研磨元件的高能滚转的制作方法

专利名称：研磨元件的高能滚转的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及研磨元件，尤其涉及研磨元件的高能滚转(high-energycascading)。
背景技术：
研磨元件，如碳化钨，广泛应用于要求具有高硬度和韧度品质的领域。这些领域包括钻削，粘结磨削插件在众多钻头上使用，甚至在弹道武器上使用，其中粘结研磨头用在穿甲弹上。
通常，研磨元件是通过将研磨材料颗粒，如碳化钨，与黏合材料，如钴，进行结合以形成复合材料而形成的。将该复合材料压制成所需的形状，然后加热，有时在压力下加热，以使黏合材料液化并将研磨材料颗粒粘结在一起。然后将经过粘结的研磨元件冷却并打磨成形。也可以对该元件进行低能滚转或翻滚处理以提高元件的表面精整度。通常，这种工艺包括在液体和研磨材料或者清洁剂的混合物中将该元件和其他元件一起翻滚。一些工艺利用碾磨球代替、或添加到研磨材料或清洁剂。
与低能滚转相反，高能滚转很少在工业中应用，比如精整已粘结的研磨元件。相反，大多数高能滚转仅限于抛光各种物体，如牙齿移植，并且仅用于提高物体的表面光洁度，而不改变它的物理属性。

发明内容
本发明提供了一种制造碳化钨元件的方法。该方法包括用碳化钨粉末和黏合粉末形成一种复合材料，将该复合材料压制成多个元件，加热这些元件，使黏合剂液化，冷却元件直到黏合剂凝固，任选的，将每个元件打磨至所需的尺寸，并在高能滚转机中滚转该多个元件。
本发明优选实施方案的技术优势包括它是一种滚转碳化钨元件方法，其提高了元件表面附近硬度和韧度。该方法防止或减少了元件的破裂、裂纹及/或破碎并增加了耐磨性。
本发明优选实施方案的另一个技术优势为它是一种滚转碳化钨元件方法，其提高了元件表面的光洁度，并减少元件表面的粗糙度。这种光面精整降低了元件表面应力集中的可能性。
本发明优选实施方案的另一个技术优势为它是一种滚转碳化钨元件方法，其不是均匀的提高元件表面硬度，插件的硬度剖面是朝向插件表面逐步提高的。
本发明优选实施方案的另一个技术优势为它是一种滚转碳化钨元件方法，其能揭示插件的内在缺陷，如表面以下的孔穴及裂缝，这些是以前依靠视觉检测技术是很难或者不可能发现的。
对所属领域的技术人员来说，根据下文的附图、描述及权利要求，其他的技术优势也是很明显的。此外，虽然前文列举了独特优势，但是不同的实施方案可以包括全部、某些或者不包括前文所列举的优势。


为了更全面地理解本发明及其优点，下面的描述结合附图作为参考，其中图1为根据本发明的一个优选实施方案，在高能滚转工艺中使用的滚转机的等轴视图；图2为图1所示滚转机轴的等轴视图；图3为图1所示滚转机滚筒和托架的等轴视图；图4A为根据本发明的一个优选实施方案，放置在用于滚转机中的滚筒中以减少该滚筒内部容量的衬垫的俯视图；图4B为图4A所示衬垫的剖视图；图4C为图4A和图4B所示衬垫的仰视图；图5为根据本发明的一个优选实施方案形成和修整碳化钨元件方法的流程图；图6根据本发明的一个优选实施方案的低能滚转工艺的流程图；和图7根据本发明的一个优选实施方案的高能滚转工艺的流程图。
具体实施例方式
图1描述了根据本发明的一个优选实施方案所述的滚转机100。滚转机100是一种可以用于高能工艺以进行滚转，或者翻滚研磨元件，以增加元件的刚性和韧度的滚转机。例如高能滚转机包括离心转筒抛光机，如Surveyor D′ArtsWizard Model 4。在滚转机100内部，在使元件的表面塑性变形的力下使研磨元件相互反复碰撞，并在元件的表面产生残余压应力。该过程通过下列步骤完成将该元件置入多个滚筒中，将滚筒置入滚转机100的主轴上，(其可以是皮带驱动、链条驱动或者直接驱动)，并在高能条件中滚转这些滚筒。该工艺产生的压应力通过增加使元件破裂或变形所必需的极限压力来增加元件的硬度和韧度。更高的极限可以防止或减少了元件破裂、裂纹及/或破碎的可能性。此外，表面硬度的增加也使得元件的耐磨性增加。
图2更详细的描述了主轴200，通过参考图2，可以更好的理解滚转机100的内部运作。
如图2所示，主轴200包括第一板202和第二板204，两者一般相互平行的布置，并且彼此间隔。
在第一板202和第二板204之间，放射状的布置有一些六边形的托架220。如图2所示，显示了四只托架220。但是，所属领域的技术人员也可以使用其他数量的托架，优选的是托架的安置使主轴200均衡旋转。此外，还要认识到托架220可选择除六边形之外其他形状，并仍落入本发明教导的范围内。
如图3所示，每个托架220为近似六边形，并配置成能够容纳一个六边形滚筒206。一旦将滚筒置入托架220，用螺栓224将六边形的滚筒206固定在适当位置上以将滚筒206刚性连接至板夹222。为方便将滚筒206置入托架220，每个滚筒206包括至少一个把手226。此外，应当认识到，滚筒206，如同托架220，没有必要是六边形的，可以选择除六边形之外的其他形状，并仍落入本发明教导的范围内。
可以选择每个滚筒206的容量以控制在高能滚转工艺中元件所接受到的能量。因此，根据特定应用(如，进行滚转元件的材料级别，大小，密度，几何形状，和所需的光洁度)，在滚转过程中滚筒206的大小可以进行调整，以产生元件所需要的能量水平。在本发明的优选实施方案中，一个调整滚筒206容量的方法是利用嵌入体或者衬垫，置入滚筒206内部，将内部容量减少到所需的尺寸。关于滚筒的尺寸，可以根据具体应用、并同时考虑进行滚转元件的大小，密度，数量和所需的光洁度来选择衬垫的大小。图4A-4C介绍了这样一个衬垫的实例。
如图4A所示，衬垫400近似一个六边形，衬垫的每一侧面与邻近的侧面形成一个角度θ。通常，该θ角大约60度。在本发明的优选实施方案中，衬垫400的纵轴402与边缘404的中点的距离，即距离A，大约是3.475英寸。衬垫400的纵轴402与每个内侧面406的中点的距离，即距离B，大约2.857英寸。由此得出相对的内侧面406之间的距离，以尺度C表示，大约5.715英寸。
图4B显示的是衬垫400剖面图。如图4B所示，衬垫400纵高D和纵深E。在本发明的优选实施方案中，高度D大约为7.950英寸，深度E大约为7.450英寸。边缘404高度F大约为0.450英寸。
图4C显示的是衬垫400的仰视图。如图4C(同时在图4A)所示，衬垫400的纵轴402与边缘404的中点的距离，即距离A，大约是3.475英寸。由此得出，衬垫400的总宽度K为6.950英寸。纵轴402与衬垫400的每一个外侧面408中点的距离用尺度L表示。在本发明的优选实施方案中，尺度L大约为2.975英寸，由此可得，相对的外侧面408之间的总距离，以尺度J表示，大约为5.950英寸。因此，在所述实施方案中，边缘404在衬垫400每一边上大约伸展0.500英寸。
但是，有一点应当明确，提供这些尺寸只是用于图解目的，不限定本发明的范围。所属领域的普通技术人员应当认识到，衬垫400可以是其他尺寸，并仍落入本发明所教导的范围内。
再参考图2，为防止损坏主轴200或者高能滚转机100，将多个托架220相等间隔的布置在轴210的周围。因此，图2所显示实施方案，在轴的210的另一边，四只托架220中的每一只都有置于其对面的另一托架220。但是，应当认识到，在本发明教导的范围内可以使用不对称朝向的托架220，提供不会不均衡旋转的主轴200以及不会损坏高能滚转机100。
如图2所示，沿着托架的纵轴208将每只托架220都轴向固定在盘202和204上。因此，当主轴200围绕着它的纵轴210旋转时，托架/滚筒的运动对于轴210来说是不旋转的。相反，当主轴200围绕着它的纵轴210旋转时，滚筒220围绕轴210平移，但是仍保持着它们通常的竖直方向(即，托架相对于它们各自的纵轴208来说并不旋转)。这种运动产生滚转效应，不同于在弗累斯大转轮中见到的效应。
在本发明优选实施方案中的高能环境下，滚转机100可以在大约100至超过300转/分钟的主轴转速下运行。可以根据滚转个体元件的质量在该速度范围中选择精确的速度，以使滚筒中元件的动能最大而不会损坏元件。较小质量的元件以较快主轴转速进行滚转，而较大质量的元件以较小主轴转速进行滚转。记住这些，根据所要进行滚转元件的材料等级，大小，密度，几何形状及所需的光洁度来改变高能工艺中的理想时间和理想速度。
通过在一个高能滚转机，如滚转机100中滚转研磨元件，本发明的优选实施方案具有增加元件韧度或者抗碎性的能力。例如，本发明的优选实施方案可以大幅增加经过滚转元件的硬度和韧度，在某些情况下，可以将碳化钨元件表面附近硬度增加0.4至1.6HRa。在某些情况下，表面附近硬度的增加可以达到2.0HRa，尽管在达到这个增加幅度之前一些元件的边缘会发生破碎。同样，韧度比未经处理的值提高2至2.5倍。这是因为滚筒206内元件的滚转运动和托架200的高速旋转造成滚筒内元件之间大量激烈碰撞。这些激烈碰撞导致元件表面附近的黏合剂发生塑性变形，沿元件表面产生残余压应力。每个元件表面的残余压应力增加了元件破裂所需要的极限压力，从而增加了元件的韧度。基于同种原因，由于高能滚转而产生的剩余压应力也增加了元件的表面硬度，或抗变形能力。此外，实际上滚转工艺促进了元件轮廓硬度的提高，意味着元件表面硬度比中心硬度要大。
在本发明的优选实施方案中，高能滚转也有助于改进元件的表面抛光，消除毛刺和其他可能导致产生元件表面应力集中的粗糙源。此外，高能滚转导致元件边缘半径的增加和模糊。
高能滚转工艺优选实施方案中的另一个好处是能够识别内在的、表皮下的缺陷，在以前这些缺陷用一般的视觉检测工具是很难或者不可能被检测到的。这些缺陷的例子包括在进行滚转以前很难发现的表面以下的空穴和表面裂纹。通过将元件进行高能滚转，这些缺陷会被放大，以使它们在预期应用中使用元件之前能被识别，可以节省在以后更换元件的时间和金钱。
当然，用高能滚转工艺加工元件，以对元件表面进行塑性变形，也可能导致元件直径发生小的变化。例如，本发明的优选实施方案可能导致碳化钨元件的直径产生总计0.00020-0.00040英寸的变化(0.00010-0.00020英寸每边)。因此，在进行滚转工艺之前打磨元件时应考虑到此种可能的尺寸缩减。对于在公差极小的设备中使用的元件，如用在旋转锥形钻头中的碳化钨插件，这一点尤为重要。
图5显示了本发明优选实施方案，形成和修整碳化钨元件方法的流程图。如前文所讨论的，碳化钨元件实际上是包含碳化钨和黏合材料，如钴，的复合材料。因此，在开始运行方块501之后，碳化钨粉末，石蜡一类的润滑剂和黏合剂粉末在方块502过程被结合形成一种复合材料。
然后，在方块503中，将碳化物/黏合剂混合物压制成所需元件的形状。碳化物/黏合剂混合物表面张力可以让元件在此工艺阶段保持所需的形状。
然后，在方块504中，加热元件以液化黏合剂。在本发明的优选实施方案中，该过程也可以在一定压力下通过在一个同时是压力容器的炉子中加热元件进行操作。在该过程中，加热元件以使黏合剂完全浸湿碳化钨颗粒，同时需要额外的气压以帮助消除元件内可能存在的任何孔穴。因此，应认识到，在加热过程中，“加热”元件也包括粘结元件，即在加热期间，粘接以及碳化钨或其他研磨材料与黏合剂如钴，的充分浓缩过程。许多方法可用于粘结元件，包括氢粘结，真空粘结，真空和均热结合粘结，高压或低压粘结，和真空预粘结。
加热之后，在方块505中冷却碳化钨元件。该过程使黏合剂凝固，与碳化钨颗粒形成冶金结合，产生粘结碳。
一旦元件冷却下来，元件可以在方块506中磨制大小。通常，用无心金刚石打磨机打磨元件尺寸，但是应认识到，也可以使用其他打磨工艺。
在方块506过程打磨尺寸之后，元件即可以在方块507过程，然后可选择的，通过低能工艺进行滚转，以清除锋利的边缘，提高元件的表面光洁度。图6显示了该工艺的一个实例。
然后，元件在方块508中通过高能工艺进行滚转。该工艺以高速(如，接近100-300RPM)在短时间内(如，大约10-90分钟)运行。
虽然上述方法列举的研磨和滚转元件的步骤是按照特定的次序进行的，但是应当认识到，这些步骤可以互换，并仍在本发明的申请范围内。此外，一个工艺可以完全不需要研磨和低能滚转的步骤，并仍落入本发明教导范围内。
此外，虽然上述方法描述了制造碳化钨元件的工艺，但是应当认识到，该工艺不限于碳化钨元件，而是可以包括制造其他粘结研磨元件，在制造过程中，研磨颗粒通过钴，镍，铁合金，及/或上述物质的化合物等黏合剂结合成一体。因此，本发明的申请范围扩展至多晶金刚石(PCD)及其他粘结研磨元件和碳化钨元件。
同样，应当认识到，该工艺在操作过程中，速度可以高于300RPM，或者时间可以少于10分钟，并且并仍落入本发明教导范围内。例如，直径5/8英寸，粘结碳化钨/钻(颗粒尺寸5至6微米，10％的钴)插件，在以200RPM的速度，经过少至10分钟的低能滚转和20分钟的高能滚转之后，其硬度和韧度会显著增加。
通过在高能环境下滚转元件，元件的硬度和韧度都可以得到增加。高能滚转有助于提高元件的表面光洁度，消除或减少表面的粗糙程度。高能滚转也有助于显示元件中诸如孔穴/或裂缝等内在缺陷，这些缺陷以前用一般的视觉检测工具可能不会发现。此外，高能滚转工艺也增加了元件的表面硬度，以使离元件表面越近，元件表面的硬度越增加。图7显示了这样一种高能滚转工艺的实例。高能滚转完成后，在方块509流程图结束。
如上所述，图6显示了一个低能滚转工艺的流程图，该工艺可以作为本发明优选实施方案中高能滚转工艺的前置工艺。本发明的优选实施方案并末涉及单独的低能滚转工艺，但是应当认识到，低能滚转工艺可以先于或者紧接着本发明的高能滚转工艺，并且仍落入本发明教导范围内。
工艺以方块601开始之后，在方块602中，将要“切割”的元件装入滚转机的滚筒中。将元件置入每个滚筒直到滚筒满至大约40％。然后，在方块603将切割的研磨剂加入滚筒直到每只滚筒的顶部只保留大约2英寸的空隙。该空隙确保了滚筒不会装过多的元件和研磨剂，如过多会抑制滚转工艺。然后，在方块604，将水加入每个滚筒，直到水位到达研磨剂的平面。
将元件，研磨剂和水装入多个滚筒，在方块605密封每个滚筒，并在方块606，将滚筒置入滚转的主轴的托架中。为防止对滚转机造成损坏，这些滚筒应被均衡的置入机器的托架。因此，每只滚筒在主轴对应的托架内有一只相同重量的滚筒运转。如果没有此种同样重量的滚筒，一只装有压载物的滚筒可以取代它的位置进行运行。
将滚筒置入主轴之后，在方块607中，滚转机在低能环境下运作，此阶段被称为″切割期″。这有助于消除元件上的锋利边缘，改进元件的表面抛光。切割期的典型运行环境的实例包括以200RPM的速度，滚转元件20分钟。
切割期完成之后，在方块608从托架中取出滚筒，在方块609，取出内部的填充物。在从滚筒里取出填充物时，要小心的打开滚筒，因为即使是在低能环境下，在滚筒里也积聚了相当多的热量和压力。
然后，在方块610将滚筒里的填充物分类。该阶段可以用分类盘或振动筛进行，让研磨剂通过盘子或筛子，而将元件收集起来。将元件和研磨剂分开之后，元件和研磨剂都要(分别)用冷流水清洗。清洗元件有助于清除残留的研磨剂，清洗和保留的研磨剂则可以多次在滚转过程中重复使用。
在低能滚转工艺完成后，研磨元件即可以进入高能滚转工艺，图7显示了这个过程。
图7显示了本发明优选实施方案中高能滚转工艺的流程图。
高能滚转工艺在方块701开始。在方块701工艺开始之后，在方块702中，将要滚转的元件置入滚转机的滚筒中。将元件装入到每个滚筒直到滚筒满至约40％。然后在方块703，将水加入滚筒中，直到每只滚筒的顶部只保留大约2英寸的空隙。然后在方块705密封滚筒之前，在方块704中，在每只滚筒中加入少量清洁剂或液体(如，大约1盎司)。
滚筒装满和密封之后，在方块706置入并固定在滚转机的托架中。正如上文有关低能滚转工艺的描述，为防止对滚转机造成损坏，这些滚筒应均衡的置入机器。因此，每只滚筒在主轴对应的托架内运行有一只相同重量的滚筒。如果没有此种同样重量的滚筒，一只装有压载物的滚筒可以取代它的位置进行运行。
将滚筒置入主轴之后，在方块707中，滚转机在高能环境下运行。在该高能环境下，根据单个元件的质量，如同前述，滚转机通常以大约100至300RPM的主轴转速运行大约10至90分钟。这导致元件之间相互(及与滚筒的内面)碰撞，如同前述，在这种力量的作用下，使元件的表面塑性变形，从而在元件表面产生残余压应力。
滚转完成之后，在方块708中，从托架中取出滚筒，在方块709中，取出填充物。与低能工艺相同，在打开滚筒时要小心，因为在滚转过程中，滚筒里产生了相当多的热量和压力。
然后在方块710用洁净的流水清洗元件，以清除滚转过程中可能积累在元件上的任何残渣，然后在方块711中进行干燥，在方块712中结束该工艺。
虽然本发明方法和设备的优选实施方案已在附图中进行了阐明并在前文的详细描述中进行了说明，但是应当理解，本发明并不限于实施方案披露的内容，而是能够在不违背本发明实质的情况下进行众多的重新组合，修改及置换，在下文的权利要求中限定了本发明。
权利要求
1.一种制造粘结碳化钨元件的方法，包括用碳化钨粉末和黏合剂粉末形成一种复合材料；将复合材料压制成多个元件；在压力下加热该多个元件，使黏合剂液化；冷却该多个元件，直到黏合剂凝固；并在高能条件下用滚转机滚转该多个元件。
2.如权利要求1的方法，其中，滚转机以约100至300转/分的主轴转速运行。
3.如权利要求2的方法，其中，根据该多个元件的平均质量选择主轴转速。
4.如权利要求1的方法，其中，对该多个元件滚转约10至90分钟。
5.如权利要求1的方法，其中，滚转机包括多个围绕主轴呈放射状布置的多个滚筒，每只滚筒都配置了至少一小部分的该多个元件。
6.如权利要求5的方法，其中，每一只滚筒都是绕与主轴中心轴线平行的滚筒轴线轴向地、不旋转地受到连接。
7.如权利要求5的方法，其中，该多个滚筒包括六边形滚筒。
8.如权利要求5的方法，进一步包括选择每只滚筒的容量，以控制施加给滚筒中多个元件的能量。
9.如权利要求5的方法，其中，滚转多个元件包括将多个元件置于多个滚筒中，用液体和清洁剂填充滚筒，并且高速滚转该多个滚筒。
10.如权利要求1的方法，进一步包括把每一个元件打磨至所需的尺寸。
11.如权利要求1的方法，进一步包括在高能条件下用滚转机滚转多个元件之前，在低能条件下用滚转机滚转该多个元件。
12.如权利要求1的方法，进一步包括根据该多个元件的材料等级，尺寸和几何形状选择滚转机的滚转时间和主轴转速。
13.如权利要求1的方法，其中，黏合剂为钴。
14.如权利要求1的方法，其中，对多个元件进行滚转直到其硬度和韧度大幅增加。
15.如权利要求1的方法，其中，加热该多个元件以液化黏合剂，包括在压力下加热该多个元件以液化黏合剂。
16.一种增加粘结碳化钨元件表面硬度的方法，包括在高能条件下用滚转机滚转多个碳化钨元件。
17.如权利要求16的方法，其中，滚转机以约100至300转/分的主轴转速运行。
18.如权利要求17的方法，其中，根据多个元件的平均质量选择主轴转速。
19.如权利要求16的方法，其中，进一步包括根据多个元件的材料等级，尺寸和几何形状选择滚转机的主轴转速。
20.如权利要求16的方法，其中，对多个元件滚转约10至90分钟
21.如权利要求16的方法，其中，滚转机包括多个围绕主轴呈放射状布置的多个滚筒，每只滚筒者配置了至少一小部分的该多个元件。
22.如权利要求21的方法，进一步包括选择每只滚筒的容量，以控制施加给滚筒中多个元件的能量。
23.如权利要求21的方法，其中，每一只滚筒都是绕与主轴中心轴线平行的滚筒轴线轴向地、不旋转地受到连接。
24.如权利要求21的方法，其中，该多个滚筒包括六边形滚筒。
25.如权利要求21的方法，其中，滚转多个元件包括将多个元件置于多个滚筒中，用液体和清洁剂填充该多个滚筒，并且高速滚转滚筒。
26.如权利要求16的方法，进一步包括在高能条件下用滚转机滚转多个元件之前，在低能条件下用滚转机滚转多个元件。
27.如权利要求16的方法，其中，对多个元件进行滚转直到其硬度和韧性大幅增加。
28.一种提高粘结碳化钨元件表面韧度的方法，包括在高能条件下用滚转机滚转多个碳化钨元件。
29.如权利要求28的方法，其中，滚转机以约100至300转/分的主轴转速运行。
30.如权利要求29的方法，其中，根据多个元件的平均质量选择主轴转速。
31.如权利要求28的方法，进一步包括根据多个元件的材料等级，尺寸和几何形状选择滚转机的主轴转速。
32.如权利要求28的方法，其中，对多个元件滚转约10至90分钟。
33.如权利要求28的方法，其中，滚转机包括多个围绕主轴呈放射状布置的多个滚筒，每只滚筒都配置了至少一小部分的该多个元件。
34.如权利要求33的方法，进一步包括选择每只滚筒的容量，以控制施加给滚筒内多个元件的能量。
35.如权利要求33的方法，其中，每一只滚筒都是绕与主轴中心轴线平行的滚筒轴线轴向地、不旋转地受到连接。
36.如权利要求33的方法，其中，该多个滚筒包括六边形滚筒。
37.如权利要求33的方法，其中，滚转多个元件包括将多个元件置于多个滚筒中，用液体和清洁剂填充该多个滚筒，并且高速滚转该多个滚筒。
38.如权利要求28的方法，其中，进一步包括在高能条件下用滚转机滚转多个元件之前，在低能条件下用滚转机滚转该多个元件。
39.如权利要求28的方法，其中，对多个元件进行滚转直到其硬度和韧度大幅增加。
40.一种增加粘结研磨剂元件表面硬度的方法，包括在高能条件下用滚转机滚转多个粘结研磨剂元件。
41.如权利要求40的方法，其中，粘结研磨剂元件包括碳化钨元件。
42.如权利要求40的方法，其中，该多个粘结研磨剂元件包括多晶金刚石(PCD)元件。
全文摘要
本发明提供了一种制造碳化钨元件的方法，该方法包括用碳化钨粉末和黏合剂粉末形成一种复合材料，将该复合材料压缩成多个元件，任选的，在压力下加热这些多个元件以液化黏合剂，冷却该多个元件直到黏合剂凝固，任选的，打磨每个多个元件至所需的尺寸，然后在高能环境下在滚转机中滚转该多个元件。
文档编号B24B31/02GK1890393SQ200480032147
公开日2007年1月3日 申请日期2004年9月9日 优先权日2003年9月9日
发明者A·W·赖尼, J·F·基塔 申请人:瓦雷尔获取物有限公司