專利名稱：可控成分結(jié)構(gòu)具有三維排列磨粒的研磨和切割工具的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種研磨和切割工具和制造方法，特別是一種可控成分結(jié)構(gòu)的研磨和切割工具的制造方法。
背景技術(shù)：
研磨和切割工具廣泛應(yīng)用于材料的切、鉆、鋸、磨、拋光等應(yīng)用中。目前，制造研磨和切割工具的普遍采取的作法是先把粉末或粉末與磨料顆粒(簡稱磨粒)混合后制成壓坯，然后把壓坯燒結(jié)成制品。目前行業(yè)內(nèi)所使用的壓坯制造方法是將所需配方成分的粉末或者粉末與磨粒放在一起混合均勻，然后按所須質(zhì)量填入模具，加壓成型。然后燒結(jié)?；蛘咧苯油ㄟ^可加熱模具加熱加壓同時加工完成。
在石材切割領(lǐng)域，為了減少價值高的磨料使用量和利用被切材料的脆性，也采用分層裝填，在有些層里不加或少加磨料的方法制造切割工具。這也是一種行之有效的方法。但是這種方法無法制出較薄的層，也沒有解決粉末壓坯組織致密度的不均勻度問題。
更重要的是，由于粉末材料在粒度、比重、硬度等特征上的差別，不同的粉末在很多情況下無法混合均勻。這樣就會導(dǎo)致壓坯成分不穩(wěn)定。尤其是細(xì)粉末和超細(xì)粉末，其燒結(jié)性很好，容易燒結(jié)成高性能高致密度的材料。但這種粉末的流動性隨其細(xì)密度的增加而下降，以致于很難應(yīng)用。這類粉末比表面積很大，所以更容易氧化而改變燒結(jié)特征。因此，盡管這類粉末有極好的性能，在應(yīng)用方面仍然有很多困難。
研磨和切割加工很多情況下依靠由含磨粒的工具。比如切割石材和混凝土的切割鋸片。目前的技術(shù)所制造的該類工具中所蘊(yùn)含的磨粒是隨機(jī)分布于基體內(nèi)，不具有規(guī)律性。調(diào)節(jié)磨料含量的方法是在生產(chǎn)過程中改變磨料與基體粉末的混料比。在一定范圍內(nèi)，當(dāng)磨料顆粒含量少時，工具會銳利，切割阻力小。切割功耗也隨之變小。但是在這種狀態(tài)下，工具也會很不耐用，壽命短，不經(jīng)濟(jì)。反之，當(dāng)磨料含量多時，工具變得耐用。但是切割時會很鈍，切割阻力和功耗大增。所以在這種狀態(tài)下也不經(jīng)濟(jì)。
也可以在較低密度的下使用等級高的磨料和昂貴的基體材料。能改善耐磨性。這樣工具制造成本會很高，效果也有限。而且對于有些磨粒，比如人造金剛石等，由于其材料本身的固有物理特征，無法形成與基體的有效界面，更難以形成化學(xué)鍵的連接。所以在工具里所孕含的磨料顆粒大多數(shù)沒有參與切割。而是因脫落浪費掉了。人造金剛石工具的金剛石利用率只有10％。
磨料顆粒在基體內(nèi)的相互間距決定了其工作負(fù)荷，不適當(dāng)?shù)拈g距會導(dǎo)致磨料的失效。如果磨料顆粒間隔過小，一部分磨料顆粒就是多余的。不但在切割和磨削過程中不起作用，還會阻塞排削空間和冷卻液的冷卻通道。在不均質(zhì)材料和硬脆材料比如石材切割中，巖石碎片的排出通道是非常需要的。過小的間距也會造成磨料用量的增加，也是成本的增加。但在傳統(tǒng)的工藝中，粉末是與磨料顆粒隨機(jī)混合的。不可能每粒磨料的間距相等。而且由于磨料的比重小于粉末的比重，在加工過程里會因振動等因素而偏析。即使是比重相近的陶瓷粉末，也會因“巴西腰果”效應(yīng)而無法形成均勻的分布。所以在傳統(tǒng)工藝?yán)锊豢赡芤岳硐氲谋壤齺硖砑幽チ?。?dāng)兩?；蚋嗄チ＞o挨在一起時，只要一粒磨粒脫落，緊挨它的其他磨粒，也會因為沒有足夠的支撐而脫落。因此傳統(tǒng)工藝無法作到針對被切材料的特點使磨料顆粒有理想的間距。
在相反情況下，磨料顆粒的間距過大，則每粒磨料顆粒受到的沖擊會使其無法承受。被切物的撞擊會導(dǎo)致磨料顆粒被破碎、剝離。還會導(dǎo)致連鎖效應(yīng)。使工具完全無法切割。
解決方法是把磨料顆粒有序的排列起來，在單層工具生產(chǎn)中，已經(jīng)使用了這一技術(shù)。用定位模板等方法給磨料顆粒定位。然后再焊接到基體上或電鍍到刀具上。也可以不斷重復(fù)這一過程，達(dá)到一定厚度。這種工具成本高，價格昂貴。所以只是有限的使用。還有用手工把鉆石等磨料顆粒逐一粘在工具基體上，然后再焊接或電鍍固定等方法以取得磨料顆粒能夠排列起來的效果。(基體所指是包埋、固定磨料顆粒的部分，大多情況下是用粉末燒結(jié)成的。如果磨料顆粒直接固定到工具本體上，也可指工具本體。)在宋健民公開號為CN 1252021A，名稱為《具有規(guī)則性排列之磨料顆粒的研磨工具及其制造方法》的發(fā)明專利申請文件中描述了一種制造這類工具的方法，但是，該方法只著重描述如何固定磨料顆粒，其它問題涉及很少。而且該方法具體操作難度較大，在實施中有很多問題，比如將充滿磨料的薄片切割后，再分別組裝、燒結(jié)，效率非常低；所介紹的固定磨料顆粒技術(shù)也是有限的排列，密度低。所以其發(fā)明所述方法在產(chǎn)業(yè)化方面也難以大規(guī)模實施。
使用含磨料工具的方法有兩種主要的形式一種是往復(fù)切割，工具相對于被切割物在作往復(fù)運(yùn)動的過程中切入被切物。在這種方式中，切割工具可以在兩端被拉緊，所以切口可以很窄。對于較貴重材料或大面積切割，主要采用這種切割方式。這也是種很古老的方式。另一種方式是旋轉(zhuǎn)切割。工具在旋轉(zhuǎn)中切入被切物，此方法的切深受到工具直徑的限制。但是卻是最常用的切割方式。以這種方式工作的工具的本體要求有足夠的剛度和強(qiáng)度。如果要加大工具直徑，也只好同時加大工具厚度。在石材加工中所用的鋸片是將一定數(shù)量的節(jié)塊(即本發(fā)明所指的研磨和切割工具的一種，俗稱刀頭)以一定的間隔焊接在鋸片圓盤邊沿上。節(jié)塊之間有為了便于冷卻液流進(jìn)的凹槽(俗稱水口)。鋸片帶動節(jié)塊，在冷卻液的幫助下，旋轉(zhuǎn)著往復(fù)進(jìn)刀，對石材進(jìn)行切割。鋸片在切割往復(fù)過程中旋轉(zhuǎn)方向不變。廢渣在冷卻液的沖刷和鋸片的旋轉(zhuǎn)作用下被排出。
在微觀上，節(jié)塊內(nèi)的磨料顆粒在節(jié)塊切削面上不斷突出，然后隨著磨料顆粒周圍的基體不斷的被磨耗而失去支撐，最后從節(jié)塊上脫離。由于旋轉(zhuǎn)方向不變，磨料顆粒突出于節(jié)塊后，磨粒之后的基體會因磨料顆粒的保護(hù)和阻擋而形成一條拖尾狀突出。行業(yè)內(nèi)稱為拖尾。它在磨粒后對磨粒起到很強(qiáng)的支撐作用。這是旋轉(zhuǎn)切割特有的好處。
在切割和研磨時，磨料顆粒主要承受的是沖擊力。拖尾在磨粒后的支撐很重要。但磨料顆粒仍然需要在大部分體積包埋在基體內(nèi)時，才能被固定、把持住。隨著磨料之后的拖尾漸漸被磨耗，到了一定程度后，比如磨料露出基體達(dá)到或接近三分之一直徑后，磨料顆粒也會因為無法承受沖擊而脫落，由其他位置的磨粒替換到切割狀態(tài)。傳統(tǒng)的工藝所制造的產(chǎn)品，其節(jié)塊內(nèi)的磨料顆粒是隨著顆粒周圍基體的磨損而漸漸出露。而磨料顆粒的研磨和切割的效果和能力是隨著它的突出高度而提高的，可惜的是，當(dāng)它的突出量達(dá)到最大時，也就是切割和研磨作用最強(qiáng)時，它也即將脫落。
所以，磨粒的排列對研磨和切割工具的耐磨性和鋒利性非常重要，但目前的現(xiàn)有技術(shù)里，卻沒有提出磨粒如何排列，對研磨和切割工具最有效。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述存在的問題，本發(fā)明的一個目的是提供一種可控成分結(jié)構(gòu)的研磨和切割工具的制造方法，可以毫不困難的使用超細(xì)粉末。本發(fā)明的另一個目的是對于有磨料顆粒的研磨和切割工具，讓貴重粉末聚集在磨料顆粒周圍。可以使產(chǎn)品既不降低性能，又可以大幅度降低貴重粉末的使用量，并且使磨料顆粒周圍的組織更致密，為磨料提供更大把持力和支撐力。
本發(fā)明通過以下方案實現(xiàn)一種可控成分結(jié)構(gòu)的研磨和切割工具的制造方法，包括如下步驟(1)混料把粉末與粘結(jié)劑混和制成混合料；(2)制造薄層將混合料制成薄層，切割層的薄層內(nèi)植入磨粒；(3)疊和所有薄層硬化后，將多個薄層按設(shè)計要求疊和，各薄層的成份、硬度可按需求各不相同，然后加壓，制成大壓胚；
(4)分切成小壓胚，燒結(jié)，制成研磨和切割工具；也可先燒結(jié)，再分切，制成研磨和切割工具。
所述步驟(1)中還可加入磨粒與粉末和粘結(jié)劑混合。
所述步驟(1)中所述粘結(jié)劑可以是烴類、硬脂酸類、低分子量的聚合物等，還可以使用水基粘合劑。
所述步驟(2)可使用壓延刮延法將混合料通過一個可控制的開口被送到正向前運(yùn)動的襯片上或兩片襯片間，通過與襯片有合適間隙的刮刃或滾輪把襯片上的混合料刮成或軋成薄層。此種工藝要求混合料的稠度高，以既不粘附刮刃和滾輪又有足夠塑性為準(zhǔn)。
所述步驟(2)可使用印刷法用刮刀把混合料通過網(wǎng)版刮印到吸于平面上的襯片上?；旌狭系某矶纫裙窝訅貉臃ǖ?，以不粘網(wǎng)版為準(zhǔn)。
所述步驟(3)制成薄層后，可在其上嵌入磨粒。
嵌入磨粒的方法可以是A.將磨料用一個孔板排列于一平面上；B.將薄層吸于另一平面工具上；C.將兩個平面平行壓近，當(dāng)距離很近時，磨料顆粒就會粘入或者嵌入薄層。
所述孔板可以用金屬材料制成。
所述孔板上的孔可以用激光、電解、電火花(放電加工)、腐蝕甚至機(jī)械鉆孔等方法加工。
所述孔板厚度為磨粒理論直徑的0.5至1.5倍厚。
所述孔板的孔的直徑要大于磨料直徑卻又不至填入兩粒磨料，所以直徑不大于所要排列磨粒的理論直徑的1.5倍。
在旋轉(zhuǎn)切割工具中，磨粒的排列在其拖尾后的降弧線上(降弧線為向圓心方向偏移的弧線)，或近似降弧線上。
直線切割工具中，磨粒可以直線均勻排列、交錯排列，或任意有規(guī)律排列。
所述步驟(3)在把粉末薄層疊合時，可以再添加其它粉末或增強(qiáng)材料到薄層之間或者磨料顆粒周圍。
如可將粉末吸在一個由磁單元組成的工具上，再將粉末釋放到需要的模具內(nèi)或薄層上，或用一可震動篩狀工具把不可用上述工具吸住的材料加入薄層。
也可以加入其它的增強(qiáng)材料，例如金屬晶須和陶瓷晶須等。在加入如鐵晶須時，可在此步驟中將其置入磁場中使制品有設(shè)計的組織取向。
所述步驟(4)所述的壓胚的分切可采用機(jī)械模具用剪切力分開或激光分切等分切方法。
所述步驟(4)所述的壓胚也可先在低溫下預(yù)燒結(jié)，在此過程中可脫去壓胚內(nèi)的粘結(jié)劑。還可以在其后用有效成分溶液再次處理預(yù)燒結(jié)后的壓坯。
所述步驟(4)所述的壓坯的燒結(jié)可使用石墨模具通以大電流加熱、加壓，用短時間燒結(jié)成，也可以把壓坯在燒結(jié)爐內(nèi)，在保護(hù)、還原氣氛下燒結(jié)。
本發(fā)明的有益效果是1.相對于以前的方法，生產(chǎn)效率更高。
目前，大多數(shù)企業(yè)仍然使用人工將混和好的粉末按質(zhì)量填入模具后燒結(jié)成制品，效率很低，有些企業(yè)使用能自動一個一個制造壓坯的設(shè)備。而新方法不是一個一個的制造壓坯，而是大面積制造。所以其產(chǎn)能和傳統(tǒng)技術(shù)完全不是相同水平。這也是相對于公開號CN1252021A的專利中所述方法的不同之處。
2.相對于以前的方法，性能更高。
在本發(fā)明中磨料顆粒以一定點距、行距排列，行與行之間有一定的垂直方向的錯位，使磨料顆粒分布于拖尾后的降弧線內(nèi)(降弧線為向圓心方向偏移的弧線)。在大直徑的工具上可以假設(shè)降弧線是直線，小直徑工具要根據(jù)直徑使磨料顆粒排列在合適直徑的降弧線內(nèi)。這種排列方式不但有上述效果，還在微觀上形成了象鋸齒一樣的結(jié)構(gòu)特征。拖尾在磨料顆粒的加固下由于更不容易被磨耗掉，所以能顯著延長磨料顆粒的工作時間。同時也對磨料顆粒提供了更大的支撐力。不僅有這些好處，當(dāng)拖尾所支撐的磨料顆粒最后脫落時，它后面的磨料顆粒已經(jīng)處于比較好的工作狀態(tài)，馬上就會接替上前面的磨粒。省掉了傳統(tǒng)工具的使磨料顆粒出露的無效過程(行業(yè)內(nèi)俗稱“開刃”，要使用耐火磚等材料)整個研磨和切割工具內(nèi)所包涵的磨料顆粒就會以這樣的秩序，最大限度的發(fā)揮出它的磨切作用。而且當(dāng)工具切割和研磨硬度高、脆性或不均質(zhì)材料時，比如石材，磨料顆粒在被切物表面劃割時會在劃切線周圍產(chǎn)生崩碎裂紋，這些被破壞的組織在不大的力下就會被去除。
3.采用這種方法制造的產(chǎn)品不會因為性能的提高而成本大增。
可以使磨料顆粒周圍的粉末是性能最高的粉末而不用擔(dān)心增加成本和增加工藝難度。也可以很方便地在這一關(guān)鍵粉末薄層里添加其它成分來提高性能。不含磨料顆粒的薄層可由廉價粉末制成。
由于更好發(fā)揮了磨料顆粒的作用，這部分材料的用量可以下降，或者以同樣的成本提高材料的性能。粉末的區(qū)別使用也節(jié)約了大量戰(zhàn)略材料。預(yù)制好的壓坯更規(guī)則，在熱壓法中會對石墨模具損害更小。也能降低生產(chǎn)成本。并為更高效的大規(guī)模生產(chǎn)創(chuàng)造條件。由于產(chǎn)能的提高，在勞務(wù)方面也降低了成本。
4.增強(qiáng)了燒結(jié)制品的精度、質(zhì)量穩(wěn)定性和可設(shè)計性。
以本方法制造燒結(jié)制品可以制造出超薄、復(fù)合等各種特征的制品。在傳統(tǒng)粉末成型理論中。粉末在模具壓腔內(nèi)由于壓力分布不均等，所以粉末的密度也不均等。難以制造出致密度一致的制品。在燒結(jié)后由于這種密度的不等，再加上成分不均勻等原因。制品會因為變形或者開裂等原因報費。而采用此方法能在很多領(lǐng)域徹底推翻這一理論。有些材料如工程陶瓷和磁體材料更有不同位置不同組分的需要，采用這一方法會很容易地實現(xiàn)這種目的。會在其他領(lǐng)域也帶來變革性的影響。如這種方法曾經(jīng)制造出9毫米厚度由96層不同成分的薄層構(gòu)成的燒結(jié)體。而且由分切的壓坯燒結(jié)成的制品質(zhì)量差別可以極小。
5.工藝標(biāo)準(zhǔn)化程度高，容易實現(xiàn)自動化。生產(chǎn)系統(tǒng)柔性強(qiáng)，同一生產(chǎn)線稍加調(diào)整就可轉(zhuǎn)入另一種制品的生產(chǎn)。
6.有利于生產(chǎn)操作者身體健康。
現(xiàn)在的生產(chǎn)企業(yè)使用人工操作粉末，在這過程中，生產(chǎn)者很難避免吸入粉末。有些種類的粉末比如鈷、鉛等，其毒性為人所共知。在本方法中粉末總是處于被粘結(jié)狀態(tài)，所以無法飛揚(yáng)，有利于生產(chǎn)者的身體健康并且減少了昂貴粉末的使用量。


圖1～圖4為本發(fā)明的薄層與磨粒結(jié)合的步驟的示意圖。
圖5為本發(fā)明的磨粒的排列示意圖。
其中1-磨粒2-孔板3-鋪料平面4-薄層平面5-襯片6-薄層具體實施方式
下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明的工作流程進(jìn)行更詳細(xì)的描述。
本發(fā)明的實現(xiàn)步驟是把粉末與粘結(jié)劑混和制成合適稠度的混合料。將混合料制成薄層。然后將這些薄層根據(jù)設(shè)計目的疊合，加壓制成大壓坯。再將其預(yù)燒結(jié)后，切割成所需形狀和尺寸，再最后完成最終的燒結(jié)?；蛘邔B合好的大壓坯通過專門設(shè)備和模具分切成小壓坯后，直接燒結(jié)成制品。在很多制品中，是將壓坯與工具基體壓合到一起后再一起燒結(jié)成制品。有些薄層起的是降低成本的作用，不必包含磨料顆粒。薄層組合時也可通過其他一些方法再添加入其他的少量功能成分。
薄層是通過以下方法制成把粉末與粘結(jié)劑混和制成混合料。
壓延刮延法讓混合料通過一個可控制的開口被送到正向前運(yùn)動的襯片上或兩片襯片間，通過與襯片有合適間隙的刮刀或滾輪把襯片上的混合料刮成或軋成薄層。這種工藝在粉末冶金和工程陶瓷行業(yè)已經(jīng)是很成熟的技術(shù)，有專門的設(shè)備，就不在這里過多敘述。此方法可以制備出比較厚的粉末薄層。當(dāng)不需要把所有磨粒排列起來時，也可以在混合料中加入磨料顆粒，壓延出含有磨料顆粒的粉末薄層。當(dāng)然，這類薄層內(nèi)的磨粒也是隨機(jī)分布的。有些被切物由于容易切割，因此不必把磨料顆粒完全排列起來。工具節(jié)塊內(nèi)含有耐磨性稍弱或者磨料含量較少的工作層時，在切割時工作面上會形成凹槽。凹槽有很多好處，它可以使工具不容易在切割時跑偏，也可以充分利用被切物的脆性，使磨料劃切時周圍的崩裂組織被輕易帶出。另外凹槽也有利于冷卻液的進(jìn)入。
印刷法用刮刀把混合料通過網(wǎng)版刮印到吸于平面上的襯片上，刮刀是印刷業(yè)所采用的合成材料的，也可以是金屬的。薄層的厚度可以通過網(wǎng)版的厚度調(diào)節(jié)。網(wǎng)版由不具有磁性的材料制成。網(wǎng)版的開口的形狀和面積將形成粉末薄層的形狀和面積。印刷法可以制造出最薄的粉末薄層。因此磨料顆粒周圍的粉末用此方法做出薄層可以達(dá)到最大限度的節(jié)約目的。而且實施此方法時，粉末的細(xì)度不重要，甚至是越細(xì)越好。這讓應(yīng)用超細(xì)粉變成了可能。
在把粉末薄層疊合時，可以再添加其他組元到磨料顆粒周圍或者薄層之間。比如，將粉末吸在一個由很多小的磁單元組成的大的工具上，再將粉末釋放到需要的模具內(nèi)或薄層上。該工序可重復(fù)實施。但只針對有限的幾種的粉末。當(dāng)粉末中包含具極性添加物如鐵晶須等時，也須要在磁場中使之具有設(shè)計所需取向，以達(dá)到想要的內(nèi)組織特性。也可使粉末通過一個震動的漏篩添加到磨料上或薄層上。這種方法可以加入任何品種的粉末，比如陶瓷晶須等。疊合薄層時也可以加入其他的增強(qiáng)材料，例如硼纖維和碳纖維等。
粉末薄層通過以上方法制于襯片上。然后與磨料顆粒結(jié)合。以上工藝可通過自動化設(shè)備完成，也可由人工實現(xiàn)。當(dāng)粉末薄層硬化到一定程度可以將襯片剝離。襯片可重復(fù)使用。襯片也可由有效組元成分制成，不用剝離，與薄層一起進(jìn)入下工序，或通過加熱過程分解、使其揮發(fā)掉。
當(dāng)粉末細(xì)密到一定程度時，流動性變得很差。解決這一問題的方法是用粘結(jié)劑把粉末造粒，使之具有流動性。這項工藝所使用的粘結(jié)劑很多種類，可以直接在本方法中應(yīng)用。在很多行業(yè)，這類粘結(jié)劑是被技術(shù)人員所熟知的。為了進(jìn)一步降低成本，還可以使用水基粘合劑。在壓坯疊合過程中，可以根據(jù)使用要求，由不同粉末成分的薄層組合。這樣既節(jié)約了貴重粉末，又給了技術(shù)人員有了更大的設(shè)計空間。細(xì)粉的比表面積大，燒結(jié)性好?？墒且坏┙佑|空氣更易形成氧化層，粉末失效也更快。以上工藝可以隔離粉末與空氣的接觸，保持粉末有穩(wěn)定的燒結(jié)性，使制品性能穩(wěn)定。同時防止粉末飛揚(yáng)被吸入操作者體內(nèi)。很多的粉末具有很強(qiáng)毒性。粉末在操作過程中如果被吸入，對操作者的危害有累積性。
如圖1所示，孔板2放置鋪料平面3上，撒布磨粒1于孔板2上，然后通過震動、傾斜使孔內(nèi)落入磨粒1。再通過傾斜、震動，或者輔以掃除使孔外的磨粒1被清除。
孔板2可以用金屬片材、板材料制成。板上的孔可以用激光、電解、電火花(放電加工)、腐蝕甚至機(jī)械鉆孔等方法加工。小孔加工技術(shù)和設(shè)備也很多，很成熟?？装搴穸葹樗帕心チ侠碚撝睆降?.5至1.5倍厚?？椎闹睆揭笥谀チＶ睆絽s又不至填入兩粒磨粒，所以直徑不大于所要排列磨粒1的理論直徑的1.5倍。磨粒1的相互距離(孔的點距和行距等)根據(jù)加工對象進(jìn)行設(shè)計。最高密度要求的排列可以通過一張拉平繃緊的金屬網(wǎng)來實現(xiàn)。金屬網(wǎng)的目數(shù)與磨料顆粒的大小應(yīng)該匹配，以使磨粒1能通過網(wǎng)板。
在圖2中，垂直移開孔板2，磨粒1留于鋪料平面3上。這道工序可使用專用工具和設(shè)備達(dá)到很高的速度，并進(jìn)一步實現(xiàn)自動化。鋪料面積可大于薄層的面積，轉(zhuǎn)移磨粒1時，薄層以外的磨粒1可以重新進(jìn)入下一工作循環(huán)。
在圖3中，已經(jīng)制備好的薄層6通過其襯片5吸在薄層平面4上，用此平面把薄層6平行地壓向排列好磨粒1的鋪料平面3，但不能接觸，以免粘連。這時，磨粒1就壓入薄層6。由于薄層6薄層仍有粘結(jié)力，磨粒1就會保持在定位的情況下粘入或者嵌入薄層6。薄層硬化后磨料顆粒也可壓入表面。
在圖4中，鋪料平面3和薄層平面4分離，磨粒1與薄層6結(jié)合到一起。薄層6通過襯片5吸在薄層平面4上。兩個平面的任意一個都可以作為活動副來實現(xiàn)磨料顆粒的轉(zhuǎn)移。粘嵌磨粒1的薄層6就是最重要的切割或研磨工作層。
本發(fā)明的一個重要內(nèi)容是要將磨粒1按設(shè)計間隔分布于拖尾延長線內(nèi)，這樣會有效的加固拖尾。如圖5所示。在本發(fā)明中磨粒1位于薄層6之上，以一定點距、行距排列，行與行之間有一定的垂直方向的錯位，使磨粒1分布于其拖尾后的降弧線內(nèi)(降弧線為向圓心方向偏移的弧線)。圖中箭頭的方向為切割方向，可以看出拖尾的方向跟切割方向一致。在大直徑的工具上可以假設(shè)降弧線是直線，小直徑工具要根據(jù)直徑使磨料顆粒排列在合適直徑的降弧線內(nèi)。當(dāng)處于工作狀態(tài)的磨粒最終脫落時，其后位置的磨粒會立即補(bǔ)上。補(bǔ)上的磨粒也立即有了合適的突出量。
本發(fā)明使磨?？偺幱谟行顟B(tài)下參與工作，根本性的提高了磨粒切割效果的發(fā)揮。不僅如此，由于在磨粒在進(jìn)入切割狀態(tài)前的作用是加固拖尾，所以也延長了前面的磨粒的工作時間。又增強(qiáng)了拖尾的抗磨性。
將各個薄層按設(shè)計要求疊合。疊和時可在一工具型腔內(nèi)。疊和時可以按前面所述方法加入其他粉末或材料。在這里重點說明的是這里的薄層是很多節(jié)塊合并在一起的大面積薄層。不是僅僅能組合成一個工具節(jié)塊或一個工具的薄層。如果根據(jù)每一個工具節(jié)塊或工具外型或分切出薄層來制造壓坯，不但效率極差，也會造成材料的大量浪費。大面積的壓坯使生產(chǎn)效率非常高。
壓坯的分切也是在此生產(chǎn)技術(shù)中至關(guān)重要的部分。以前的相似工藝沒有提及此問題的處理，不能經(jīng)濟(jì)地制造工具節(jié)塊壓坯，也無法進(jìn)入大規(guī)模生產(chǎn)。本發(fā)明的解決方法是先制造連體的大面積壓坯，然后把大面積壓坯分切開。有些很小的制品如切割石材的小刀頭，其厚度不大。也可以先燒結(jié)成連體的長條，然后利用其脆性，用剪切力分開，以達(dá)到提高生產(chǎn)效率的目的。分切可用沖壓模具，也可用水射流、激光等。很多簡單形狀的制品的壓坯可以通過機(jī)械設(shè)備和模具無廢料地快速分切。大面積壓坯經(jīng)過壓實、沖修外型后。可以先進(jìn)行預(yù)燒結(jié)。既可以在預(yù)燒結(jié)時脫除粘結(jié)劑，也可使壓坯具有一定的物理強(qiáng)度，便于下工序處理。經(jīng)過預(yù)燒結(jié)后的壓坯的組織比較疏松，有毛細(xì)作用，所以能夠用有效成分的溶液進(jìn)行作進(jìn)一步的處理，使最終制品有更高性能。
沖修大壓坯后多余的薄層邊角余料可以用溶劑重新制備成混合料。再次用于薄層的制造。也可以把薄層組合后用專用模具和設(shè)備一次分切成刀具節(jié)塊的小壓坯。直接燒結(jié)成工具節(jié)塊或工具。經(jīng)過分切的壓坯可以很小?？梢栽跓Y(jié)模具內(nèi)再次組合。在大直徑的切割工具上，是把一個個起切割作用的節(jié)塊焊在圓盤型工具外沿上的。當(dāng)節(jié)塊磨損到一定的程度時可以替換。在切割或研磨時，每個節(jié)塊前端的工作負(fù)荷幾乎是后端的五倍。因此，節(jié)塊前端和后端應(yīng)該有不同的設(shè)計要求。經(jīng)過分切的小節(jié)塊可以按這方面的要求，把不同的性能的壓坯單元，在燒結(jié)模具內(nèi)按設(shè)計要求組合。還可以在組合時加入其他的結(jié)構(gòu)件，比如石墨小條等。這個措施可以在最終產(chǎn)品上形成便于冷卻液存留的凹槽或凹洞。提高冷卻和排渣效果。節(jié)塊壓坯組合時還可以進(jìn)一步調(diào)節(jié)體積、密度的精度，實現(xiàn)最大程度的精密制造。
薄層疊合時可以根據(jù)各部位的不同要求，用含不同粒度，不同密度的磨料顆粒的薄層組合。刀具節(jié)塊的兩側(cè)受到的磨耗遠(yuǎn)大于中間。所以節(jié)塊兩側(cè)可以由磨料粒度較細(xì)，密度高的薄層構(gòu)成。使節(jié)塊兩側(cè)耐磨性最高。這樣還帶來的其他顯著好處降低切割時的摩擦。切面也更光滑。有些被切物還需要在切割后打磨光滑。例如石材的裝飾面等。這樣的工具切割出的石材可以大大減少后繼工作量。在粉末薄層還沒因溶劑揮發(fā)完而徹底變硬前，可以把它們疊合于有三維形狀的模具內(nèi)，加壓制成有三維形狀的壓坯。
壓坯有不同的燒結(jié)方法?？梢园褖号髟跓Y(jié)爐內(nèi)，在保護(hù)、還原氣氛下燒結(jié)。但最常使用的燒結(jié)方法是用石墨模具通以大電流加熱、加壓，用短時間燒結(jié)成。傳統(tǒng)工藝經(jīng)常是在半組合好的石墨模具內(nèi)直接填料。精度差，速度慢。以1.6米左右直徑的石材切割鋸片為例，象這么大的鋸片，外沿焊有108塊刀頭節(jié)塊。一個熟練工一天只能裝填兩個到三個鋸片所需的節(jié)塊粉末。這種工藝對石墨模具的損傷也大。石墨模具的損耗占了成本的很大部分。先制備壓坯，再裝入模具燒結(jié)的生產(chǎn)方法不但有利于周轉(zhuǎn)，還減輕了模具損耗。傳統(tǒng)的方法也沒法控制節(jié)塊組織密度的均勻度。實際上在粉末冶金的經(jīng)典理論中。也認(rèn)定壓坯組織的密度是根據(jù)壓力流線的分布的，密度是不均勻的。以本發(fā)明的方法生產(chǎn)的壓坯可以徹底推翻這種過時的理論。
本發(fā)明的方法還可以制造出超薄的工具。即使是大面積的、薄的切割工具也可以輕易造出。薄層間還可以加入增強(qiáng)層。還可以制造出片狀、長條型節(jié)塊。有些小直徑的分切工具的節(jié)塊很小。為了提高生產(chǎn)效率可以一次制造出聯(lián)體的節(jié)塊。然后再剪切開。異型的工具也很容易用此法生產(chǎn)出來。本發(fā)明可以徹底淘汰目前的生產(chǎn)方式。
本發(fā)明不但能制造出超越目前傳統(tǒng)產(chǎn)品的性能的工具。還容易實現(xiàn)生產(chǎn)自動化。生產(chǎn)系統(tǒng)的柔性強(qiáng)。一條生產(chǎn)線可以生產(chǎn)不同產(chǎn)品而不須做出很大的變動。生產(chǎn)過程中沒有粉末飄揚(yáng)。有利于生產(chǎn)者的身體健康。減少了昂貴粉末的使用量。但絲毫不會降低制品的性能。實現(xiàn)了最大程度的精確制造。同時還給工程技術(shù)人員打開了廣闊的設(shè)計空間。為進(jìn)一步提高制品性能創(chuàng)造了條件。
實施例1分切石材荒料的大直徑圓鋸刀頭節(jié)塊。按前面所述方法在聚酯薄膜或雙向拉伸聚丙烯薄膜(BOPP)或者聚乙烯膜上刮制粉末薄層。用于金剛石兩側(cè)的粉末薄層以高鈷、細(xì)粒度粉末。(參考配方鈷粉80％，羰機(jī)鐵粉10％，碳化鎢粉10％，都為300目以上細(xì)粉)其余不含金剛石的薄層可用廉價粉末(參考配方300目還原鐵粉60％，300目663青銅粉40％)。磨料顆粒垂直點距1.0毫米，行距1.2毫米，每行垂直位錯0.2毫米。節(jié)塊兩側(cè)的金剛石的垂直點距0.8毫米，行距1毫米，垂直位錯0.15毫米。兩側(cè)薄層的金剛石規(guī)格為50～60目，18公斤值以上。其他部位的金剛石為40～45，45～50級。16公斤值以上。
薄層在揮發(fā)掉溶劑而變硬后，揭除掉薄膜。將硬化后的粉末薄層疊合于擠壓模腔內(nèi)。磨料顆粒密度高的在兩側(cè)面。鋪層總數(shù)根據(jù)平均重量/面積比達(dá)到節(jié)塊要達(dá)到的厚度、密度。磨料顆粒的兩側(cè)由高鈷的薄層構(gòu)成?；w的其他部分由廉價粉末薄層構(gòu)成。9毫米厚的刀頭節(jié)塊可由12～18層含磨料的工作層組成。(視石材的不同品種而定)工作層之間的基體是廉價粉末。有時為了調(diào)節(jié)耐磨度，可作適當(dāng)?shù)呐浞秸{(diào)節(jié)。壓實后的壓坯可用模具分切開，成為刀頭節(jié)塊壓坯。壓坯裝填于組裝好的石墨模具內(nèi)，在熱壓機(jī)上以一定的升溫、升壓程序，在最高870攝氏度以下，燒結(jié)成刀頭節(jié)塊。再將節(jié)塊焊于鋸片上。
實施例2按照實施例1相同的生產(chǎn)步驟，可以制造往復(fù)切割的排鋸刀頭。排列磨料顆粒的方式不同，為水平排列。垂直方向均勻錯位。行距小于每列顆粒間距?；蛘呤古帕芯€傾斜。
磨料顆粒周圍的粉末可使用更高鈷含量的。甚至完全用鈷粉。以達(dá)到性能穩(wěn)定性要求。
實施例3低成本的石材切割刀頭。
由于有些石材硬度不高，易于切割。也可以把磨料顆粒直接與粉末和粘結(jié)劑做成的混合料壓成薄片。用這些薄片作為主要工作層，可以適當(dāng)添加少量的排列層。比如兩側(cè)。其他的生產(chǎn)步驟同上。這樣生產(chǎn)效率也比傳統(tǒng)方法高。
其他類產(chǎn)品如珩磨條、砂輪修整器等也同上。
本發(fā)明的特定實施例已對發(fā)明內(nèi)容做了詳盡說明。對本領(lǐng)域一般技術(shù)人員而言，在不背離本發(fā)明原理的前提下對它所做的任何顯而易見的改動，不會超出本申請權(quán)利要求的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種可控成分結(jié)構(gòu)具有三維排列磨粒的研磨和切割工具的制造方法，包括如下步驟(1)把粉末與粘結(jié)劑混和制成混合料；(2)將混合料制成薄層，組成重要切割層的薄層植入磨粒；(3)薄層硬化后，將多個薄層按設(shè)計要求疊和，加壓，制成大面積壓胚；(4)分切成小壓胚，燒結(jié)，制成研磨和切割工具；或先預(yù)燒結(jié)，再分切，制成研磨和切割工具。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可控成分結(jié)構(gòu)的研磨和切割工具的制造方法，其特征在于所述步驟(2)使用壓延刮延法將混合料通過一個開口送到正向前運(yùn)動的襯片上或兩片襯片間，通過與襯片有合適間隙的刮刃或滾輪把襯片上的混合料刮成或軋成薄層。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可控成分結(jié)構(gòu)的研磨和切割工具的制造方法，其特征在于所述步驟(2)使用印刷法用刮刀把混合料通過網(wǎng)版刮印到吸于平面上的襯片上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可控成分結(jié)構(gòu)的研磨和切割工具的制造方法，其特征在于所述步驟(2)制成薄層后，在其上嵌入磨粒。
5.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種可控成分結(jié)構(gòu)的研磨和切割工具的制造方法，其特征在于嵌入磨粒的方法是A.將磨料用一個孔板工具排列于一平面上；B.將薄層吸于另一平面工具上；C.將兩個平面平行壓近，當(dāng)距離很近時，磨料顆粒就會粘入或者嵌入薄層。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種可控成分結(jié)構(gòu)的研磨和切割工具的制造方法，其特征在于在旋轉(zhuǎn)切割工具中的磨粒是排列在其拖尾后的降弧線上或近似降弧線上。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種可控成分結(jié)構(gòu)的研磨和切割工具的制造方法，其特征在于在直線切割工具中的磨粒按直線均勻排列或交錯排列。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可控成分結(jié)構(gòu)的研磨和切割工具的制造方法，其特征在于所述步驟(3)在把粉末薄層疊合時，添加其它粉末或增強(qiáng)材料到薄層之間或者磨料顆粒周圍。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可控成分結(jié)構(gòu)的研磨和切割工具的制造方法，其特征在于所述步驟(4)小壓胚由大面積壓胚分切制成。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可控成分結(jié)構(gòu)的研磨和切割工具的制造方法，其特征在于所述步驟(4)大面積壓胚是由沖壓模具或激光分切成燒結(jié)為制品的小壓胚，或者大面積壓胚在預(yù)燒結(jié)后用水射流方法切開。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可控成分結(jié)構(gòu)的研磨和切割工具的制造方法，其特征在于所述步驟(4)小壓胚作為單元件在燒結(jié)模具中再次組合。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種可控成分結(jié)構(gòu)具有三維排列磨粒的研磨和切割工具的制造方法，包括如下步驟把粉末與粘結(jié)劑混和制成混合料；將混合料制成薄層，組成重要切割層的薄層植入磨粒；在切割層的薄層內(nèi)植入磨料顆粒薄層硬化后，將多個薄層按設(shè)計要求疊和，加壓，制成大壓胚；分切成小壓胚，燒結(jié)，制成研磨和切割工具；或先預(yù)燒結(jié)，再分切并進(jìn)一步處理，然后最終燒結(jié)成研磨和切割工具。本發(fā)明可以使用超細(xì)粉末，也能夠?qū)崿F(xiàn)讓貴重粉末聚集在磨料顆粒周圍。本發(fā)明的磨粒的排列方式，在切割過程中更有效，能節(jié)約貴重材料，有效發(fā)揮貴重材料和功能材料的作用。
文檔編號B24D18/00GK1907649SQ20061011172
公開日2007年2月7日 申請日期2006年8月25日 優(yōu)先權(quán)日2006年8月25日
發(fā)明者侯志剛 申請人:侯志剛, 馬熙慶, 孫誠