CN101005919B - 可转位切削刀片及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种制造切削刀片的方法,包括:(i)形成一种具有基材和超硬材料的坯料,该基材具有多于4个的槽,超硬材料置于该槽中;(ii)从坯料中通过沿着切割线切割坯料来切出切削刀尖;(iii)提供具有多个空腔的切削刀片主体,该空腔用于容纳相应数目的切削刀尖;(iv)将切削刀尖插入到每个空腔中;和(v)将切削刀尖铜焊到切削刀片主体上。一种相关的切削刀片包括:切削刀片主体,其上具有多个空腔;多个切削刀尖,每个切削刀尖放置在相应的空腔中,切削刀尖的几何形状使得其在插入到切削刀片主体的空腔中时能提供机械保持力或锁定效果,所述几何形状包括大致梯形的锚定部分,其底部大致是平的且位于远离主体刀刃的位置,切削刀尖还被铜焊到切削刀片主体上。

Description

可转位切削刀片及其制造方法
相关申请的交叉参考
本申请是2004年8月16日(代理人案号024445-308)提交的申请序列号为10/918,391的美国专利的部分连续申请。
技术领域
本申请涉及具有由超硬磨料制成的刀刃的切削刀片,及其制造方法。
背景技术
在接下去的本发明背景技术的说明中,参考某些结构和方法,但是这种参考不应当然地被解释成承认这些结构和方法属于适用的法律规定下的现有技术。本申请人保留证明任何所参考的主题不构成本发明的现有技术的权利。
可转位的切削刀片通常为多边形,在角部处通常设置超硬材料。通常是立方氮化硼或者多晶金刚石材料的超硬材料有助于切削例如金属的硬质工件材料。这些切削刀片通常安装到切削刀具的固定位置上,以便给工件表面提供一个含有超硬材料的角部或区域。在使用一段时间后,该超硬材料的区域就会磨损掉。然后可以从刀具上松开切削刀片并转动,以给工件表面提供一个新的超硬材料的角部或区域。
制造这种刀片主要有两种方式。根据一种技术,形成一种层叠结构,该层叠结构包括第一层硬质基底材料和一层叠在该基底层上的超硬切削材料。然后把切削刀尖从该层叠结构切出并铜焊到切削刀片主体上,通常在其角部处。例如授予Kuroyama等的美国专利No.5183362公开了这样一种技术,该美国专利的公开内容在此以参考的方式完全并入。
然而,这种技术具有几个问题。把切削刀尖连接到切削刀片主体上的钎焊连接形成了该结构固有的弱点。特别是由于使用这种切削刀片的过程中易于存在的高温,这种高温靠近钎焊连接附近。这种技术带来的另一个问题是施加在工件上的超硬材料的量以及可以磨损的量是有限的,从而限制了这种特殊的刀刃的有效工作寿命。
形成可转位切削刀片的第二种技术涉及提供一种坯料或基材,其上形成有填充了超硬材料的槽,然后对该坯料进行烧结以将超硬材料粘合到基材上。然后加工坯料得到切削刀片的最终形状,即,通常是将超硬材料设置在角部处的多边体。美国专利No.5676496描述了这样一种技术,该美国专利在此以参考的方式全部并入。
这种技术也具有一些困难。将超硬材料粘结到坯料或基材的过程很困难而且昂贵。在这点上,超硬材料和基材原料的原材料的成本与粘结它们所必需的加工周期的成本相比相对较小。从而,从生产效率这点考虑,似乎更适于形成具有多个含有超硬材料的角部的可转位刀片。这样,可以使昂贵的接合加工周期数目最小,同时使刀片具有多个切削角部。然而,这种切削刀片的顾客似乎更喜欢具有相对较少的切削角部的切削刀片,则用这种技术在每单元基部上制成的角部更昂贵。大部分销售的切削刀片只具有2-4个切削角部。
第二种技术具有的另外一个缺点是,如果超硬材料的一个槽是有缺陷的,则整个刀片都不能卖出且可能只能被丢弃。另外一个缺点或者低效率是,每个昂贵且困难的生产周期只能制出一个切削刀片。
法国专利文献No.2691657公开了一种用多晶金刚石、CBN或者其它切削材料制成的具有特殊的自动定心形状的切削刀片。刀片借助弹簧夹到刀尖上而没有采用铜焊。
法国专利文献No.2706339也公开了一种类似材料形状的刀片,该刀片具有一种形状(包括固定凸起),该形状使刀片可以通过机械楔固作用来固定到刀尖的相应的孔中而不用铜焊。从而,该领域存在解决上述问题及其它问题的需要。
发明内容
本发明提供了解决上述问题及其它问题的装置和方法。
本发明提供了改进的可转位切削刀片和生产这种刀片的改进的方法。
根据一方面内容,本发明提供了一种制造切削刀片的方法,包括:(i)形成一种具有基材和超硬材料的坯料,该基材具有多于4个的槽,超硬材料置于该槽中;(ii)从坯料中通过沿着切割线切割坯料来切出切削刀尖;(iii)提供具有多个空腔的切削刀片主体,该空腔用于容纳相应数目的切削刀尖;(iv)将切削刀尖插入到每个空腔中;(v)将切削刀尖铜焊到切削刀片主体上。
根据另一方面内容,本发明提供了一种切削刀片,包括:切削刀片主体,其上具有多个空腔;多个切削刀尖,每个切削刀尖放置在相应的空腔中,切削刀尖的几何形状使得其在插入到切削刀片主体的空腔中时能提供机械保持力或锁定效果,所述几何形状包括大致梯形的锚定部分,其底部大致是平的且位于远离主体刀刃的位置,且在各切削刀尖和切削刀片主体之间还包括钎焊连接。
附图说明
图1是根据本发明原理构造的坯料或预成形件的顶视图。
图2是图1坯料的顶视图,但其槽填有超硬材料,以及从上面切出多个切削刀尖的切削线。
图3是表示根据本发明原理所形成的切削刀尖的几何细节的顶视图。
图4是根据本发明原理形成的各种切削刀尖的顶视图。
图5是根据本发明的切削刀片主体的顶视图。
图6是根据本发明的可转位切削刀片的顶视图。
图7是根据本发明形成的替代的可转位切削刀片的顶视图。
图8是一幅比较根据本发明形成的切削刀片和传统切削刀片的图像。
图9A和9B分别是根据本发明形成的螺纹刀片以及螺纹铣刀的顶视图。
图10A和10B是根据本发明形成的其它类型螺纹刀片顶视图。
图11A、B、C、D和E是根据本发明形成的其它刀片的顶视图。
图12A和B分别是根据本发明形成的钻头的侧剖面图和顶视图。
图13A、B、C是根据本发明形成的钻头构造的侧剖面图。
图14是根据本发明形成的可以用来搪孔的刀片示意图。
图15A和B是根据本发明形成的插刀或镗刀的侧视图和顶视图。
具体实施方式
现在将参考附图描述根据本发明的示例性结构和技术。
根据本发明,用硬质材料和超硬切削材料来形成坯料。该坯料具有多个容纳超硬切削材料的槽和放置其中的超硬切削材料。图1示出了这种坯料的示例性实施例。如图1所示,坯料10包括硬质材料的基材12,在该基材12中形成有多个槽14。尽管图示坯料10为类似盘形,但是显然也可以采用其它形状,例如多边形。还可以在坯料10上形成通孔,该通孔可以方便处理。类似地,槽14的尺寸、位置、分布和数目都可以和示出的实施例不同。例如,槽14如图所示为弧形或者弓形。但是显然涵盖其它形状,例如椭圆形或者多边形。
在图示实施例中,基材12上具有八个槽14。显然也可以是其它数量。如前所述,本发明的优点是能够尽可能多地在坯料10上形成容纳超硬切削材料的槽14。因而,根据一实施例,基材具有多于4个的槽。根据另一实施例,基材具有至少6个槽。根据另一实施例,基材具有至少8个槽。
尽管图示实施例示出了均匀分布的偶数个槽。但是奇数个槽,例如7个或9个,也在本发明保护范围内。还可以想到槽可以不均匀地布置。
基材12可用任意适合的硬质材料制成。合适材料的例子包括烧结硬质合金、金属陶瓷以及硬金属合金。一种适宜的复合物是具有10-20%重量的Co,并优选地具有15-17%重量的Co的WC-Co烧结硬质合金。
如图2所示,超硬材料16设置在一个或多个,优选为所有的槽14中。超硬材料可以包括从切削特性考虑而选择的任意适合材料。起初可以提供粉末状态的超硬材料16。或者,超硬材料16可以是预压生坯。
超硬材料可以包括氮化硼,例如立方氮化硼(CBN),或者例如多晶金刚石(PCD)的金刚石材料。CBN或PCD材料可以含有其他材料,例如选自周期表的从IVa到VIa族的金属的碳化物、氮化物、碳氮化物、氧化物和/或硼化物。超硬材料16可以是以一种复合物的形式,该复合物包括形成第一相的CBN或PCD颗粒与半导体(例如-Si)、金属(例如-Cu,Ti,Al)、准金属或其合金的至少一个第二相。
在将超硬材料16放置到槽14中后,然后对坯料10进行适当的处理以将超硬材料16和基材材料12制成一体。该处理可以包括高温高压下进行的烧结式处理。当超硬材料初始时为松散粉末状时,可以在烧结处理过程中或者之前进行一个压紧处理,例如在美国专利No.5676496中所描述的。例如在美国专利Nos.4991467和5115697中描述了适当工艺的例子,在此以参考的方式结合其全部公开内容。
超硬材料16优选地从坯料10的顶面(在图1-2中可见)连续延伸到坯料10的相对的底面(在图1-2中不可见),且连接到由槽14限定出的基材12的侧面上。
在将超硬材料16结合到基材12上的上述步骤之后,随后从坯料上切掉或者用其它方式除去材料。例如,可以沿着线18切割坯料,线18在坯料上限定出切削刀尖20的轮廓。
可以通过任意适合的切割或者材料去除/分离工艺来切出切削刀尖20。一种这样的工艺是线切割,例如EDM线切割。
当切削刀尖放置在可转位切削刀片的主体中时,切削刀尖的几何形状将提供特别有效的机械保持力或者锁定效果。机械保持力或锁定效果为刀尖内的刀片提供一定的稳定性。然而,如将要详细描述的,当刀片也铜焊到主体上时,能提供大得多的稳定性。根据图示实施例,从坯料10上切下的切削刀尖20包括后部21,该后部21大致形状为梯形,其底部29大致是平的且远离刀片的刀刃。切削刀尖后部的这种形状为切削刀片中的切削刀尖提供坚固的锚。
在图3中示出包含于本发明的这类切削刀尖几何形状的具体的示例性实例。可如下描述图3中示出的切削刀尖20的几何形状或者外形。一对相交的前表面22a和22b交汇在前端部24,该前端部优选地为圆形。端部24在使用切削刀尖过程中被施加到工件。如图3所示,表面22a和22b的一部分以及端部24包括超硬切削材料16。超硬切削材料16从端部24顶点沿着表面22a、22b向后延伸的距离等于尺寸“L”,并可被称作焊角长度。根据本发明的一个实施例,尺寸L至少为2mm。根据另一实施例,该尺寸L可以至少为3mm。
向远离前端部24的方向移动,交汇面22a和22b之后接着的是宽度减小的区域或者腰部25。该腰部由第一对倾斜表面26a和26b、以及第二组表面28a和28b确定。表面26a和28a,以及26b和28b交汇在宽度减小区域,限定出一槽形形状。正如下文将要更具体描述的,表面28a和28b可以是相同长度或不同长度。切削刀尖也包括大致平的后表面29。
后部的特殊设计,即,带有刀刃背面的大致平面的后表面29的大致梯形,为刀尖内的切削刀片提供了坚固的锚。
图4示出了三种替代的切削刀尖构造:20a、20b和20c。这些切削刀尖的构造区别在于其内所含超硬材料的量,并因而其焊角长度(L)不同。另外,每个切削刀尖的形状,特别是后部都是和图3相同的。切削刀尖20内超硬材料的含量可以通过选择切割线18(图2)的位置而改变,以及通过选择坯料10中的槽14的尺寸、构造和/或深度而改变。如图4所示,切削刀尖20c可以被构造成使其完全由超硬切削材料构成,或者切削刀尖20a可以被构造成使超硬材料为其相对较小的成分。
本发明的上述切削刀尖固定到切削刀片的主体上。图5示出了一种适宜的切削刀片主体的一个示例性实例。图示切削刀片主体30包括一硬质材料的主体32,该主体32具有适当数量的空腔34、35用来容纳切削刀尖20。空腔34、35优选地具有和布置其内的切削刀尖的外形或几何形状互补的外形或几何形状。
主体32由任意合适的硬质材料构成。合适的材料的实例包括烧结硬质合金、金属陶瓷以及硬质金属合金。一种合适的复合物是含10-20%重量的Co,并优选地含15-17%重量的Co的WC-Co烧结硬质合金。
可以设想出对所示实例的多种改进。例如,图示坯料30大致为多边形或者是菱形,并且被设计成容纳两个相同的切削刀尖。然而,主体的形状也可以是其它的多边形、椭圆形或者圆形。可用于特定类型的安装的中央通孔36可以忽略。主体30可以被设计成容纳多于两个刀尖。例如,可以在每个角部上设置多至四个的刀尖。布置在主体30上的刀尖不必彼此相同。切削刀尖和/或主体30可以在切削刀尖的安装之前和/或之后进行加工。切削刀片主体30和/或切削刀尖20可以具有一个或多个涂层。另外,主体30可以具有例如在美国专利No.5569000中描述的“断屑器”(chip-breaker)构造,该美国专利的公开内容在此以参考的方式全部并入。
图6是示例性可转位切削刀片60,包括保持有切削刀尖20的切削刀片主体32。切削刀尖20可以通过任何适当的技术固定到主体32上。适当的技术包括锡焊或铜焊。美国专利No.5183362介绍了一种这样的技术,其公开内容在此以参考的方式全部并入。在图示实施例中,切削刀尖通过钎焊连接40固定到主体32上。
图7是根据本发明原理制成的可转位切削刀片70的另一示例性实施例。切削刀片70具有结合图4所描述的构造的切削刀尖20c。
图8是根据本发明制成的切削刀片300与传统构造的切削刀片1000的比较图像。如图8所示,本发明切削刀片300超硬材料的焊角长度明显大于传统切削刀片超硬材料的焊角长度,从而可以增加切削刀尖的有效使用寿命。
图9A是本发明的螺纹刀片实施例,该螺纹刀片可用于车削操作。在该实施例中,制成并插入切削刀尖20A从而使其相对于刀片角部平分线A-A不对称布置。例如,对于图6和7的实施例,各切削刀尖相对于该刀片刀刃的平分线都是对称布置的。
图9B是本发明的螺纹铣刀的实施例。在该实施例中,切削刀尖沿着刀刃对称布置。同样,在该实施例中,切削刀尖可以由大致梯形的形状形成,该梯形形状具有位于刀刃背面的平坦的后表面,并具有两个锚定部分21以提供更好的锁定和保持。在图9A中,只示出了或者通常只需要一个这种锚定部分21。
图10A是本发明螺纹刀片的另一实施例。同样,可以看到切削刀尖相对于切削刀片角部的平分线是不对称的。在图10B中,示出了类似的刀片,其中大致平坦的后表面29的每个都具有不同的长度。各切削刀尖的倾斜表面28a和28b之间可以相互相同或不同,且与其它切削刀尖的相应部分也可以相同或不同。
图11A-E示出了本发明切削刀片的其它实施例。图11A是大致正方形(尽管其可以为矩形)的切削刀片,具有相对刀片角部平分线不对称布置的切削刀尖。图11B和D是类似的,都是三角形的刀片,其中切削刀尖相对于刀片角部平分线对称布置(图11B)和不对称布置(图11D)。图11C和E也是类似的切断式刀具(parting-off type tools),同样,切削刀尖相对于穿过刀刃的平分线对称布置和不对称布置。
图12示出了本发明的另一实施例。在该实施例中,切削刀尖52位于总体标识为50的钻头上。如图12A所示,该钻头可以具有单个切削刀尖,而图12B所示的钻头具有布置在钻头中心轴线两侧上的两个切削刀尖52。尽管图中未示出,但是该钻头可以具有出屑槽,并且是其它的传统产品。在图12A中,切削刀尖布置成基本上平行于钻头的中心轴线,而在图12B中,切削刀尖布置成基本上垂直于该轴线。
图13表示本发明钻头的侧剖面图。例如,图13A是从图12A左侧90°截取的视图。同样,图13B和13C是图12B实施例的不同视图。
图14表示本发明的另一实施例,其中表面28a’和28b’具有不同长度而,且因此是不对称的。在该特殊实施例中,刀片可以用作镗杆或者用于工件的搪孔。
图15A是类似于图11C的本发明刀片侧视图,在图11C中刀片用作例如分离刀具。该刀片被保持在支架体62中总体标识为60的空腔中,该空腔的形状与刀片的锚定部分一致。
本发明及其上述实施例提供了优于传统切削刀片及其加工方法的很多优点。
通过制出一个具有相对较多个槽的超硬材料的坯料,则可以通过每个昂贵且困难的压紧/烧结工序周期来制造出相对较多个切削刀尖,从而提供在经济方面的有点。通过从坯料上切出刀尖并将这些刀尖固定到切削刀片主体上,各切削刀片可以具有若干刀尖,其数目少于从坯料上切下的刀尖数目。从而可以制出具有相对较少刀尖(例如2-4个刀尖)的切削刀片以满足市场的需要,但保留用比较经济的方式加工的优点。与根据在这里的背景技术部分中描述的第二技术的刀片制造成本相比,根据本发明的方法生产这些可转位切削刀片的加工成本可以节省大约50%到60%的成本。
当与例如背景技术部分介绍的第二种技术的技术相比时,本发明的技术也提供具有增加的产量的优点。当采用本发明的技术时,一个有缺陷的超硬材料槽会导致一个切削刀尖报废。比较起来,本文介绍的第二种传统技术中,一个有缺陷的超硬材料槽会导致整个切削刀片都要废弃。
根据本发明,切削刀尖的几何形状使得在装配时有效地把刀尖定位在切削刀片主体中,从而在铜焊过程中不再需要复杂的固定物以将刀片保持在正确位置。另外,除了铜焊提供的保持力之外,切削刀尖的几何形状还能提供在切削刀片主体内的机械保持力。
根据本发明原理制成的切削刀尖也便于形成一种切削刀尖,其中超硬材料焊角长度大于通过传统技术能够容易地达到的长度(例如2-3mm或者更长)。加长的焊角长度提供了可用来加工工件的更多超硬材料,从而延长了切削刀尖的使用寿命。此外,本发明切削刀尖的超硬材料从该刀尖的顶面延伸到底面,从而在顶面提供了第一刀刃表面,而在通过翻转切削刀片可接近的切削刀尖的底面提供第二刀刃表面。
其它的优点对于本领域技术人员来说将是显而易见的。本发明所描述的实施例只是用于解释说明而不是限制,而且不意图示出本发明的所有可能实施例。在不偏离本发明宗旨或保护范围的情况下可以对所公开的实施例进行各种修改,本发明的范围是由以下权利要求文字所述以及法律所承认的等效物来限定的。

Claims (26)

1.一种切削刀片,包括:
切削刀片主体,其中具有形成于切削刀片主体内的多个空腔;
多个切削刀尖,每个切削刀尖放置在相应的空腔中,该切削刀尖包括基材部分和刀尖部分,该切削刀尖的基材部分的几何形状使得其在插入到所述切削刀片主体的空腔中时能提供机械保持力或锁定效果,所述几何形状包括通常的梯形的锚定部分,其底部大致是平的且远离所述主体的刀刃,刀尖部分由超硬切削材料制成并具有切削表面,基材部分由与刀尖部分的材料不同的材料制成,刀尖部分的超硬切削材料通过烧结而与基材部分制成一体;以及
在各所述切削刀尖和所述切削刀片主体之间的钎焊连接,
其中所述切削刀尖具有宽度缩小的腰部,所述腰部包括在缩小宽度部分交汇的第一对倾斜表面和第二对表面,所述第二对表面的一个表面长度与所述第二对表面的另一表面长度不同。
2.如权利要求1所述的切削刀片,其中所述超硬材料包括立方氮化硼或多晶金刚石。
3.如权利要求2所述的切削刀片,其中所述超硬材料还包含选自周期表IVa到VIa族的金属的氮化物、碳氮化物、氧化物或硼化物中的至少一种。
4.如权利要求1所述的切削刀片,其中所述超硬材料包含一种复合物,该复合物具有包括立方氮化硼或金刚石颗粒的第一相和包括金属、准金属类或其合金的第二相。
5.如权利要求1所述的切削刀片,其中所述切削刀尖包括顶面和与之相对的底面,且所述超硬材料从该顶面延伸到该底面从而限定出两个刀刃。
6.如权利要求1所述的切削刀片,其中所述切削刀尖具有大致的燕尾形。
7.如权利要求6所述的切削刀片,其中所述切削刀尖包括圆化的前端部和在该端部交汇的一对会聚前表面。
8.如权利要求7所述的切削刀片,其中至少所述切削刀尖的圆化前端部包含所述超硬材料。
9.如权利要求8所述的切削刀片,其中所述超硬材料的焊角长度为至少2mm,该焊角长度定义为所述会聚前表面之一上所述超硬材料与基材材料相接处的第一点和沿各所述会聚前表面画出的两条假想线之间的交点所确定的第二点之间的距离。
10.如权利要求9所述的切削刀片,其中所述焊角长度为至少3mm。
11.如权利要求1所述的切削刀片,其中各所述切削刀尖的底部的长度与其它所述切削刀尖的底部长度不同。
12.如权利要求1所述的切削刀片,其中所述切削刀片主体由烧结硬质合金、金属陶瓷或者硬金属合金制成。
13.如权利要求12所述的切削刀片,其中所述切削刀片主体由包含WC和Co的烧结硬质合金制成,该烧结硬质合金包含10-20%重量的Co。
14.如权利要求1所述的切削刀片,其中所述切削刀片主体为多边形、椭圆形或者圆形。
15.如权利要求14所述的切削刀片,其中所述切削刀片主体为多边形。
16.如权利要求1所述的切削刀片,其中所述空腔的形状和所述切削刀尖的形状互补。
17.如权利要求1所述的切削刀片,其中所述切削刀尖和切削刀片主体中的至少一个包括布置在其至少一部分的涂层。
18.如权利要求1所述的切削刀片,其中所述切削刀片主体包括断屑器结构。
19.如权利要求1所述的切削刀片,其中所述切削刀片包括不多于2个的切削刀尖。
20.如权利要求1所述的切削刀片,其中所述切削刀片包括不多于4个的切削刀尖。
21.如权利要求1所述的切削刀片,其中所述切削刀尖关于穿过所述刀片角部的平分线对称布置。
22.如权利要求1所述的切削刀片,其中所述切削刀尖关于穿过所述刀片角部的平分线不对称布置。
23.如权利要求1所述的切削刀片,其中所述切削刀片是车削刀片。
24.如权利要求1所述的切削刀片,其中所述切削刀片设置在钻头上。
25.如权利要求24所述的切削刀片,其中所述切削刀片基本平行于所述钻头中心轴线布置。
26.如权利要求24所述的切削刀片,其中所述切削刀片基本垂直于所述钻头中心轴线布置。
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