高精度的多磨粒切割刀片.pdf

提供一种研磨切割刀片，在高速进料时可获得高质量表面抛光。刀片通过将细研磨剂电镀到阴极盘上形成第一层，然后将第二层较粗的研磨剂电镀到上述第一层上制得。然后将第三层细研磨剂电镀到第二层。所得复合物然后从阴极盘上取下，形成多磨粒多层无轮毂刀片。

1.  一种制造研磨切割工具的方法，所述方法包括：
(a)提供具有至少一个沉积表面的沉积盘；
(b)将所述盘置于其中分散有细研磨剂的浴中；
(c)将第一层第一研磨剂和电镀材料沉积在所述沉积表面上；
(d)将所述盘从所述浴中移出；
(e)活化第一层的表面；
(f)将所述盘置于其中分散有大于所述细研磨剂的第二粒度的第二研磨剂的浴中；
(g)将第二层的第二研磨剂和电镀材料沉积到第一层上；
(h)将所述盘从所述浴中移出；
(i)活化第二层的表面；
(j)将所述盘置于其中分散有细研磨剂的浴中；
(k)将第三层细研磨剂和电镀材料沉积到第二层上；并
(l)将所述盘从第一层上取下，制得多层的切削工具，它具有基本上完全分散在其中的研磨剂颗粒，第二粒度研磨剂的中心层设在两层细研磨剂之间。

2.  如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括在进行步骤(b)之前对沉积表面进行钝化。

3.  一种制造研磨切割工具的方法，所述方法包括：
(a)将第一层细研磨剂和电镀材料沉积到沉积部件的表面上；
(b)将大于细研磨剂的第二层第二粒度的研磨剂和电镀材料沉积到第一层上；
(c)将小于第二粒度研磨剂的第三层第三粒度研磨剂和电镀材料沉积到第二层上；
(d)将第一、第二、第三粒度中的至少两种设置成互相不同；且
(e)从第一层取下沉积工具，制得研磨剂颗粒基本完全分散其中的多层切割工具。

4.  如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤(d)包括将第三粒度设置成基本与第一粒度相等。

5.  如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述沉积步骤(c)包括将第二层放置在包含其中分散的细研磨剂颗粒的第一浴中。

6.  如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述方法包括将第一浴混合。

7.  如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述方法包括在沉积步骤(a)之前钝化沉积工具的表面。

8.  如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述方法包括在沉积步骤(b)之前活化第一层的表面。

9.  如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述方法包括在沉积步骤(c)之前活化第二层的表面。

10.  如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述沉积步骤(a)包括将沉积工具放置在含有分散在其中的研磨剂颗粒的第一浴中。

11.  如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述方法包括将第一浴混合。

12.  如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述沉积步骤(b)包括将第一层置于含有分散在其中的第二粒度研磨剂颗粒的第二浴中。

13.  如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述方法包括将第二浴混合。

14.  如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述沉积步骤(a)、(b)和(c)还包括将沉积工具围绕中心轴旋转。

15.  如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述沉积步骤(a)包括沉积第一层直到其厚度大于最终需要的厚度。

16.  如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述方法包括通过将材料从第一层上除去，直到获得最终需要的厚度来抛光工具。

17.  如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述沉积步骤(b)包括沉积第二层直到其厚度大于最终需要的厚度。

18.  如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述沉积步骤(c)包括沉积第三层直到其厚度大于最终需要的厚度。

19.  如权利要求18所述的方法，其特征在于，所述方法包括通过将材料从第三层上除去，直到获得最终需要的厚度来抛光工具。

20.  如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述沉积步骤(a)、(b)和(c)中的沉积电镀材料选自镍、铜、钴、银、钯或其组合。

21.  如权利要求20所述的方法，其特征在于，所述电镀材料包括镍。

22.  如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述研磨剂颗粒选自金刚石、CBN、熔融氧化铝、烧结氧化铝、碳化硅及其组合。

23.  如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述方法包括在所述沉积步骤(a)之前对所述沉积表面进行钝化。

24.  如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述细粒度和第三粒度的范围为：
至少约2微米；
至多约10微米。

25.  如权利要求24所述的方法，其特征在于，所述细粒度和第三粒度的范围为：
至少约4微米；
至多约8微米。

26.  如权利要求24所述的方法，其特征在于，所述第二粒度的范围为：
至少约6微米；
至多约60微米。

27.  如权利要求24所述的方法，其特征在于，所述第三粒度的范围为：
至少约10微米；
至多约20微米。

28.  一种研磨切片工具，它包括：
其中分散第一粒度研磨剂颗粒的第一电镀层；
所述第一粒度的范围为：
至少约4微米；
至多约8微米；
其中分散第二粒度研磨剂颗粒的第二电镀层；
所述第二粒度的范围为：
至少约10微米；
至多约20微米；
其中分散第一粒度研磨剂颗粒的第三电镀层；
第一、第二和第三层彼此重叠；且
第二层设在第一层和第三层之间；
其中，研磨剂颗粒分散在所述盘中。

29.  一种研磨切片工具，它包括：
其中分散第一粒度的研磨剂颗粒的第一电镀金属层；
其中分散第二研磨剂颗粒的第二电镀金属层；以及
其中分散第三粒度研磨剂的第三电镀金属层；
所述第二粒度研磨剂颗粒大于第一和第二粒度研磨剂颗粒中的至少一种；且
第二层设在第一层和第三层之间。

30.  如权利要求29所述的工具，其特征在于，
第一粒度的范围为：
至少约4微米；至
至多约8微米；且
第二粒度的范围为：
至少约10微米；
至多约20微米。

31.  如权利要求29所述的工具，它完全由具有研磨剂的电镀金属制得。

32.  如权利要求29所述的工具，其特征在于，所述第三粒度基本上与所述第一粒度相同。

33.  如权利要求29所述的工具，其特征在于，第一粒度研磨剂和第二粒度研磨剂的混合物基本完全分散在盘中。

34.  如权利要求29所述的工具，其特征在于，它不含没有研磨剂的轮毂。

35.  如权利要求29所述的工具，其特征在于，所述电镀金属选自镍、铜、钴、银、钯及其组合。

36.  如权利要求35所述的方法，其特征在于，所述电镀金属包括镍。

37.  如权利要求29所述的工具，其特征在于，所述工具为无轮毂式。

高精度的多磨粒切割刀片
本发明涉及改进的金属粘结磨具。更具体地，本发明涉及改进的含有两层或多层金刚石颗粒的电镀层的金刚石研磨切割工具，其中每层的金刚石颗粒的粒度不同，从而获得较好的表面抛光和高进料速度。
例如金刚石和立方氮化硼(CBN)的超级研磨剂已经广泛应用于锯、钻孔机、和其它切削、成型或抛光其它硬质材料等的工具。
金刚石工具在实际应用中特别有用，因为其它工具的强度和耐久度不足以替代它。例如，由于其硬度和耐久度高，石料切割工业通常使用金刚石锯。如果不采用超级研磨剂，很多这种工业将是经济上不可行的。
尽管通过在切割、钻孔和研磨工具中使用金刚石和立方氮化硼来进行改进，但是这还存在缺点，如果克服这些缺点，则可以大幅提高工具的性能和/或减少成本。
常用的超级研磨工具，例如金刚石锯片，通过将金刚石颗粒与合适的基质(粘结)粉末混合而制得。所述混合物然后在模具内挤压形成所需的形状(例如，锯子片断)。″生料″然后在适当温度下进行烧结而固化，形成内含多种超级研磨剂颗粒的单一体。最后，固化体(例如，通过铜焊)连结到工具体上，例如连结到圆形锯的圆刀片上，形成成品。
采用金属粘合材料的研磨工具已被用来制造切片或切割盘。一种上述工具，通常指金属基质复合物(MMC)工具，可通过模塑研磨剂和金属粘合材料的混合物来形成。上述工具的一个例子在Worcester，Massachusetts的NortonCompany的美国专利5,313,742中公开。如其中所述的，这种盘的孔隙率为0％体积到40或50％体积。所述盘的优选体积百分数组成为5-50％体积的研磨剂、50-95％体积的粘结剂和0-25％体积的孔隙。所述粘结剂包括本领域中任何公知的主要用于粘结金刚石和立方氮化硼(CBN)磨粒的金属粘结剂。这种金属粘结齐剂材料的例子为例如Cu-Zn-Ag、Co-WC、Cu-Ni-Zn、Cu-Ni-Sb、Ni-Cu-Mn-Si-Fe、Ni-Cu-Sb-TaC的合金。
另一类金属粘合工具通过电镀形成，例如Norton公司的美国专利4381227中所公开的，其全文参考引用于此。该文献公开了将基材置于其中分布有磨粒的化学电镀浴中的方法。所述电镀浴中通直流电，此时基材作为阴极，置于所述浴中的含有电镀金属的电极作为阳极。该文献说明了在镍化学电镀浴中的电流密度可以低至1.5-5安/平方英尺(1.4-4.6mA/cm²)，优选50-100(安培/英尺²)。
所述磨粒可以是金刚石、立方氮化硼、碳化硅、氧化铝、共熔融的氧化铝-氧化锆，甚至为燧石，可以选择将悬浮液置于基材上或是用载体或框(basket)设在基材附近。
上述工具的各种变化形式可用作切割硬质材料如硬化钢、或切割电子工业中常用的陶瓷的切片或切割盘。粒度(磨料粒度)的选择取决于进料速度和表面抛光之间的平衡。例如，当进料速度是首要因素的时候，在切割中可采用较大的磨粒粒度。上述的MMC工具通常适合这种用途。相反，用于上述电镀轮的较小的磨粒粒度在需要高质量表面抛光的场合中应用。
本领域需要提供具备迄今为止互斥的两种优点即高速进料速度和高质量表面抛光的研磨切割工具。
本发明一方面包括制造研磨切割工具的制造方法。所述方法包括提供具有至少一个沉积表面的沉积盘，将所述盘置于细研磨剂分散其间的浴中，并将第一层第一研磨剂和电镀材料沉积到所述沉积表面上。该方法还包括将盘从所述浴中取出，活化第一层的表面，并将所述盘置于具有第二磨粒的浴中，所述第二磨粒的第二粒度大于分散其中的细磨粒的粒度。接着，第二层的第二研磨剂和电镀材料沉积到第一层上，盘从所述浴去除，然后活化第二层的表面，将所述盘置于其中分散有细研磨剂的浴中，沉积第三层细研磨剂和电镀材料到第二层上；并从第一层上取下盘。这样该方法制得多层切割工具，其中研磨剂颗粒大致完全分散其中，第二粒度研磨剂的中央层设在两层细研磨剂之间。
本发明一方面包括制造研磨切割工具的方法，包括将第一层细研磨剂和电镀材料沉积到沉积组件的表面上；将粒度大于细研磨剂的第二层第二粒度研磨剂和电镀材料沉积到第一层上；将粒度小于第二粒度研磨剂的第三层第三粒度研磨剂和电镀材料沉积到第二层上；将第一、第二、第三粒度中的至少两种设置成互相不同。然后从第一层取下沉积组件，制得研磨剂颗粒大致完全分散其间的多层切割工具。
本发明另一方面提供一种研磨切片工具，它包括其中分散第一粒度研磨剂颗粒的第一电镀层；所述第一粒度的范围为约4-8微米；其中分散第二粒度研磨剂颗粒的第二层电镀层；所述第二粒度约10-20微米；其中分散第一粒度研磨剂颗粒的第三电镀层。第一、第二和第三层彼此重叠；且第二层设在第一层和第三层之间。所述研磨剂颗粒分散在所述盘中。
在本发明另一个方面，研磨切片工具包括其中分散第一粒度的研磨剂颗粒的第一电镀金属层；其中分散第二粒度研磨剂颗粒的第二电镀金属层；和其中分散第三粒度研磨剂的第三电镀金属层。所述第二粒度研磨剂颗粒大于第一和第二粒度研磨剂颗粒中的至少一种；且第二层设在第一层和第三层之间。
在结合附图对本发明不同方面进行详细描述的说明中，本发明的上述和其他特征和优点可更加容易理解，其中：
图1是本发明的圆形研磨切割工具的横截面视图，如phantom所示在工具制造过程中所用一部分仪器；和
图2是图1的部分切割工具在进行研磨切割操作中的横截面视图。
在以下详细说明中，附图加以标注并成为其中一部分，并通过论述或本发明可实施的具体实施方式显示。这些实施方式描述的详细程度足于使现有领域技术人员可实施本发明，而且可以理解也可采用其他的实施方式。还可以理解在不背离本发明的原则和范围下，可以对结构、流程和系统进行改变。因此，以下详细说明并非用于限制，本发明范围由附加权利要求和等价物限定。为了公开能足够清楚，附图中的相同技术特征用相同标注数字表示，在其他实施方式中图中显示的类似技术特征用类似的标注数字表示。
总的来说，本发明包括可得到较高质量的表面抛光同时进料速度较快的研磨切割刀片。如图1所示，本发明的实施方式包括用电镀材料如镍的单独层制造的工具10，相邻层间分散有多种各自不同粒度的磨粒。
工具10的一个实施方式用合适的电镀材料(例如镍)将较细研磨剂电镀到钢制阴极盘11上，形成层14。然后将较粗的研磨剂电镀到层14上，形成中央层12。接着，第三层细研磨剂电镀到层12上，形成层16。将所得复合物从阴极盘11上移除，形成多磨粒的三层工具10。工具10也是无轮毂式，即，它不包括轮毂或其他任何不含研磨剂的组件，而是包括含其中基本完全分散研磨剂的组件。
如图1所示，在本说明书中，术语″轴心″指大致平行于工具10旋转中心轴的方向。类似地，术语″横向″指与轴方向大致垂直的方向，例如沿着大致垂直于轴心方向的平面。
在详细描述本发明的实施方式之前，先简单描述一下常规的电镀技术。电镀通过使用电解电池来完成，其中，在电解浴中设置的阳极和阴极之间施加直流电。用于施加电镀层的浴通常是水性的，含有要沉积的金属离子。所述阳极通常由被沉积金属制造，因而金属在阳极，并溶解沉积在阴极上。具体浴组成取决于被沉积的金属，在本领域中为人熟知。合适的电镀材料包括镍、铜、钴、银、钯及其组合。可以在相对较宽的温度范围内进行电镀。例如，铜可以用约16-38℃的浴进行电镀，此时阴极电流密度约1-80安培/英尺²(0.03-2.6安培/cm²)。关于金属电镀方法更详的描述可在McGraw Hill Concise of Science andTechnology中第692页中得到。
现在参看图1，以下详细描述本发明的实施方式。如图所示，一个具体实施方式包括分层的多磨粒的研磨切片盘(工具)10。所述工具包括作为电镀材料基质的其中分散有研磨剂颗粒的中央层12。中央层12夹在两层外层14和16之间，两外层也是作为电镀材料和研磨剂的基体。中央层12的研磨剂颗粒大于外层14和16，从而提供含多种磨粒的工具10。较佳地，中央层较粗的研磨剂在应用中较易获得较高的进料速度，而外层14，16的较细研磨剂适宜使工件得到高质量的表面抛光。工具10的切割操作将在以下对照图2进行更详细的描述。
以下参照下表1详细描述制作工具10的方法。该方法包括提供20沉积盘11(如图1的phantom中所示的)，由刚性的电导材料例如钢或不锈钢制作。图中还示出，盘11设有中心装配孔18(图1)，用来装配到在电镀过程中电流可通过的轴或心轴(图中未示)上。在示例性的具体实施方式中，心轴设置为可旋转连接到电动机上，因而其上的盘11可在电镀操作中进行旋转。如下所述，这种旋转有助于层12，14，16分布均匀。
如图1所示，盘11大小可调节至其(横向)沉积表面大于要求抛光的工具10的表面积。例如，如具体实施方式示出的，盘11具有至少约0.25英寸(0.63cm)的轴向厚度，以及4.5-5英寸(11.4-12.7cm)的(横断)直径。盘11的沉积表面19的部分，例如邻近装配孔18的外周部分和内环部分，可任选地根据需要遮掩24(例如，用带状物和/或用圆形装配螺母或法兰)减少沉积区域的有效范围。此外，如以下将论述的，在很多情况下需要保留比要求抛光的工具10稍大的无阻塞的沉积面，以补偿在抛光中去除的材料。
阴极盘11的表面可通过表面氧化而钝化22。这可通过例如将盘11置于50％硝酸和50％的去离子水(DI水)的溶液中约5分钟来完成。所得氧化物层可以防止沉积层14与其形成强力结合，以便以后从盘上去除该层。通过这个方法，盘11有效地成为所述抛光的工具10的模板或是模子。
尽管盘11通常需要的是单个沉积表面，熟练技术人员可以理解也可采用两个相对的沉积表面，而并不背离本发明的原则和范围。
沉积盘11然后将26放置在含有被沉积电镀材料离子的第一电镀浴中。所述浴还包括分散其中的第一粒度的研磨剂(例如，2-10微米，或在具体实施方式中，4-8微米的金刚石)。所述浴装在常规的电镀设备中，阳极由电镀材料(例如，镍)制造。合适的阳极有可从Falconbridge Limited，Ontario，Canada购得的“S-Nickel Round”镍棒。合适的浴有工业标准级“Watts”镍浴，它包含约30％硫酸镍、8-10％氯化镍和5％硼酸的混合物。
采用本领域技术人员熟知的混合器，电解液可进行混合28，操作中控制振荡强度，以保持研磨剂颗粒在电解液中分散。此外，如上所述，沉积盘11可任选地在电镀时围绕轴a旋转30，使层14沉积均匀。层14然后通过施加电流(例如，约20-40安培，或约30安培/英尺²(1安培/cm²)，约12伏直流电)进行沉积32，经过合适的时间后得到约为最后所需厚度1.5倍的厚度。如以下论述的，额外的50％厚度在抛光过程中被去除(例如，重叠抛光)。
在具体实施方式中，层14的沉积包括初期的“冲击”，需要在短时间(例如，0.5分钟)内施加较高的电流(例如，30-40安培)，快速沉积最初的镍层(例如，约50微米厚)。冲击完成后，电流可降至常规的水平(例如，约20-30安培)继续沉积，直到得到所需厚度(例如，1.5倍于最终厚度)。
层14沉积在沉积盘11上以后，装置从第一浴中移除34，并用去离子(DI)水漂洗36。接着，层14的裸露表面进行活化38(例如，用酸活化)。该活化步骤去除电镀过程中形成的所有氧化物，以使后来层容易粘合。在具体实施方式中，该表面活化通过将盐酸(HCL)的溶液(例如，约10％水溶液)施加到层14的表面来完成。表面然后用去离子水再次漂洗40。在具体实施方式中，前述漂洗步骤36和40用于保持盘11润湿，因为干燥对层的均匀性有负面影响。
装置可置于第二电镀浴42中，第二电镀浴与第一浴类似，不同之处在于分散其中的研磨剂颗粒更大(例如，大小约3-6倍于第一浴的细砂，或在具体实施方式中，10-20微米的金刚石)。根据更大的研磨剂粒度，可适当调整搅拌强度、旋转速率、电镀时间和浴成分。任何这种调节对于受到本发明的启示的本领域技术人员来说都是熟知的。沉积时间可选择成使获得厚度等值于(而不是1.5倍)层12所需最后厚度。例如，在初始冲击约一分钟后，层12可在20-25安培、12V直流电下进行沉积约25-35分钟。所述浴可混合44，且盘11相对于层14以如上所述的方式进行旋转46。一旦获得所需厚度48，可重复进行步骤34-40以从浴移出装置，如上所述在去离子水中漂洗，用10％HCL活化表面，并再次漂洗。
尽管层12的最后厚度如图所示为大约等于层14，本领域技术人员可以理解层12的厚度可以更小，或在所需的具体实施方式中，大致大于层14和/或层16的厚度，而不会背离本发明的精神和范围。实际上，在不少具体实施方式中，如以下所述参见图2，中央层12宜基本上厚于外层14和16，以增加层12外围和工件60的接触面积。
步骤26-36可进行重复，基本如上层14中所述的，将层16沉积到层12上。接着，所述三个重叠层12，14和16可以作为整体单元从阴极盘11的表面取下54，形成三层工具10。工具10可接着用常规技术进行抛光56，例如OD/ID抛光以确保直径d1和d2(图1)的公差在所需范围内，以及进行双面重叠以确保外表面平滑度和轴向厚度的公差在所需范围内。所得抛光的工具为无毂式、负载多种研磨剂的电镀材料层，在所示例子和描述中，这种电镀材料层包括研磨剂基本完全分散其中的镍层。
在不背离本发明的原则和范围的条件下，在单个心轴上可以装配任意几个盘11。此外，并非安装在心轴上，一个或多个盘11可装在篮架中，或也可由电镀浴内任何其它方式进行负载。不论盘的数目多少或是盘如何负载，本领域技术人员可以理解浴中的设置情况，包括多个盘之间的距离，在电镀操作过程中保持不变以确保层12、14和16沉积均匀。
表1