Paolo Bernieri
Original assignee: Stalber S R L
Priority date: 2001-12-06
Filing date: 2001-12-06
Publication date: 2003-06-06
Also published as: DE60217281D1; EP1323498B1; EP1323498A1; ATE350198T1

Abstract

The invention concerns a diamond cutting tool, of the type comprising a layer of diamond crystals (3) anchored onto its surface (2), preferably by electrolytic deposit or by chemical means. According to the invention, said layer is formed by oriented diamond crystals (3); moreover, the surface (2) of anchorage of the diamond crystals (3) is preferably inclined in respect of the bottom surface (Y-Y) of the cutting performed by said tool. The invention also concerns a process to manufacture such a diamond cutting tool, comprising at least a working step - known per se - to form a fixing layer of electrolytic metal apt to retain a single layer of diamond crystals (3) onto the surface (2) of a metallic supporting body (1), and a previous working step - according to the invention - to orient said diamond crystals (3) in a uniform manner; for this purpose, a vibration is imparted on said metallic supporting body (1) for a short time, from a few seconds to some minutes, while it is dipped into the mass of diamond crystals. <IMAGE>

Description

Descrizione dell'invenzione avente per titolo: Description of the invention entitled:

PROCEDIMENTO DI FABBRICAZIONE DI UN UTENSILE DIAMANTATO DI TAGLIO A CRISTALLI ORIENTATI, ED UTENSILE DI TAGLIO CON ESSO REALIZZATO" MANUFACTURING PROCESS OF A DIAMOND CUTTING TOOL WITH ORIENTED CRYSTALS, AND CUTTING TOOL WITH IT MADE "

Come è noto, per la separazione di blocchi di marmo o di pietre in genere dalla parete di cava, come pure per la loro trasformazione in lastre, vengono sempre maggiormente utilizzati particolari utensili, detti "utensili diamantati", che possono essere realizzati in forma di "fili diamantati" per la lavorazione in cava, oppure di "lame diamantate" o di "dischi diamantati" per la lavorazione in segherie e laboratori. Questi utensili vengono impiegati su macchine speciali, quali macchine a puleggia di trascinamento del filo - utilizzate soprattutto in cava, ma anche nelle opere di ingegneria civile od industriale - oppure quali telai dotati di un quadro portalame dotato di un moto alternativo, o quali macchine ad albero rotante, sul quale sono montati uno o più dischi diamantati. As is known, for the separation of blocks of marble or stones in general from the quarry wall, as well as for their transformation into slabs, special tools are increasingly used, called "diamond tools", which can be made in the form of "diamond wires" for working in quarries, or "diamond blades" or "diamond discs" for working in sawmills and laboratories. These tools are used on special machines, such as wire dragging pulley machines - mainly used in quarries, but also in civil or industrial engineering works - or as looms equipped with a blade holder frame equipped with an alternative motion, or as machines with rotating shaft, on which one or more diamond discs are mounted.

La presente invenzione viene descritta qui di seguito facendo riferimento unicamente ai "fili diamantati", unicamente per ragioni di semplificazione della descrizione, ma è inteso che gli insegnamenti qui forniti possono essere facilmente trasferiti dal tecnico del ramo al caso delle lame diamantate o dischi mole, frese ed utensili diamantati in genere. The present invention is described hereafter with reference only to "diamond wires", solely for reasons of simplification of the description, but it is understood that the teachings provided herein can be easily transferred by the skilled in the art to the case of diamond blades or wheel discs, diamond cutters and tools in general.

Per la produzione di questi utensili diamantati vengono adottate principalmente due tecniche: la "sinterizzazione" di miscele di polveri metalliche e grani di diamante, ed il "deposito" di grani di diamante su di un supporto metallico, che viene effettuato più comunemente con sistema elettrolitico, ma anche per via chimica o per fissaggio in forno con leghe metalliche nebulizzate. Two techniques are mainly used for the production of these diamond tools: the "sintering" of mixtures of metal powders and diamond grains, and the "deposition" of diamond grains on a metal support, which is most commonly carried out with an electrolytic system , but also chemically or by fixing in the oven with nebulized metal alloys.

Nel caso specifico del filo diamantato viene utilizzata sia la prima che la seconda tecnica per formare delle cosiddette "perle", cioè dei corpi che, generalmente sagomati a cilindretto e dotati di una perforazione assiale, possono essere "infilati" su di un supporto costituito appunto da un filo in forma di treccia di acciaio, e qui bloccati a distanze regolari. In the specific case of the diamond wire, both the first and the second technique are used to form so-called "pearls", ie bodies which, generally shaped like a cylinder and equipped with an axial perforation, can be "threaded" on a support made up precisely from a wire in the form of a steel braid, and here clamped at regular distances.

Nel caso di perle realizzate per sinterizzazione di polveri metalliche e grani di diamante il mantenimento della capacità di taglio, durante la vita operativa del filo diamantato, è affidata all'usura del metallo che ingloba i grani di diamante e che permette così di portare progressivamente in evidenza i grani di diamante sottostanti man mano che quelli che sono in superficie, dopo aver compiuto il loro ciclo di lavoro, si rompono e successivamente si distaccano sotto la pressione di taglio. Tuttavia, come noto, le perle "sinterizzate" sono relativamente più fragili ed hanno spesso una durata inferiore, soprattutto se usate in gravose condizioni di lavoro. In the case of pearls made by sintering metal powders and diamond grains, the maintenance of the cutting capacity, during the operating life of the diamond wire, is entrusted to the wear of the metal which incorporates the diamond grains and thus allows to progressively bring in highlights the underlying diamond grains as those that are on the surface, after completing their work cycle, break and subsequently detach under the cutting pressure. However, as known, the "sintered" pearls are relatively more fragile and often have a shorter duration, especially if used in harsh working conditions.

Le perle realizzate invece con la tecnica del deposito elettrolitico, od altro, che certamente non presentano la fragilità propria delle perle sinterizzate, hanno però normalmente l'inconveniente che la loro capacità di taglio non è sempre uniforme. Secondo l'esperienza raccolta dalla Richiedente - partendo dalla constatazione che, come noto, i grani di diamante vengono fissati, in modo casuale, sulla superficie del corpo metallico di supporto, dallo strato di nichel di spessore micrometrico depositato per via elettrolitica - ciò può succedere principalmente per il fatto che i grani di diamante possono casualmente venire a trovarsi in misura percentuale maggiore in una posizione che presenta in vista la parte meno tagliente. On the other hand, pearls made with the electrolytic deposition technique, or other, which certainly do not have the fragility typical of sintered pearls, however, normally have the drawback that their cutting capacity is not always uniform. According to the experience gathered by the Applicant - starting from the observation that, as is known, the diamond grains are fixed, in a random way, on the surface of the metal support body, by the nickel layer of micrometric thickness deposited electrolytically - this can happen mainly due to the fact that the diamond grains may accidentally be found to a greater percentage extent in a position that presents the less sharp part in view.

Scopo della presente invenzione - in conformità alla tendenza della tecnologia attuale praticamente in ogni settore produttivo - è di realizzare degli utensili diamantati con una migliore e più uniforme capacità di taglio, che si mantenga inalterata dall'inizio alla fine della loro vita di lavoro, proponendo un procedimento di fabbricazione che consenta di realizzarli in modo semplice. The purpose of the present invention - in accordance with the trend of current technology in practically every production sector - is to produce diamond tools with a better and more uniform cutting capacity, which remains unchanged from the beginning to the end of their working life, proposing a manufacturing process that allows them to be made in a simple way.

Questo risultato viene conseguito con un utensile di taglio come definito nella rivendicazione 1, e con un procedimento come definito nella rivendicazione 6 This result is achieved with a cutting tool as defined in claim 1, and with a process as defined in claim 6.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi del procedimento e della struttura di utensile secondo l'invenzione risultano comunque meglio evidenti dalla descrizione dettagliata che segue di alcune preferite forme di realizzazione dello stesso, date a titolo di esempio non limitativo ed illustrate nei disegni annessi, nei quali: Further characteristics and advantages of the method and of the tool structure according to the invention are however better evident from the following detailed description of some preferred embodiments of the same, given by way of non-limiting example and illustrated in the attached drawings, in which:

fig. 1 rappresenta, in sezione assiale schematica, fortemente ingrandita rispetto al naturale, una perla a profilo troncoconico secondo 1'invenzione; fig. 1 shows, in schematic axial section, greatly enlarged with respect to the natural one, a bead with a truncated cone profile according to the invention;

fig. 2 è una vista simile a quella di fig. 1, ma relativa ad una perla con profilo troncoconico avente un diverso angolo al vertice; e fig. 2 is a view similar to that of fig. 1, but relating to a pearl with a truncated cone profile having a different angle at the vertex; And

figg. 3 ad 11 rappresentano diversi cristalli sintetici di diamante, ciascuno mostrato in due viste, l'una perpendicolare alla faccia maggiore e l'altra perpendicolare alla faccia di spigolo. figs. 3 to 11 represent several synthetic diamond crystals, each shown in two views, one perpendicular to the major face and the other perpendicular to the edge face.

Per comprendere correttamente l'invenzione è bene ricordare innanzitutto sinteticamente come si produce industrialmente il cosiddetto "deposito elettrolitico di diamante" sulla superficie della perla destinata alla fabbricazione di un filo diamantato. Il corpo della perla, od in generale il corpo metallico che si vuole rivestire di diamante, viene immerso in una vasca di Watt, in soluzione di sali di nichel, e collegato al catodo. Con il passaggio di corrente inizia il deposito di nichel sulla superficie del corpo. To understand the invention correctly, it is first of all good to briefly recall how the so-called "diamond electrolytic deposit" is industrially produced on the surface of the pearl intended for the manufacture of a diamond wire. The body of the pearl, or in general the metal body to be coated with diamond, is immersed in a Watt tank, in a solution of nickel salts, and connected to the cathode. With the passage of current begins the nickel deposit on the surface of the body.

Non appena si è depositato uno strato di nichel iniziale, per esempio dello spessore di qualche micron, si introduce nella vasca una quantità di grani di diamante (in forma di piccoli cristalli) sufficiente a ricoprire l'intero corpo di supporto, e si prosegue il deposito di nichel facendo crescere lo strato di nichel fino ad inglobare in esso sostanzialmente un unico strato di cristalli. Quando lo strato di nichel si è depositato in misura sufficiente ad "agganciare" detto strato di cristalli, si allontanano tutti gli altri cristalli in eccesso e si procede ancora con il deposito elettrolitico di nichel per irrobustire l'ancoraggio di detto strato di diamante sul corpo di supporto. As soon as an initial layer of nickel has been deposited, for example a few microns thick, enough diamond grains (in the form of small crystals) are introduced into the tank to cover the entire support body, and continue with the nickel deposition by growing the nickel layer until it substantially incorporates a single layer of crystals. When the nickel layer has deposited sufficiently to "hook" said layer of crystals, all the other excess crystals are removed and the electrolytic nickel deposit is still carried out to strengthen the anchoring of said layer of diamond on the body support.

Normalmente il deposito di nichel deve raggiungere uno spessore pari a circa due terzi delle dimensioni dei cristalli di diamante. Ciò garantisce una tenuta sicura dei cristalli ed allo stesso tempo una loro "esposizione" sufficiente ad assicurare l'azione di taglio successiva. Normally the nickel deposit must reach a thickness equal to about two thirds of the size of the diamond crystals. This guarantees a secure hold of the crystals and at the same time their "exposure" sufficient to ensure the subsequent cutting action.

Quando si intenda utilizzare una tecnica di deposito per via chimica o per trattamento al forno con polveri metalliche, si procede in modo sostanzialmente simile. Pertanto quando si fa riferimento, qui e nel seguito, alla tecnica di deposito per via elettrolitica, deve intendersi che tale riferimento riguarda anche le due tecniche sopra menzionate. When it is intended to use a deposition technique by chemical means or by treatment in the oven with metal powders, one proceeds in a substantially similar way. Therefore, when reference is made here and in the following to the electrolytic deposition technique, it must be understood that this reference also concerns the two techniques mentioned above.

Occorre in tutti i casi notare che il diamante industriale utilizzato per questi impieghi è quasi esclusivamente diamante sintetico. Per la produzione di diamante sintetico si fa impiego di diversi tipi di catalizzatori metallici, i quali determinano le caratteristiche dei cristalli sia influendo sulla forma dei cristalli ottenuti, sia in relazione al tipo di inclusione metallica che lasciano. Benché questi cristalli di diamante siano ovviamente tutti del gruppo cubico ottaedro, le loro forme possono infatti differire, nel modo illustrato per esempio nella sequenza di figure da 3 a 9. In funzione di queste caratteristiche è allora possibile suddividere questi cristalli in categorie, che consentono una scelta più specifica del tipo di diamante da utilizzare in rapporto al tipo di impiego previsto. In all cases it should be noted that the industrial diamond used for these uses is almost exclusively synthetic diamond. For the production of synthetic diamond, different types of metal catalysts are used, which determine the characteristics of the crystals both by influencing the shape of the crystals obtained and in relation to the type of metallic inclusion they leave. Although these diamond crystals are obviously all of the cubic octahedron group, their shapes can in fact differ, in the way illustrated for example in the sequence of figures 3 to 9. According to these characteristics it is then possible to divide these crystals into categories, which allow a more specific choice of the type of diamond to be used in relation to the type of intended use.

Partendo dunque dalla tecnica nota di deposito elettrolitico del diamante, l'invenzione propone di inserire, tra la fase di formazione dello strato iniziale di nichel e la fase di aggancio dello strato di diamante ad esso aderente, una fase di orientamento dei cristalli; questo orientamento viene ottenuto sottoponendo a vibrazione il corpo di supporto. Grazie a questa vibrazione, quando ciascun cristallo di diamante si appoggia alla superficie di detto corpo in vibrazione, esso tende ad orientarsi in un modo preferenziale tipico di una certa categoria di diamante, quale caratterizzato essenzialmente dalla forma del cristallo; pertanto, utilizzando dei cristalli tutti della stessa forma, si realizza uno strato di cristalli tutti uniformemente orientati. Starting therefore from the known electrolytic diamond deposition technique, the invention proposes to insert, between the phase of formation of the initial nickel layer and the hooking phase of the diamond layer adhering to it, an orientation phase of the crystals; this orientation is obtained by subjecting the support body to vibration. Thanks to this vibration, when each diamond crystal rests on the surface of said vibrating body, it tends to orient itself in a preferential way typical of a certain category of diamond, which is essentially characterized by the shape of the crystal; therefore, using crystals all of the same shape, a layer of crystals all uniformly oriented is created.

Questo orientamento uniforme di tutti i cristalli si consegue in pratica dopo pochi minuti di vibrazione. All'arresto della vibrazione questi cristalli restano fermi nella posizione orientata da essi assunta - per almeno tutta la fase di aggancio - grazie alla pressione che i cristalli di diamante in eccesso esercitano sul corpo di supporto. This uniform orientation of all crystals is practically achieved after a few minutes of vibration. When the vibration stops, these crystals remain stationary in the oriented position they assume - for at least the entire coupling phase - thanks to the pressure that the excess diamond crystals exert on the support body.

Si può dunque avviare, senza rischio di spostamenti, la fase di deposito elettrolitico di nichel per formare lo strato di aggancio iniziale dei cristalli, e poi la successiva fase di formazione dello strato di irrobustimento dell'ancoraggio, come descritto sopra per la tecnica nota. It is therefore possible to start, without the risk of displacement, the nickel electrolytic deposition step to form the initial bonding layer of the crystals, and then the subsequent phase of forming the anchor strengthening layer, as described above for the prior art.

E' noto che il cristallo di diamante, sotto l'effetto della pressione di taglio tende a fratturarsi secondo i piani di simmetria tipici del diamante, per cui si può facilmente comprendere che, orientando tutti i cristalli nello stesso modo si possono ottenere degli utensili con caratteristiche di taglio molto costanti. Inoltre, man mano che un simile utensile si usura, il diamante che lo compone si usura tutto nello stesso modo. It is known that the diamond crystal, under the effect of the cutting pressure, tends to fracture according to the planes of symmetry typical of the diamond, so it can be easily understood that, by orienting all the crystals in the same way, it is possible to obtain tools with very constant cutting characteristics. Furthermore, as such a tool wears out, the diamond that composes it wears out in the same way.

Questa tecnica, che presenta come detto il vantaggio di una grande uniformità delle caratteristiche di taglio degli utensili, offre poi un vantaggio supplementare quando applicata ad un filo diamantato del tipo descritto nel brevetto EP-B-90274 dello stesso inventore. In effetti, secondo la caratteristica fondamentale del EP-B-90274 il filo diamantato è formato con perle che, anziché presentare la nota forma di cilindretto, presentano una forma leggermente troncoconica; questa forma consente, come illustrato nello stesso EP-B-90274, di consumare lo strato di diamante in modo molto più progressivo ed efficace, portando al vivo nuovi grani di cristallo man mano che si usurano quelli che hanno lavorato per primi. This technique, which has the advantage of a great uniformity of the cutting characteristics of the tools, then offers an additional advantage when applied to a diamond wire of the type described in patent EP-B-90274 of the same inventor. In fact, according to the fundamental characteristic of EP-B-90274, the diamond wire is formed with pearls which, instead of having the known cylinder shape, have a slightly truncated conical shape; this shape allows, as illustrated in the same EP-B-90274, to consume the diamond layer in a much more progressive and effective way, bringing to life new crystal grains as the ones that worked first wear out.

Effettuando il deposito elettrolitico di diamante secondo la tecnica nota si poteva allora verificare che l'inconveniente menzionato all'inizio - cioè il fatto che i grani di diamante possano venire a trovarsi in misura percentuale maggiore in una posizione che presenta in vista la parte meno tagliente - si rivelasse in tempi diversi, producendo quindi delle difformità di comportamento di detto utensile. By carrying out the electrolytic deposition of diamond according to the known technique, it was then possible to verify that the drawback mentioned at the beginning - that is, the fact that the diamond grains can be found to a greater percentage extent in a position that presents the less sharp part in view - reveals itself at different times, thus producing differences in the behavior of said tool.

Con l'applicazione dell'invenzione ad un filo diamantato secondo EP-B-90274 è stato invece possibile non solo superare questo inconveniente, ma anche mettere in evidenza la possibilità di produrre le perle troncoconiche con un angolo al vertice regolato in funzione della lavorazione che l'utensile deve eseguire. In effetti, è del tutto evidente che il procedimento secondo l'invenzione consente, programmando l'angolo di conicità della perla troncoconica, di orientare i cristalli secondo lo stesso angolo e, di conseguenza, di programmare la pressione specifica desiderata sul cristallo in fase di taglio. A questo scopo si potrà addirittura fare in modo che i cristalli di diamante vengano a fissarsi sulla superficie del corpo di supporto orientati con la loro parte più tagliente in vista. Si potranno così realizzare utensili più facilmente programmabili a seconda dell'utilizzo per essi previsto. With the application of the invention to a diamond wire according to EP-B-90274 it was instead possible not only to overcome this drawback, but also to highlight the possibility of producing the truncated cone beads with a vertex angle adjusted according to the processing that the tool must perform. In fact, it is quite clear that the process according to the invention allows, by programming the taper angle of the truncated cone bead, to orient the crystals according to the same angle and, consequently, to program the specific pressure desired on the crystal during the cut. For this purpose, the diamond crystals can even be fixed on the surface of the support body oriented with their sharpest part in view. It will thus be possible to make tools that are more easily programmable according to their intended use.

Le figure 1 e 2 allegate illustrano in modo chiaro come questa possibilità di programmazione delle caratteristiche dell'utensile sia ottenibile, da un lato, con la scelta del tipo e forma del diamante (vedi fig. 3) e, d'altro lato, con la scelta dell'angolo a di inclinazione della superficie 2 della perla 1 che porta i cristalli 3 di diamante, rispetto alla superficie Y-Y del fondo del taglio, peraltro parallela all'asse X-X della perla 1 stessa. Quanto maggiore è l'angolo a, tanto meno cristalli di diamante sono contemporaneamente a contatto con il fondo di taglio; nell'esempio di fig. 2 è infatti interessato al taglio teoricamente un solo cristallo 3', mentre nell'esempio di fig. 1 sono interessati due grani 3". The attached figures 1 and 2 clearly illustrate how this possibility of programming the characteristics of the tool can be obtained, on the one hand, with the choice of the type and shape of the diamond (see fig. 3) and, on the other hand, with the choice of the angle a of inclination of the surface 2 of the pearl 1 carrying the diamond crystals 3, with respect to the Y-Y surface of the bottom of the cut, moreover parallel to the X-X axis of the pearl 1 itself. The greater the angle a, the less diamond crystals are in contact with the cut bottom at the same time; in the example of fig. 2, in fact, theoretically only one crystal 3 'is involved in cutting, while in the example of fig. 1 two 3 "grains are involved.

S'intende comunque che l'invenzione non è limitata alle particolari configurazioni illustrate, che costituiscono solo degli esempi non limitativi della portata dell'invenzione, ma che numerose varianti sono possibili, tutte alla portata di un tecnico del ramo, senza per questo uscire dall'ambito dell'invenzione stessa. In particolare, come già detto, l'insegnamento della presente invenzione si trasferisce in modo immediato dal settore del filo diamantato a quello delle mole o dei dischi o di ogni altro utensile diamantato. However, it is understood that the invention is not limited to the particular configurations illustrated, which constitute only non-limiting examples of the scope of the invention, but that numerous variants are possible, all within the reach of a person skilled in the art, without thereby departing from the scope of the invention. scope of the invention itself. In particular, as already mentioned, the teaching of the present invention is transferred immediately from the sector of the diamond wire to that of the grinding wheels or discs or of any other diamond tool.

Claims

CLAIMS 1) Diamond tool, of the type comprising a metal support body (1), on whose surface (2) diamond crystals (3) are fixed by means of a micrometric layer of metal, deposited electrolytically or equivalent, characterized by what the diamond crystals (3) are fixed on said surface (2) oriented in a uniform way.

2) Tool as in claim 1, characterized in that the diamond crystals (3) are fixed on the surface of said support body oriented with their sharpest part in view.

3) Tool as in claims 1 or 2, characterized in that the surface (2) of the support body (1) is oriented inclined (a) with respect to the surface (Y-Y) of the bottom of the cut performed by said tool.

4) Tool as in claim 3, characterized in that the angle of inclination (a) of said surface of the support body is chosen according to the desired cutting characteristics of the tool 5) Tool as in claim 3 or 4, characterized by this that said support body (1) is a bead with a truncated cone shape for manufacturing a diamond wire. 6) Process for manufacturing diamond tools as in any one of claims 1 to 5, of the type comprising at least one working step in which a metal layer is formed for the attachment of a single layer of diamond crystals on the surface (2) of a metal support body (1), while a mass of diamond crystals adheres to it, characterized in that, prior to said phase of formation of the coupling layer, an orientation phase of the diamond crystals resting on the surface of the support body is carried out. 7) Process as in claim 6, characterized in that said crystal orientation step is performed by subjecting said support body to vibration while it is immersed in said mass of diamond crystals. 8) Process as in claim 7, characterized in that the support body is made to vibrate for a few minutes. 9) Process as in any one of claims 6 to 8, in which said phase of formation of the coupling layer is carried out electrolytically, with said metal support body immersed in an electrolytic bath and completely surrounded by a mass of diamond crystals , characterized in that said phase of orientation of the crystals is preceded by an initial phase, per se known, of the formation of a micrometric layer of electrolytic metal, on which said diamond crystals rest. 10) Process as in any one of claims 6 to 8, in which said phase of formation of the coupling layer is carried out electrolytically, with said metal support body immersed in an electrolytic bath and completely surrounded by a mass of diamond crystals , characterized in that said phase of formation of the coupling layer is followed by a phase, per se known, of formation of a strengthening layer of the anchoring of said single layer of diamond crystals. 11) Process as in any one of claims 6 to 8, in which said phase of formation of the coupling layer is carried out chemically, with said metal support body immersed in a bath of nickel salts and completely surrounded by a mass of diamond crystals, characterized in that said phase of orientation of the crystals is preceded by an initial phase, per se known, of the formation of a micrometric layer of metal, on which said diamond crystals rest. 12) Process as in any one of claims 6 to 8, in which said phase of formation of the coupling layer is carried out chemically, with said metal support body immersed in a bath of nickel salts and completely surrounded by a mass of diamond crystals, characterized in that said phase of formation of the coupling layer is followed by a phase, per se known, of formation of a strengthening layer of the anchoring of the layer of diamond crystals.