"Outil pénétrant et procédé pour sa fabrication"
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à des outils tranchants, notamment des garnitures à pointe unique, des outils de façonnage et des outils pénétrants tels que
des forets et des poinçons. Plus particulièrement, l'invention
concerne un outil de coupe perfectionné et un procédé pour sa fabrication, avec lequel l'outil résultant a un prix de revient inférieur et une durée de vie nettement plus.longue que les outils de coupe de la technique antérieure.
De nombreuses techniques ont été utilisées pour prolonger la durée de vie des outils de coupe. De telles techniques comprennent la fabrication de l'outil à partir d'une matière de longue durée telle que les aciers rapides perfectionnés, la cémentation de l'outil ou la fabrication de cet outil à partir d'une matière extrêmement dure telle que du carbure de tungstène cimenté massif ou le brasage d'un bout en carbure de tungstène à l'extrémité active d'une matière plus douce. Pour de nombreux usages, les aciers rapides pas plus que la cémentation ne procurent des niveaux de dureté suffisants. Même le carbure de tungstène cimenté s'use plus rapidement qu'il n'est désirable dans certaines applications. En outre, il est difficile
de réaliser un outil précis avec le procédé d'un élément rapporté brasé et la liaison n'est fréquemment pas aussi solide qu'on
le désire. Une certaine amélioration de la durée de vie des outils a été obtenue en prévoyant un très mince revêtement de carbure de titane ou d'autres matières résistant à l'érosion sur un corps en carbure de tungstène cimenté. Le prix de revient relativement élevé du carbure de tungstène cimenté, toutefois, rend cette solution du problème de durée de vie d'un outil relativement onéreuse.
Un but de l'invention est d'offrir un outil de coupe perfectionné et un procédé pour sa fabrication.
Un autre but est d'offrir un outil de coupe possédant une durée de vie plus longue que les outils de coupe de la technique antérieure.
Encore un autre but est d'offrir un outil de coupe de longue durée qui a un faible prix de revient et qui est relati-vement aisé à fabriquer.
D'autres détails et particularités de l'invention ressortiront de la description ci-après, donnée à titre d'exemple non limitatif et en se référant aux dessins annexés, dans lesquels:
Les figures 1 à 3 illustrent des étapes successives
de la fabrication d'un outil de coupe du type à élément rapporté, réalisé suivant l'invention.
Les figure 4 à 6 illustrent les étapes successives
dans la fabrication d'un outil de coupe du type à profiler suivant l'invention.
Les figures 7 et 8 sont des vues en élévation, partiellement en coupe, de deux types d'ébauche de foret préalablement à une modification suivant l'invention.
La figure 9 est une vue en coupe illustrant la nature du dépôt offrant un prolongement axial du bout en utilisant une é- <EMI ID=2.1> La figure 10 est une vue en coupe illustrant la nature du dépOt offrant un prolongement axial du bout en utilisant une ébauche telle qu' illustrée à la figure 8. La figure 11 est une vue en coupe illustrant l'ébauche <EMI ID=3.1>
ge cylindrique pour un foret à queue droite.
La figure 12 illustre le meulage cylindrique pour un foret dans lequel un corps est plus petit que la queue. La figure 13 est une vue en élévation du foret de la figure 12, après avoir cannelé le corps et le bout. La figure 14 est une vue en coupe de l'extrémité de bout d'un foret tel qu'affûté à l'origine. La figure 15 est une vue en coupe transversale de l'extrémité de bout d'un foret telle qu'affûtée avec un faux angle de pointe différent. La figure 16 est une vue en coupe illustrant le réaffûtage du foret illustré à la figure 14, après une certaine usure. La figure 17 est une vue en coupe illustrant le réaffûtage du foret illustré à la figure 15, après une certaine usure. La figure 18 est une vue en élévation d'un poinçon réalisé suivant l'invention. La figure 19 est une vue en coupe partielle d'un foret à manchon réalisé suivant l'invention.
D'une façon très générale, l'outil de coupe suivant l'invention comprend un corps 12 et une couche 13 déposée par voie thermochimique. La couche peut recouvrir une ou plusieurs surfaces du corps et comprend au moins un bord tranchant ou de coupe 14 qui y est usiné. La couche est un alliage de métal dur avec une dureté d'indice de dureté Vickers d'au moins
1500 kg par mm <2> et s'étendant à partir du corps sur au moins environ 25 microns. L'alliage de métal dur est constitué principalement par du tungstène et du carbone avec un module de
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En se référant à présent plus particulièrement aux figures 1 à 3, on décrira l'invention dans le cas d'un outil de coupe du type dit à élément rapporté. Ce type d'outil de coupe comprend d'une façon typique un outil à section transversale rec-tangulaire ou triangulaire qui est monté dans un support d'outil de telle sorte que l'un des bords allongés de l'outil ou l'une des pointes de celui-ci engage la pièce à usiner. Lorsque
le bord ou la pointe particulière envisagée s'émousse, l'orientation de l'outil est modifiée dans le porte-outil, de telle sorte qu'un nouveau bord ou pointe engage la pièce à usiner. Ainsi, dans le cas d'un outil à section transversale rectangulaire, un total de huit bords ou pointes de coupe peut être engagé avec la pièce à usiner.
A la figure 1, le corps d'outil 12 a été représenté
en section pleine dans l'état non revêtu. Suivant l'invention, un revêtement est appliqué sur le corps d'outil 12, comme indiqué en 13, avec une épaisseur suffisante pour y usiner un bord de coupe ou tranchant. Ultérieurement, l'usinage requis est effectué dans le revêtement déposé de manière à établir les bords de coupe désirés 14 dans l'outil.
L'épaisseur du revêtement 13 doit être suffisante
pour que, en combinaison avec le substrat sur lequel elle est déposée, c'est-à-dire le corps d'outil, les forces rencontrées
au cours de l'opération de coupe soient convenablement supportées. Bien évidemment, cette épaisseur dépend des matières utilisées mais, toutefois, elle dépassera de façon typique 25 microns et, en pratique, elle sera de préférence comprise dans la gamme de
50.à 600 microns. L'ensemble composé par le corps et la couche doit avoir un module de rupture en flexion d'au moins 200 kg par mm<2>. Ainsi, sur un substrat à haute résistance, la solidité de
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substrat a une relativement faible résistance, la solidité de la couche doit être plus élevée en conséquence.
Il convient de remarquer que-dans la forme de réalisa-tion des figures 1 à 3, le dépôt est situé de manière à entourer
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pas un élément critique de l'invention, une telle construction apporte une solidité particulière, étant donné que la partie externe de l'outil comprend la région dans laquelle la majeure partie des forces de coupe est absorbée. Etant donné que cette région peut avoir une résistance à la traction plus élevée par comparaison avec la partie de corps, un outil de coupe à extr�mement grande résistance peut être obtenu en utilisant
un minimum de matière de grande solidité ou résistance et en mettant en oeuvre une matière à relativement faible résistance et moins onéreuse pour le corps d'outil 12.
Le revêtement peut avoir lieu dans une chambre de réaction du type normalement utilisé dans les techniques de dépôt chimique à partir de vapeur connues. Le processus grace auquel de tels revêtements, décrits précédemment, peut être formé
a été décrit de façon plus détaillée dans une demande de brevet aux Etats-Unis d'Amérique numéro de série 385.110, déposée le
7 mai 1973.
Dans cette demande, par exemple, un dépôt d'alliage
de tungstène et de carbone peut être formé grâce à une technique de dépôt en particules. On met d'abord en réaction un halogénure volatil de tungstène sous forme gazeuse avec de l'hydrogène, de l'oxygène et du carbone sous forme gazeuse. Une réaction supplémentaire avec de l'hydrogène provoque une application à la surface à revêtir d'un dépôt qui se trouve en phase liquide. Le dépôt en phase liquide est alors transformé sur la surface en un dépôt en phase solide qui est extrêmement solide, dur et résistant à l'usure. La température de dépôt est de préférence maintenue à une valeur qui n'est pas supérieure à environ 1100[deg.]C et la quantité d'hydrogène par rapport à l'halogénure de tungstène est de préférence maintenue en dessous de la valeur stoechiométrique.
La limite imposée à la température et au rapport entre l'hydrogène et l'halogénure de métal a pour but d'assurer que le dépôt impliquant la formation de la phase liquide et ensuite une conversion en métal dur est effectués de préférence à un dé-
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ce à un dépôt chimique classique à partir de vapeur. Cette dernière réaction produit une matière avec des propriétés de solidité et d'usure très inférieures.
Comme indiqué précédemment, le produit résultant déposé par voie thermochimique est constitué par un alliage de métal dur exempt de colonnes de grain., s'étendant à travers le dépôt. Dans le cas de l'alliage de tungstène et de carbone, la dureté
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tions, la dureté ne doit pas être supérieure à environ 2500 kg par mm<2>, sans quoi la matière devient trop cassante. Des dépôts avec des duretés supérieures à 3000 kg par mm ont été réalisés et peuvent être utilisés dans certaines circonstances. La matière déposée, convenablement réalisée, possède une solidité élevée, avec un module de rupture en flexion supérieur à 200 kg par mm<2>, soit à l'état déposé, soit à l'état déposé et traité thermiquement. Une caractéristique de tels dépôts est que la surface du revêtement est très lisse et que la dimension des grains est en général égale ou inférieure à 5 microns et fréquemment inférieure à 1 micron.
Comme indiqué, la dureté utile de la couche déposée dépend de l'application envisagée pour l'outil. Des duretés dépassant des indices de dureté Vickers de 3000 kg par mm2 présen-tent habituellement des problèmes d'usinage qui augmentent de façon appréciable le prix de revient de la fabrication et peuvent, dans certaines circonstances, avoir pour résultat des bords tranchants qui sont trop cassants. Des duretés inférieures à la dureté minimum précitée n'offrent habituellement pas des propriétés d'usure nettement supérieures à celle d'autres types d'outils, comme par exemple en aciers rapides.
Le type particulier de dépôt d'alliage de métal dur
qui forme la couche déposée de l'outil suivant l'invention est toutefois nettement plus résistant à l'usure que le carbure de tungstène cimenté de dureté égale ou même supérieure. Bien
que ce phénomène ne soit pas totalement compris, on considère que les propriétés d'usure améliorées résultent de l'absence d'un liant ou d'une matière de matrice ou de gangue, telle qu'elle est présente dans les carbures cimentés. Bien que le carbure métallique lui-même avec le carbure cimenté soit de dureté élevée, on considère.qu'une usure survient à la suite de l'érosion des matières de gangue ou de cimentage maintenant les particules de carbure métalliques ensemble. Etant donné qu'aucune gangue douée n'est présente dans la couche déposée suivant l'invention, le rendement à l'usure, comme défini ciaprès, est nettement plus élevé que dans le cas du carbure de tungstène cimenté et d'autres types de construction d'outil
de coupe.
La matière du corps d'outil eu de substrat peut être une matière appropriée quelconque. Bien que les aciers à outil soient habituellement satisfaisants, certains problèmes peuvent être rencontrés au cours du processus de dépôt à cause de la tendance du fer à entrer dans la réaction. Ainsi, des matières moins actives telles que le tungstène, un alliage de tungstène, du carbure de tungstène, du molybdène ou un alliage de molybdène peuvent être préférables. Ces dernières matières peuvent également être plus proches des caractéristiques de dilatation thermique du dépôt de manière à assurer une meilleure liaison. De même, ces matières sont relativement raides et par conséquent offrent habituellement une meilleure exploitation d'outil que des matières moins rigides.
A titre de variante, une couche intermédiaire relativement inerte possédant des caractéristiques de dilatation thermique convenables peut être utilisée entre le dépOt et le substrat.
Des outils de coupe de la technique antérieure utilisant des matières déposées font appel d'une façon typique aux force de cohésion entre le dépôt et le substrat, conjointement avec la solidité du substrat lui-même, pour résister aux charges de coupe. Le résultat est que la technique antérieure a enseigné que seuls de minces revêtements sur des bords de coupe ou tranchants existants étaient utiles pour prolonger la durée
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résistance étaient nécessaires. Bien que certaines tentatives aient été effectuées pour fabriquer des outils composés grâce
à des techniques de frittage, les différents taux de contraction ont rendu une telle fabrication extrêmement difficile et onéreuse.
A la différence de la technique antérieure, l'objet de la présente invention n'est pas un outil de coupe revêtu, mais un outil composé dans lequel un type particulier de dépôt est utilisé pour former une matière de bord de coupe relativement massive. Le bord de coupe est usiné après avoir réalisé le dépOt et est usiné dans ce dépôt. La géométrie du bord de coupe n'est pas déterminée principalement par la forme du substrat.
De plus, une importante partie de la charge de coupe est absorbée par le dépôt lui-même.
En se référant à présent aux figures 4 à 6, un outil
à profiler est illustré tel que réalisé suivant l'invention..
La forme brute est utilement usinée dans la surface supérieure du corps d'outil 12, comme illustré à la figure 4. Ensuite,
un dépôt 13 tel que défini précédemment est appliqué sur la surface supérieure du corps d'outil 12. Les autres surfaces sont masquées, bien qu'à cause de difficultés de masquage,
une partie du dépôt s'étende vers le bas le long du côté de la partie de corps sur une courte distance. Le dépôt 13 est réalisé de la manière dépeinte précédemment et il est ensuite usiné comme indiqué à la figure 6 pour offrir le bord de coupe 14 offrant le profil ou la forme désirée.
En se référant à présent à la figure 7, un flan ou
une ébauche de foret a été représentée et dans la forme particulière illustrée aux figures 7, 9, 12 et 13, il comprend une partie de queue, un corps et un bout ou pointe. Le bout ou pointe est usinés à l'extrémité du corps jusqu'à une forme conique qui est dépouillée à partir de son sommet sous un angle approprié, fréquemment un angle inclus de 130[deg.].
Suivant le procédé de l'invention, l'ébauche de foret est dotée d'un alliage de métal dur déposé par voie thermochimique, qui sert de prolongement axial du corps. Ce dépôt
est amené à se produire à l'extrémité du corps en masquant toutes les autres surfaces. A cause de la difficulté d'un masquage parfait, une certaine quantité du dépôt s'étend fréquemment vers le bas le long des côtés du corps, sur une courte distance. Le dépôt est réalisé en utilisant la technique thermochimique dépeinte précédemment de manière à offrir une structure dure à grain extrêmement fin possédant une excellente résistance à l'usure.
Ensuite, le corps et la couche de bout déposée du foret sont meulés de façon cylindrique, comme illustré aux figures 11 et 12, pour autant que le flan ou l'ébauche primitive ait eu un diamètre constant, comme illustré à la figure 7. Si une ébauche du genre illustré à la figure 8 était utilisée,
le corps et le bout de petit diamètre sont meulés de manière cylindrique. Ces procédés de fabrication permettent de produire des forets avec une configuration dans laquelle le corps et
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et le bout sont meulés avec une paire de cannelures hélicoïdales 21, comme illustré à la figure 13. Si l'objet de l'invention constitue un foret droit ou en fer de lance, tous les procédés de fabrication sont identiques, à l'exception du fait que des surfaces parallèles planes sont meulées dans le corps au lieu des cannelures hélicoïdales. L'épaisseur du bout déposé est toujours rendue suffisante pour permettre d'usiner ensuite le bout de manière à y établir un bord de coupe ou tranchant, comme illustré aux figures 14 et 15. Cette épaisseur est de préférence d'au moins environ 200 microns.
Les figures 14 et 15 représentent les dépôts sur une ébauche qui a reçu une fausse pointe du même angle que l'angle fini prévu pour la pointe ou sous un angle plus aigu que l'angle fini prévu pour cette pointe. La seule différence entre les deux angles différents de formation de fausse pointe concerne
la possibilité de réaffûtage et la superficie de la surface de liaison entre le corps et le bout. D'une façon générale, une liaison relativement plus solide est réalisée en faisant appel à un angle plus aigu pour la fausse pointe. La capacité de permettre un réaffQtage supplémentaire après une certaine usure du foret lors de l'utilisation est illustrée aux figures 16 et
17.
On remarquera d'après la figure 17 que pour une quan-
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bles si un angle plus aigu est utilisé pour la fausse pointe. On peut observer que, finalement, le réaffQtage de la configuration illustrée à la figure 17 amènera une partie du corps
à émerger à travers une partie centrale du bout de l'outil. Ceci n'écarte pas nécessairement l'outil d'une utilisation supplémentaire, étant donné que la majeure partie de l'action
de coupe a lieu au voisinage de la périphérie externe du bord
de coupe, où la matière résistant à l'usure est la plus utile.
La figure 18 représente un poinçon qui constitue une autre forme de réalisation de l'invention, fabriqué par des procédés qui sont évidemment.semblables, à l'exception du fait qu'aucune fausse pointe n'est réalisée sur l'ébauche, qu'aucune cannelure n'est meulée et que le bord de coupe ou tranchant est meulé en un bout plat. Le réaffûtage du poinçon est possible pour autant qu'un dépôt suffisant soit effectué. La figure 19 représente un foret à manchon qui est réalisé en revêtant le corps autour du diamètre aussi bien qu'à l'extrémité. L'usinage ultérieur laisse la construction illustrée; dans laquelle un manchon de matière déposée entoure le corps de l'outil et dans laquelle la pointe et les cannelures sont usinées à la fois dans le revêtement et le corps de l'outil.
On offre ainsi la matière résistant mieux à l'usure et à l'érosion, c'est-à-dire le dépôt, dans la région d'usure maximum, <EMI ID=12.1>
tières de revêtement décrites ont d'une façon typique un module élevé, la construction de la figure 19 offre l'avantage supplémentaire d'un raidissement du foret.
Les exemples suivants sont donnés afin d'illustrer
des applications particulières de l'invention. Elles ne doivent en aucune façon être considérées comme limitant la portée
de l'invention.
Exemple 1:
Des tiges de carbure de tungstène et de molybdène
d'un diamètre de 3 mm et présentant des extrémités semi-sphériques ont été revêtues avec un dépôt thermochimique de 1/2 mm d'épaisseur d'alliage de tungstène et de carbone à leurs extrémités. Les tiges ont été ensuite meulées à plat suivant
leur diamètre sur une courte distance à partir des bouts et les extrémités ont également été meulées de manière à laisser un prolongement axial d'une épaisseur de 0,25 mm du dépôt et afin
de former un bord de coupe ou tranchant dans ce dépôt. La durée de vie de l'outil était d'environ dix fois celle d'outils
en acier rapide façonnés d'une manière analogue, à la fois pour le substrat en carbure de tungstène et en molybdène, lors de l'usinage d'acier 4340 à grande résistance, d'acier au carbone moyen et d'alliage Ti6A14V.
Exemple 2:
Une tige cylindrique droite de 37,5 mm de long et de
3 mm de diamètre en carbure cimenté C-2 a été meulée jusqu'à une surface conique au bout. Toutes les surfaces, à l'exception du bout, ont été masquées et on a effectué un dépôt d'approximativement 0,75 mm d'alliage de tungstène et de carbone. Le dépôt a été réalisé à approximativement 900[deg.]C en utilisant de
la vapeur d'hexafluorure de tungstène, d'hydrogène et de méthanol.
Des spécimens d'essai de la même matière déposée ont révélé un module de rupture en flexion de 420 kg par mm<2> et un indice de
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Un foret a ensuite été usiné à partir de l'ébauche,
en maintenant la queue à un diamètre de 3 mm et en meulant le corps y compris le bout avec une roue abrasive diamentée jusqu'à 0,9 mm sur une longueur de 12,5 mm à partir du bout. Le corps et le bout ont ensuite été meulés avec des cannelures hélicoïdales suivant les processus de fabrication courants
pour des forets commerciaux. Après cela, l'extrémité de bout
a été taillée en pointe suivant le processus habituel.
Le rendement de ce foret a été comparé avec celui de forets au carbure cimenté disponibles commercialement pour percer des trous dans des plaques de matière plastique à charge de fibres de verre et revêtues de cuivre, dénommées dans l'industrie "plaquette de circuit imprimé G-ll normale". Alors que les forets commerciaux étaient usés jusqu'à devenir inutilisables en moins de 10.000 trous, les forets obtenus par le procédé suivant l'invention ne présentaient que peu ou pas d'usure et étaient toujours parfaitement utilisables après 30.000 trous.
Exemple 3:
Une ébauche semblable à celle de l'exemple 2, d'une longueur de 37,5 mm et d'un diamètre de 3 mm en métal au molyb-
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d'alliage de tungstène et de carbone possédant une dureté cor-
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Les conditions et les agents de réaction pour le dépôt étaient semblables à ceux de l'exemple 1. L'ébauche était transformée en une configuration de foret en fer de lance et comparée en rendement avec un foret semblable en carbure C-2 pour percer des trous dans du graphite commercial. Alors que l'outil au car-
"Penetrating tool and method for its manufacture"
<EMI ID = 1.1>
to sharp tools, including single point gaskets, shaping tools, and penetrating tools such as
drills and punches. More particularly, the invention
relates to an improved cutting tool and method for its manufacture, with which the resulting tool has a lower cost and a significantly longer life than cutting tools of the prior art.
Many techniques have been used to extend the life of cutting tools. Such techniques include making the tool from a long-lasting material such as advanced high speed steels, case hardening the tool, or fabricating this tool from an extremely hard material such as carbide. cemented solid tungsten or brazing a tungsten carbide tip to the active end of a softer material. For many uses, neither high speed steels nor case hardness provide sufficient levels of hardness. Even cemented tungsten carbide wears out faster than desirable in some applications. In addition, it is difficult
to achieve a precise tool with the solder insert process and the connection is frequently not as strong as
the desire. Some improvement in tool life has been achieved by providing a very thin coating of titanium carbide or other erosion resistant materials on a cemented tungsten carbide body. The relatively high cost of cemented tungsten carbide, however, makes this solution to the tool life problem relatively expensive.
An object of the invention is to provide an improved cutting tool and a method for its manufacture.
Another object is to provide a cutting tool having a longer life than the cutting tools of the prior art.
Yet another object is to provide a long lasting cutting tool which has a low cost price and which is relatively easy to manufacture.
Other details and features of the invention will emerge from the description below, given by way of nonlimiting example and with reference to the accompanying drawings, in which:
Figures 1 to 3 illustrate successive steps
of the manufacture of a cutting tool of the type with an insert, produced according to the invention.
Figures 4 to 6 illustrate the successive steps
in the manufacture of a profiling type cutting tool according to the invention.
Figures 7 and 8 are elevation views, partially in section, of two types of drill blank prior to a modification according to the invention.
Figure 9 is a sectional view illustrating the nature of the deposit providing an axial extension of the end using an EMI ID = 2.1> Figure 10 is a sectional view illustrating the nature of the deposit providing an axial extension of the end in using a blank as shown in Figure 8. Figure 11 is a sectional view illustrating the blank <EMI ID = 3.1>
cylindrical ge for a straight shank drill.
Figure 12 illustrates cylindrical grinding for a drill in which a body is smaller than the shank. Figure 13 is an elevational view of the drill bit of Figure 12, after splining the body and the tip. Figure 14 is a sectional view of the tip end of a drill bit as originally sharpened. Fig. 15 is a cross-sectional view of the tip end of a drill as sharpened with a different false point angle. Figure 16 is a sectional view illustrating the resharpening of the drill bit illustrated in Figure 14 after some wear. FIG. 17 is a sectional view illustrating the resharpening of the drill illustrated in FIG. 15 after some wear. FIG. 18 is an elevational view of a punch produced according to the invention. Figure 19 is a partial sectional view of a sleeve drill made according to the invention.
Very generally, the cutting tool according to the invention comprises a body 12 and a layer 13 deposited thermochemically. The layer may cover one or more surfaces of the body and includes at least one cutting or cutting edge 14 machined therein. The layer is a hard metal alloy with a hardness of Vickers hardness index of at least
1500 kg per mm <2> and extending from the body to at least about 25 microns. The hard metal alloy consists mainly of tungsten and carbon with a modulus of
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Referring now more particularly to FIGS. 1 to 3, the invention will be described in the case of a cutting tool of the type known as having an insert. This type of cutting tool typically comprises a tool with a rectangular or triangular cross section which is mounted in a tool holder such that one of the elongated edges of the tool or one of the tips of the latter engages the workpiece. When
as the particular edge or tip envisioned becomes blunt, the orientation of the tool is changed in the tool holder so that a new edge or tip engages the workpiece. Thus, in the case of a tool with a rectangular cross section, a total of eight cutting edges or tips can be engaged with the workpiece.
In Figure 1, the tool body 12 has been shown
in solid section in the uncoated state. According to the invention, a coating is applied to the tool body 12, as indicated at 13, with sufficient thickness to machine a cutting edge or cutting edge therein. Subsequently, the required machining is performed in the deposited coating so as to establish the desired cutting edges 14 in the tool.
The coating thickness 13 must be sufficient
so that, in combination with the substrate on which it is deposited, i.e. the tool body, the forces encountered
during the cutting operation are suitably supported. Of course, this thickness will depend on the materials used but, however, will typically exceed 25 microns and, in practice, will preferably be in the range of.
50. To 600 microns. The assembly made up of the body and the layer must have a flexural modulus of at least 200 kg per mm <2>. Thus, on a high strength substrate, the strength of
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substrate has relatively low resistance, the strength of the layer should be higher accordingly.
It should be noted that-in the embodiment of Figures 1 to 3, the deposit is located so as to surround
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Not a critical element of the invention, such a construction provides particular strength, since the outer part of the tool comprises the region in which the major part of the cutting forces are absorbed. Since this region may have higher tensile strength as compared to the body part, an extremely high strength cutting tool can be obtained by using
a minimum of material of great strength or resistance and by using a material of relatively low resistance and less expensive for the tool body 12.
The coating can take place in a reaction chamber of the type normally used in known chemical vapor deposition techniques. The process by which such coatings, described above, can be formed
has been described in more detail in a United States patent application serial number 385.110, filed on
May 7, 1973.
In this application, for example, an alloy deposit
tungsten and carbon can be formed using a particulate deposition technique. A volatile tungsten halide in gaseous form is first reacted with hydrogen, oxygen and carbon in gaseous form. An additional reaction with hydrogen causes an application to the surface to be coated with a deposit which is in the liquid phase. The liquid phase deposit is then transformed on the surface into a solid phase deposit which is extremely strong, hard and wear resistant. The deposition temperature is preferably kept at a value which is not more than about 1100 [deg.] C and the amount of hydrogen relative to the tungsten halide is preferably kept below the stoichiometric value.
The limit imposed on the temperature and the ratio of hydrogen to metal halide is to ensure that the deposition involving the formation of the liquid phase and then a conversion to hard metal is preferably carried out at a de-
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this to a conventional chemical deposition from steam. This latter reaction produces a material with much inferior strength and wear properties.
As previously indicated, the resulting thermochemically deposited product consists of a hard metal alloy free from grain columns, extending through the deposit. In the case of the tungsten-carbon alloy, the hardness
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tions, the hardness should not be more than about 2500 kg per mm <2>, otherwise the material becomes too brittle. Deposits with hardnesses greater than 3000 kg per mm have been made and can be used in certain circumstances. The deposited material, suitably produced, has high strength, with a flexural modulus of rupture greater than 200 kg per mm 2, either in the deposited state or in the deposited and heat-treated state. A characteristic of such deposits is that the surface of the coating is very smooth and that the grain size is generally 5 microns or less and frequently less than 1 micron.
As indicated, the useful hardness of the deposited layer depends on the application envisaged for the tool. Hardnesses exceeding Vickers hardness ratings of 3000 kg per mm2 usually present machining problems which appreciably increase the cost of manufacture and can, in some circumstances, result in sharp edges that are too much. brittle. Hardnesses lower than the aforementioned minimum hardness do not usually offer wear properties markedly superior to that of other types of tools, such as for example in high speed steels.
The particular type of hard metal alloy deposit
which forms the deposited layer of the tool according to the invention is, however, markedly more resistant to wear than cemented tungsten carbide of equal or even greater hardness. Well
While this phenomenon is not fully understood, the improved wear properties are believed to result from the absence of a binder or matrix or gangue material, such as is present in cemented carbides. Although the metal carbide itself along with the cemented carbide is of high hardness, it is believed that wear occurs as a result of the erosion of gangue or cementing materials holding the metal carbide particles together. Since no endowed gangue is present in the layer deposited according to the invention, the wear efficiency, as defined below, is markedly higher than in the case of cemented tungsten carbide and other types of tool construction
cutting.
The material of the tool body or the substrate can be any suitable material. Although tool steels are usually satisfactory, some problems may be encountered during the deposition process due to the tendency of iron to enter the reaction. Thus, less active materials such as tungsten, a tungsten alloy, tungsten carbide, molybdenum, or a molybdenum alloy may be preferable. These latter materials can also be closer to the thermal expansion characteristics of the deposit so as to ensure better bonding. Likewise, these materials are relatively stiff and therefore usually provide better tool exploitation than less stiff materials.
Alternatively, a relatively inert interlayer having suitable thermal expansion characteristics can be used between the deposit and the substrate.
Prior art cutting tools using deposited materials typically rely on the cohesive forces between the deposit and the substrate, along with the strength of the substrate itself, to withstand cutting loads. The result is that the prior art has taught that only thin coatings on existing cutting or cutting edges are useful in extending life.
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resistance were needed. Although some attempts have been made to make compound tools using
to sintering techniques, the different rates of contraction have made such manufacture extremely difficult and expensive.
Unlike the prior art, the object of the present invention is not a coated cutting tool, but a compound tool in which a particular type of deposit is used to form a relatively massive cutting edge material. The cutting edge is machined after making the deposit and is machined in this deposit. The geometry of the cutting edge is not determined primarily by the shape of the substrate.
In addition, a significant portion of the cutting load is absorbed by the deposit itself.
Referring now to Figures 4 to 6, a tool
to be profiled is illustrated as produced according to the invention.
The rough shape is usefully machined into the upper surface of the tool body 12, as shown in Figure 4. Next,
a deposit 13 as defined above is applied to the upper surface of the tool body 12. The other surfaces are masked, although because of masking difficulties,
part of the deposit extends downward along the side of the body part for a short distance. The deposit 13 is made in the manner described above and it is then machined as indicated in FIG. 6 to provide the cutting edge 14 offering the desired profile or shape.
Referring now to Figure 7, a blank or
a drill blank has been shown and in the particular form shown in Figures 7, 9, 12 and 13, it comprises a shank portion, a body and a tip or point. The tip or point is machined from the end of the body to a conical shape which is stripped from its top at an appropriate angle, frequently an included angle of 130 [deg.].
According to the method of the invention, the drill blank is provided with a thermochemically deposited hard metal alloy, which serves as an axial extension of the body. This deposit
is caused to occur at the extremity of the body obscuring all other surfaces. Because of the difficulty of perfect masking, some of the deposit frequently spreads downward along the sides of the body for a short distance. The deposition is carried out using the thermochemical technique described above so as to provide an extremely fine-grained hard structure possessing excellent wear resistance.
Then, the body and the deposited end layer of the drill bit are ground cylindrically, as shown in Figures 11 and 12, provided that the blank or pitch blank has had a constant diameter, as shown in Figure 7. If a blank of the kind illustrated in Figure 8 was used,
the body and the small diameter tip are cylindrically ground. These manufacturing processes make it possible to produce drills with a configuration in which the body and
<EMI ID = 10.1>
and the tip are ground with a pair of helical splines 21, as shown in Figure 13. If the object of the invention is a straight or spearhead drill bit, all the manufacturing methods are the same, except because planar parallel surfaces are ground in the body instead of the helical splines. The thickness of the deposited tip is always made sufficient to allow the tip to be subsequently machined so as to establish a cutting or cutting edge therein, as illustrated in Figures 14 and 15. This thickness is preferably at least about 200 microns .
Figures 14 and 15 show the deposits on a blank which has received a false point at the same angle as the finished angle intended for the point or at an angle more acute than the finished angle intended for that point. The only difference between the two different angles of false point formation concerns
the possibility of resharpening and the surface area of the bonding surface between the body and the tip. In general, a relatively stronger bond is achieved by using a more acute angle for the false point. The ability to allow for further resharpening after some wear of the bit in use is illustrated in Figures 16 and
17.
It will be noted from figure 17 that for a quantity
<EMI ID = 11.1>
worsened if a more acute angle is used for the false point. It can be seen that, ultimately, reshaping the configuration shown in Figure 17 will bring a body part
to emerge through a central part of the tip of the tool. This does not necessarily preclude the tool from further use, as most of the action
cutting takes place in the vicinity of the outer periphery of the edge
cutting, where the wear-resistant material is most useful.
Figure 18 shows a punch which constitutes a further embodiment of the invention, made by methods which are obviously similar, except that no dummy point is made on the blank, which no grooves are ground and the cutting edge or cutting edge is ground to a flat end. Regrinding of the punch is possible as long as a sufficient deposit is made. Fig. 19 shows a sleeve drill which is made by coating the body around the diameter as well as the end. Subsequent machining leaves the construction shown; in which a sleeve of deposited material surrounds the body of the tool and in which the tip and the splines are machined into both the liner and the body of the tool.
The material is thus more resistant to wear and erosion, that is to say the deposit, in the region of maximum wear, <EMI ID = 12.1>
While the coating materials described typically have a high modulus, the construction of Figure 19 provides the additional benefit of stiffening the drill bit.
The following examples are given to illustrate
particular applications of the invention. They should in no way be considered as limiting the scope
of the invention.
Example 1:
Tungsten and Molybdenum Carbide Rods
with a diameter of 3 mm and having semi-spherical ends were coated with a thermochemical deposit of 1/2 mm thick of tungsten and carbon alloy at their ends. The stems were then ground flat following
their diameter over a short distance from the tips and ends were also ground so as to leave an axial extension of 0.25 mm thickness of the deposit and in order
to form a cutting or sharp edge in this deposit. Tool life was about ten times that of tools
high-speed steel shaped in an analogous manner, both for the tungsten carbide and molybdenum substrate, when machining high strength 4340 steel, medium carbon steel and Ti6A14V alloy.
Example 2:
A straight cylindrical rod 37.5 mm long and
3mm diameter C-2 cemented carbide was ground to a tapered surface at the end. All surfaces except the tip were masked and approximately 0.75mm of tungsten carbon alloy was deposited. The deposition was carried out at approximately 900 [deg.] C using
the vapor of tungsten hexafluoride, hydrogen and methanol.
Test specimens of the same deposited material revealed a flexural modulus of rupture of 420 kg per mm <2> and an index of
<EMI ID = 13.1>
A drill was then machined from the blank,
keeping the shank at a diameter of 3 mm and grinding the body including the tip with a diamond-coated abrasive wheel up to 0.9 mm over a length of 12.5 mm from the tip. The body and tip were then ground with helical splines following common manufacturing processes
for commercial drills. After that, the end of butt
has been cut into a point following the usual process.
The performance of this drill bit was compared with that of commercially available cemented carbide drills for drilling holes in copper coated glass fiber filled plastic plates, referred to in the industry as "G- printed circuit board. ll normal ". While commercial drills were worn to the point of becoming unusable in less than 10,000 holes, the drills obtained by the process according to the invention showed little or no wear and were still perfectly usable after 30,000 holes.
Example 3:
A blank similar to that of Example 2, with a length of 37.5 mm and a diameter of 3 mm made of molyb-metal
<EMI ID = 14.1>
alloy of tungsten and carbon having a cor-
<EMI ID = 15.1>
The conditions and reaction agents for the deposition were similar to those of Example 1. The blank was made into a spearhead drill configuration and compared in yield with a similar C-2 carbide drill bit to drill holes. holes in commercial graphite. While the tool on the bus-