CN102026756A - 整体硬质合金多刃钻孔刀具 - Google Patents

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CN102026756A CN200980117712.9A CN200980117712A CN102026756A CN 102026756 A CN102026756 A CN 102026756A CN 200980117712 A CN200980117712 A CN 200980117712A CN 102026756 A CN102026756 A CN 102026756A
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Abstract

本发明描述一种整体硬质合金(VHM)多刃钻孔刀具，该钻孔刀具用于切削高强度的多层结构材料。所述钻孔刀具具有柄部和与之相连的切削部分，在该切削部分中加工出数量与主切削刃数量相同的排屑槽。为了增大形成的切屑的弯曲程度，所述钻孔刀具的排屑槽在切屑形成区的区域内具有从排屑槽表面突起且横截面大体上呈波状的排屑槽脊部(28)，该排屑槽脊部将排屑槽划分成两个部分，即，构成前刀面的第一排屑槽部分(30)和构成排屑槽出口的第二排屑槽部分(32)。

Description

整体硬质合金多刃钻孔刀具
技术领域
本发明涉及一种按照权利要求1前序部分所述的优选为多刃的整体硬质合金(VHM)钻孔刀具，该钻孔刀具用于切削高强度多层结构材料，特别是用于在由这种材料构成的实心体中钻孔。
背景技术
为了在特别是由复合材料构成的多层结构材料(在这些多层结构材料中，主要包含CFK和/或铝的材料层与钛层或含钛层交替布置)中加工出高精度孔，需要特别耐用且稳定的刀具，这些刀具此外还必须具有这样的特点，即，刀刃能够持久地以良好的表面质量来切削复合材料，同时在刀具的整个耐用度内应当防止复合层脱层。
为此目的，人们迄今为止已经开发出特殊刀具，例如一种如在德国实用新型公开文献20211592中所述的刀具。人们也已经尝试了利用按照权利要求1前序部分所述的整体硬质合金钻孔刀具来进行切削，以确保刀刃耐用度的提高以及特别是在深孔的情况下孔的位置精度提高。孔的这种位置精度和表面质量特别是在切削复合材料时是必需的，这些复合材料以更大程度应用在现代飞机制造业中。可按照各种各样的次序布置的各个材料层在重量很轻的同时赋予材料很高的稳定性。经常需要在这种材料中加工出孔，以便将这种部件相互铆接。由于在此经常使用通过传感器控制的机器人，因此这特别依赖于这种孔的位置精度。
已经表明，利用符合这种类型的整体硬质合金钻孔刀具，虽然可提供具有足够稳定性的刀具以及也可提供高质量的刀刃。但是在另一方面已经证实，常用结构形式的即使是整体硬质合金刀具也常常不能实现要求的耐用度，特别是在必须在具有交替布置的铝层、纤维强化或者说碳纤维强化塑料层以及钛层的复合材料中加工比较深的孔的情况下不能达到要求的耐用度。
发明内容
因此，本发明的目的在于，通过如下方式对开头所述类型的钻孔刀具进行改进：所述钻孔刀具在耐用度提高的同时能够在开头所述的关键材料中毫无困难地加工出深度甚至更深的位置精确的孔。本发明的另一方面在于提供用于制造这样的刀具的一种经济的方法。
该任务在刀具方面是通过权利要求1的特征得以解决，而在方法方面是通过权利要求9得以解决。
根据本发明，已认识到，如果对于在实心体中钻孔的情况下形成的切屑在槽底中发生特别强烈的弯曲，则可非常明显地提高刀具的耐用度。在费时的试验中已经表明，在切削开头所述类型的复合材料时的这种强烈的切屑弯曲导致切屑提早折断，从而在切屑形成区的出口处出现的主要是碎片状切屑，碎片状切屑即使对于在材料中加工深度大、例如为深于10×D的孔的情况也可容易从排屑槽中去除。根据本发明可以有效地避免如使用常规刀具在切屑这种难加工的材料时可观察到的切屑堵塞，从而也可靠地排除了刀具突然断裂的可能性。此外还产生了额外的优点，即，大体上呈波状的位于第一和第二排屑槽部分之间的排屑槽脊部扩大了钻头横截面的平面惯性矩，进而可以用于提高刀具的稳定性。而这同时也意味着，可以进一步减小钻孔刀具在切屑形成区中的钻芯横截面，从而尽管设有排屑槽脊部但仍可以提供大的容屑空间。切屑的排出可以通过缩短切屑长度特别是在刀具有位于内部的冷却/润滑剂通道的情况下得到进一步改善。对于具有直槽以及螺旋槽的刀具来说，同样改善了切削特性。
在这里，按照权利要求9仍可以经济地，也就是以合理的时间消耗，制造所述的整体硬质合金钻孔刀具。在这里，第一和第二排屑槽部分连同位于它们之间的排屑槽脊部可以要么在利用两个或更多的不同成型磨削砂轮的批量加工过程中按照最终尺寸在硬质合金坯件中磨削出，要么通过唯一的成型磨削砂轮进行制造(这是权利要求10的对象)。在这一点上也可行的是，挤压出已经具有这样一种形状的硬质合金烧结坯件，该形状在考虑到在微米范围内变动的确定的加工尺寸的情况下与在使用状态下的切削部分的横截面形状基本相符。
本发明方法的一种有利改进方案是权利要求11的对象。利用这种方法可以实现，使钻孔刀具的容屑空间最优地与刀具的相关应用领域相适应，例如当刀具用作深孔钻孔刀具时，扩大在钻孔刀具插入工件以及由导向套包围的位置处的容屑空间。
本发明的有利设计方案是从属权利要求的对象。
如果刀具具有刀尖修磨部，则将切屑朝钻头中心延长，从而上述的由于按照本发明的排屑槽设计而产生的有利的切屑形成过程可以扩展到更大的切削量。因此，有利且可靠地避免了在钻孔刀具中心附近形成较长的切屑，这些较长的切屑可能会导致切屑堵塞并最后导致钻孔刀具强制断裂。
已经表明，通过改变钻头轮廓，也就是说通过在切屑形成区的区域内的排屑槽的新设计，也使至少在该区域内缩小钻孔刀具的钻芯横截面成为可能。横截面的这种缩小特别是因为刀具由硬质合金构成而成为可能。排屑槽在第一排屑槽部分区域内的在缩小钻芯横截面时必然产生的小的曲率半径即使是在加工极其硬且韧的材料，例如在加工钛时也可以被接受，因为硬质合金能够没有困难地对付由于切屑弯曲而提高的磨损力。通过使钻尖具有合适的涂层，例如硬质材料涂层、软质材料涂层或者相结合的硬质和软质涂层，当然可以提高耐用度。
在第一排屑槽部分具有如权利要求4所述的最小曲率半径时可达到特别好的结果，其中，相关的最优的最小曲率半径是根据待切削的材料，以及根据用于刀具的整体硬质合金所使用的品质也就是说整体硬质合金的物理参数进行选择。
如开头已提到，根据本发明的钻孔刀具设计使切屑极度弯曲并由此提早折断，即使在加工不易折断且韧的材料(例如钛，或包含钛层的复合材料)也是如此。原则上，可以在切削部分的整个长度内保持横截面形状或者说排屑槽形状。当然，通过权利要求4的改进方案可以进一步改善切屑排出。
如果至少在切屑形成区中遵循特殊的钻头横截面设计，则可达到根据本发明的效果。但是，根据待切削的材料的物理特性，会有意义的是，在切屑形成区之外在一个预定的轴向长度内，也就是直到距钻尖预定的最小距离处也保持这种特殊的钻孔刀具设计，并且之后才使排屑槽脊部终止于连续的排屑槽。已经表明，对于高强度的多层结构材料，这个最小距离设定在2至5×D的范围内，优选设定在2至3×D的范围内。
如果使刀具具有位于内部的冷却/润滑剂供给系统以及如果必要时利用最小量润滑技术(MMS技术)进行切削，则根据本发明的钻孔刀具设计具有特别的优点。在这种情况下，冷却剂流可以有效地用于改善切屑排出。
在开头所述类型的工件中常常必须加工出孔深大于10×D(其中D为孔的标称直径)的比较深的孔。在这种情况下，钻孔刀具常常借助导向套附加定位在工件上。特别是如果力求刀具的这种应用领域，则有利的是按照权利要求7布置钻孔刀具的钻芯横截面。在这种情况下，切屑在这些决定性的区域中获得额外的自由空间，通过这些自由空间，切屑可以有效且快速地尤其是在没有切屑堵塞危险的情况下从钻孔中排出(必要时在冷却/润滑剂流的辅助下，这些冷却/润滑剂流在排屑槽中具有比较高的流动速度)。
有利的改进方案是其它从属权利要求的对象。
附图说明
下面借助于示意性附图详细说明本发明的实施例。附图中：
图1示出了本发明的钻孔刀具的示意侧视图；
图1A示出了从如图1的“IA”方向看的如图1的钻孔刀具的略微放大的俯视图；
图2示出了如图1的钻孔刀具的钻尖的放大的立体斜视图；
图3用与图2相应的视图示出了在如图1和图2的钻孔刀具切入工件时的切屑形成图；
图4以非常大的放大比例示出了在切屑形成区的区域内，也就是说在靠近钻尖位置的横截面范围内，例如沿在图1中的剖切方向IV-IV的钻孔刀具横截面；
图5示出了在利用常规刀具在很难切削的工件中钻孔时产生的切屑示意图；以及
图6示出了在利用本发明的钻孔刀具设计能够实现的钻屑的示意图。
具体实施方式
附图所示的刀具由整体硬质合金构成，优选由细粒度的硬质合金构成。这种类型的硬质合金种类很久以来就是已知的，因此对材料的详细描述可以省去。决定性的是，硬质合金在烧结状态下应当具有高的韧性并且由于细粒度应当提供形成稳定且精密的切削刃的可能性。
所述刀具特别是用于切削高强度多层结构材料，更具体地说是特别是用于在这类材料的实心体中钻孔，这类材料通常具有包括交替布置的碳纤维强化塑料层、铝层和钛层的复合结构，其中，这些层的次序根据应用目的可以不同。在加工孔，特别是加工孔深为待制造的钻孔的标称直径的多倍的深孔时，这些层一方面要求极其锋利的切削刃，但也要求可靠地排出形成的切屑。特别是对于开头所述的包括含钛的材料层的高强度多层结构复合材料，在使用通常的整体硬质合金刀具时已经证实了，切屑在排屑槽中堵塞并且形成所谓的“手风琴状切屑”，正如例如在图5中所示。即使正如在所谓的最小量或者较少量润滑技术(MMS技术)中使用的那样，利用位于内部的冷却/润滑剂供给系统的非常高的冷却/润滑剂压力进行工作，这类切屑也可能不再能有效且完全地从排屑槽中排出。最终，这样的切屑堵塞导致钻孔刀具提早强制断裂，这产生了明显的经济后果。
与此相比，本发明的钻孔刀具具有下面要描述的新型结构。
用附图标记10表示的带有位于内部的冷却通道40的刀具具有柄部12和与之相连的切削部分14，在该切削部分中加工出数量与主切削刃16数量相同的排屑槽18。由于所述刀具由整体硬质合金构成，这些排屑槽18通常是在圆柱形的整体硬质合金坯件中磨出，该坯件常常具有位于内部的冷却通道。在图2中以放大的比例立体地示出的钻尖具有常规的钻尖刃磨部，该钻尖刃磨部包括主后刀面20和横刃22。钻尖刃磨部本身，也就是说主后刀面的构造，可以按照任何常用的方法设置并形成，因此在这里不需要对这些表面的几何构造进行详细描述。
在刀具的所示实施方式中，横刃22是通过研磨出钻尖修磨部24而被缩短。在按照图2的所示实施方式中，按照DIN 1412形状A示出钻尖修磨部。但是同样可以设置其它钻尖修磨部，例如同时校正主切削刃16的钻尖修磨部。
在附图中所示的刀具的特点在于，在图2中所示的切屑形成区的区域内，也就是说在相连的切屑在主切削刃上形成并且在排屑槽上排出的区域内，提供特殊的钻头横截面设计。根据待切削材料以及根据主切削刃的走向，特别是根据所选择的由钻孔刀具的主切削刃16包围的顶角WSP(见图1)，切屑形成区可以改变。通常，切屑形成是在距钻尖26的一定距离AM处结束，其中，尺寸AM位于2至5×D之间，D表示钻孔刀具的标称直径。
在这个切屑形成区中，钻孔刀具具有如在图4中用放大比例所示的横截面。可看出，钻孔刀具在这个区域内具有划分成两个部分的排屑槽。横截面大体上为波状的排屑槽脊部28从要不然为连续的在图4上方用点划线示出的排屑槽表面中突起。该排屑槽脊部因此在这个区域内将排屑槽划分成两个部分，即，构成前刀面的第一排屑槽部分30和构成排屑槽出口的第二排屑槽部分32。用H表示的排屑槽脊部28的高度取决于第一排屑槽部分30的曲率，该高度优选位于0.05至0.15×D的范围内，其中，钻孔刀具在切屑形成区的区域内的钻芯横截面作为用于选择尺寸H的附加参数。该直径在图4中用附图标记DK表示，并且位于0.15至0.25×D的范围内，优选位于0.16至0.2×D的范围内。
从图4的图示中可看出，从横截面看，第一排屑槽部分30的曲率半径R随着与切削角部34的距离增加而不断减小，直到该曲率半径在槽底中形成在排屑槽脊部28之前的最小曲率半径。该最小曲率半径r优选位于0.15至0.25×D的范围内，优选位于0.18至0.22×D的范围内，其中，尺寸D又是表示钻孔刀具的标称直径。
利用整体硬质合金多刃钻孔刀具的上述结构，在切削时产生要借助图3详细描述的以下效果。在图3中，用附图标记36表示在主切削刃16上形成的切屑。
在如图3的示意图中，切屑的宽度相当于主切削刃16的长度。但是要强调的是，根据钻尖修磨部24的设计，切屑也可以延伸至缩短的横刃22。决定性的是，通过第一排屑槽部分30的特殊设计，也就是说通过设置波状的排屑槽脊部28，形成的切屑36发生程度明显更大的弯曲，这样的弯曲使切屑提早折断，也就是说产生所谓的碎片状切屑，图6示意示出了碎片状切屑。即使在切屑极其韧且硬的材料例如钛时也可发生这种断屑，钛例如出现在飞机的多层结构材料的复合结构中。
当然，在根据本发明的钻孔刀具设计中，由切屑36作用于排屑槽脊部28上的切屑压力更大。通过材料选择，也就是说通过使刀具由整体硬质合金制成，这种增加的材料应力可以毫无困难地被吸收。必要时，钻孔刀具在这个区域内具有适合的涂层，如在现有技术中众所周知的那样。在这一点上，例如可参考例如在申请人的刀具产品目录(Gühring-Wer Bietet Mehr？：″The Tool Company″，版本德语2006，价目表Nr.40)中详细描述的涂层。这类涂层用于减小摩擦和/或用于减小磨损。可以使用硬质材料涂层，例如金刚石涂层优选是纳米金刚石涂层、TiN涂层、(Ti，Al)N涂层，或者也可以使用多层式涂层。根据需要以及根据待切削的材料，也可以使用由硬质材料涂层和软质材料涂层的结合。涂层也取决于所使用的硬质金属种类并且可以由普通技术人员在考虑到出版的产品目录的情况下进行选择。
在距钻尖26的最小距离AM之后不再需要排屑槽脊部28。在这个区域内(参见图1和图2)，排屑槽脊部逐渐地终止于槽底38，该槽底在图4中已用点划线示出。在排屑槽位于切屑形成区之外的区域内的钻芯横截面可以保持不变，或者甚至可以变得更小，以改善切屑36的排出，这特别可以特别是在应用MMS技术中，通过在由位于内部的冷却通道供给的冷却/润滑剂而得到辅助。特别是如果刀具用于加工孔深大于10×D的深孔，则会有利的是，扩大在刀具插入材料的区域中的排屑槽深度。排屑槽深度的扩大可以扩展到在将刀具用作深孔钻孔刀具时在工件之外且在导向套中保持被导向的区域中。为了提高刀具的稳定性，排屑槽深度在这些被空间包围的区域之外逐渐地或跳跃地增加。
在制造前述的钻孔刀具时，有利地采取这样的措施，即，要么通过唯一的成型磨削砂轮连续地磨出在图4中所示的排屑槽轮廓，要么使用多个成型磨削砂轮，这些成型磨削砂轮依次地用于形成在图4中所示的轮廓。接着，可以磨去在位于图1中用尺寸AM标出的区域之外的区域中的排屑槽脊部28。也可想到的是，带有尺寸余量的如图4的排屑槽轮廓已经与整体硬质合金坯件一起挤压出，以节省材料并减小切削量。
当然，可想到对所述的实施例进行的多种改变，而不会背离本发明的范围。
因此，例如整体硬质合金钻孔刀具可以构造成由多个部分组成，其中，具有上述结构的形成钻尖的硬质合金部分安装在另一个部分上，该另一个部分由另一种材料制成。
钻孔刀具也可以具有位于内部的冷却通道。也可以使用直线形排屑槽，代替在实施例中示出的螺旋形排屑槽。
刀具也可以被设计成具有多于两个刃，其中，每个排屑槽在切屑形成区的区域内具有一个上述的排屑槽脊部。
因此，本发明提出了一种整体硬质合金(VHM)钻孔刀具，该钻孔刀具用于切削高强度的多层结构材料。该刀具具有柄部和与之相连的切削部分，在该切削部分中加工出数量与主切削刃数量相同的排屑槽。为了增大形成的切屑的弯曲程度，所述钻孔刀具的排屑槽在切屑形成区的区域内具有从排屑槽表面突起且横截面大体上呈波状的排屑槽脊部，该排屑槽脊部将排屑槽划分成两个部分，即，构成前刀面的第一排屑槽部分和构成排屑槽出口的第二排屑槽部分。

Claims (11)

1.一种整体硬质合金(VHM)钻孔刀具，特别是整体硬质合金多刃钻孔刀具，该钻孔刀具用于切削高强度的多层结构材料，特别是用于在由具有复合结构的这种材料构成的实心体中进行钻孔，在所述复合结构中，主要含有CFK和/或铝的材料层与钛层交替布置，所述钻孔刀具具有柄部(12)和与之相连的切削部分(14)，在所述切削部分中加工出数量与主切削刃数量相同的排屑槽(18)，并且所述切削部分具有包括钻尖刃磨部(20、24)的钻尖，其特征在于，为了增大形成的切屑(36)的弯曲程度，所述钻孔刀具的相应排屑槽(18)在切屑形成区(ZSB)的区域内具有从排屑槽表面(38)突起且横截面大体上呈波状的排屑槽脊部(28)，通过该排屑槽脊部，排屑槽被划分成两个部分，即，构成前刀面的第一排屑槽部分(30)和构成排屑槽出口的第二排屑槽部分(32)。
2.如权利要求1所述的钻孔刀具，其特征在于，所述钻尖具有修磨部(24)。
3.如权利要求1或2所述的钻孔刀具，其特征在于，所述钻孔刀具的钻芯横截面(DK)至少在所述切屑形成区(ZSB)中位于0.15至0.25×D的范围内，优选位于0.16至0.20×D的范围内，其中，D为所述钻孔刀具(10)的标称直径。
4.如权利要求1至3中任一项所述的钻孔刀具，其特征在于，从横截面看，所述第一排屑槽部分(30)在所述排屑槽脊部(28)之前的最小曲率半径(r)位于0.15至0.25×D的范围内，优选位于0.18至0.22×D的范围内，其中，D为所述钻孔刀具(10)的标称直径。
5.如权利要求1至4中任一项所述的钻孔刀具，其特征在于，所述排屑槽脊部(28)在与所述钻尖(26)相距预定的最小距离(AM)处逐渐地终止于槽底(38)。
6.如权利要求5所述的钻孔刀具，其特征在于，所述最小距离(AM)位于2至5×D的范围内，优选位于2至3×D的范围内，其中，D为所述钻孔刀具(10)的标称直径。
7.如权利要求1至6中任一项所述的钻孔刀具，其特征在于，在将所述钻孔刀具用于钻深孔时，所述钻孔刀具(10)的钻芯横截面(DK)在与所述切屑形成区(ZSB)相连的部分中在钻孔时保持要么由孔壁要么由导向套遮盖的区域中被进一步缩小。
8.如权利要求1至7中任一项所述的钻孔刀具，其特征在于，从横截面看，所述第一排屑槽部分(30)的曲率半径(R)随着与切削角部(34)的距离增加而不断减小。
9.一种用于制造如权利要求1至8中任一项所述的钻孔刀具的方法，在该方法中，通过成型磨削砂轮在整体硬质合金(VHM)坯件中磨出排屑槽，其特征在于，首先在整个切削部分(14)中加工出包括第一排屑槽部分(30)、第二排屑槽部分(32)以及位于它们之间的排屑槽脊部(28)的排屑槽，必要时排屑槽具有沿轴向变化的排屑槽深度；接着，磨去位于切屑形成区(ZSB)之外的排屑槽脊部(28)，以将两个排屑槽部分(30、32)联合成连续的排屑槽(18)。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述第一排屑槽部分(30)和所述第二排屑槽部分(32)以及位于它们之间的所述排屑槽脊部(28)通过唯一的成型磨削砂轮进行磨削。
11.如权利要求9或10所述的方法，其特征在于，在所述钻孔刀具(10)的轴向长度内改变用于制造排屑槽的成型磨削砂轮的切入深度。
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Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20110420