專利名稱：超研磨工具的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及例如砂輪緣砂輪和分段式段面砂輪的超研磨砂輪，它們都具有諸如金剛石或立方氮化硼(CBN)的超研磨磨粒。
含有超研磨磨粒的工具被廣泛地用于切削極其堅(jiān)硬的材料，例如混凝土。業(yè)已發(fā)現(xiàn)，由于超研磨磨料本身的價(jià)格很貴因而使這些砂輪的造價(jià)非常高。因此，人們對(duì)生產(chǎn)一種既是非常有效的而同時(shí)又比由100%的超研磨材料組成的超研磨工具便宜的工具具有極大的興趣。
美國(guó)專利5，152，810和4，944，773揭示了解決這一問題的方法，其中部分超研磨磨料材料由一種溶膠-凝膠礬土磨料代替而得到了出乎意料之外的優(yōu)良效果和成本的大幅度的下降。
本發(fā)明的目的在于通過提供一種具有更高效率且增加已有技術(shù)所沒有的新的可能性的一種溶膠-凝膠礬土對(duì)這種技術(shù)作進(jìn)一步的改進(jìn)。
本發(fā)明提供一種研磨工具，它包括一結(jié)合材料，在該結(jié)合材料中具有散布在其間的研磨顆粒，該研磨顆粒至少包括一種超研磨材料和具有基本上相同的取向的微晶礬土的纖維狀顆粒。
該纖維狀顆粒的取向基本上是一致的，所謂基本取向一致是指它們的縱軸大部分并最好至少75%是對(duì)齊的120℃弧度且最好是在60℃弧度之內(nèi)的。
該纖維狀顆粒沿一對(duì)稱軸線的橫截面形狀基本相同，并有一大約至少3∶1且最好大約至少為10∶1的縱橫化(沿對(duì)稱軸線的長(zhǎng)度和垂直于該軸的最大尺寸之比)。在有些情況下，該纖維狀顆?？梢蚤L(zhǎng)得多，甚至連接起來而構(gòu)成一連續(xù)的纖維以至少作為工具的使用前的構(gòu)形廓。如果用連續(xù)纖維制造研磨工具，則該纖維處于緊密彎曲折疊的狀態(tài)，且各折疊的邊基本上與纖維狀顆粒的所希望的取向方向平行。這種連續(xù)纖維的性能基本上和多根單獨(dú)的纖維一樣，因此，它也落入本發(fā)明的實(shí)質(zhì)性范圍之內(nèi)。
顆粒的橫截面形狀可以是任何方便的形狀，但最便于制造的還是圓形或大致的正方形。然而本發(fā)明的效用并不受橫截面形狀的影響。
所述顆粒包括一種微晶的α礬土，即，構(gòu)成顆粒的各個(gè)晶域或微晶都有一大約小于10微米且最好小于1微米的平均直徑(通過顆粒橫截面的線的截距的平均長(zhǎng)度)。該顆粒還可以含有其它的成分，例如氧化鎂、氧化鋯、尖晶石和稀土族金屬氧化物等，但至少占60%，最好至少為90%重量的α礬土。該顆粒的密度應(yīng)至少等于該組成理想密度的90%左右，且最好至少為95%。最佳的顆粒硬度至少為18且最好至少為20GPa或18以上。
人們往往希望在纖維狀顆粒中含有能改變其研磨性能的其它成分。例如加入細(xì)的研磨顆粒，諸如金剛石，立方氮化硼CBN、碳化鎢以及其它類似的成分，除此之外，還可以加入的顆粒物質(zhì)包括耐高溫的潤(rùn)滑劑，諸如氮化硼(六方晶體形)、硫化鉬、石墨，以及錫和其它助磨填充物。選擇這些添加物質(zhì)時(shí)要注意保證它們的數(shù)量和物理性能不會(huì)過度地減少原來的溶膠-凝膠礬土纖維狀顆粒的硬度和強(qiáng)度。
這種顆粒是由一種溶膠-凝膠工藝制成的。其中，通常通過一種酸性的添加劑對(duì)α礬土的初始體進(jìn)行凝膠、干燥然后燒制。通過添加一種能有效地使α礬土從初始相的結(jié)晶過程中成核的材料，能夠減小顆粒中微晶的大小。這些材料通常都和α礬土相具有相同的結(jié)構(gòu)，由晶格參數(shù)和α礬土的晶格參數(shù)盡可能接近的材料形成?；蛘?，微晶尺寸大小可通過采用在形成α礬土的燒制過程中限制其生長(zhǎng)過程的聯(lián)結(jié)助劑而得到限制。專利中揭示過制造纖維顆粒的適當(dāng)方法有美國(guó)專利4，314，827;4，632，364;4，744，802;4，770，671;4，881，951;4，954，462;4，964，883;5，053，369;5，076，815;5，114，891;5，139，978;歐洲申請(qǐng)408，771以及PCT申請(qǐng)92/01646。
這種顆粒能夠用任何便利的方式制得，但最便利的途徑是擠壓成形。在這種工藝中，α初始體被擠壓成凝膠狀，然后干燥和燒制以形成纖維體?？捎脕砩a(chǎn)這種纖維體的一種合適的裝置揭示在美國(guó)專利5，090，968中;也可以先將α初始體擠壓和干燥到能夠方便地加以處理的程度，就此將它們結(jié)合在工具中，然后在研磨工具中加以燒制。
工具中纖維狀顆粒的取向?qū)τ跊Q定工具所具有的性能是特別重要的。在一較佳實(shí)施例中，纖維狀顆粒定向成垂直地對(duì)齊于工具的研磨表面或與該表面成大約小于60°的角度。假如工具在工件上的移動(dòng)方向是恒定不變的，最好顆粒與垂直于研磨表面的線成一個(gè)夾角，就像該工具位于切削工具的邊緣那樣。在此情況下，顆粒起到磨粒的作用，可以顯著地加強(qiáng)砂輪的切削作用從而可以使用較少的超研磨成分同時(shí)切削性能損失極少。纖維狀顆粒徑向地定位并都位于切削輪的邊緣上是特別有利的。纖維顆?？梢苑旁诠ぞ叩幕|(zhì)中或粘結(jié)到工具側(cè)邊上所切出的用來容納顆粒和將它們牢固地固定在槽中的粘結(jié)劑的槽中。
另一種特別有用的，尤其是在為切削混凝土而設(shè)計(jì)的分段式段面砂輪中特別有用的另一種定向或排列方向是纖維體的對(duì)稱軸線基本平行于切削表面但位于其邊緣上。傳統(tǒng)的混凝土切削砂輪在邊緣上都會(huì)產(chǎn)生磨損以致因?yàn)槟p而將使切削寬度下降。與切削表面處于平行狀態(tài)的纖維狀顆粒將提供均勻的磨換特性，阻止邊緣處段面的磨損且保持切削表面呈方形。此時(shí)，纖維狀顆粒起到減少磨損的作用而不是磨粒作用。
工具本身可以具有任何方便的形狀。一種最為通常的形狀是一種至少在其周緣上設(shè)有磨粒的砂輪。由于超研磨磨料的價(jià)格且由于這種砂輪一般都用于高應(yīng)力的情況下，所以通常都用堅(jiān)硬的金屬板作為砂輪的芯部而磨粒通常都以結(jié)合于芯部的分段形式設(shè)于其邊緣上。保持磨粒的結(jié)合劑通常都是金屬結(jié)合劑，結(jié)合方法并不十分重要，只要能牢固、永久地結(jié)合于芯部上就可以，焊接，釬焊和燒結(jié)都是適用的方法。
另一種涉及段面而不是段面結(jié)合進(jìn)去的結(jié)構(gòu)的本發(fā)明的工具的應(yīng)用例子是一種諸如組合鋸的鋸子，其中段面被結(jié)合至一金屬鋸條上以提供鋸齒的切削刃?？蛇m用的另一種例子是Blanchard磨床的研磨表面。
除了上文已揭示的多種結(jié)構(gòu)之外，本發(fā)明的工具還可以是用樹脂或玻璃粘結(jié)劑保持磨粒的種種結(jié)構(gòu)。
下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作較詳細(xì)的描述，其中附圖僅用于舉例說明本發(fā)明，而并不意味著是對(duì)本發(fā)明實(shí)質(zhì)范圍的任何限制。


圖1為一種用來切削混凝土的分段式段面砂輪的局部側(cè)視圖。圖中編號(hào)1為實(shí)心金屬芯部，2是結(jié)合于邊緣以形成砂輪的切削部分的段面。3是與徑向大致呈45°角的切割或沖壓在段面的側(cè)邊上的槽，研磨纖維就位于該槽中且用金屬粘結(jié)劑粘結(jié)到段面上。段面體內(nèi)包括具有由金屬粘結(jié)劑粘法的合適顆粒尺寸的金剛石磨粒。
圖2基本上與圖1相似，所不同的是，研磨纖維是在段面形成時(shí)置入段面體中的。這可以通過將纖維體分別放置的方式置入，但較方便的是在形成段面時(shí)將纖維體以緊密彎曲折疊的狀態(tài)設(shè)置，這樣研磨表面就形成了一組折疊，其中各個(gè)在研磨過程中，會(huì)被磨掉而露出纖維體的兩端。圖2中示了這種構(gòu)造的段面，其中端部5露出在切削面上。
圖3為圖2所示段面的橫截面圖，圖中的折疊6的頂部還沒有被磨掉因而纖維的兩個(gè)端部還沒有露出來。
圖4為一種為連結(jié)至如圖1-3分段式段面砂輪上而設(shè)計(jì)的段面的橫截面圖，其中纖維狀磨料7處于研磨表面平行的緊密的折疊狀態(tài)。
圖5為圖4所示的段面在磨損之后露出與段面的側(cè)邊平行并靠近邊緣的纖維狀磨粒顆粒7時(shí)的段面的橫截面圖。
圖6為圖4和5所示的段面、垂直于圖4的橫截面的橫截面視圖。該截面以夸大的形式示出了用舊的砂輪的截面，圖中纖維狀顆粒7使段面磨損成U型，因此保持其中切削寬度而不會(huì)變成圓形截面。
還可以設(shè)計(jì)出既具有超研磨料的研磨能力又具有使用纖維狀顆料而產(chǎn)生的具體的結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)的其他結(jié)構(gòu)。例如將纖維狀磨粒形成一交錯(cuò)的環(huán)，多少有點(diǎn)象將纖維纏繞成線團(tuán)那樣且最好使之具有較平的輪廓，然后迫使一可成形粘結(jié)劑和起研磨料的混合物填充交錯(cuò)環(huán)中的空隙，再處理燒制，使粘結(jié)材料在一諸如砂輪的研磨工具中變得非常堅(jiān)硬。
這種結(jié)構(gòu)可具有一種特別的優(yōu)點(diǎn)，即可通過使空隙的尺寸能夾住超研磨磨粒，由此使它們相對(duì)于被研磨或切削加工表面呈現(xiàn)出一非常牢固的保持或夾持磨粒結(jié)構(gòu)。
權(quán)利要求
1.一種超研磨工具，包括在其中分散有研磨磨粒的粘結(jié)材料，所述磨料至少包括一種超磨料成分和具有基本上一致取向的微晶α礬土纖維顆粒。
2.如權(quán)利要求1所述的研磨工具，其特征在于，所述纖維狀顆粒的取向基本上垂直于工具的切削或研磨表面。
3.如權(quán)利要求1所述的研磨工具，其特征在于，所述纖維狀顆粒的取向平行于切削表面且靠近其橫向側(cè)邊緣。
4.如權(quán)利要求1所述的研磨工具，其特征在于，所述纖維狀顆粒中含有從磨粒、其它耐高溫潤(rùn)滑劑和研磨助劑中選擇的添加劑的細(xì)顆粒。
5.如權(quán)利要求1所述的研磨工具，其特征在于，所述結(jié)合材料為一種金屬粘結(jié)劑。
6.如權(quán)利要求2所述的研磨工具，其特征在于，所述研磨工具為一種具有段面的分段式砂輪。
7.如權(quán)利要求3所述的研磨工具，其特征在于，所述研磨工具為一種具有段面的分段式砂輪。
8.如權(quán)利要求4所述的研磨工具，其特征在于，所述研磨工具為一種具有段面的分段式砂輪。
全文摘要
一種超研磨工具，其中結(jié)合有由一種微晶礬土構(gòu)成的纖維狀顆粒，由于顆粒的取向而使這種工具的性能顯著提高。
文檔編號(hào)B28D1/12GK1093636SQ94103179
公開日1994年10月19日 申請(qǐng)日期1994年3月29日 優(yōu)先權(quán)日1993年3月29日
發(fā)明者詹姆斯E·弗羅丁, 斯考特·帕羅, 珍·克萊帕 申請(qǐng)人:諾頓公司