CN103506964A - 一种改进型金刚石磨料工具及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种改进型金刚石磨料工具及其制作方法，包括基体和设置在基体表面工作区的金刚石磨料，所述基体表面的工作区是设有数级台阶的台阶面，每个台阶均由竖直面和水平面组成，台阶面自工作方向逐级降低，在每个台阶的水平面上开有至少一个用于容纳金刚石磨料下部的安装槽，金刚石磨料嵌装在安装槽中并在台阶面上呈有序排布，金刚石磨料的最高端为其尖端或者棱边，位于台阶面最高部位的金刚石磨料先投入工作，在该金刚石磨料磨钝后，其余部位的金刚石磨料逐级投入工作。本发明金刚石磨料的尖端或棱边是其最高端，可使金刚石磨料达到最佳化利用，减小了磨料与加工对象的接触面积，磨削力小，加工效率高，延长了金刚石磨料工具的使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及一种改进型金刚石磨料工具，主要用于钻、切、磨加工金属、石材、混凝土、玻璃、陶瓷、水晶、硬质合金、硅片、磁性材料等材料，还涉及上述改进型金刚石磨料工具的制作方法。
背景技术
目前，金属结合剂金刚石磨料工具可分为电镀、烧结、钎焊三种类型。其中，电镀金刚石工具仅靠镀层机械包埋镶嵌金刚石磨料，在金刚石与镀层界面上没有结合强度；而烧结金刚石工具是用金属粉末与金刚石磨料颗粒混合压坯烧结制成的，在孕镶金刚石磨料与胎体材料界面上既不浸润也无结合强度。上述这两种工具的金刚石磨料在重负荷作业时都会因把持力不够而过早脱落，磨料利用率低，工具寿命短。
为解决电镀、烧结金刚石工具磨料把持强度低、过早脱落的问题，近十多年来，国内外研究用钎焊法制作金刚石磨料工具，由于金刚石磨料和熔化钎料中的活性元素如Cr、Ti等反应，该反应改善了熔化钎焊组分对磨料表面的润湿爬升能力，因此使结合剂和金刚石磨料之间兼容性增强，提升了附着粘结强度，进而解决了工具上金刚石磨料把持力不够的问题，使得钎焊金刚石工具得到了越来越广泛的应用。
目前，材料加工领域以单层钎焊金刚石工具为主，这些单层钎焊金刚石工具在使用过程中存在以下缺陷：
1、由于钎焊金刚石套料钻、锯片、磨轮、串珠粘接金刚石的面分别为套料钻基体的端面、锯片基体的外圆周面、磨轮与串珠基体的外圆柱面，这些面上的金刚石磨粒几乎同时参加切磨削加工，这些金刚石磨粒几乎同时磨钝，当磨钝后，因其与结合剂结合强度高而不易脱落，因此增大了与加工对象的接触面积，造成工具难以提供适度的压力行使有效的磨削，使得切割效率与加工质量降低，若通过减少工具表面的金刚石磨粒的数量来减小切割力、提高切割效率，将导致工具寿命大大缩短。
2、规整的金刚石磨料为六面体或八面体或十二面体，且表面多为相互平行的平面，在钎焊过程中金刚石磨料漂浮在液相钎料表层，在液相金属钎料表面张力作用下，工具表面的金刚石颗粒受拉力作用，使得金刚石磨料表面的平面平行于工具基体表面，因此在切磨削期间，按此方式定位的新磨料，其作用等同于已磨损出大平面的旧磨料，导致金刚石磨料锋利的顶尖与棱边没能得到很好地利用。金刚石磨料是金刚石磨料工具中最昂贵的组成部分，由于其锋利的顶尖与棱边没能好好利用，造成了变相浪费。
3、通过钎焊工艺制作的金刚石磨料工具各具优势，同时又各有缺陷，无法集中实现更加优异的性能。
发明内容
本发明的第一个目的在于提供一种加工效率高、可延长工具使用寿命、提高加工质量的改进型金刚石磨料工具。
本发明的第二个目的在于提供一种上述改进型金刚石磨料工具的制作方法。
本发明的第一个目的通过如下的技术方案来实现：一种改进型金刚石磨料工具，包括基体和设置在基体表面工作区的金刚石磨料，其特征在于：所述基体表面的工作区是设有数级台阶的台阶面，每个台阶均由竖直面和水平面组成，所述台阶面自工作方向逐级降低，在每个台阶的水平面上开有至少一个用于容纳金刚石磨料下部的安装槽，所述金刚石磨料嵌装在安装槽中并在台阶面上呈有序排布，所述金刚石磨料的最高端为其尖端或者棱边，使位于台阶面最高部位的金刚石磨料先投入工作，并在该金刚石磨料磨钝后，其余部位的金刚石磨料逐级投入工作。
本发明金刚石磨料的尖端或棱边是金刚石磨料的最高端，因此使金刚石磨料达到最佳化利用，处于台阶面最高部位的金刚石磨料先开始工作，随着该部位的金刚石的磨损，其余部位的金刚石磨料逐级投入工作，所以，在进行钻、切、磨加工时，减小了金刚石磨料与加工对象的接触面积，磨削力小，加工效率高，延长了金刚石磨料工具的使用寿命。
本发明所述基体表面的工作区为齿状面，每个齿均由两个平面组成，至少其中一个平面上设有数级台阶构成所述的台阶面。
为了提高金刚石磨料工具切磨削加工时的稳定性，减缓、甚至避免被加工材料的崩边现象，提高加工质量，作为本发明的一种改进，齿状面上相邻齿之间的凹谷中填充有胎体材料，位于台阶面最高部位的金刚石磨料的最高端露出胎体材料，处于台阶面最高部位的金刚石磨料先投入工作，随着其余部位的胎体材料逐步磨除使该部位的金刚石磨料逐步出露而投入工作。
本发明所述安装槽的槽内面与金刚石磨料的下部表面相适应，即所述安装槽的槽内面由多个锥形槽组成，所述锥形槽的顶角对应于金刚石磨料的尖端，所述安装槽的开放角为50～150°，优选为120°。安装槽的宽度足以使金刚石磨料立于安装槽中且使其靠在安装槽内的一侧或两侧面上，保证金刚石磨料不会发生倾斜，实现金刚石磨料的最高端为其尖端或者棱边的目的。锥形槽可由对基体化学蚀刻或电火花或机械加工的方法制作得到。
作为本发明的一种优选方式，所述安装槽的深度是金刚石磨料粒径的30%～50%。
本发明所述单个台阶的高度是金刚石磨料粒径的60%～90%。
本发明的第二个目的通过如下的技术方案来实现：一种上述改进型金刚石磨料工具的制作方法，其特征在于包括以下步骤：
⑴在基体表面的工作区加工出数级台阶形成台阶面，每个台阶均由竖直面和水平面组成，该台阶面自工作方向逐级降低；
⑵在每个台阶的水平面上加工出至少一个用于容纳金刚石磨料下部的安装槽；
⑶将金刚石磨料嵌装在安装槽中，同时使金刚石磨料的最高端为其尖端或者棱边；
⑷待所有的金刚石磨料嵌装完毕后，金刚石磨料在台阶面上呈有序排布。
本发明在所述步骤⑶中，金刚石磨料先放置在安装槽中并使金刚石磨料的最高端为其尖端或者棱边，再将金刚石磨料钎焊在安装槽内实现金刚石磨料嵌装在安装槽中。
作为本发明的一种改进，将基体表面的工作区加工成齿状面，使每个齿均由两个平面组成，在至少其中一个平面上加工出数级台阶构成所述的台阶面。
作为本发明的一种改进，完成所述步骤⑷后，在相邻齿之间的凹谷中烧结填充胎体材料，填充后，修整胎体材料以获得所需要的金刚石磨料工具形状并使位于台阶面最高部位的金刚石磨料的最高端露出胎体材料。其中，烧结工艺可以采用热压烧结工艺，也可用冷压后再真空或气体保护炉中烧结工艺。
与现有技术相比，本发明具有如下显著的效果：
⑴本发明金刚石磨料的最高端是其尖端或棱边，而且台阶面最高部位的金刚石磨料先开始工作，随着金刚石磨料的磨损，其余部位的金刚石磨料逐级投入工作，在进行钻、切、磨加工时，减小了金刚石磨料与加工对象的接触面积，磨削力小，加工效率高，延长了磨具的使用寿命，同时使金刚石磨料达到最佳化利用。
⑵位于多级台阶上的金刚石磨料逐级参加工作，且台阶的竖直面与水平面、安装槽的锥形槽面对金刚石磨料具有支撑作用，再加上采用钎焊固定金刚石磨料，使得金刚石磨料结合固定牢固，延长了工具的使用寿命。
⑶齿状面的相邻齿之间的凹谷中填充有胎体材料，可以提高工具切磨削加工时的稳定性，减缓或避免被加工材料发生崩边现象，提高了加工质量。
⑷本发明的金刚石磨料优化排布，并集钎焊与烧结两种工艺的优势为一体。
附图说明
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
图1是本发明在台阶的水平面上开设安装槽的局部示意图；
图2是本发明轴向局部剖视图之一（显示出基体表面工作区的齿状面，金刚石磨料尚未嵌装在安装槽中）；
图3是本发明轴向局部剖视图之二（金刚石磨料嵌装在安装槽中）；
图4是本发明填充胎体材料后的轴向局部剖视图；
图5是本发明对胎体材料进行修整后的轴向局部剖视图。
具体实施方式
如图1～5所示，是本发明一种改进型金刚石磨料工具，包括基体和设置在基体表面的工作区的金刚石磨料2，基体表面的工作区为齿状面，在本实施例中，图2～5显示为两个齿1，每个齿1均由两个平面组成，其中一个面为竖直平面，另一个平面上设有数级台阶3，从而构成台阶面。每个台阶3均由竖直面和水平面组成，台阶面自工作方向A逐级降低，在每个台阶的水平面上开有至少一个用于容纳金刚石磨料下部的安装槽4，金刚石磨料2由钎焊结合剂5钎焊固定在安装槽4中并在台阶面上呈有序排布，金刚石磨料2的最高端为其尖端或者棱边，使位于台阶面最高部位的金刚石磨料先投入工作，并在该金刚石磨料磨钝后，其余部位的金刚石磨料逐级投入工作。台阶的竖直面、水平面与安装槽的槽面共同支撑金刚石磨料，可使金刚石磨料结合固定牢固，延长工具的使用寿命。
安装槽4的槽内面与金刚石磨料2下部表面相适应，即安装槽4的槽内面由多个锥形槽组成，锥形槽的顶角对应于金刚石磨料的尖端，在本实施例中，安装槽4的开放角为120°。安装槽4的深度是金刚石磨料2粒径的40%。单个台阶高度H1为金刚石磨料粒径的80%。使得金刚石磨料2能够立于安装槽4中且靠在安装槽4内的一侧或两侧面上，保证了在钎焊前金刚石磨料不会发生倾斜，实现了金刚石磨料的最高端为其尖端或者棱边的目的。锥形槽可由对基体化学蚀刻或电火花或机械加工的方法制作得到。
齿状面上相邻齿1之间的凹谷7中填充有胎体材料6，位于台阶面最高部位的金刚石磨料的最高端露出胎体材料，处于台阶面最高部位的金刚石磨料先投入工作，随着其余部位的胎体材料逐步磨除使该部位的金刚石磨料逐步出露而投入工作。
一种上述改进型金刚石磨料工具的制作方法，包括以下步骤：
⑴在金刚石磨料工具基体表面的工作区加工成齿状面，使每个齿均由两个平面组成，其中一个平面是竖直面，在另一个平面上加工出数级台阶构成台阶面，每个台阶均由竖直面和水平面组成，该台阶面自工作方向A逐级降低；
⑵在每个台阶的水平面上加工出至少一个用于容纳金刚石磨料下部的安装槽4，安装槽4的槽内面与金刚石磨料2下部表面相适应，即安装槽4的槽内面由多个锥形槽组成，锥形槽的顶角对应于金刚石磨料2的尖端，安装槽的开放角为120°，安装槽4的深度是金刚石磨料2粒径的40%。单个台阶高度H1为金刚石磨料粒径的80%，锥形槽可用电火花线切割及其它加工方法一次加工出；
⑶将金刚石磨料先放置在安装槽中并使金刚石磨料的最高端为其尖端或者棱边，再将金刚石磨料钎焊在安装槽内实现金刚石磨料嵌装在安装槽中；
⑷待所有的金刚石磨料2嵌装完毕后，金刚石磨料2在台阶面上呈有序排布。完成后，在相邻齿1之间的凹谷7中烧结填充胎体材料6，烧结工艺可以采用热压烧结工艺，也可用冷压后再真空或气体保护炉中烧结工艺。填充后，修整胎体材料6以获得所需要的金刚石磨料工具形状并使位于台阶面最高部位的金刚石磨料2的最高端露出胎体材料6。修整时可用砂轮、修整笔、电火花、电解等方法修整修锐。
胎体材料为烧结用金属粉末（如Fe粉、Cu粉、Sn粉等）或钎焊合金粉（如Ni-Cr合金、Cu-Sn-Ti合金、Ag-Cu-Ti合金等）；或者胎体材料是烧结用金属粉末和钎焊合金粉按照质量比50-70%：50-30%均匀混合而成的混合物。胎体材料中还可以包含增强某性能所设计的成分，例如，添加W、WC、SiC、金刚石微粉来提高耐磨的硬材料，添加硫化钼、硫化铜、石墨、六方氮化硼作固体润滑剂的软材料，添加碳酸氢氨等作造孔材料。
本发明金刚石磨料工具可以为整体钻头、锯片、磨轮、串珠、节块、刀头、磨块及其它类型金刚石磨料工具。
本发明的实施方式不限于此，按照本发明的上述内容，利用本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，本发明安装槽的开放角为50～150°；安装槽的深度是金刚石磨料粒径的30%～50%；单个台阶的高度是金刚石磨料粒径的60%～90%；台阶的数量、齿数量、安装槽及金刚石磨料的数量可根据制作金刚石磨料工具的实际情况来确定；另外，齿两面均可以为台阶面；因此，本发明还可以做出其它多种形式的修改、替换或变更，均落在本发明权利保护范围之内。
Claims (10)
1.一种改进型金刚石磨料工具，包括基体和设置在基体表面工作区的金刚石磨料，其特征在于：所述基体表面的工作区是设有数级台阶的台阶面，每个台阶均由竖直面和水平面组成，所述台阶面自工作方向逐级降低，在每个台阶的水平面上开有至少一个用于容纳金刚石磨料下部的安装槽，所述金刚石磨料嵌装在安装槽中并在台阶面上呈有序排布，所述金刚石磨料的最高端为其尖端或者棱边，使位于台阶面最高部位的金刚石磨料先投入工作，并在该金刚石磨料磨钝后，其余部位的金刚石磨料逐级投入工作。
2.根据权利要求1所述的改进型金刚石磨料工具，其特征在于：所述基体表面的工作区为齿状面，每个齿均由两个平面组成，至少其中一个平面上设有数级台阶构成所述的台阶面。
3.根据权利要求2所述的改进型金刚石磨料工具，其特征在于：齿状面上相邻齿之间的凹谷中填充有胎体材料，位于台阶面最高部位的金刚石磨料的最高端露出胎体材料，处于台阶面最高部位的金刚石磨料先投入工作，随着其余部位的胎体材料逐步磨除使该部位的金刚石磨料逐步出露而投入工作。
4.根据权利要求1～3任一项所述的改进型金刚石磨料工具，其特征在于：所述安装槽的槽内面与金刚石磨料下部表面相适应，即所述安装槽的槽内面由多个锥形槽组成，所述锥形槽的顶角对应于金刚石磨料的尖端，所述安装槽的开放角为50～150°。
5.根据权利要求4所述的改进型金刚石磨料工具，其特征在于：所述安装槽的深度是金刚石磨料粒径的30%～50%。
6.根据权利要求5所述的改进型金刚石磨料工具，其特征在于：所述单个台阶的高度是金刚石磨料粒径的60%～90%。
7.一种权利要求1所述的改进型金刚石磨料工具的制作方法，其特征在于包括以下步骤：
⑴在基体表面的工作区加工出数级台阶形成台阶面，每个台阶均由竖直面和水平面组成，该台阶面自工作方向逐级降低；
⑵在每个台阶的水平面上加工出至少一个用于容纳金刚石磨料下部的安装槽；
⑶将金刚石磨料嵌装在安装槽中，同时使金刚石磨料的最高端为其尖端或者棱边；
⑷待所有的金刚石磨料嵌装完毕后，金刚石磨料在台阶面上呈有序排布。
8.根据权利要求7所述的改进型金刚石磨料工具的制作方法，其特征在于：在所述步骤⑶中，金刚石磨料先放置在安装槽中并使金刚石磨料的最高端为其尖端或者棱边，再将金刚石磨料钎焊在安装槽内实现金刚石磨料嵌装在安装槽中。
9.根据权利要求7或8所述的改进型金刚石磨料工具的制作方法，其特征在于：将基体表面的工作区加工成齿状面，使每个齿均由两个平面组成，在至少其中一个平面上加工出数级台阶构成所述的台阶面。
10.根据权利要求9所述的改进型金刚石磨料工具的制作方法，其特征在于：完成所述步骤⑷后，在相邻齿之间的凹谷中烧结填充胎体材料，填充后，修整胎体材料以获得所需要的金刚石磨料工具形状并使位于台阶面最高部位的金刚石磨料的最高端露出胎体材料。
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