专利名称：多层刀片及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种多层刀片，在这种刀片中，磨粒尺寸大小在部分与部分之间是不同的，这些刀片可以有效地用来切割陶瓷、金属或者合成物的材料，或者执行槽的机加工，本发明还涉及它的制造方法。
在传统的多层刀片中，在中心磨粒层的两侧中的每一个上，该中心磨粒层具有优质的磨粒材料，而这种材料具有较大的颗粒直径并且被分散到镀金属相(metal plating phase)内，所形成的外部磨粒层具有优质的磨粒材料，该材料具有较小的颗粒直径并且被分散到镀金属相内。由于具有较小颗粒直径的优质磨粒材料的平均颗粒直径是具有较大颗粒直径的优质磨粒材料直径的一半或者更小，因此可以得到下面这些优点(a)由于工件主要通过具有较大颗粒直径的优质磨粒材料来进行切割，因此可以改善锐度和研磨速度；(b)由于工件的横截面通过具有较小颗粒直径的优质磨粒材料来进行研磨，因此可以减少琢毛和破裂，并且因此提高了研磨横截面的平面精确度；及(c)由于刀片端部的横截面随着研磨工作的时间而被磨损进而形成了凸形，因此可以防止刀片的前边缘振动，因此可以进行直接研磨。
但是，由于这种多层刀片通过电铸方法来形成，因此可以只选择镀金属(镀镍)层作为粘合磨粒材料的粘合剂，因此具有这样的严重问题不能根据刀片的应用而有选择地使用最佳粘合剂。除了上述问题之外，还难以改变磨粒材料的含量(浓度)，因此难以提高刀片的刚性、耐磨性和使用寿命。
此外，当通过电铸方法来制造部分与部分之间的磨粒尺寸大小不相同的多层刀片从而改变磨粒尺寸大小时，通过电铸方法来处理的刀片一定得输送到不同的电铸槽中。在输送期间，由于一定得停止电铸，并且因此而处理过的刀片被露出到空气中，故在因此而制造出的多层刀片在较大负荷情况下进行使用的一些情况下可以产生分层，因此必须考虑一些方法来克服上述问题。
本发明的另一个目的是提供一种可以制造多层刀片的方法，该多层刀片具有适合用于刀片应用的最佳性能。在上述方法中，多层刀片中的每一层内所含有的磨粒材料的含量(浓度)容易改变，并且，例如与多层刀片的每一层的厚度调节相结合，可以得到足以符合要切割的工件的性能的刚性、耐磨性和使用寿命。
此外，本发明的另一个目的是提供一种多层刀片和它的制造方法，这种刀片解决了分层问题。在具有多层结构的刀片通过电铸方法来形成的一些情况下，可以产生上述分层，因此在该结构中所具有的磨粒的尺寸从部分到部分之间不相同。
用来解决上述问题的、本发明的多层刀片通过包括这些步骤的方法来制造通过使金刚石和/或cBN磨粒材料中的每一种与粉末粘合剂进行混合来形成生片(green sheet)，其中这些磨粒材料具有若干种磨粒尺寸；形成具有倾斜结构的叠片(laminate)，这种结构由一些生片形成，在该叠片中，具有粗的磨粒材料的生片被设置在中心面上，而含有精细的磨粒材料的一些生片设置在两个前表面侧上；及借助压力烧结或者焙烧(firing)该叠片来形成具有多层结构的、模制的刀片体，在该刀片体中，由这些生片形成的、圆形的磨粒薄膜成一体地相互接合起来。
作为上述多层刀片的优选实施例，通过下面方法来形成三层模制的刀片体把含有粗的磨粒材料的生片设置在中心面上，并且把具有精细的磨粒材料的一些生片层压在这两个表面上，其中它们的颗粒尺寸相互相等。此外，上述精细磨粒材料中的每一种的平均颗粒直径最好是粗磨粒材料的平均颗粒直径的一半或者更小。
此外，具有若干磨粒尺寸大小的磨粒材料中的每一种的混合比相对于粘合剂通常设置在从5至50体积百分比的范围内。
此外，根据本发明，用来制造多层刀片的方法包括这些步骤通过使金刚石和/或cBN磨粒材料中的每一种与粉末粘合剂进行混合来形成生片，其中这些磨粒材料具有若干种磨粒尺寸大小；形成具有倾斜结构的叠片，这种结构由一些生片形成，在该叠片中，具有粗的磨粒材料的生片被设置在中心面上，而具有精细的磨粒材料的一些生片设置在两个前表面侧上；及，通过把叠片填充在模子中并且借助压力烧结或者焙烧该叠片来形成具有多层结构的、模制的刀片体，在该刀片体中，由这些生片形成的、圆形的磨粒薄膜成一体地相互接合起来。
作为多层刀片的上述制造方法的优选实施例，通过下面方法来形成第一和第二粉末状混合物使相互具有不同磨粒尺寸大小的两种磨粒材料中的每一种的5至50体积百分比与粉末粘合剂进行混合，三层叠片通过下面方法来形成把具有粗的磨粒材料的第一生片设置在中心面上，并且把每个都具有精细磨粒材料的一些第二生片设置在第一生片的两个表面上，这些生片通过粉末混合物的压力模制来得到，并且通过压力烧结或者焙烧该叠片来得到三层模制的刀片体。
在上述多层刀片的制造方法中，通常优选地用作粘合剂的包括金属；树脂；金属和树脂的混合物；金属氧化物；刚性相，它由混合物形成，该混合物具有碳化物、氮化物、硼化物和它们的复合物中的至少一种，每种复合物具有周期表中的IVa、Va或者VIa组的过渡金属；或者硬质合金，它由金属结合相组成，该金属结合相含有Fe、Co、Ni、Cu、Ti和Cr中的至少一种。此外，上述刀片的叠片通常通过下面方法来处理在150℃至1300℃的温度下进行压力烧结或者焙烧，同时在10至5000kg/cm2的压力下进行压缩。
根据具有上述结构的、本发明的多层刀片和它的制造方法，由于多层刀片通过绕结相互层压在一起的生片来制造，这种方式不同于传统的电铸方法，因此根据刀片应用的最佳粘合剂可以从能够用来进行烧结或者焙烧的各种各样材料中进行自由选择。尤其地，通过使用硬质合金或者具有高强的其它硬材料，尽管较薄，但是多层刀片具有较高的刚性、耐磨性和使用寿命。此外，通过使用树脂，可以得到具有较小弹性模数的刀片。
此外，当部分与部分之间的磨粒尺寸大小不相同的多层刀片通过简单只改变磨粒材料与粉末粘合剂的混合比来形成时，磨粒材料在形成刀片的每层中的含量(浓度)容易改变，并且借助合适地改变生片的厚度，可以随意地改变形成刀片的每层的厚度。
相应地，例如，对于容易引起阻塞的工件而言，当刀片中的磨粒材料的颗粒之间的距离通过减少磨粒材料的含量(浓度)来增大时，可以保持锐度，同时减少了机加工负荷。此外，对于容易使刀片磨损的工件而言，可以借助增大磨粒材料的含量来抑制这种磨损，并且还可以得到这样的刀片在机加工之后，该刀片提高了表面粗糙度。与借助例子方式在上面所描述的一样，可以得到这样的多层刀片该刀片具有能够满足工件性能的刚性、耐磨性和使用寿命，并且具有适合刀片应用的最佳性能。
此外，如部分与部分之间的磨粒尺寸大小不相同的、具有多层结构的刀片通过电铸方法来形成的情况一样，可以得到解决了分层问题的多层刀片。
图2是示出上述多层刀片的用法的侧视图。
图3是示出了上述多层刀片的用法的前视图。
图4是用作进行性能实验的比较实施例的刀片的局部放大垂直横剖视图。
图1是示出了本发明的多层刀片的实施例的重要部分的视图，这种多层刀片1是具有多层结构的、模制的刀片体，而该多层结构通过生片形成的至少三层的压力烧结(pressure sintering)或者焙烧来形成，其中圆形磨粒薄膜11、12和13中的每一个由生片形成，这些薄膜11、12和13相互结合成一体。各个生片通过下面方法形成使粉末粘合剂与磨粒材料中的一种进行混合，而这些磨粒材料由金刚石、cBN或者它们的混合物形成，并且具有若干种颗粒尺寸。在因此而形成的生片之中，具有粗的磨粒材料的生片被设置在中心面上，具有精细的磨粒材料的生片设置在两个前表面侧上从而形成了具有倾斜结构(gradient structure)的叠片，因此而形成的叠片通过压力烧结或者焙烧来处理，因此形成了具有多层结构的模制的刀片体，在该多层结构中，由生片形成的圆形磨粒薄膜11、12和13相互结合成一体。上述的精细磨粒材料的平均颗粒直径最好是粗的磨粒材料的平均颗粒直径的一半或者更小。
图1所示的模制的刀片体具有三层结构，该三层结构通过层压磨粒薄膜11来形成，该薄膜由粘合剂11b和混合于其中的粗磨粒材料11a所形成，并且在模制的刀片体的中心面处设置有磨粒薄膜12和13，该薄膜12和13各自由粘合剂12b和13b及混合于其中的精细磨粒材料12a和13a形成，并且每个设置在两个前表面侧中的每一个上。接着，通过烧结或者焙烧来处理上述叠片，因此形成了相对于磨粒材料具有倾斜结构的、模制的刀片体1。此外，在图1所示的模制的刀片体中，作为磨粒材料12a和13a(这些材料各自被包含在磨粒薄膜12和13中，并且设置在磨粒薄膜11的两个表面上，而薄膜11设置在中心面)，使用精细的磨粒材料，该精细的磨粒材料的平均颗粒直径相互相等并且小于包含在磨粒薄膜11内的磨粒材料11a中的平均颗粒直径。
此外，本发明的模制的刀片体一定不能总是包括三层，而是可以形成由最佳数目层所构成的叠片。例如，在中心面上可以设置与图1所示的磨粒薄膜11所对应的两层，或者一些中间层可以设置在处于中心面上的磨粒薄膜11与处于两前表面侧上的磨粒薄膜12和13之间。
作为磨粒薄膜11到13的粘合剂11b到13b，例如优选使用的是金属；树脂；金属和树脂的合成物；金属氧化物；刚性相(rigidphase)，它由混合物形成，该混合物具有碳化物、氮化物、硼化物和它们的复合物中的至少一种，每种具有周期表中的IVa、Va或者VIa组的过渡金属；或者硬质合金，它由金属结合相组成，该金属结合相具有Fe、Co、Ni、Cu、Ti和Cr中的至少一种。
中心面上的磨粒薄膜11中所使用的粘合剂最好与磨粒薄膜12和13中所使用的相同，从而防止在它们之间所产生的剥落；但是，考虑到各自磨粒材料的作用，可以使用不同的材料。在上述情况下，必须选择这样的粘合剂该粘合剂不会引起多层刀片进行分层。
作为具有若干种颗粒尺寸大小的、由金刚石或者cBN所形成的每种磨粒材料的混合比，相对于粘合剂而具有5至50体积百分率是合适的。当混合比小于下限时，磨削阻力增大，因为用于切割的磨粒数目太小了，并且由于耐磨力不充分，因此它难以防止机加工精确度降低。另一方面，当混合比超过上限时，由于磨粒之间的距离更小，因此在机加工时极有可能产生阻塞，磨粒材料咬入到工件中使质量变差，此外，防冲击力趋于减少，从而产生了这样的危险情况在这种情况下，刀片有可能在切割工作过程中被折断。更加优选的是，上述的容积比设置成10％-35％，其结果是，可以进一步提高所希望的优点。
根据由金属、陶瓷、合成物或者类似物形成的工件所需要的机加工质量和机加工精确度，选择上述粗的磨粒材料和精细的磨粒材料的尺寸。
接下来，将描述制造上述多层刀片的方法。
在制造本发明的多层刀片时，使5-50体积百分比的每种磨粒材料(这些磨粒材料由金刚石、cBN或者合成物形成，并且具有若干种磨粒尺寸)与粉末粘合剂进行混合，并且使这些粉末混合物形成相应的生片。在因此而形成的这些生片之间，具有粗磨粒材料的生片被设置在中心面上，而具有精细磨粒材料的生片设置在两个前表面侧上，因此形成了具有倾斜结构的叠片。
作为粘合剂，可以使用上述的刚性相或者硬质合金，并且根据所制造的刀片的应用可以进行随意选择。通过只改变磨粒材料与粉末粘合剂的混合比，可以容易地调节在生片内形成每个磨粒薄膜的磨粒材料的含量(浓度)。
相应地，对于有可能引起阻塞的工件而言，当通过减少磨粒材料含量(浓度)而使形成刀片的磨粒之间的距离增大时，可以制造出这样的刀片在该刀片中，不仅可以保持锐度(sharpness)，而且可以使机加工负荷较小。对于有可能使刀片磨损的工件而言，当磨粒材料的含量(浓度)增大时，可以抑制磨损，并且可以制造出这样的刀片该刀片可以提高机加工之后的表面粗糙度。
接着，把上述叠片填充在模子内，然后在150℃到1300℃的温度下使之绕结或者进行培烧，同时根据粘合剂的类型，在10-5000kg/cm2的压力下进行压缩，因此得到了具有多层结构的、模制的刀片体，在这种结构中，由生片形成的、圆形的磨粒薄膜相互结合成一体。
在上述步骤中，通过随意地改变填充在模子内的各个生片的厚度，可以得到三层模制的刀片体，在该刀片体中，可以随意地调节厚度或者每个磨粒薄膜或者这些磨粒薄膜之间的厚度比。例如，通过增大设置在中心面上的磨粒薄膜(在该膜中使用了精细的磨粒材料)的厚度，可以制造出这样的刀片该刀片主要集中于切入到工件中。此外，通过增大设置在两个前表面侧上的磨粒薄膜(在这些膜中使用了精细的磨粒材料)的厚度，可以制造出这样的刀片该刀片主要减少了琢毛和断裂。
此外，在这种模制的刀片体中，由于需要避免由粗磨粒材料(该材料形成了设置在中心面上的磨粒薄膜)所引起的、对工件的机加工损坏，因此各个磨粒薄膜的厚度应该由工件所需要的机加工性能来确定。
当中心面上的磨粒薄膜变薄时，就提高了机加工质量；但是，磨粒薄膜(该薄膜含有精细的磨粒材料并且设置在两个表面侧中的每一个上)的厚度增大了，并且阻塞有可能产生。其结果是，必须更加经常地进行磨齿(toothing)，此外，还必须考虑刀片的使用寿命可能变得更短。
根据本发明的多层刀片，由于多层刀片(在该刀片中，磨粒的尺寸大小在不同部分之间可以改变)通过烧结方法来形成，因此，借助根据刀片应用而从各种各样的材料中选择最佳粘合剂，可以得到适合这种应用的多层刀片。
如图2和3所示，参照图1在上面进行描述了的若干多层刀片1以每隔一定间隔设置，衬垫21置于所述间隔中，借助一对固定法兰22和22把这些刀片安装成绕着旋转轴23，然后，通过拧入螺母24来把这些刀片牢牢地固定起来，从而进行工件的机加工如进行切割。在这种情况下，上述的多层刀片可以形成为所有刀片型或者芯形刀片。
例子在下文中，出于比较目的，特别地与比较实施例一起来描述本发明的例子。
例子1使用研钵对每种独立地研磨一种混合物，该混合物为75％体积的粉末状Cu-Sn合金(粘合剂)和25％体积的1500筛号金刚石磨粒材料，其中粉末状Cu-Sn合金(粘合剂)的平均颗粒直径为10μm并且按照重量具有80％的Cu和20％的Sn；以及另一种混合物，该混合物为75％体积的上述相同粉末状Cu-Sn合金和25％体积的1000筛号金刚石磨粒材料。此外，把重量浓度为8％的PVA模制的粘合剂的10％体积加入到上述的每种混合物中，然后进一步进行混合。
干燥之后，把粉末Cu-Sn合金和1500筛号金刚石磨粒材料的粉末混合物填充在模子中，其中该模子的外径φ为102mm，而内径φ为35mm，然后以1t/cm2的压力进行压缩，因此形成了两个模制的部件，其中每个部件由具有厚度为0.15mm的生片组成。
在与上面相类似的方法中，把粉末Cu-Sn合金与1000筛号金刚石磨粒材料的粉末混合物填充在模子中，然后以1t/cm2的压力进行压缩，因此形成了一个模制部件，该部件由具有厚度为0.15mm的生片组成。
接下来，把使用粗磨粒材料的后面的模制部件设置在中心面处，并且把前面的模制部件设置在后面的模制部件的两侧上，因此形成了模制的刀片体，该刀片体由相互层压的三个磨粒薄膜组成。
接下来，把具有三层结构的模制的刀片体推入到由石墨制成的模子中，该模子的外径为φ102.5mm，而内径为φ34.5mm，然后在800℃烧制10分钟，同时以0.5t/cm2的压力进行压缩。
因此而得到的烧制体通过抛光(lapping)来处理，因此整个厚度是0.225mm，因此得到了三层模制的金刚石刀片体，在这种刀片体中，位于中心面上的1000筛号的金刚石层具有接近0.075mm的厚度，而位于两个表面侧上的1500筛号的金刚石层中的每一个具有接近0.075mm的厚度。
因此而形成的模制的刀片体进行精加工，使得外径和内径中的每一个具有102的直径和40的高度，然后使用不锈钢制成的衬垫使其通过法兰装配起来，使得突出部的长度为3mm(参见图2和3)。相应地，把模制的刀片体安装到机器上。
切片机被用来切割工件，并且这种切割是在10000rpm的研磨机旋转速度和150mm/分的进给速率下进行的。
要切割的工件包括Al2O3-TiC，它已被用作磁头材料并且具有70mm的长度及1.2mm的厚度；及粘附到其中的铁氧体，环氧树脂设置于其间。
在把长度为70mm的Al2O3-TiC进行机加工形成0.5mm的间隔100排(lines)之后，通过测量表面粗糙度、端表面上的碎片的尺寸、机加工表面的不平整度、磨削阻力和刀片的磨损来估价切割。
如上述一样所制造出的、模制的刀片体和如下面所描述的、作为比较例子所制造出来的、模制的刀片体的机加工性能的估计结果示出在图1中。
如从表中所看到的一样，可以确定的是，在所有的修整(chipping)、研磨阻力、径向磨损(刀片磨损)、截盘外形(cutting bar profile)(平面度)和截盘粗糙度(表面粗糙度)方面，上述模制的刀片体优于比较例子的模制刀片体。
表1
比较例子1使用研钵研磨一种混合物，该混合物为75％体积的粉末状的Cu-Sn合金和25％体积的1500筛号金刚石磨粒材料，其中粉末状Cu-Sn合金的平均颗粒直径为10μm并且按照重量含有80％的Cu和20％的Sn。接下来，把重量浓度为8％的PVA模制的粘合剂的10％体积加入到上述混合物中，然后进一步进行混合。
干燥之后，把上述的粉末状混合物填充在模子中，其中该模子的外径φ为102mm，而内径为35mm，然后以1t/cm2的压力进行模制，从而形成了厚度为0.45mm的生片。
把这种模制的部件推入到由石墨形成的模子中，该模子的外径φ为102.5mm，而内径φ为34.5mm，然后在800℃下焙烧10分钟，同时以0.5t/cm2的压力进行压缩。
因此而得到的烧制体通过抛光来处理，使得整个厚度为0.225mm。
把因此而形成的模制的刀片体的外径和内径进行精加工，以致每一个具有φ102mm的外径和φ40mm的内径，并且执行与上述例子相同的切割实验。
这个比较例子中的模制的刀片体31的横截面具有单层结构，如图4的局部放大图所示，在图4中，精细的磨粒材料31a只包含在粘合剂31b中。
权利要求
1.一种多层刀片，它通过包括这些步骤的方法来制造通过使金刚石和/或cBN磨粒材料中的每一种与粉末状粘合剂进行混合来形成生片，其中这些磨粒材料具有若干种磨粒尺寸；形成具有倾斜结构的叠片，这种结构由一些生片组成，在该叠片中，含有粗的磨粒材料的生片被设置在中心面上，而含有精细的磨粒材料的一些生片设置在两个前表面侧上；及借助压力烧结或者焙烧该叠片来形成具有多层结构的、模制的刀片体，在该刀片体中，由这些生片形成的、圆形的磨粒薄膜成一体地相互接合。
2.如权利要求1所述的多层刀片，其特征在于，通过下面方法来形成三层模制的刀片体把含有粗的磨粒材料的生片设置在中心面处，并且在其两个表面上层压含有精细磨粒材料的一些生片，其中它们的颗粒尺寸相互相等。
3.如权利要求1或者2所述的多层刀片，其特征在于，具有若干种磨粒尺寸的磨粒材料中的每一种的混合比相对于粘合剂是5至50体积百分比。
4.如权利要求2所述的多层刀片，其特征在于，精细磨粒材料的平均颗粒直径是粗磨粒材料平均颗粒直径的一半或者更小。
5.一种用来制造多层刀片的方法，它包括这些步骤通过使金刚石和/或cBN磨粒材料中的每一种与粉末状粘合剂进行混合来形成生片，其中这些磨粒材料具有若干种磨粒尺寸；形成具有倾斜结构的叠片，这种结构由一些生片形成，在该叠片中，含有粗的磨粒材料的生片被设置在中心面处，而含有精细的磨粒材料的一些生片设置在两个前表面侧处；及，通过把叠片填充在模子中并且借助压力烧结或者焙烧该叠片来形成具有多层结构的、模制的刀片体，在该刀片体中，由这些生片形成的、圆形的磨粒薄膜成一体地相互接合。
6.如权利要求5所述的用来制造多层刀片的方法，其特征在于，通过下面方法来形成第一和第二粉末状混合物使相互具有不同磨粒尺寸的两种磨粒材料中的每一种的5至50的体积百分比与粉末状粘合剂进行混合，三层叠片通过下面方法来形成把含有粗磨粒材料的第一生片设置在中心面处，并且把每个都含有精细磨粒材料的一些第二生片设置在第一生片的两个表面上，这些生片通过粉末状混合物的压力模制来得到，及通过压力烧结或者焙烧叠片来得到三层模制的刀片体。
7.如权利要求5或者6所述的用来制造多层刀片的方法，其特征在于，粘合剂包括金属；树脂；金属和树脂的合成物；金属氧化物；刚性相，它由混合物形成，该混合物具有碳化物、氮化物、硼化物和它们的复合物中的至少一种，每种复合物含有周期表中IVa、Va或者VIa组中的过渡金属；或者硬质合金，它由金属结合相组成，该金属结合相含有Fe、Co、Ni、Cu、Ti和Cr中的至少一种。
8.如权利要求5或者6所述的用来制造多层刀片的方法，其特征在于，在150℃到1300℃的温度下烧结或者焙烧该刀片的叠片，同时在10至5000kg/cm2的压力下进行压缩。
全文摘要
本发明提供了一种多层刀片和它的制造方法，其中在该多层刀片中磨粒的颗粒尺寸大小不相同。上述多层刀片的目的是，可以从各种各样的选择物中选择粘合剂，容易改变磨粒材料的含量(浓度)，此外，容易改变各层的厚度和它们之间的比率。该多层刀片通过包括这些步骤的方法来制造通过使金刚石和/或cBN磨粒材料中的每一种与粉末粘合剂进行混合来形成生片，其中这些磨粒材料具有若干种磨粒尺寸大小，形成具有倾斜结构的叠片，这种结构由一些生片形成，在该叠片中，具有粗的磨粒材料11a的生片被设置在中心面处，而具有精细的磨粒材料12a和13a的一些生片设置在两个前表面侧上；及借助压力烧结该叠片来形成具有多层结构的、模制的刀片体，在该刀片体中，由这些生片形成的、圆形的磨粒薄膜成一体地相互接合起来。
文档编号B24D5/14GK1449893SQ0310955
公开日2003年10月22日 申请日期2003年4月9日 优先权日2002年4月9日
发明者锅谷忠克 申请人:利德株式会社