[发明专利]一种研磨工具磨料颗粒有序排列的方法及研磨工具

说明书

技术领域

本发明涉及用于切削、研磨的研磨工具的改进，如金刚石工具的切削端和金刚石工具，它典型地是用于切削和钻研各种硬的易碎的物质，例如花岗岩、大理石、混凝土结构、和沥青结构等建筑结构中，尤其是，用于金刚石等磨料颗粒工具的切削端和工具提高切削综合效率的金刚石颗粒的有序排列。 

背景技术

人造金刚石是地球上具有最高硬度的材料，由于这一特性其被广泛地用于切削和磨削工具。尤其是，金刚石工具在加工石材和建筑结构件时，用于切削和磨削石头；金刚石等磨料颗粒工具一般有切削端，金刚石或其它磨料颗粒分布在的切削端上，切削端固定在其上的工具本体上。 

在金刚石的锯片中理想的结构是颗粒出刃高而颗粒间隙适宜，从而极大改善磨屑的排除和冷却液的输送，而提高了磨削能力和刀具的寿命。有序排列的颗粒分布还能保证加工安全性的提高；一般的磨料工具，如一金刚石锯片，是由金刚石颗粒(如40/50美国筛目)混合以适当的基体(粘合剂)粉末(如1.5微米大小的钴粉末)。该混合物送入一模具中制成所需的形状。该模坯再经摄氏700-1200度烧结成一体形成其中设置有多磨料颗粒的单体，最后，这一单体被焊到一工具本体上，诸如一锯片的刀刃上，成为切削工具。 

然而，不同的应用需要不同的金刚石和金属粉末的结合，如对于在钻和锯方面，需用要将大尺寸(20-60筛目)的金刚石与金属粉末相混合，金属粉末一般是从钴、镍、铁、铜、青铜，这些材料的合金和或混合物中选取；对于磨方面，则需要小尺寸(60/400美国筛目)的金刚石颗粒或立方与金属，一般为青铜，陶瓷/玻璃，一般为氧化钠、氧化钾、氧化矽和氧化铝的混合物或树脂相混合。 

由于金刚石比基体粉末大得多，并且比后者轻得多，所以将二者混合均匀是很困难的，况且，在生产的多道工序中，如在将混合物倒入模具中，或者在混合物受到振动时，金刚石仍会从金属中分离出来。 

一种试图使金刚石分布均匀的方法是用基体粉末涂层将金刚石颗粒包住。各金刚石工具中金刚石颗粒的浓度是适合特定应用的，浓度决定了金刚石颗粒之间的平均距离；如果将金刚石涂成一较大的颗粒并将已涂完的颗粒混合在一起，该金刚石分布会受到涂层厚度的控制而变得均匀。另外，金属粉末可以被作为这些作为已涂颗粒的间隙填料来增加包裹的效率以使在随后的烧结中基体粉末的结合更容易。 

上述涂层的方法确有一定的益处，但实际上涂层的均匀是难以做到的，如Chen、Sung美国专利号5024680、5062865描述了一种使用液化床对金刚石颗粒进行涂层的CVD方法，美国专利第4943488和5116568描述了另一种方法液化床对复晶金刚石进行涂层的方法，然而大多数方法只能产生较薄的涂层仅几微米，而不会对金刚石的分布 产生影响，而且化学涂层的方法需要在高温下超过900度进行处理而会导致金刚石的损伤，在此温度下合成金刚石会产生微裂是众所周知的。 

台湾的宋健民博士发明了一种二维法，其设置一基体材料层，将磨料以所需的图案设置在基体材料层中，在金刚石颗粒以预定图案植入基体材料后，重复该生产过程直到形成所需数量的层，这些层被组装在一起从二维体形成所需的三维体，再结合到工具上即形成制品。 

其具体方法是：先形成一粘结基体薄层即一二维体，一模板被设置在该粘结基体上，该模板上具有多个制成容置特定尺寸的磨颗粒大小的孔，每孔设一磨粒，当磨料颗粒进入该孔时，其可以被压入或移入粘结基体中。然而，磨料颗粒是十分细小的，为40/50美国筛目锯粒，其不可能将每一粒磨料一个一个地放入到模板内，因此，这一方法不可能实现工业化。 

总之，现有技术无法有效控制工具中金刚石的均匀分布，当然更不可能在工具中不同的位置实现不同的并按人为设计要求的金刚石排列设定。 

发明内容

金刚石均匀分布/有序排列的性能： 

金刚石等磨粒的间距决定了其工作负荷，磨料颗粒不适当的间距会导致磨料表面上或结构上的过早失效，因此，如果磨料颗粒靠得太近，一些磨料颗粒就是多余的，增加了磨料的费用，同时无功能的磨粒会 堵塞岩石碎片的通道，从而降低切削效率。 

当均匀分布有序排列时，金刚石间距可根据切割对象与锯切条件不同实现最优化。经锯切后发现，有序排列锯片85％的金刚石间距2-5mm，而普通锯片该间距的比例仅为60％。金刚石含量的增加对切割载荷影响不大，但切割时间明显延长，锯片寿命与效率明显提高。