專利名稱：一種磨料優化排布燒結金剛石工具及其制造方法
技術領域：
本發明涉及一種磨料優化排布燒結金剛石工具及其制造方法。
背景技術：
在傳統燒結金剛石工具中，金剛石磨粒在刀頭中是隨機、無序分布的，容易形成金剛石的堆積區或稀少區。在金剛石磨粒的堆積區，由于金剛石磨粒所受切削力過小而不易出刃；在金剛石磨粒稀少的區域則因為所承受的切割力過大，導致金剛石磨粒破損或脫落而失效。因此傳統的燒結金剛石工具會出現工作面上磨粒負荷與磨削過程失衡、磨粒利用率低、鋒利度與壽命相互制約、切割性能不穩定等問題。此外，在工具刀頭上對金剛石磨粒進行優化有序排布是比較困難的事情，用人工 在工具刀頭上實現金剛石的優化有序排布是可能的，但要大批量生產，實現產業化則更為困難。因此磨粒優化有序排布燒結金剛石工具的制作工藝也是極其重要的。

發明內容
針對上述問題，本發明提供一種磨料優化排布燒結金剛石工具及其制造方法，其目的是能有效解決上述如工作面上磨粒負荷與磨削過程失衡、磨粒利用率低、鋒利度與壽命相互制約、切割性能不穩定等問題，以提高工具的鋒利度與壽命，并實現產業化生產的目標。本發明的技術方案如下磨料優化排布燒結金剛石工具，包括45鋼基體、金剛石磨料以及胎體結合劑，金剛石磨料包裹在胎體結合劑內部，胎體結合劑為常規鐵基胎體合金或者銅基胎體合金(參閱《超硬材料與工具》，郭志猛等編著)。工具的刀頭結構為三層，分別是中間胎體層和兩外側胎體層，中間胎體層的金剛石磨粒是隨機、無序排列的，兩外側胎體層的金剛石磨粒是有序排列的。磨料優化排布燒結金剛石工具的制造方法，包括優化設計磨料有序排布間距的方法、磨料優化排布燒結金剛石工具的制作工藝。分別敘述如下(I)優化設計磨料有序排布間距的方法對于燒結金剛石工具本身而言，要求胎體結合劑的耐磨性與被加工材料的研磨性相匹配，胎體結合劑的磨損與金剛石磨粒的磨損相匹配。在胎體結合劑材料、磨粒種類、粒度和結合強度已定的情況下，磨料有序排布間距是決定工具綜合加工性能的最重要因素，這里的磨料有序排布間距包括金剛石磨粒排布間距、磨粒濃度、磨粒出露高度、容屑空間、夕卜側胎體層厚度等排布參數，其中金剛石磨粒排布間距和外側胎體層厚度由于直接決定了單顆磨粒的切削負荷和胎體的磨損狀況，因此它們是對工具綜合加工性能影響最大的優化參數。結合磨削加工的理論與工藝實踐，本發明為優化燒結金剛石工具的磨料有序排布間距提供了一種切實可行的方法，即物理數學建模方法，它是在若干簡化的假設前提下，按照基本的物理原則建立數學模型，并通過所建立的數學模型完成優化設計磨料有序排布間距的一種方法。以工具在加工工件材料過程中的鋒利度(S)最高、使用壽命(L)最高作為磨料有序排布間距優化的目標函數 S=S (a p, v, w, D, P, C，K, H)L=L (ap, v, w, D, P, C, K, H)式(I )并以簡化的假設[ob]，Q彡[Q]，q彡[q]，Ra 彡[Ra], N [H, Hj = l，N[os，H]=I作為主要約束條件，其中，ap、V、W、D分別為工具的切深、進給速度、角 速度和直徑，K為與工具和磨粒的幾何形狀、被加工材料的性能相關的參數，P為需要優化的磨料有序排布間距，C為磨粒的濃度，H為胎體結合劑的硬度(即耐磨性)，Hw為與被加工材料的研磨性相關的參數，σ s為與金剛石磨粒的磨損性相關的參數。此外，σ b、Q分別表示了由胎體結合劑對金剛石磨粒的把持強度和工具表面容屑空間所確定的約束條件(σ b > [ σ b]，Q > [Q]說明了胎體結合劑對金剛石磨粒的把持強度不能小于最小把持強度這個條件，否則金剛石會脫落，工具表面容屑空間不能小于最小容屑空間，否則工具的鋒利度會很差)，q、Ra分別表示了由接觸弧區平均熱流密度和工件表面粗糙度所確定的約束條件(q ( [q]，Ra ( [Ra]條件與前面類似)，而N[H，Hw]、N[ o s, H]則分別表示了由胎體結合劑的耐磨性與被加工材料的研磨性相匹配、金剛石磨粒的磨損與胎體結合劑的磨損相匹配所確定的約束條件。求解上述數學模型(I )，針對被加工材料(如各種不同硬度的花崗巖、大理石、陶瓷、玻璃、混凝土、浙青等)的性能要求在給定的加工要求和加工條件下可獲得一組包括磨粒排布間距、磨粒濃度、磨粒出露高度、容屑空間、外側胎體層厚度等主要參數的最佳磨料有序排布間距。按照最佳磨料有序排布間距制作的工具在加工工件時將具有最佳的綜合加工性能。根據所述優化設計磨料有序排布間距的方法，得出以下結果所述工具刀頭的中間層金剛石的品級要低于外側層的金剛石，所述工具刀頭的中間層金剛石的粒度要大于外側層的金剛石，所述工具刀頭的外側層厚度為O. 2mm O. 8mm，所述工具刀頭的外側層金剛石磨粒排布間距為O. 3mm 3mm，所述工具刀頭的中間層金剛石濃度為4% 25%，且其低于外側層的金剛石濃度。(2)磨料優化排布燒結金剛石工具的制作工藝如下第一步，將中間層和兩外側層的胎體粉末分別配好并混合均勻(注意在對中間層胎體粉末進行混料時需要添加金剛石磨粒，對兩外側層胎體粉末進行混料時不需要添加金剛石磨粒)，接著在成型模具中按外側層胎體粉末/中間層胎體粉末/外側層胎體粉末的順序添加并進行分層冷壓成型；第二步，按照優化了的磨粒排布間距將金剛石分布與排列做成孔模板(注意孔徑大小要合適使得每個孔僅能容納一顆金剛石磨粒)，在孔模板上撒上金剛石磨粒，保證孔模板上的每個孔里都含有金剛石磨粒，再刮去孔模板上多余的金剛石磨粒；第三步，在冷壓成型好的刀頭一側表面上噴涂一層壓敏膠，然后將刀頭放在已布好金剛石磨粒的孔模板上，使得涂有膠的刀頭表面貼合孔模板，接著在刀頭上放好蓋板，使用小型壓機對蓋板施加一定的壓力將金剛石磨粒通過孔模板上壓入刀頭胎體上，最后撤去孔模板、蓋板，取出刀頭；
第四步，重復第二步和第三步對上述刀頭的另一側排布好金剛石磨粒，然后將刀頭裝入燒結模具中，最后送入熱壓燒結爐中進行加壓燒結。作為本發明的改進，所述工具刀頭的外側層金剛石磨料的有序排布方式可以為等距分布或者等角度分布兩種方式。作為本發明的進一步改進，所述工具刀頭的中間層金剛石也可以是有序排布，且排布距離要大于刀頭的外側層金剛石。由上述對本發明的描述可知，和現有的燒結金剛石工具相比本發明的優點在于I.磨料優化排布燒結金剛石工具在切割石材過程中能形成三刃對稱扇形結構，其能減小刀頭與被加工材料的接觸面積，切割效率比普通熱壓燒結金剛石工具提高了 30%以上，并且工具刀頭在加工過程中不會偏擺，克服了現有的燒結金剛石工具刀頭切割時有較大偏擺、切割質量較差的缺點。
2.磨料優化排布燒結金剛石工具的中間層金剛石的濃度、品級低于外側層的金剛石，所述工具可以降低材料成本、減少金剛石濃度、節約了 10%以上金剛石用量。


圖I為本發明的磨料優化排布燒結金剛石工具的結構示意圖。圖2為圖I中刀頭的結構示意圖。圖3為金剛石磨料等角度分布示意圖。圖4為圖I中刀頭磨損后的三刃對稱扇形結構示意圖。基體-I、胎體結合劑-2、金剛石磨料_3、中間層胎體_4、外側層胎體-5
下面參照

本發明的
具體實施例方式同時參照圖I與圖2，鋸切635號花崗巖的Φ 125mm磨料優化排布燒結金剛石工具，包括基體I、胎體結合劑2以及金剛石磨料3，金剛石磨料3包裹在胎體結合劑2內部，工具的刀頭結構分三層，分別是中間層胎體4和外側層胎體5，中間層胎體4的金剛石磨料3是隨機、無序排列的，外側層胎體5的金剛石磨料3是有序排列的。Φ 125mm磨料優化排布燒結金剛石工具的制作流程如下第一步，針對635號花崗巖的硬度高、脆性大，研磨性較強等特點，工具胎體結合劑2選用MBD系列高強度金剛石，中間層胎體4選用的金剛石粒度為35/40，外側層胎體5選用的金剛石粒度為40/45，接著采用所述優化設計磨粒有序排布間距的方法對磨粒排布間距進行優化，獲得以下結果刀頭外側胎體層中金剛石磨粒的最佳排布間距為O. 8mm，夕卜層胎體層的最佳厚度為O. 5mm，中間胎體層的金剛石最佳濃度為12%。第二步，將中間層和兩外側層的胎體粉末分別配好并混合均勻，注意在對中間層胎體粉末進行混料時需要添加金剛石磨粒，對兩外側層胎體粉末進行混料時不需要添加金剛石磨粒，接著在成型模具中按外側層胎體粉末/中間層胎體粉末/外側層胎體粉末的順序添加并進行分層冷壓成型；第三步，按照優化了的磨粒排布間距將金剛石分布與排列做成孔模板(注意孔徑大小要合適使得每個孔僅能容納一顆金剛石磨粒)，在孔模板上撒上金剛石磨粒，保證孔模板上的每個孔里都含有金剛石磨粒，再刮去孔模板上多余的金剛石磨粒；第四步，在冷壓成型好的刀頭一側表面上噴涂一層壓敏膠，然后將刀頭放在已布好金剛石磨粒的孔模板上，使得涂有膠的刀頭表面貼合孔模板，接著在刀頭上放好蓋板，使用小型壓機對蓋板施加壓力將金剛石磨粒通過孔模板上壓入刀頭胎體上，最后撤去孔模板、蓋板，取出刀頭；第五步，重復第二步和第三步對上述刀頭的另一側排布好金剛石磨粒，然后將刀頭裝入燒結模具中，最后送入熱壓燒結爐中進行加壓燒結。根據本發明的制作工藝和要求制成的Φ125_磨料優化排布燒結金剛石工具在加工過程中能形成三刃對稱扇形結構(參閱圖4)，其能減小刀頭與被加工材料的接觸面積，切割效率比普通熱壓燒結金剛石工具提高了 50%，并降低了材料成本、節約了 10%的金剛石用量，且工具刀頭在加工過程中不會偏擺。 上述僅為本發明的具體實施方式
，但本發明的設計構思并不局限于此，凡利用此構思對本發明進行非實質性的改動，均應屬于侵犯本發明保護范圍的行為。
權利要求
1.一種磨料優化排布燒結金剛石工具，包括鋼基體、金剛石磨粒以及胎體結合劑，其特征在于所述金剛石磨粒包裹在胎體結合劑內部，所述胎體結合劑為鐵基胎體合金或者銅基胎體合金，所述工具的刀頭結構為三層，分別是中間胎體層和兩外側胎體層，所述中間胎體層的金剛石磨粒是隨機、無序排列的，所述兩外側胎體層的金剛石磨粒是有序排列的。
2.如權利要求I所述的磨料優化排布燒結金剛石工具，其特征在于，所述優化設計磨料有序排布間距的方法為物理數學建模方法，即以工具在加工工件材料過程中的鋒利度S最聞、使用壽命L最聞作為磨料有序排布間距優化的目標函數 S=S (ap, v, w, D, P, C，K, H) L=L (ap, v, w, D, P, C，K, H) 并以 ob ≥[ob]，Q ≥[Q]，q ≥[q]，Ra ≥[Ra], N [H, Hj = l，N[os，Hw] = I 作為主要約束條件，求解上述數學模型，針對被加工材料的性質要求在給定的加工要求和加工條件下可獲得一組包括磨粒排布間距、磨粒濃度、磨粒出露高度、容屑空間、外側胎體層厚度等主要參數的最佳磨料有序排布間距；所述磨料優化排布燒結金剛石工具的制作工藝如下 第一步，將中間層和兩外側層的胎體粉末分別配好并混合均勻，接著在成型模具中按外側層胎體粉末/中間層胎體粉末/外側層胎體粉末的順序添加并分層冷壓成型； 第二步，按照優化了的磨粒排布間距將金剛石分布與排列做成孔模板，在孔模板上撒上金剛石磨粒，保證孔模板上的每個孔里都含有金剛石磨粒，再刮去孔模板上多余的金剛石磨粒； 第三步，在冷壓成型好的刀頭一側表面上噴涂一層壓敏膠，然后將刀頭放在已布好金剛石磨粒的孔模板上，使得涂有膠的刀頭表面貼合孔模板，接著在刀頭上放好蓋板，使用小型壓機對蓋板施加壓力將金剛石磨粒通過孔模板上壓入刀頭胎體上，最后撤去孔模板、蓋板，取出刀頭； 第四步，重復第二步和第三步，對上述刀頭的另一側排布好金剛石磨粒，然后將刀頭裝入燒結模具中，最后送入熱壓燒結爐中進行加壓燒結。
3.如權利要求I或2所述的磨料優化排布燒結金剛石工具，其特征在于，所述工具刀頭的外側層厚度為O. 2 O. 8mm，工具刀頭的外側層金剛石磨粒的有序排布方式可以為等距分布或者等角度分布兩種方式，外側層金剛石磨粒有序排布距離為O. 3 3mm，所述工具刀頭的中間胎體層金剛石濃度為4% 25%，且其低于兩外側胎體層的金剛石濃度，所述工具刀頭的中間胎體層金剛石的品級要低于兩外側胎體層的金剛石，中間胎體層金剛石的粒度要大于外側層的金剛石。
4.如權利要求2所述的磨料優化排布燒結金剛石工具第二步孔模板的孔徑大小符合每個孔僅能容納一顆金剛石磨粒。
全文摘要
本發明公開了一種磨料優化排布燒結金剛石工具及其制造方法，所述工具的刀頭結構為三層，分別是中間胎體層和兩外側胎體層，所述工具包括鋼基體、磨粒以及胎體結合劑，所述磨粒包裹在胎體結合劑內部，所述中間胎體層的金剛石磨粒是隨機、無序排列的，所述兩外側胎體層的磨粒是有序排列的。所述磨料優化排布燒結金剛石工具的制造方法，包括優化設計磨料有序排布間距的方法和磨料優化排布燒結金剛石工具的制作工藝。本發明提供的磨料優化排布燒結金剛石工具能減小刀頭與被加工材料的接觸面積，切割效率比普通熱壓燒結金剛石工具提高30%以上，并降低了材料成本、節約10%以上金剛石用量，且工具刀頭在加工過程中不會偏擺。
文檔編號B24D18/00GK102814746SQ20121023655
公開日2012年12月12日 申請日期2012年7月9日 優先權日2012年7月9日
發明者肖冰, 段端志, 王波, 張子煜 申請人:南京航空航天大學