專(zhuān)利名稱(chēng)：改進(jìn)的超硬磨具的制作方法
背景技術(shù)：
本發(fā)明涉及超硬磨工具，例如含超硬磨粒如金剛石、立方氮化硼(CBN)或低氧化硼(BXO)的磨輪片段。
技術(shù)回顧一般，使用超硬磨粒鋸進(jìn)行堅(jiān)硬材料如花崗石、大理石、混凝土，瀝青等材料的切割。由片段組裝的鋸片是人們熟知的。該鋸片由裝有許多片段的圓形鋼盤(pán)構(gòu)成。這種工具的片段中有隨機(jī)分散在金屬基體中的超硬磨粒。通過(guò)測(cè)試切割速度和工具壽命可測(cè)定這些片段組裝的工具的性能。切割速度即一給定工具切割一定類(lèi)型材料的快慢的衡量，而工具壽命為鋸片的切割壽命。
不幸的是，這些片段組裝的研磨切割工具的性能同時(shí)存在著優(yōu)缺點(diǎn)， 即一般發(fā)現(xiàn)鋸片切割越快其壽命越短，而切割越慢其壽命越長(zhǎng)。對(duì)一般的鋸片，這是由于含有磨粒的基體，對(duì)切割速度和鋸片壽命有很大的影響。
例如就金屬粘結(jié)來(lái)說(shuō)，如鐵粘結(jié)的硬質(zhì)基體可較好地將磨粒固定住，提高了鋸片的壽命。它們?cè)黾用恳荒チ５膲勖峭ㄟ^(guò)使磨粒鈍化從而降低了切割速度。相反，較軟的基體如青銅粘結(jié)則使磨粒較易從基體脫出從而降低了鋸片壽命。但這又使新的銳利的磨粒更易暴露在切割表面，從而提高了切割速度。
因此，本發(fā)明的目的是生產(chǎn)一種改進(jìn)了切割速度和工具壽命的片段組裝的超硬工具。本發(fā)明的進(jìn)一步目的是生產(chǎn)一種其中的超硬磨粒較好集中分布來(lái)獲得這些結(jié)果的超硬研磨片段。發(fā)明概要本發(fā)明涉及一種由一個(gè)心子和連接到所述心子上的許多研磨片段組成的研磨工具，所述的研磨片段由一種粘結(jié)材料和超硬磨粒組成，所述的片段含有至少兩個(gè)分開(kāi)的環(huán)形區(qū)域，所述的磨粒以較高和較低的濃度交替地分散在所述區(qū)域中。
本發(fā)明進(jìn)一步涉及一種由一個(gè)心子和連接到所述心子上的許多研磨片段組成的研磨工具，所述的研磨片段由一種粘結(jié)材料和超硬磨粒組成，所述的片段含有至少兩個(gè)分開(kāi)的環(huán)形區(qū)域，所述的磨粒交替地分散在每一相隔的區(qū)域。
附圖的簡(jiǎn)要描述

圖1為用本發(fā)明的片段制成的片段組裝的研磨鋸片的部分剖面的剖面圖。
圖2為本發(fā)明的一個(gè)具有環(huán)形分開(kāi)區(qū)域的研磨片段透視圖，其中磨粒是交替地分散在每一相隔的區(qū)域。
圖3為本發(fā)明的另一實(shí)施方案的具有環(huán)形分開(kāi)區(qū)域的研磨片段透視圖，其中磨粒是以較高和較低濃度交替地分散在所述區(qū)域中。
發(fā)明的詳細(xì)描述本發(fā)明涉及一種由一個(gè)心子和連接到所述心子上的許多研磨片段組成的研磨工具，所述的研磨片段由一種粘結(jié)材料和超硬磨粒組成，所述的片段含有至少兩個(gè)分開(kāi)的環(huán)形區(qū)域，所述的磨粒以較高和較低的濃度交替地分散在所述區(qū)域中。
研磨工具的心子可由樹(shù)脂、陶瓷或金屬預(yù)成形制成。
由粘結(jié)材料和超硬磨粒構(gòu)成的研磨片段則連接到該心子上，研磨工具可以是如巖心鉆頭或切割鋸。圖1為本發(fā)明的一個(gè)較好實(shí)施方案，為一旋轉(zhuǎn)研磨輪即一鋸片10。研磨輪10具有一預(yù)成型的金屬支撐用的金屬心子即圓盤(pán)12，圓盤(pán)有預(yù)定的直徑和厚度，常用鋼制成，這個(gè)鋼的心子12有一中心孔14，用于安裝一驅(qū)動(dòng)裝置或一機(jī)器的傳動(dòng)軸。從支撐心子12的最外層表面向內(nèi)徑向延伸著許多徑向的狹槽16和介于狹槽之間的研磨片段支撐部分18，研磨片段20就呈角狀地圍繞著中心轉(zhuǎn)軸裝置在其上面。這些片段可如圖2所示襯托在具有內(nèi)配合表面的非切割金屬部分28的上面。
每一研磨片段支撐部分18有一外邊緣表面，用于將藉激光融化焊接，電子束融化焊接或釬焊已接上預(yù)成型的研磨片段20的內(nèi)表面的接合件放置到金屬支撐壁的支撐部分18上。
研磨片段20至少由兩個(gè)隔開(kāi)的環(huán)形區(qū)域構(gòu)成，超硬磨粒交替地分散在每一相隔的區(qū)域中(見(jiàn)圖2)，研磨片段20也可至少由兩個(gè)隔開(kāi)的環(huán)形區(qū)域構(gòu)成，而超硬磨粒以較高和較低濃度交替地分散在這些區(qū)域中(見(jiàn)圖3)。較好的實(shí)施方案是磨粒如圖2所示交替地分散在每一相隔的區(qū)域中。
由圖2可見(jiàn)，研磨片段20分成許多個(gè)區(qū)域，在每一相隔的區(qū)域中交替地分散著磨粒。含有磨粒的區(qū)域在本例中標(biāo)作1、3和5，區(qū)域1、3、5與只含有粘結(jié)材料的區(qū)域2和4交替相鄰。較好的是每一研磨片段有3～25個(gè)區(qū)域，最好有7～15個(gè)區(qū)域。
在這較好的實(shí)施方案中，研磨片段的各個(gè)區(qū)域如圖2所示的區(qū)域1、2、3、4、5都具有相同尺寸，但對(duì)本發(fā)明的目的而言不必要求這些區(qū)域都尺寸相同。這些區(qū)域可根據(jù)其應(yīng)用和最終用途而進(jìn)行變化，以改進(jìn)在具體應(yīng)用中研磨輪的使用性能。然而，較好的是片段前沿的區(qū)域應(yīng)含有磨粒。
這種片段的結(jié)構(gòu)可以同時(shí)得到較高的切割速度和較長(zhǎng)的工具壽命。這是由于只含較少磨?；虿缓チ５膮^(qū)域比較軟，因而片段的這個(gè)部分較快磨損，暴露出研磨片段中含有較高濃度金剛石磨粒的那些區(qū)域。具有一較少接觸面積的研磨片段會(huì)切割得更快，而具有較高濃度金剛石的區(qū)域則由于其較高的金剛石濃度而表現(xiàn)出較小的磨損。
本發(fā)明的另一實(shí)施方案如圖3所示，其中超硬磨粒的濃度在區(qū)域之間連續(xù)變化或在不連續(xù)變化。如果摩擦顆粒的濃度在研磨片段的區(qū)域之間連續(xù)變化，則可使用下述方法測(cè)定具有較高和較低濃度的區(qū)域的邊界。首先沿研磨片段，測(cè)定磨粒的最小和最大濃度。其做法是測(cè)定在1mm間距上的濃度來(lái)測(cè)定連續(xù)沿一個(gè)片段的面積的百分?jǐn)?shù)，然后確定濃度最小和最大間距的中心點(diǎn)。將超硬磨粒濃度相鄰最小和最大的間距的中心點(diǎn)之間的面積進(jìn)行對(duì)分，就形成一個(gè)人為的邊界。
每一區(qū)域按相鄰人為邊界之間的體積限定，在本說(shuō)明書(shū)中就將其稱(chēng)之為所限定的區(qū)域。在研磨片段中的金剛石濃度為X體積百分?jǐn)?shù)(將研磨片段中超硬磨粒的體積除以研磨片段總體積來(lái)進(jìn)行計(jì)算)，較高濃度和較低濃度的區(qū)域按下述方式確定。較高濃度區(qū)域是其超硬磨粒濃度高于所限定總區(qū)域的2×體積百分?jǐn)?shù)，較好是高于4×體積百分?jǐn)?shù)，更好是高于8×體積百分?jǐn)?shù)。較低濃度區(qū)域是其超硬磨粒的濃度低于所限定總區(qū)域的0.5×體積百分?jǐn)?shù)，較好為低于0.25×體積百分?jǐn)?shù)，更好為低于0.12×體積百分?jǐn)?shù)。
如果超硬磨粒的濃度在研磨片段的區(qū)域之間基本上是不連續(xù)即分立地變化，則區(qū)域的邊界定義在濃度呈不連續(xù)即分立地下降的位置。在磨?？倽舛葹閄體積百分?jǐn)?shù)的研磨片段中，濃度的不連續(xù)或分立的下降定義為在片段的1mm區(qū)域中濃度下降2×體積百分?jǐn)?shù)，更好指下降4×體積百分?jǐn)?shù)。這些區(qū)域仍可通過(guò)測(cè)量沿研磨片段磨粒濃度呈不連續(xù)或分立下降的中心點(diǎn)，并將這一中心點(diǎn)認(rèn)為是相鄰區(qū)域的邊界來(lái)確定。
在這個(gè)較好實(shí)施方案中，片段中的粘結(jié)材料是金屬26。粘結(jié)金屬26和非切割金屬部分28由諸如鈷、鐵、青銅、鎳合金、碳化鎢、硼化鉻和它們的混合物構(gòu)成。對(duì)與樹(shù)脂或玻璃化材料的心子進(jìn)行粘結(jié)來(lái)說(shuō)，粘結(jié)材料也可是玻璃或樹(shù)脂。
片段中較好要含有約1.0～25體積％的超硬磨粒，更好約3.5～11.25體積％。
超硬磨粒的平均粒徑較好約為100～1200μm，更好約為250～900μm，最好約為300～650μm。
可將次等的磨粒加到片段中，這些次等磨粒例如有碳化鎢、氧化鋁、溶膠-凝膠氧化鋁、碳化硅和氮化硅。這些次等磨?？杉拥匠材チ舛容^高的區(qū)域或較低的區(qū)域中。
較好的研磨片段最好采用模制然后焙燒的方法制備。摩擦片段以兩步法模制。第一步，將模子中供含有較高磨粒濃度用的模腔部分和供非切割金屬部分28的模腔部分填滿。其過(guò)程是首先，用含粘結(jié)金屬粉末和超硬磨粒的混合物填充用于較高濃度超硬磨粒的模腔，當(dāng)這部分模腔完全填滿后，用不含磨粒的金屬粉填充用于非切割金屬部分的模腔。第二步，將模子在低于所使用金屬的熔點(diǎn)的溫度下焙燒，使模子中的混合物進(jìn)行燒結(jié)。
將燒結(jié)體從模子中取出，再放入另一個(gè)具有片段形狀模腔的模子中。在其中， 含較高超硬磨粒濃度的區(qū)域之間存在著凹腔。對(duì)這些凹腔用含較低濃度超硬磨粒或不含超硬磨粒的疏松粉末填充。最后，將模子在加壓條件下焙燒一段時(shí)間，選擇使用的溫度和壓力能使焙燒后得到大于85％理論密度的密度。最好為大于95％理論密度。也可通過(guò)帶式鑄造、注射模制和本領(lǐng)域技術(shù)人員所知其它方法來(lái)生產(chǎn)這些片段。
為了能使本領(lǐng)域技術(shù)人員較好理解本發(fā)明的實(shí)踐，現(xiàn)提供下面的一些例子作為說(shuō)明。但這些例子并不作為限制?？稍诒景l(fā)明說(shuō)明書(shū)引述的參考文獻(xiàn)和專(zhuān)利中找到可用于本領(lǐng)域?qū)嵺`的其它資料，這些參考文獻(xiàn)和專(zhuān)利的內(nèi)容已結(jié)合參考于本發(fā)明中。實(shí)施例實(shí)施例1測(cè)試了兩種鋸片的切割速度和磨損。這兩種鋸片都含有4％體積消耗性的用金屬粘結(jié)的金剛石(級(jí)別SPA 100+)鋸片直徑為16英寸切割路徑(鋸口)尺寸為0.15英寸。
對(duì)照鋸片的片段使用了一青銅作粘結(jié)材料。兩個(gè)鋸片中使用的金剛石磨粒都為30/40粒度級(jí)別的金剛石(429～650μm)。在對(duì)照鋸片的片段中，金剛石磨粒是混亂分布著的。由本發(fā)明的片段構(gòu)成的鋸片含有6個(gè)含金剛石磨粒的區(qū)域，這些區(qū)域則由不含磨粒的5個(gè)區(qū)域交替分隔。含金剛石區(qū)域的粘結(jié)基體為含有大約45％重量鐵和55％重量青銅的合金?；旧喜缓チ５膮^(qū)域的基體為青銅粘結(jié)料。在6個(gè)金剛石的區(qū)域中，金剛石磨粒是分散在鐵-青銅合金基體之中。
在一個(gè)硬化的用1/2英寸鋼筋增強(qiáng)的花崗石骨料混凝土板上進(jìn)行鋸片的試驗(yàn)。鋸片試驗(yàn)采用3英寸-英尺/分的恒定切割速度，用來(lái)切割長(zhǎng)度為400英寸-英尺的混凝土。此切割速度是調(diào)節(jié)到對(duì)照鋸片的最大切割速度。獲得對(duì)照鋸片最大切割速度，是將對(duì)照鋸片的切割速度恰好調(diào)到馬達(dá)發(fā)生停轉(zhuǎn)(此時(shí)電路設(shè)置在10KW跳閘)。本發(fā)明的鋸片試驗(yàn)時(shí)，正是在3英寸-英尺/分速度旋轉(zhuǎn)，盡管它本可在更高的切割速度下使用。
測(cè)試表明，對(duì)照鋸片磨損了0.0134英寸，而具有本發(fā)明研磨片段的鋸片僅磨損0.036英寸。測(cè)試表明，以普通鋸片的最高切割速度運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，本發(fā)明壽命是普通鋸片壽命的350％。實(shí)施例2比較鋸片的另一種方法是以恒定的進(jìn)料速度在無(wú)冷卻劑情況下切割混凝土。所使用的試驗(yàn)是測(cè)定鋸片試驗(yàn)停車(chē)之前所經(jīng)過(guò)的切割數(shù)。在本實(shí)施例中，將本發(fā)明的鋸片與對(duì)照鋸片相比較。
三種鋸片的直徑都為9英寸，切割路徑(鋸口)尺寸為0.095英寸。三種鋸片的片段中含有3.5體積％的金剛石磨粒。使用的金剛石磨粒為30/40粒度級(jí)別的金剛石(429～650μm)。稱(chēng)為標(biāo)準(zhǔn)#1的對(duì)照鋸片，其片段使用含100％鈷的粘結(jié)料。稱(chēng)為標(biāo)準(zhǔn)2#的對(duì)照鋸片其片段使用含60重量％鐵、25重量％青銅和重量％鈷的粘結(jié)料。在對(duì)照鋸片的片段中金剛石磨粒是混亂分布的。由本發(fā)明片段構(gòu)成的鋸片有5個(gè)含金剛石的區(qū)域。為4個(gè)不含金剛石的區(qū)域交替地分隔著。含金剛石區(qū)域的基體為含有大約45重量％鐵和55重量％青銅的合金?；旧喜缓饎偸膮^(qū)域，其基體為青銅。在6個(gè)含金剛石的區(qū)域中，金剛石磨粒分布在鐵-青銅基體中。
鋸片在由Sawing System of Knoxville，TN制造的5馬力541C型臺(tái)架式鋸床上運(yùn)轉(zhuǎn)。鋸片轉(zhuǎn)速約為5800rpm。鋸片切割的基材為12英寸×12英寸×2英寸的外露骨料踏腳石，它是一種在強(qiáng)度為3000psi水泥中含1/4英寸～1/2英寸河礫石的材料。這種材料可認(rèn)為是堅(jiān)硬至非常堅(jiān)硬的。
達(dá)到損壞的切割數(shù)是指斷路器斷開(kāi)之時(shí)鋸片所已經(jīng)歷的走鋸次數(shù)。試驗(yàn)中斷路器設(shè)置在2.0Kw。鋸子的每一次走鋸是以2.9英尺/分的恒定進(jìn)料速度切割三塊基材，切割深度為1英寸。對(duì)更高功率的需求表明鋸片切割效率不高。如表1所示，本發(fā)明的鋸片試驗(yàn)時(shí)未遭致停車(chē)，而是在經(jīng)過(guò)那種性能較好的對(duì)照鋸片即標(biāo)準(zhǔn)鋸片切割數(shù)的大約兩倍時(shí)中止了試驗(yàn)。
表1
實(shí)施例3在用墻鋸切割混凝土墻壁的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中，將新的研磨片段與由Cashion Cutof Hawthorne.CA生產(chǎn)的型號(hào)為Cushion Cut WS40的標(biāo)準(zhǔn)鋸的研磨片段相比較。兩種鋸片直徑都為24英寸，切割路徑(鋸口)都為0.187英寸，在20馬力液壓墻鋸床上試驗(yàn)。
對(duì)照鋸片的片段使用了50％鐵和50％青銅的合金。其中金剛石磨粒的體積百分?jǐn)?shù)為5.00％。使用的金剛石磨粒為30/40粒度級(jí)別的金剛石磨粒(429～650μm)。這些磨粒在對(duì)照鋸片的片段中是混亂分布的。
由本發(fā)明片段構(gòu)成的鋸片有6個(gè)含金剛石磨粒的區(qū)域，被5個(gè)不含磨粒的區(qū)域交替分隔。含金剛石磨粒區(qū)域中的基體為含大約45重量％鐵和55重量％青銅的合金。金剛石磨粒的體積百分?jǐn)?shù)為4.00％。使用的金剛石磨粒物為30/40粒度級(jí)別的金剛石磨粒(429～650μm)，其中的基體為鐵-青銅合金，基本上不含磨粒區(qū)域的基體為青銅。
結(jié)果表明，本發(fā)明的含有磨粒的鋸片具有5.23英寸-英尺/分的切割速度(以總切割時(shí)間為基準(zhǔn)計(jì)算)，磨損性能為3.22英寸-英尺/密耳。而具有相同金剛石含量的對(duì)照鋸片，其切割速度為3.30英寸-英尺/分，(以總切割時(shí)間為基準(zhǔn)計(jì)算)，磨損性能18.2英寸-英尺/密耳。實(shí)施例4在另一用墻鋸切割混凝土墻壁的另一現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中，將新的研磨片段與由Dimas Industries of Princeton，IL生產(chǎn)的型號(hào)為Dimas W35標(biāo)準(zhǔn)鋸片的研磨片段相比較。兩種鋸片直徑都為24英寸，切割路徑(鋸口)都為0.220英寸，在36馬力液壓墻鋸床上試驗(yàn)。
對(duì)照鋸片的片段使用了鈷青銅粘結(jié)料。片段中金剛石磨粒的體積百分?jǐn)?shù)為4.875％，使用的金剛石為40/50粒度級(jí)別的金剛石磨粒(302-455μm)。這些磨粒在對(duì)照鋸片的片段中是混亂分布的。由本發(fā)明片段構(gòu)成的鋸片有6個(gè)含金剛石磨粒的區(qū)域，被5個(gè)不含磨粒的區(qū)域交替隔開(kāi)。含金剛石區(qū)域中的基體為含大約45重量％鐵和55重量％青銅的合金。使用的金剛石物為30/40粒度級(jí)別的金剛石磨粒(329～650μm)，分布散在鐵-青銅合金的基體中?；旧喜缓チ^(qū)域的基體為銅。
這些鋸片在15英寸厚的固化混凝土墻壁上作驗(yàn)試，被切割的該壁是要拆除的。該墻壁由大約強(qiáng)度為6000psi的含中至軟的骨料的混凝土構(gòu)成。水泥用兩層以12英寸中心距呈水平和垂直安置的1/2英寸鋼筋增強(qiáng)。用36馬力液壓鋸進(jìn)行切割。
結(jié)果表明，含有本發(fā)明研磨片段的鋸片，切割速度為2.44英寸-英尺/分(以總切割時(shí)間為基準(zhǔn)計(jì)算)，磨損性能為57.8英寸-英尺/密耳。而金剛石磨粒含量相同的對(duì)照鋸片，其切割速度為1.82英寸-英尺/分(以總的切割時(shí)間為基準(zhǔn)計(jì)算)，磨損性能為24.6英寸-英尺/密耳。
應(yīng)該理解，在不偏離本發(fā)明的范圍和精神條件下進(jìn)行的各種修改，對(duì)本領(lǐng)域的專(zhuān)家來(lái)說(shuō)是很明顯的，并且不難做到。因此在后面所附的權(quán)利要求書(shū)的范圍并不限于前面提到的描述及實(shí)施例，可以認(rèn)為權(quán)利要求書(shū)包括了存在于本發(fā)明中的所有具有專(zhuān)利新穎性的特征，包括本領(lǐng)域中技術(shù)人員認(rèn)為與本發(fā)明等價(jià)的那些特征。
權(quán)利要求
1.一種研磨工具，其特征在于由一心子和連接到心子的研磨片段組成，其中研磨片段由粘結(jié)材料和超硬磨粒組成，這些片段含有至少兩個(gè)分開(kāi)的環(huán)形區(qū)域，超硬磨粒以較高濃度和較低濃度交替地分布在這些區(qū)域中。
2.權(quán)利要求1的研磨工具，其特征在于研磨片段含有一種粘結(jié)金屬。
3.權(quán)利要求2的研磨工具，其特征在于研磨片段中還有次級(jí)磨粒。
4.權(quán)利要求1的研磨工具，其特征在于心子為金屬。
5.權(quán)利要求1的研磨工具，其特征在于該研磨工具為一切割鋸。
6.一種研磨工具，由一心子和連接到心子的研磨片段組成，其中研磨片段由粘結(jié)材料和超硬磨粒組成，這些片段含有至少兩個(gè)分開(kāi)的環(huán)形區(qū)域，超硬磨粒是交替地分布在每一相隔的區(qū)域中。
7.權(quán)利要求6的研磨工具，其特征在于研磨片段含有一種粘結(jié)金屬。
8.權(quán)利要求7的研磨工具，其特征在于研磨片段中還有次級(jí)磨粒。
9.權(quán)利要求6的研磨工具，其特征在于心子為金屬。
10.權(quán)利要求6的研磨工具，其特征在于該研磨工具為一切割鋸。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種由一個(gè)心子和連接到所述心子上的許多研磨片段組成的研磨工具，所述的研磨片段由一種粘結(jié)材料和超硬磨粒組成，所述的片段含有至少兩個(gè)分開(kāi)的環(huán)形區(qū)域，所述的磨粒以較高和較低的濃度交替地分散在所述區(qū)域中。本發(fā)明進(jìn)一步涉及一種由一個(gè)心子和連接到所述心子上的許多研磨片段組成的研磨工具，所述的研磨片段由一種粘結(jié)材料和超硬磨粒組成，所述的片段含有至少兩個(gè)分開(kāi)的環(huán)形區(qū)域，所述的磨粒交替地分散在每一相隔的區(qū)域。
文檔編號(hào)B24D5/06GK1147783SQ95193039
公開(kāi)日1997年4月16日 申請(qǐng)日期1995年2月28日 優(yōu)先權(quán)日1994年5月13日
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