CN101400466A - 具有模制镶件本体的切削工具镶件 - Google Patents
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Abstract
切削工具，可以包括至少一个磨料刀片(22)和镶件本体(23)，所述磨料刀片包括磨料切削刃。所述镶件本体包括可模制材料，并且所述可模制材料附着于所述磨料刀片的一部分。
Description
相关申请的交叉引用：
[0001]本申请要求2006年3月6日递交的、题目为“Cutting Tool Insert with MoldedInsert Body(具有模制镶件本体的切削工具镶件)”的同时待审定的美国临时专利申请No.60/779,532的优先权，并且通过引用将所述美国申请披露的内容的全部包括在本文中。
关于联邦赞助研究或开发的声明：不适用。
联合研究协议方名称：不适用。
序列表：不适用。
背景
1、技术领域
[0005]这里所给出的描述总地涉及具有模制的镶件本体(insert body)的切削工具镶件以及制造切削工具镶件(cutting tool insert)的方法。
2、相关技术的描述
[0006]机加工工具、切削工具、锯削或者钻削工具经常提供可拆卸的镶件，所述镶件包括常规的材料，例如烧结碳化物或陶瓷(例如Si3N4、TiC-Al2O3复合物)。图1A、1B和1C描绘常规的镶件10，所述镶件10通过螺钉或其他夹紧机构14被牢固地保持并锁定到切削工具保持器15中。这些镶件是机加工切削工具系统的用后即可丢弃的零件，因为在机加工操作中，镶件被保持为与工件接触并且最终磨耗至需要替换的时刻。
[0007]切削工具镶件10可以包括具有基底材料的镶件本体13和可以具有超级磨料材料(superabrasive material)的磨料切削刃(abrasive cutting edge)12，其中镶件本体13典型地由预先制造的烧结碳化钨制成。超级磨料切削刃12可以通过硬钎焊(brazing)工艺附着到镶件本体13的角上、边缘、中央圆周，或者其他方式与镶件本体13接触。硬钎焊一般提供足够的结合力以耐受切削力和热，并且另外还便于附着小的磨料切削刃。切削工具镶件10随后可以通过夹具14或者楔固定到切削工具保持器15。随后切削工具保持器被夹入或楔入切削机器。
[0008]尽管现有技术的硬钎焊工艺的确降低制造超级磨料镶件的材料成本，但是该工艺，并且尤其是硬钎焊操作本身，是劳动密集型的，并且通常是昂贵的。
[0009]标题为“复合工件”的美国专利No.2,944,323(“′323专利”)教导了一体式形成包括硬金属切削单元和工具本体的切削工具的方法，该专利通过引用被整体包括在本文中。具体地，′323专利教导了通过各种工艺(例如铸造、模制和模压(die-press))将硬金属切削单元锚固到工具本体的方法。然而，在′323专利中描述的切削单元限于诸如钨铬钴合金(Stellite)的硬金属。硬金属切削工具以小于150fpm(45m/s)的切削速度被使用。在较高的切削速度操作导致切削区域中温度的快速升高。这样的硬金属切削工具具有受限的热硬度(在高温的硬度)，并且仅可以用于至550摄氏度的切削温度(例如参见GeoffreyBoothroyd和Winston A.Knight，Marcel Dekker的“Fundamentals of Machining and MachineTools(机加工和机床基础)”(1989))。
[0010]在切削过程期间生成的热必须从切削刃散逸走。′323专利教导了一种方法，即将热通过工件和邻接的工具本体从切削刃传导走。然而，当施加于包括通过硬钎焊方式附着到镶件本体的磨料刀片(abrasive tip)的超级磨料或陶瓷切削工具时，这种方法的一项限制在于它增加磨料刀片-镶件本体结合处(joint)软化的可能性，导致最终的分离。
[0011]因此，存在对这样的切削工具镶件及其制造方法的需求，所述切削工具镶件克服诸如硬钎焊工件镶件的常规工具镶件的缺点。
发明内容
[0012]本发明的实施方案包括切削工具镶件。所述切削工具镶件包括至少一个磨料刀片和模制在其上的镶件本体材料，其中所述磨料刀片包括至少一个切削刃。所述磨料刀片可以包括例如超级磨料材料或者如本文描述的其他材料。例如，所述磨料刀片可以包括金刚石、立方氮化硼、碳化物、陶瓷、氧化物、氮化物、复合物、层压物或其混合物。所述磨料刀片可以是非可变形的。所述磨料刀片可以具有比所述模制材料高的硬度。
[0013]切削工具的实施方案可以包括切削工具镶件，其中所述切削工具镶件包括至少一个磨料刀片和镶件本体，所述磨料刀片包括至少一个磨料切削刃。所述镶件本体可以包括可模制材料，并且所述可模制材料附着于所述磨料刀片的一部分。还可以包括切削工具保持器，其中所述切削工具保持器接纳所述切削工具镶件。
[0014]切削工具镶件的额外实施方案可以包括至少一个具有磨料切削刃的磨料刀片和模制的金属镶件本体。模制可以包括铸造、粉末金属注模成型和烧结、粉末金属压模成型和烧结，或者塑性成形，所有这些方法是本领域技术人员熟知的。所述金属可以包括铁合金、非铁合金、金属结合的复合物，例如复合碳化物和金属基体复合物。
[0015]本发明的进一步的实施方案包括至少一个磨料刀片和模制的陶瓷镶件本体。模制可以包括铸造、粉末陶瓷注模成型和烧结、粉末陶瓷压模成型和烧结，或者塑性成形和烧结，所有这些方法是本领域技术人员熟知的。所述陶瓷材料可以包括氧化物陶瓷和非氧化物陶瓷、玻璃和增强的陶瓷基体复合物。
[0016]在一些实施方案中，可模制的材料可以包括碳化物材料。
[0017]在一些实施方案中，镶件本体还可以包括结构增强组分、热学组分、物理化学组分或其混合物。在其他实施方案中，切削工具镶件还可以包括磨擦润滑件。
[0018]在一些实施方案中，聚合物材料可以是镶件本体，并且聚合物材料可以包括可模制树脂、金属树脂共混物、热固性树脂、热塑性树脂或其共混物。在再另一个实施方案中，聚合物材料可以包括无机和树脂材料的复合物或化合物。
[0019]在再其他的实施方案中，切削工具可以包括至少一个磨料刀片，所述磨料刀片可以选自金刚石、立方氮化硼、超级磨料、碳化物、陶瓷、氧化物、氮化物、复合物、层压物或其混合物。在其他的实施方案中，所述至少一个磨料刀片可以具有大于约1000的维氏度量硬度。
[0020]在某些实施方案中，所述至少一个磨料刀片还包括突出、凹陷或其混合体，或者其他帮助将磨料刀片固定到镶件本体的几何特征。
[0021]实施方案的所述至少一个磨料刀片或切削工具镶件可以包括覆层，所述覆层可以包括金属、陶瓷、氧化物、有机树脂、或任何层压物、复合物或其混合物。
[0022]一些实施方案的切削工具镶件可以包括具有磨料切削刃的磨料刀片，模制的镶件本体，以及磨擦润滑(TC)件或磨擦润滑(TC)嵌体(“TC嵌体(TC insert)”和“TC件”在本文中可互换地使用)。所述磨擦润滑件可以被置于镶件本体中以改变切削工具镶件的磨耗、磨擦和/或化学性状。磨擦润滑组件可邻近于磨料刀片的至少一个表面。
[0023]方法实施方案可以包括提供至少一个磨料刀片，所述磨料刀片包括磨料切削刃；提供可模制材料来形成镶件本体；以及对所述至少一个磨料刀片和所述可模制材料进行夹物模压，以形成切削工具镶件。
[0024]在一些实施方案中，所述材料可以包括可模制树脂、金属树脂共混物、粉末化金属、金属、热固性树脂、热塑性树脂、陶瓷-树脂或其共混物。在再其他的实施方案中，所述材料可以包括无机和树脂材料的复合物或化合物、金属基体复合物或陶瓷/玻璃基体复合物。在一些实施方案中，所述可模制材料可以选自由聚合物材料、陶瓷材料、碳化物材料、金属材料或其共混物组成的组。
[0025]在某些实施方案中，所述夹物模压所述镶件的步骤可以包括同时形成所述镶件本体以及将所述镶件本体固定到所述磨料刀片。在再其他的实施方案中，一种方法包括夹物模压，其中所述夹物模压包括注模成型、传递成型、冷压、加热、铸造或烧结中的至少一项，所有这些是本领域技术人员熟知的。在再其他的实施方案中，夹物模压可以在至约1500摄氏度的温度进行。某些实施方案还包括在至250吨/平方英寸的压强下进行的夹物模压。
[0026]在一些实施方案中，在所述夹物模压之后加热所述切削工具镶件。在再其他的实施方案中，在所述夹物模压之后冷却所述切削工具镶件。
[0027]一些实施方案可以包括在夹物模压之前对所述磨料刀片进行覆层，并且一些实施方案可以包括研磨所述切削工具镶件。
[0028]一些实施方案可以包括粉末模制操作，以形成聚合物的、金属的、陶瓷的或复合的镶件本体。模制操作后可以跟随着结合剂去除操作和烧结操作。从镶件本体去除结合剂可以包括例如但不限于用于氧化结合剂的真空焙烧、空气焙烧或本领域技术人员熟知的其他结合剂去除方法。
[0029]在其他实施方案中，切削工具可以包括包含磨料切削刃的至少一个磨料刀片和镶件本体。所述镶件本体包括可模制材料，所述可模制材料包括聚合物材料、陶瓷材料、碳化物材料、金属材料、复合物材料或其混合物。在实施方案中，所述可模制材料可以附着于整个磨料刀片的一部份。所述镶件本体还可以包含结构增强组分、热学组分、物理化学组分或其混合物。
附图简要说明
[0030]图1A描绘现有技术的切削工具镶件。
[0031]图1B-1C包括现有技术的切削工具装置的顶视图和侧视图。
[0032]图2A-2C是根据本公开的各个实施方案的各种夹物模压的切削工具镶件的顶视图图示的选集。
[0033]图3是具有包含突出的切削坯(cutting blank)的切削工具镶件的实施方案。
[0034]图4是具有包含凹陷的切削坯的切削工具镶件的实施方案。
[0035]图5是包括磨擦润滑件(tribochemical body)的切削工具的实施方案。
[0036]图6是图示示例性切削工具镶件制造过程的图。
具体实施方式
[0037]在描述本方法、系统和材料之前，要理解本公开不限于所描述的特定方法、系统和材料，因为这些可以改变。还要理解，在本描述中使用的术语仅用于描述特定版本或实施方案的目的，而不打算限制范围。例如，如在这里和所附权利要求书中使用的，除非上下文以其他方式明确指出，否则单数形式“一(an，an)”和“所述”包括复数指代。此外，使用在这里，词汇“包括”意指“包括但不限于”。除非以其他方式限定，否则在这里使用的所有技术和科技术语具有如本领域普通技术人员所普遍理解的相同含义。
[0038]使用在这里，术语“镶件”指被保持在镶件本体内的超级磨料、陶瓷和/或碳化物(例如碳化钨)或者可替换的切削材料片，其用于成型或材料去除装备，并且在磨损后被抛弃或替换。图1A-1C中图示的实施例是现有技术的切削工具，其中镶件10包括镶件本体13和磨料切削刃12，其中镶件10通过螺钉或其他加紧机构14被牢固地保持并锁定到切削工具保持器15中。
[0039]使用在这里，术语“切削工具保持器”指这样的刚性体，其牢固地将镶件或多个镶件保持就位从而所述镶件可以被利用在车削、铣削、镗削、切割或钻削应用中(参见例如图1B和图1C，其中切削工具保持器15接纳切削工具镶件10)。
[0040]参照图1A-1C，本发明总地涉及镶件20，所述镶件20包括具有磨料切削刃的切削刀片22和镶件本体23。本发明通过引用将标题为“Cutting Tool Inserts and Methods toManufacture(切削工具镶件及制造方法)”的美国专利申请No.10/690,761整体包括在本文中。图2A和2B图示包括镶件本体23的镶件20，所述镶件本体23是夹物模压(insert-molded)在磨料刀片22的一部分上的材料。具体地，图2A和2B图示两种类型的磨料刀片，所述磨料刀片具有在黑树脂本体中的切削刃，这两种磨料刀片均已经被磨过刃，并且准备好被使用。图2B中的圆形凹陷是从模具顶出销(mold eject pin)25留出的凹陷。图2C图示在研磨操作之前具有两个磨料刀片22的模制镶件20。
[0041]在图3所描绘的实施方案中，模制的切削工具镶件50可以包括切削坯55，所述切削坯55还可以包括突出57。突出57可以是从切削坯的一侧凸出的凸起或多侧凸出。突出57可以嵌入到镶件本体60中，并且还可以增加切削坯55到镶件本体60的附着性。
[0042]在图4所描绘的可替换的实施方案中，模制的切削工具镶件70可以包括切削坯75，所述切削坯75还可以包括凹入区77。镶件本体80的材料可以进入所述凹入区77，并且还可以增加切削坯75到镶件本体的附着性。
[0043]再次参照图2A-2C，具有切削刃的磨料坯22可以包括可以用于锯削、机加工、切割或者钻削应用中的任何材料，所述材料包括但不限于碳化物、陶瓷或超级磨料，例如氮化硅、碳化硅、碳化硼、碳化钛-氧化铝陶瓷，例如碳化钛、熔融氧化铝、陶瓷氧化铝、热处理过的氧化铝、氧化铝氧化锆、铁氧化物、碳化钽、氧化铈、石榴石、烧结碳化物(例如，WC-Co)、合成的和天然的金刚石、氧化锆、立方氮化硼，这些材料的层压物(laminate)，它们的混合物及复合材料。这些材料可以是单晶或者烧结多晶体的形式。所述磨料坯可以具有任何比工件材料更不易变形的(更硬的)或者更抗磨损的材料。优选地，所述磨料坯可以具有大于约1000的维氏度量硬度(Vickers scale hardness)。本领域公知的烧结技术可以被用于制作磨料坯22。磨料坯22和镶件本体23可以具有任何几何结构和相对于彼此的朝向。
[0044]在实施方案中，磨料刀片22可以具有基本上类似于镶件本体23的厚度。这种组合允许使用磨料刀片22的顶部和底部刃。所述磨料刀片可以是单晶、烧结多晶体，或者在所述磨料刀片22的上和下层上具有磨料材料的层压体的形式。
[0045]包括多晶金刚石(PCD)或者多晶立方氮化硼(PCBN)的磨料压坯(compact)或者坯可以被用于磨料刀片22，并且在商业上可由多个来源获得，所述来源包括戴蒙得创新股份有限公司(Diamond Innovation Inc.)，商品名分别为
和
。PCD和PCBN压坯可以是包括大约5％到90％体积的合适的结合基体(bonding matrix)。所述结合基体可以是例如钴、铁、镍、铂、钛、铬、钽、铜的金属、硅或者其合金或混合物和/或其碳化物、硼化物或者氮化物或其混合物。所述基体另外还可以包含再结晶或者生长催化剂，例如，用于CBN的铝或用于金刚石的钴。
[0046]所述压坯可以是厚度为约0.1mm到约15mm的PCBN盘。在另一个实施方案中，所述PCBN压坯可以具有约1.6到约6.4mm的厚度。所述压坯的形成可以通过本领域已知的工艺来进行，包括放电加工(Electro Discharge Machining(EDM))、放电研磨(Electro Discharge Grinding(EDG))、激光、等离子、研磨以及水喷射。被切割的件的几何结构可以被预先确定并且由计算机控制来保持精密公差。
[0047]在实施方案中，所述PCBN坯可以通过磨料水喷射的方式来成形。在本发明的另一个实施方案中，可以根据预先确定的计算机控制的图形(pattern)在表面的选择位置上激光蚀刻所述PCBN坯，例如，形成多边形，其中两个边形成具有约5.0mm切削刃长度的80°的三角形，并且为了后续与镶件本体中的配对特征的互锁，其余直边形成锯齿形。
[0048]在一些实施方案中，磨料刀片22可以具有这样的磨料切削刃，所述磨料切削刃具有0.5mm到25.4mm的长度27(图2B)，包括在任何参考面上的20到90°的角度。在第二实施方案中，所述磨料刀片22的厚度为约0.5mm到7mm。磨料刀片22可以是圆形、椭圆形、八边形、六边形、部分或完整的环形等，具有多个刃，并且可以具有在切削工具中使用的任何尺寸。
[0049]镶件20包括形成镶件本体23的材料。镶件本体23可以是与具有磨料切削刃的磨料刀片22夹物模压的并且与所述磨料刀片22接触，或者可替换地夹物模压在具有磨料切削刃的磨料刀片22的一部分上。夹物模压被定义为围绕预成形的金属、磨料、超级磨料或其他实心镶件模制塑料或其他可流动材料的工艺(http://www.npd-solutions.com/injectmoldglos.html)。在夹物模压期间，镶件本体23可以同时成型并硬化。磨料刀片22还可以包括额外的几何特征24，所述几何特征24进一步将磨料刀片22固定到镶件本体23。镶件本体可以包括用于针对切屑流(chip flow)控制、识别、标记等来安装所述镶件的孔或凹口(recess)。通过化学反应或者通过冷却并附着到磨料刀片22，镶件本体23的成型和硬化的产生可以是永久性的。在硬化或固化期间，化学反应可以发生在镶件本体23材料中以及发生在镶件本体材料和磨料刀片22之间。可选地，不需要粘附剂或硬钎焊金属或者其他中间层来将镶件本体23附着到磨料刀片22。
[0050]在一些实施方案中，镶件本体23的材料可以是(1)任何可模制的聚合物材料，例如热塑性或热固性材料；或者(2)任何可模制的金属化合物，包含铁合金和非铁合金或者纯金属；或者(3)任何可模制的陶瓷化合物，包括氧化陶瓷或非氧化陶瓷；或者(4)任何可模制的复合材料，包括有机、金属或陶瓷基体复合物。
[0051]在实施方案中，镶件本体23的材料可以是热固性或者热塑性树脂，例如聚醚酰亚胺、聚酰胺、酚醛类树脂。镶件本体23的聚合物材料还可以包括无机材料和树脂材料的复合物或化合物，例如填充的树脂。当镶件20受到切削操作中的力和热时，镶件本体23的模制材料将具有切削刃的磨料刀片22紧紧地保持到镶件本体23。镶件本体23的模制材料的强度和刚度(stiffness)帮助避免镶件的破裂(crack)。因此，形成镶件本体23的材料具有足够的热性(heat)、韧性和强度，以在例如切削操作期间以适当的强度保持所述磨料刀片。
[0052]可选地，具有切削刃的磨料刀片附着到镶件本体材料而无需任何诸如粘附剂或金属硬钎焊的中间层。然而不希望受理论所限，镶件本体材料可以通过以下方法的任何组合来附着到磨料刀片，所述方法为主要化学结合；次要相互作用，例如但不限于分散力、范德华相互作用，氢键结合等等；以及镶件本体材料与磨料刀片表面的形貌特征(topographical feature)机械互锁。可以通过在(例如夹物模压工艺的)冷却步骤期间围绕磨料刀片的镶件本体的收缩(shrinkage)将磨料刀片附着到所述本体。
[0053]另一实施方案包括在具有切削刃的磨料刀片的一个或更多个表面上的覆层(coating)，或者在镶件的一个或更多个表面上的覆层。例如，在夹物模压之前，可以向磨料刀片的一个或更多个表面施加覆层。可替换地，可以在夹物模压之后在一个或更多个表面上对所述镶件进行覆层。所述覆层可以包括金属、陶瓷、氧化物、碳、树脂或任何层压物、复合物或其混合物。所述覆层可以起到提高抗磨损性、改善镶件标识、提高抗氧化性或减少化学侵蚀的作用。
[0054]在一些实施方案中，诸如天然矿物(例如云母)的陶瓷粉末，或者碳纤维或滑石可以被添加到可流动的材料中以调节硬度、耐热性、可研磨性和强度。在其他实施方案中，所述材料可以包括颜料，例如以标识不同的镶件。例如，菱形的镶件可以是红的而圆形的镶件可以是蓝的。
[0055]在另一个实施方案中，一种方法总地涉及通过夹物模压形成切削工具镶件。初始地，可以提供磨料刀片和可模制材料。形成镶件本体的所述材料可以被夹物模压到具有切削坯的磨料刀片的一部分上，以形成镶件。夹物模压一般指任何这样的模制工艺，通过所述模制工艺，诸如粉末或固体/液体混合物的可流动材料(包括塑料、金属或陶瓷粉末或其混合物)被引入到模具中并且围绕“夹物”件(insert piece)的一部分，在这种情况下所述“夹物”件为在模制之前置入同一模具的磨料刀片。在模具中与磨料刀片发生冷却、热化学收缩和硬化。这实现了一个或多个磨料刀片的附着以及镶件本体的制造两者，从而形成镶件。可选地，附着(attachment)发生而无需诸如粘附剂或金属硬钎焊的中间层。此外，如果可模制树脂材料保形于(conform to)、接触于、湿润并粘着于所述一个或多个磨料刀片，产生通过粘附的附着。任何数量的几何特征24(参见图2)可以被添加到磨料刀片以改进附着。可以通过任何模制工艺来生产镶件，所述工艺例如但不限于注模成型、压模成型、锻造和铸造。
[0056]用于夹物模压的可流动材料是一种在应力下改变形状并且不使磨料刀片变形的材料。此外，可流动材料可以在小于约250吨/平方英寸的压强或应力以及在低于约1500摄氏度的温度保形于所述磨料刀片。可流动材料填充所述模具以形成切削工具镶件本体的形状。它还保形于、湿润或者接触于构成切削工具镶件并且保持在模具内的一个或多个磨料刀片。压力下的流动通常改善对模具的接触和“填塞(packing)”，并且加速模具的填充。
[0057]可以在压力下向模具施加热和冷却，以促使所述可流动材料以热化学的方式、以热的方式和/或通过表面张力均匀地并且同时地全维度接触，并且因此挤压和/或附着到所述一个或多个磨料刀片。可流动材料可以被设计为以化学方式附着到磨料刀片材料，以增加结合强度。可流动材料可以被选择为与磨料刀片的特定材料发生化学反应。例如，可以选择三聚氰胺酚醛树脂的聚合物材料，从而在夹物模压工艺的固化期间，聚合物前体(precursor)与包含金刚石作为切削刀片材料的切削坯发生化学反应。热化学和/或表面张力(即烧结)反应可以增加可流动材料的硬度并提高热稳定性。
[0058]任何常规的模具(例如钢模)可以被用于形成镶件。所述模具可以具有切削镶件的任何期望的形状，例如可以使用菱形的腔。此外，所述模具的形状、尺寸或厚度可以不同，并且可以对应于期望的切削工具保持器的形状或尺寸。所述模具可以有接纳单个磨料刀片的能力，并且可以有接纳多个磨料刀片的能力。在实施方案中，磨料刀片初始可以被置于模具中，并且随后向模具中引入所述材料。然后，可以加热或冷压所述模具或者对模具进行加热和冷压两者，以形成用于形成镶件的硬的镶件复合物，其包括具有切削坯的磨料刀片和镶件本体。
[0059]在另一实施方案中，所述模具可以包括销，操作员或机器人可以根据模具结构来投放或放置磨料刀片或切削坯。所述模具还可以包括弹簧销(pin-on-spring)，以于压力下注入熔融材料之前夹紧和保持磨料刀片。模具还可以具有流槽(runner)和门(gate)，以控制熔融材料流动和模具腔的填充。
[0060]参照图5，描绘了具有磨擦润滑件91的切削工具镶件90。所述切削工具镶件可以包含具有磨料切削刃93的磨料刀片、模制的镶件本体94和磨擦润滑件95。磨擦润滑件95可以置于镶件本体94中以使切削工具镶件90的磨耗性状、磨擦性状和/或化学性状改性，以及延长切削工具镶件90的使用寿命。磨擦润滑组件(component)可以邻近于磨料刀片92的至少一个表面。
[0061]可以以与磨料刀片相同的方式将活性的(active)磨擦润滑(TC)嵌体模制到切削镶件中。所述嵌体具有使镶件的切削性能改性的化学、磨耗、热、磨擦或几何特征。所述嵌体可以保护模制的镶件免受磨耗，延长镶件的寿命。可以通过使磨料刀片与耐磨损性比模制本体高的TC嵌体毗邻来获得该增加的寿命。材料可以为任何耐磨损性比模制的镶件本体高的材料。对于超级磨料，TC嵌体可以是任何常规的WC材料、硬化钢、陶瓷或类似材料。如果TC嵌体由比镶件本体更惰性的材料构成，则TC嵌体可以类似地保护镶件本体不受腐蚀。
[0062]对于聚合物镶件本体，抗腐蚀的TC嵌体可以是金属材料、更惰性的聚合物和陶瓷或类似材料。TC嵌体还可以是这样的组件，其以物理方式将切削残片(debris)和屑引导离开模制的镶件本体，所述组件例如但不限于沟槽。可以包括如本领域已知的具有适当耐磨损性/耐化学性的材料和带沟槽的断屑器几何结构(chip breaker geometry)。类似地，TC嵌体可以通过包括在切削应用中采用的各种固态或液态滑润剂来提供润滑优势，这对于本领域技术人员来说是已知的，或者今后对于本领域技术人员来说成为已知的。
[0063]参照图6，制造模制的切削工具镶件100的方法的实施方案可以包括：操作员或机器人将磨料刀片置于模具的销、底面和壁内的加热的腔中，并随后闭合模具105。在压力下温暖的可模制材料可以被注入模具110，以将空气推出或者可以使用真空。可选地，可以采用结合剂去除步骤(例如真空焙烧或空气焙烧或本领域技术人员同样已知的其他步骤)来去除任何结合剂材料。所述材料可以在至约1,500摄氏度的温度和小于约250吨/平方英寸的压强模制115材料。对于可模制的塑料，优选为小于5吨/平方英寸的压强和低于约300摄氏度的温度。对于可模制的金属，优选为小于25吨/平方英寸的压强和低于约1500摄氏度的温度。温暖、粘稠的材料在一个或多个磨料刀片之上和周围流动。磨料刀片一般可以在模具填充期间使用模具的销、弹簧和腔壁被保持为抵抗流动力。随后温暖的材料可以被填塞和挤压以挤出任何空隙，改善保形接触并且使随后在固化体积改变最小化。温暖的材料可以通过模具热的壁、辐射或其他方法被进一步加热，并且可以经历热激活的和/或压力激活的化学反应，所述化学反应导致所述材料通过聚合及其中的收缩而硬化。温暖的材料还可以被允许在模具中冷却，并且因此无需化学反应而硬化。在足够允许冷却和/或硬化的时间后，模具可以被打开，并且零件由设置到模具本体120中的销推出。该新的零件或镶件随后可以允许使用包括暴露给环境温度的任何标准冷却工艺冷却125。随后新的磨料刀片可以被置入模具中并重复该过程。
[0064]在可替换的实施方案中，可以在模具外部通过暴露给UV辐射或者可选地在1个大气压或更高的压强下加热来实现夹物模压本体的进一步的固化、硬化、退火、回火。
[0065]在可替换的实施方案中，可以使用金属-树脂、陶瓷-树脂或金属-树脂-陶瓷模制(例如金属注模成形)来制作模制的镶件。金属注模成形包括混合精细的金属和/或陶瓷粉末与塑料结合剂来使金属粉末更可流动。一个或多个磨料刀片如常被置于模具中，并且金属、树脂和结合剂化合物可以在热和压力下被推入模具中围绕所述磨料刀片。在树脂的硬化、冷却和/或收缩后，模制的镶件随后可以通过溶剂提取或气化来脱除塑料，留下多孔的金属磨料刀片镶件。该镶件本体随后可以被炉烧结以形成致密的、硬的镶件。
[0066]在可替换的实施方案中，模制的镶件可以使用可流动金属粉末共混物来制作，其中模具填充可以通过重力来实现。零件可以被冷压以形成非致密、非硬的“坯体”并且随后在炉中烧结以收缩并硬化，以及造成收缩应力并且与一个或多个磨料刀片附着。可替换地，当通过热压填充，可以在相同的模具中进行固化。
[0067]在可替换的实施方案中，模具镶件可以在热压中通过将磨料刀片设置到冷的模具中、添加金属粉末、闭合模具并且增加热和压强以促使金属粉末在磨料刀片周围烧结来制作。
[0068]模制的切削工具镶件可以被精研、抛光或以其他方式进一步机加工，以去除其形状中的不规则、不平等等，从而帮助配合到切削工具保持器内。镶件的成型可以使用包括但不限于线放电加工(Wire Electro Discharge Machining(WEDM))、铣削、激光切割或研磨的任何工艺进行。例如，所述镶件可以被研磨至各种形状，以不限制的方式包括搪光(hone)、倒角、刮片式(wiper)(多个切削刀尖半径)、前角、后角等本领域已知的形状。在本发明的另一实施方案中，切削工具镶件本体可以在其本体内或其本体上包括断屑图形、对准孔或者倒角。此外，可以向镶件施加无电镀镍铬硬覆层或者随后的PVD或CVD陶瓷硬覆层来保护所述镶件。
[0069]模制的镶件本体可以包括额外的组分，例如结构增强组分，以提高强度、韧度或抗变形性。如上所描述的模制的基体可以是聚合物的、金属的或陶瓷的，可以包括增强组分(reinforcing component)。使用在这里，术语“结构增强组分(structural enhancementcomponent)”包括但不限于诸如颗粒、须或丝的增强组分。这些颗粒、须或丝可以是任何普遍用于增强复合物的那些颗粒、须或丝，并且对于本领域技术人员来说是熟悉的。这些增强物可以是玻璃、陶瓷、合金、纳米颗粒或聚合物。所述增强物可以被覆层或以其他方式被处理，以如本领域已知的那样提高或降低它们对基体的附着。所述增强物可以是连续的或非连续的。所述增强物可以以从约1％到约50％体积的含量被包括在镶件本体中。其他含量是可能的，并且是本领域技术人员已知的。
[0070]模制的镶件本体还可以包括热学组分(thermal component)，以改性镶件的热性质。使用在这里，术语“热学组分”包括本领域已知可以用于改变另一材料的热性质的材料。热学组分可以增加或降低基体本体的热传导性。热学组分可以包括颗粒、须或丝。热学组分可以是连续的或者在本体内离散地分布。热学组分可以降低模制本体的热传导性，以提高切削刃、磨料刀片或在切削操作中产生的切屑的温度。可以添加所述组分来减少分布到镶件工具保持器和其他机械组件的热能。所述热学组分可以以从约1％到约50％体积的含量被包括在镶件本体中。其他含量是可能的，并且是本领域技术人员已知的。
[0071]在本发明中采用一种方法来增加切削镶件的耐热性。这有效地改变热能的划分，导致较高百分数的热能流向工件材料或切屑。这确保即使是在较高的切削速度也维持磨料刀片到镶件本体的附着。
[0072]该模制的镶件本体还可以包括使切削操作的化学或物理方面改性的添加剂，并且所述添加剂在这里通过术语“物理化学组分”来描述。镶件本体的物理化学组分可以包括如本领域已知的液态或固态的润滑剂，以减小刀片或镶件本体中的磨擦力。所述本体可以包括例如但不限于减小切削力并且本领域技术人员已知为切削或研磨促进剂的化学改性剂的物理化学组分。这些化学改性剂可以包含硫、磷、氯、氟或其他本领域已知的切削促进剂。
[0073]可以制作具有任何各种形状、尺寸或厚度、可附着到广泛的各种切削工具保持器以用于车削、铣削、镗削、锯削和钻削应用中的镶件。本发明的结合的镶件可以包含多个磨料刀片(仅受镶件形状限制)，并且可以不需要外部夹、体楔或安装件的约束。
[0074]以下的实施例，以及如通常由附图示出的那样，仅仅代表对本发明的教导作出贡献的工作，并且本发明不应受到以下实施例的限制。
[0075]实施例1。使用热固性三聚氰胺酚醛树脂(填充Plenco级0641玻纤和矿物)通过上面描述的方法模制菱形的CNUA43切削镶件。使用包含弹簧加载的销的硬的钢模具。一个或多个刀片是HTM 2100材料(戴蒙得创新股份有限公司)。HTM 2100包括结合到约1.5-2mm的烧结碳化钨的0.5-1mm的硬PCBN复合物。80度梯形的切削坯被EDM切削为具有在切削坯到0.008”的半径，以提供用于可流动树脂的密封。切削坯被制备为提供与可固化树脂的适当接触，以提高粘附附着。切削坯被置入构成模具的腔中，并且通过小的销定位。预热的树脂随后被加压至模具中，并且在切削坯之上和周围流动。构成密封并且增加压强。加热模具并且给与完成模具填充、去除空气、树脂收缩以及热固性树脂固化/硬化的时间。模制件随后被冷却并且通过以25度×0.005”倒角和中等搪光的研磨被制作为CNGA432镶件。由于软的塑料和非粘着的塑料残片，刃磨得惊人地好，显示出最小的轮磨耗、低的力和快速的研磨过程，所述非粘着的塑料残片降低清洁或修整研磨轮的需要。通过塑料的磨料切削刀片的附着惊人地好。
[0076]相对于标准碳化物和钢镶件，三十件上述模制镶件经受零件每轮(parts perwheel)、零件每分钟(part per wheel)以及研磨力的机器研磨评估(具有EcoDress系统的Agathon Combi机)。全部30件均被研磨而无切削坯的损伤、无切削坯的移动、无破碎或尺寸问题。
[077]上面的模制镶件以150sfpm、0.004ipr和0.010”doc在1018级冷轧钢的外径车削中评估。在20趟(pass)中，仅注意到少量的塑料侵蚀。切削坯未移动、脱落或破碎。塑料未熔融、软化、弱化、破裂或其他方式释放磨料切削刀片。
[0078]下面的切削测试证明与常规镶件相比所述模制镶件的能力。
[0079]以对高-Cr钢型52100经过硬化的钢盘的车端面来评估上面的模制镶件。模制的镶件以正常的磨耗进行了22趟，而具有标准碳化物材料、使用相同的HTM2100切削坯的硬钎焊镶件仅进行了16趟到达相同的磨耗程度。这些切削测试证明了模制材料相比较于常规镶件的功效。
[0080]实施例2。表1图示按照所切削的钢的英寸除以镶件切削坯的0.001”英寸的后刀面磨耗(flank wear)来度量的切削工具的性能表。本发明的由PCBN复合物磨料刃和填充的三聚氰胺酚醛树脂制成的镶件相对于硬钎焊镶件在连续地对硬的52100和带凹口的硬4340钢的车端面中被测试。在所有情况下，未识别出切削坯附着问题。切削坯材料而非模制的本体材料确定镶件性能。
表1
| 性能(英寸/0.001” 性能(英寸/0.001” 钢类型 切削条件后刀面磨耗) 后刀面磨耗) 速度(英尺/分钟)；夹物模压的切削工具 标准的切削工具镶件 进给(英寸/转)；切镶件 削深度(英寸)；干 |
| 5836 6897 4340 361；0.005；0.016077 7153 HRC48-52带V凹口(间断) |
| 6072 8552 “” “” |
| 9637 1179 552100 324；0.003；0.01HRC58-60车端面 |
| 10309 8267 “” “”9563 9962 |
[0081]实施例3。通过戴蒙得创新股份有限公司的标准溶液工艺用约2微米的无电镀镍金属化上面的研磨的塑料模制镶件。无电镀镍覆层被确认是传导性的。在机加工测试中，金属硬覆层充当塑料上防止热的切屑侵蚀塑料的“硬壳”。
[0082]实施例4。具有如实施例1中相同类型的HTM 2100切削刃与精细的8微米羰基铁粉末混合，并且在850摄氏度在石墨模具中热压3分钟。镶件被研磨以呈现磨料切削刃，无破裂和碎裂，并且具有优良的磨料到烧结金属的附着。这表示夹物模压可以以可流动粉末实现。
[0083]本公开的实施方案可以提供多种优势。例如，由于本文描述的塑料材料镶件本体的隔绝性质，如本文所描述的模制的切削工具镶件在金属切削期间比具有钢或碳化物的标准切削工具镶件表现为更凉。此外，确保了切削刃的附着并且对镶件本体没有切屑的影响。
[0084]此外，本文描述的模制的镶件本体与较硬的碳化物或软的钢相比便利研磨。这允许这样的改进，例如生产速度的提高、磨轮磨耗的减少以及制造商成本的降低，包括改进以零件每小时计的研磨机器能力和以零件每轮计的昂贵的轮成本。由于需要最小劳力来处理无需精确切割和装配的镶件组装，还减少了制造过程。
[0085]夹物模压操作还可以完全自动化，由此降低成本并提高效率。此外，由于连同树脂到切削刃的附着的化学收缩确保了结合，不存在显著的间隙或失配。同样，模制的塑料镶件在切削期间不变热。因为塑料是绝热体，不像钢或碳化物，在镶件上留下更多热，并且因此使用该镶件的切削工具会更凉或者为较低的温度。
[0086]如本文所描述的那样来模制镶件的额外的优势在于，在一些实施方案中，不再需要对于硬钎焊和/或预先制造的固体(非可流动)的压配附着来说在镶件本体和磨料切削刃之间形成结合通常所需要的的尺寸精确度。因此，磨料切削刃可以通过较快的、较低精度的装置来切削，因为材料是可流动的，并且因此将形状改变为与磨料切削刃保形并与之接触。
[0087]这种方式模制切削工具镶件的另一优势在于，在一些实施方案中，磨料切削刃可以成型为具有复杂的形状特征，例如翅、齿、尖角，而无需考虑破坏硬钎焊流程或者在机械附着(例如压配)方法中破坏切削刃。这样的复杂形状特征可以被用于改善磨料切削刃到镶件本体的附着。
[0088]另一优势在于，可流动的、可模制的(尤其是高度填充的)塑料实质上比常规用于切削工具的材料——软钢或硬的碳化物易于研磨。这表示诸如断屑特征、冷却沟道的精细特征可以在镶件研磨期间置于镶件上而不会过早地钝化(dull)磨轮。这样的特征还可以模制到镶件本体中，这些模制入的几何特征可以包括但不限于孔、键槽(keyway)、对准销、倒角、锥形、齿轮齿、凹陷、数字或标志。
[0089]应该意识到，各种上面公开的以及其他特征和功能，或者它们的替换方案，可以以期望的方式组合到很多其他不同的系统或应用中。因此，本领域技术人员可以作出其中的各种当前未预见或未预料的替换方案、修改、变体或改进，这些替换方案、修改、变体或改进打算被所附权利要求书包括。
Claims (22)
1.一种切削工具，包括：
至少一个磨料刀片，所述磨料刀片包括磨料切削刃；以及
镶件本体，其中所述镶件本体包括可模制材料，其中所述可模制材料附着于所述磨料刀片的一部分。
2.根据权利要求1所述的切削工具，其中所述可模制材料包括聚合物材料。
3.根据权利要求1所述的切削工具，其中所述可模制材料包括陶瓷材料。
4.根据权利要求1所述的切削工具，其中所述可模制材料包括碳化物材料。
5.根据权利要求1所述的切削工具，其中所述可模制材料包括金属材料。
6.根据权利要求1所述的切削工具，其中所述镶件本体还包括结构增强组分、热学组分、物理化学组分或其混合物。
7.根据权利要求1所述的切削工具，还包括被放置来延长所述切削工具镶件的使用寿命的磨擦润滑件。
8.根据权利要求1所述的切削工具，其中所述至少一个磨料刀片包括超级磨料材料。
9.根据权利要求1所述的切削工具，其中所述至少一个磨料刀片包括陶瓷材料。
10.根据权利要求1所述的切削工具，其中所述至少一个磨料刀片包括碳化物材料。
11.根据权利要求1所述的切削工具，其中所述至少一个磨料刀片还包括突出、凹陷或其混合体。
12.根据权利要求1所述的切削工具，其中所述至少一个磨料刀片或所述切削工具镶件还包括覆层，所述覆层包括金属、陶瓷、氧化物、有机树脂、层压物、复合物或其混合物。
13.一种方法，包括：
提供至少一个磨料刀片，所述磨料刀片包括磨料切削刃；
提供可模制材料来形成镶件本体；以及
对所述至少一个磨料刀片和所述可模制材料进行夹物模压，以形成切削工具镶件。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述可模制材料选自由聚合物材料、陶瓷材料、碳化物材料、金属材料或其共混物组成的组。
15.根据权利要求13所述的方法，其中所述可模制材料还包括结构增强组分、热学组分、物理化学组分或其混合物。
16.根据权利要求13所述的方法，其中所述夹物模压所述镶件的步骤包括同时形成所述镶件本体以及将所述镶件本体固定到所述磨料刀片。
17.根据权利要求13所述的方法，其中所述夹物模压所述材料的步骤还包括注模成型、传递成型、铸造、冷压、加热、烧结或结合剂去除中的至少一项。
18.根据权利要求13所述的方法，还包括在所述夹物模压之后加热所述切削工具镶件的步骤。
19.根据权利要求13所述的方法，还包括对所述切削工具镶件进行覆层的步骤。
20.根据权利要求13所述的方法，还包括在所述夹物模压之前对所述至少一个磨料刀片进行覆层的步骤。
21.根据权利要求13所述的方法，还包括研磨所述切削工具镶件的步骤。
22.一种切削工具镶件，包括：
至少一个磨料刀片，所述磨料刀片包括磨料切削刃；以及
镶件本体，包括：
可模制材料，所述可模制材料包括聚合物材料、陶瓷材料、碳化物材料、金属材料、复合材料或其混合物，
其中所述可模制材料附着于所述磨料刀片的一部分；以及
添加剂，所述添加剂包括结构增强组分、热学组分、物理化学组分或其混合物。
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Open date: 20090401 |