CN101056996A - 用于金属加工的切削工具以及生产切削刀具的方法 - Google Patents

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Abstract

根据本发明，提供了一种用于金属加工的切削刀具以及生产该切削刀具的方法，该方法可使刀架体在超过拉伸下60％的屈服点的载荷下具有提高的疲劳强度。该方法及刀具的特征在于，该刀具的刀架体受到硬化处理，造成深度硬化，而后该刀架体受到表面处理，造成表面的应变硬化，从而在该刀架体的表面区内引入压缩应力。

Description

用于金属加工的切削工具以及生产切削刀具的方法
技术领域
本发明涉及一种用于金属加工的切削刀具以及生产切削刀具的方法，例如具有一个或多个用于可转位刀片的刀片座的刀架体。作为此类刀具的例子，可以是具有多个硬质合金、金属陶瓷或陶瓷做的切削刀片的钻头。
背景技术
用于例如在金属材料中进行去屑加工的切削刀具有很多不同的种类，包括用于钻、磨削和车削的刀具。这些刀具的共同点是它们通常包括刀架体以及容纳在刀架体内的刀片座中的一个或多个切削刀片。通常，刀架体由硬化钢制成并随后在冷加工中变黑，获得了黑色表面，切削刀片由硬质合金、金属陶瓷或陶瓷制成。
作用在用于金属材料切削加工的刀具上的静态和动态载荷变得越来越高。从更有效的切削刀片产生出增大的载荷，且刀架体在其几何设计上变得更加优化。刀架体特别受到载荷的区域为刀片座中及刀片座附近的区域。这自然是由于在加工过程中由安装在刀片座中的切削刀片带来了载荷的原因。因此，存在增大此类刀架体、且特别是刀片座中和刀片座附近的疲劳强度的需求。
增加材料疲劳强度的一种方法是在表面区内引入压缩应力。例如，通过材料的表面硬化，在材料的表面区内引入压缩应力，例如通过氮化，其中氮主要在510-550℃的温度下，以气态供给到通常为钢做的刀架体的表面。另一种方法是对材料进行氮渗碳，其中碳和氮通常在约570℃的温度下，以气态供给到该表面。还有一种方法是对材料进行离子硝化，其中氮主要在真空条件下、在约450-650℃的温度下以离子气态供给到该表面。
通过在表面区内引入压缩应力来增加材料的疲劳强度的另一种方法是喷丸硬化。该方法的想法为在精确控制的条件下，利用诸如钢、玻璃或陶瓷的小颗粒来轰击该表面。
US 2005/0002744中公开了一种用于金属加工的切削刀具以及生产切削刀具的方法，其特征在于，该刀具的刀架体首先受到表面硬化，该表面硬化造成表面上压缩应力的形成，然后进行表面处理，该表面处理为表面上提供了附加的压缩应力。这样，一方面能够改变/加工或移除表面硬化中得到的整个相位过渡层或其中的一些部分，同时在该表面上形成附加的压缩应力。但是，已证明该方法在特别高的载荷的情况下，例如在材料超过拉伸(tension)下60％的屈服点的情况下，无法带来刀架体的令人满意的疲劳强度。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种在高载荷下具有提高的疲劳强度的刀架体。
本发明的另一目的是提供一种降低裂纹形成的风险的刀架体。
本发明的另一目的是提供一种易于制造且成本低的刀架体。
本发明的另一目的是提供一种在高载荷下具有长的使用寿命的刀架体。
通过具有所附的独立权利要求限定的特征的方法和切削刀具可至少实现本发明的主要目的。本发明的优选实施方式由从属权利要求限定。
附图说明
以下，参考附图对随后的作为示例的本发明的实施方式进行具体说明，其中：
图1-2示出了根据本发明的典型刀具体的钻头柄的两个侧视图，更精确的，呈用于所谓的短孔钻头的刀架体的形式。
图3示出了从设置有切削刀片的钻头的前部倾斜地看到的视图。
在图中使用了以下的附图标记：11钻头柄；12、13刀片座；14、15切屑通道；16切向支撑面；17轴向支撑面；18径向支撑面；19附加空间；20相对表面；21截面过渡部分。
具体实施方式
图1-3示出了圆柱形钻头柄11，在其前部设置有位于钻头的中心线CL两侧的两个刀片座12和13。形成为用于切屑传递的轴向凹槽或通道由14和15表示。在两个刀片座12、13的中心处设置有用来容纳锁紧螺钉(未示出)的孔，该锁紧螺钉用于将切削刀片锁紧到刀片座中。每个刀片座包括切向支撑面16，轴向支撑面17以及径向支撑面18。这些支撑面设置有附加空间19，用来容纳切削刀片的边角部，从而避免其损坏。切向支撑面16基本上平行于穿过中心线CL的径向平面。每个轴向支撑面17为凹凸不平的，从而形成大致为V形的轮廓，其顶部导向为朝钻头柄的固定部分轴向向后。位于中心座12内且相对径向支撑面18的表面20没有支撑切削刀片的功能，其目的只是防止切屑楔入钻头柄与中心切削刀片之间。径向支撑面18和切向支撑面16之间的截面过渡部分由21表示。在该截面过渡部分21处，在完全与工件接合时，刀片座内的最大应力集中增加。因此，可以期望能提高疲劳强度并且尽可能地降低裂纹形成和扩展的风险。
根据本发明，由工具钢制成的刀具刀架被深度硬化，即，使得钢的基本结构以马氏体为主，该结构基本上在整个刀架的截面上具有至少40HRC的硬度。这应用在用于钻头的刀架体上。用于磨削或车削操作的刀架体可具有在其表面上测得的至少36HRC的硬度。例如，这可通过加热刀具并进行现有技术中已知的淬火来实现。根据刀架的材料，淬火可受到诸如空气、油或水的介质的影响。高硬度意味着：由于增加的位错密度和堆积，与较软材料的冷加工相比，随后的冷加工效果提高，从而产生更高的残余应力。
随后，通过为了在刀架体的表面区引入压缩应力而进行的冷加工，进行表面处理，造成表面的应变(strain)硬化。这里的表面区是指表面以下10-160μm。这可通过例如喷丸硬化来实现。优选地，该喷丸硬化至少在刀片座内和刀片座附近进行。为了获得高的残余应力值，要求使用正确的强度对刀架体进行喷丸硬化。该强度通过选择喷丸硬化介质的硬度、密度和尺寸以及选择喷丸硬化过程的压力、流量、入射角、旋转和时间来确定。已发现以下条件是适合的：
压力：1-7bar
流量：0.3-1.0kg/min
入射角：90°deg
刀具旋转：25-50rev/m
时间：15-90s
介质硬度：45-55HRC
密度：7-8g/cm3
尺寸：直径0.25-0.50mm
在正确的强度下，合适的是，其至少为7A，优选地至少为15A，最优选地至少为18A，其中A指的是基本上如US 2350440中所公开的确定的Almen值，在钢内形成压缩应力且疲劳强度增加。通过良好平衡的喷丸硬化，表面以两种附加的方式受到影响。首先，从疲劳强度的角度看，表面结构变得有利，这是由于去除了加工划痕并获得了随机细凹坑(fine-pitted)结构。这意味着裂纹更加难以在某些方向上扩散。其次，表面获得了良好的抛光。
或者，造成应变硬化的表面处理可通过现有技术中已知的其它冷加工操作来完成，例如压痕(indentation)或辊抛光，从而实现刀架体表面一定的塑性变形，造成在刀架体的表面区中引入压缩应力。优选地，以这样的方式进行冷加工操作，使得还可实现从疲劳强度角度合适的表面结构。
不管已选择哪种类型表面处理，优选的是，表面处理在露出最多的区域进行，例如在刀片座内或刀片座附近。通常至少一部分刀架体受到造成深度硬化的硬化处理，而后对该部分刀架体的一部分进行表面处理，从而将压缩应力引入到刀架体的表面区。或者，硬化处理和表面处理两者在整个刀架体上进行。
根据本发明，在超过拉伸下60％的屈服点的载荷下，例如氮渗碳处理过的刀架体遇到形成裂纹问题的情况下，与现有技术的刀架体相比，可得到具有显著提高的疲劳强度的刀架体。一方面在刀片座内和刀片座附近，另一方面在沿轴向位于刀架体的刀片座后面的部分，可基本上减小高载荷下的裂纹形成和裂纹扩展的风险。
本发明的可行的修改
在上述实施例中，刀架体为可旋转钻头的形式。但是，本发明的概念是通用的，其能用在其它用于去屑加工的种类中，例如车削刀具和磨削刀具。
例1
将工具钢SS2242制备成根据本发明的可转位短孔钻头的最终形状和尺寸。通过加热到960℃而后在空气中淬火来对钻头进行深度硬化，使刀具具有1520N/mm2的拉伸下的屈服点并且具有50HRC的硬度。随后，在以下条件下对刀具的整个刀架体进行喷丸硬化：
入射角：相对钻头的纵向轴线成90度
喷嘴和刀具刀架体之间的距离：100mm
刀架体的旋转速度：30rev/min
时间：60s
介质：52HRC的圆钢球，0.20mm
将压力和流量调节为达到18A的Almen值
例2
重复例1，且除了硬化还进行如US 2005/0002744中所公开的氮渗碳处理。
例3
将具有硬质合金做的切削刀片的例1和例2中的刀具刀架体在短孔钻削操作60mm深时进行检测。在材料SS2541300HB中钻孔，切削数据为：200m/min的速度和0.20mm/rev的进刀量。这些切削数据产生材料屈服拉伸85％的力。作为进一步的参考，对可商用的同样类型的深度硬化和冷加工变黑的钻头进行测试。刀具寿命以刀具刀架体的破损为标准。
结果：
参照         300m
例2          50m
例1          ＞1000m

Claims (11)

1.一种生产用于金属加工的切削刀具的方法，该切削刀具包括具有一个或多个刀片座的刀架体，该刀片座用来容纳由诸如硬质合金、金属陶瓷或陶瓷的硬质材料做的切削刀片，该刀具的刀架体由钢制成，其特征在于，该方法由以下步骤组成：
对所述刀架体的至少一部分进行深度硬化，而后
对刀架体的该部分中的至少一部分进行表面处理，从而在该刀架体的表面区内引入压缩应力。
2.根据前述权利要求中任一项的方法，其特征在于，
对整个刀架体进行深度硬化。
3.根据前述权利要求中任一项的方法，其特征在于，
在所述刀片座内和刀片座附近进行表面处理。
4.根据前述权利要求中任一项的方法，其特征在于，
对整个刀架体进行表面处理。
5.根据前述权利要求中任一项的方法，其特征在于，
通过喷丸硬化进行表面处理。
6.一种用于金属加工的切削刀具，包括具有一个或多个刀片座(12，13)的刀架体(11)，该刀片座用来容纳由诸如硬质合金、金属陶瓷或陶瓷的硬质材料做的切削刀片，该刀架体(11)由钢制成，其特征在于，该刀架体的至少一部分被深度硬化，且该刀架体的一部分中的至少一部分具有应变硬化表面。
7.根据权利要求6的切削刀具，其特征在于，所述刀架体为具有至少40HRC硬度的钻头的一部分，优选地在该钻头的整个截面上均具有至少40HRC的硬度。
8.根据权利要求6的切削刀具，其特征在于，所述刀架体为用于磨削或车削操作的刀具的一部分，且在该刀具的表面可检测到，该刀具具有至少36HRC的硬度。
9.根据权利要求6-8中任一项的切削刀具，其特征在于，所述表面具有随机的细凹坑结构，优选地是喷丸硬化的结果。
10.根据权利要求9的切削刀具，其特征在于，所述表面在整个刀架体上具有随机的细凹坑结构。
11.根据权利要求9的切削刀具，其特征在于，所述随机的细凹坑结构位于所述刀片座内或刀片座附近。
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