CN102574243B - 用激光进行旋转切削刀具切削刃的三维表面成形 - Google Patents

用激光进行旋转切削刀具切削刃的三维表面成形 Download PDF

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Abstract

在此披露了一种用于形成旋转切削刀具(10)的切削刃(20，22)和相邻的仿形的表面(S)区域的方法，该方法使用激光器(50)来从刀具(10)的切削末端(18)上去除材料以便产生一种预定的逐点式几何形状。相对复杂的表面和切削刃几何形状可以如下形成：将一个激光束(L)以一个角度(Θ)射向该刀具(10)的切削末端(18)，该角度具有一个垂直于该切削末端(18)的表面(S)的分量(CN)。这个激光束(L)以多条路径横跨过该切削末端(18)的表面(S)以便去除材料并且形成所希望的切削刃(20，22)以及相邻的三维仿形的表面的几何形状(S)。

Description

用激光进行旋转切削刀具切削刃的三维表面成形
技术领域
本发明涉及旋转切削刀具刃的形成、并且更具体地涉及使用激光来提供此类切削刃的三维表面成形。
背景技术
众所周知在机加工中需要具有硬度比所机加工的材料更大的切削刃。贯穿刀具的演进过程，这已经从石头进步到青铜、到铁、到碳钢、到高速钢、并然后到了硬质碳化物。在近几十年，这种演进已经进一步继续到了引入陶瓷(氮化硅、氧化铝等)和“超级磨料”材料如聚晶金刚石(PCD)和立方氮化硼(CBN)。尽管这些材料已经通过增大硬度、耐磨性、以及对切削刃变形的耐受性而大大提高了某些材料的刀具寿命，但它们已经很难应用于更宽的刀具范围。这是由于在这些材料本身、尤其是带有PCD和CBN的材料的机加工方面的困难，因为没有硬度大于PCD的材料来对它们进行机加工。
目前用于将这些材料成形的方法是电火花加工(EDM)、电火花磨削(EDG)、以及使用包含PCD作为磨料的轮进行的磨削。这些方法全都具有不同类型的缺点，如差的切削刃品质(EDM和ECG)以及高的费用和加工时间(磨削)。对于所有这些方法还存在的限制在于，形式自由的几何形状不能进行逐点限定、而是必须由该表面发生器(磨削轮的面、丝电极等等)产生的多个规定的表面组成。
激光已经被用于切削不同类型的材料。例如，美国专利号4,481,016、4,849,602、5,643,523、以及7,189,032披露了使用激光将一个切削刀具材料板切穿以便由该单个材料板来形成几个单独的切削刀具镶片。激光还已经被用于将切削刀具镶片的切削刃尖部分切穿，例如在美国专利号4,714,385、5,178,645、以及7,322,776以及公开的美国专利申请号2008/029415中披露的。在此类激光切削操作中，该激光束在与该切削操作所形成的平坦表面的平面相平行的方向上穿过该切削刀具镶片材料进行切片。
激光还已经被用于对切削刀具镶片的表面进行粗糙化，以便改进一个随后施加的材料层的粘附性，如在美国专利号5,722,803、5,776,355、以及6,161,990，中披露的；或以便提供一个纹理化的表面，该纹理化的表面在它被机械地卡入一个切削机器中时有助于将该切削刀具镶片保持在位，如在美国专利号6,712,564中披露的。
尽管有了这些先前的方法，但是对于在具有相对复杂几何形状的刀具中、如在钻头以及其他旋转切削刀具中有效地形成切削刃的方式仍然存在一种需要。
发明内容
本发明提供了一种用于形成旋转切削刀具的切削刃以及相邻的仿形的(contoured)表面区域的方法，该方法使用激光来从该刀具的切削末端去除材料以便产生一种预定的逐点式几何形状(point-by-pointgeometry)。相对复杂的表面和切削刃几何形状可以如下形成：将一个激光束以一个角度射向该刀具的切削末端，该角度具有一个垂直于该切削末端的表面的分量。使激光束以多条路径横跨过该切削末端的表面，以便去除材料并且形成所希望的切削刃以及相邻的三维仿形的表面的几何形状。
本发明的一个方面是提供一种形成旋转切削刀具的切削刃的方法，该旋转切削刀具具有一个本体以及至少一个槽，该槽是沿着该本体的长度的至少一个部分而在该本体中形成的、限定了与该刀具的一个切削末端相邻的一个切削刃，该方法包括用一个定向的激光束从该刀具的切削末端上去除材料，由此形成该切削刃以及与该切削刃相邻的一个预定的三维仿形的表面。
本发明的另一个方面是提供一种旋转切削刀具，该旋转切削刀具包括一个本体；至少一个槽，该槽是沿着该本体的长度的至少一个部分而在该本体中形成的、限定了与该刀具的一个切削末端相邻的一个切削刃；以及与该切削刃相邻的一个仿形的表面，其中该切削刃以及相邻的仿形的表面是通过一个激光束形成的。
本发明的这些以及其他方面将从下面的说明中变得更清楚。
附图说明
图1是根据本发明的一个实施方案的一种处于钻头形式的旋转切削刀具的等距视图，该钻头具有可以通过受控的激光束形成的多个切削刃以及相邻的多个三维仿形的表面。
图2是与图1中所示的相类似的一个钻头的侧视图。
图3是图2中所示钻头的一个部分的侧视图，其中该刀具围绕其纵向轴线从图2中所示的位置旋转了90度。
图4是图2的钻头的一个端视图。
图5展示了用于形成钻头的切削末端的一种常规磨削方法。
图6展示了在图5所示的磨削方法中从钻头的切削末端上去除的材料。
图7展示了一个旋转切削刀具的切削末端，指示了根据本发明的一个实施方案经受到激光处理的区域以及远离通过常规磨削而机加工的切削刃尖的另一个区域。
图8是图7中所示的旋转切削刀具的分解的端视图。
图9是本发明的一个激光成形操作的部分示意性图示，其中将该激光束以从该刀具的成形表面上测量的角度射向该旋转切削刀具的表面。
图10是横跨一个旋转切削刀具的切削末端表面的一个激光束路径的部分示意性图示，其中该激光束以多条平行的路径横跨过该表面，其中使每个相邻的路径在相同的方向上。
图11是横跨一个旋转切削刀具的切削末端表面的一个激光束路径的部分示意性图示，其中该激光束是以多条平行的路径横跨过该表面，其中使每个相邻的路径在相反的方向上。
图12展示了根据本发明另一个实施方案横跨了旋转切削刀具的切削末端表面的一个形式自由的激光束图案。
图13展示了根据本发明一个实施方案在激光处理的过程中一束激光和一个旋转切削刀具的切削末端的相对位置。
图14示意性地展示了根据本发明一个实施方案可以使用的一个激光束控制系统。
具体实施方式
本发明的激光成形方法可以用于在旋转切削刀具中形成多个切削刃以及周围的仿形的表面。如在此使用的，术语“旋转切削刀具”是指一种用于排屑式机加工的旋转刀具。可以通过本发明的方法形成的一些类型的旋转切削刀具的实例包括：钻头、钻头尖、铣刀、绞刀、丝锥、分级钻头、可分度的钻头、平底扩孔钻、锪孔刀具、轨道式工具(orbital tool)等等。此类刀具的切削刃可以由非常硬的材料来制造，这些材料包括：碳化物；金属陶瓷，如烧结碳化钨；陶瓷，如立方氮化硼或氧化铝、聚晶金刚石等等。
图1至图4展示了根据本发明可以制造的钻头。然而，应该理解的是具有类似类型的切削刃几何形状的任何其他类型的旋转切削刀具都被认为是位于本发明的范围之内。如图1和2中所示，钻头10具有沿着一条纵向旋转轴线A对齐的本体12以及柄部分14。该本体包括沿着本体12的轴向长度的至少一部分延伸的至少一个槽16A、16B。在图1和2所示的这些实施方案中，这些钻头包括两个螺旋槽16A和16B。然而，这些旋转切削刀具可以具有任何其他适当数目的槽、并且可以具有任何其他已知类型的槽的几何形状。
根据本发明，旋转切削刀具10的切削刃以及它们的相邻的仿形的表面区域是通过激光辐射而形成为所希望的形状，该激光辐射在受控的逐点的基础上从刀具10的切削末端上去除材料。在图1到4所示的实施方案中，钻头10具有基本上圆锥形的切削刃尖18，这些切削刃尖在螺旋槽16A和16B与刃尖18相交的区域中限定了主切削刃20。此外，钻头10在这些螺旋槽与该总体上圆柱形本体的外周径向相交的区域中具有次切削刃22。主切削刃20和/或次切削刃22连同它们的相邻的仿形的表面，可以根据本发明通过一个激光束来形成。
图5展示了用于成形钻头的切削末端的一种常规磨削方法。通过一个磨削轮32对一个在其中形成了多个螺旋槽的预先机加工的杆30进行机加工以便在该钻头的切削末端处形成所希望的形状34。尽管这样一种常规的磨削方法可以适合于某些类型的钻头材料，但是该磨削方法对于由非常硬的材料制成的钻头可能是不实际的，这些材料是例如碳化物、金属陶瓷、PCD、CBN、以及此类材料的组合。
图6展示了在图5所示的磨削方法中从钻头的切削末端上去除的材料36的体积。为了获得所希望的形状，必须从钻头的刃尖上、连同从钻头本体的与各个螺旋槽的跟随边缘相邻的侧向外周表面上去除显著量值的材料。从非常硬的材料制成的钻头上去除这样大量的材料可能是困难的或者不可能的。
图7展示了一个旋转切削刀具40的切削末端，指示了根据本发明的一个实施方案经受了激光处理的区域42。远离该切削刃尖的另一个区域可以按常规方式如磨削来进行机加工。图8是图7中所示的旋转切削刀具40的分解的端视图。
图9是本发明的一个激光成形操作的部分示意性图示，其中将该激光束L以从一个刀具的成形表面S上测量的一个角度Θ射向该旋转切削刀具的表面S。角度Θ具有垂直于该刀具的成形表面S的一个分量CN、以及平行于该刀具的成形表面S的一个分量CP。当激光束L横跨表面S移动时，这个角度Θ部分地由于该成形表面S的外形而典型地发生改变，同时维持与表面S垂直的一个分量。在一个实施方案中，角度Θ具有90°±45°(例如90°±30°)的额定值。在具体实施方案中，该角度Θ可以是90°±10°或90°±5°。激光的焦点可以进行受控。例如，这个焦点可以位于工件的表面上、或者可以位于该表面上方的一个选定的距离-δ处、或者在该表面下方的一个选定的距离+δ处，如图9中所示。
图10是横跨一个旋转切削刀具的切削末端表面的激光束路径的部分示意性图示，其中该激光束是以多条平行的路径横跨过该表面，其中使每个相邻的路径在相同的方向上。
图11是横跨一个旋转切削刀具的切削末端表面的激光束路径的部分示意性图示，其中该激光束是以多条平行的路径横跨过该表面，其中使每个相邻的路径在相反的方向上。
图12展示了根据本发明另一个实施方案横跨一个旋转切削刀具的切削末端表面的一个形式自由的激光束图案。
如图10到12中所示的，该激光束以不同的受控的图案行进跨过工件的表面，以便在受控的逐点的基础上去除或烧蚀该切削刀具材料，从而形成这些切削刃以及周围的表面区域。
图13展示了根据本发明一个实施方案在用激光束L的辐射过程中一束激光50和一个旋转切削刀具10的切削末端的相对位置。根据本发明，激光L从钻头10或其他刀具的切削刃尖部分上烧蚀或蒸发了材料，以便产生所希望的逐点式几何形状。用本发明的方法有可能以形式自由的产生单个或多个切削刃。根据本发明的一个实施方案，在产生了这个或这些切削刃以及相邻的表面之后，刀具的其余部分可以通过磨削、铣削、EDM/ECG、进一步的激光蒸发、或者这些方法的组合来制造。一种不同的切削刃材料(如，在硬质碳化物本体中的PCD)的安装方法可以通过钎焊、收缩配合、共烧结、或通过其他已知的紧固方法来完成。
根据本发明所使用的这些激光器可以包括例如：常规的二极管泵浦固态激光器，如Nd:YVO4激光器、Nd:YAG激光器等等。该激光的脉冲频率和功率可以如所希望的进行调整。例如，从100到10,000kHz的脉冲频率可能是适合的，并且从1到500W的脉冲频率可能是适合的。该激光器是位于距工件表面一个适合的距离处，例如，从1到100cm。
激光束和切削刀具工件的相对移动可以通过对该刀具的线性和/或旋转定位来实现，例如通过使该刀具被安装在其上的工作台或其他夹具在多个移动轴线(如3、4、或5个移动轴线)上移动。此外，可以例如通过镜子或者通过该激光器在多个轴线上的平移或旋转移动来移动该激光束。该激光束能够以任何希望的速度来行进跨过工件的表面，这个速度典型地是从1到10,000毫米/秒、例如从10到1,000毫米/秒。工件上激光点的尺寸可以如所希望的进行受控，例如该激光点的直径可以典型地是从1到100微米。可以使用一个反馈系统来控制该激光烧蚀过程。替代地，可以使用一个开环系统，其中首先进行工件检测、接着是激光烧蚀。
根据本发明的一个实施方案，可以对工件的切削刃以及相邻的表面区域进行检测以便引导并且控制该激光束。例如，可以通过一个光学装置(如一个激光源)或通过激光的反散射来检测该旋转切削刀具工件的切削刃。还可以使用机械定位装置。为了检测该切削刃，该系统可以在通过激光束从表面上去除材料时检测该相邻表面的几何形状，从而监测和控制这个激光成形操作。
图14示意性地展示了根据本发明的一个实施方案可以使用的一个激光束控制系统60。在烧蚀过程中激光束L从激光器50射向切削刀具10的表面S，以便产生一个等离子体点P以及一个等离子体区域R。在图14所示的实施方案中，使用了单个激光器50。可以使用一个检测器62来关于切削刀具10而定位该等离子体点P的三维位置。可以将来自检测器62的一个输出信号馈送给一个控制器64，这个控制器进而控制该激光器50。在这个过程中，该激光束的适应性控制可以通过调整该激光器的不同参数来实现，这些参数包括：脉冲频率、激光功率、脉冲序列、横跨表面的平移速度、移动的图案、焦点深度等等。检测器62可以包括一个激光源或者其他常规地用于表面测量的光学装置，如在激光眼科手术中或者三维金属板激光焊接中发现的。
在激光辐射过程之后，所得到的成形表面可以是非常光滑的，其中典型的表面粗糙度是小于0.5微米的Ra、例如，从0.01到0.2微米的Ra。在某些实施方案中，表面粗糙度是小于0.1或0.05的Ra。
根据本发明的一个实施方案，通过激光束形成的切削刃具有用于旋转切削刀具的预期用途的足够锋利度，而不需要任何附加的珩磨或机加工。通过激光束形成的切削刃可以具有小于130微米的切削刃锋利度，例如，小于100或50微米。在某些实施方案中，该切削刃锋利度可以是小于10微米或甚至小于1微米。
当形成一种旋转切削刀具如钻头时，通过激光束形成的相对复杂的仿形的表面可以包括凹形部分、凸形部分、以及它们的组合。例如，在槽的区域中，该成形的表面的至少一个部分是凹形的。对于一个典型的螺旋槽，该成形的表面在与钻头轴线相垂直的平面内是向内弯曲的、并且沿着该钻头的长度是螺旋形的。与凹形的槽表面相比，在该钻头的刃尖处该激光形成的表面可以是凸形的，具有与一个圆锥形区段相对应的一个向外弯曲的表面。在图1到图4、图7、以及图8中所示的实施方案中，这些激光成形的切削刃在这些基本上圆锥形的刃尖和螺旋槽的相交处是处于直线的形式。
虽然已经在上面出于解说目的说明了本发明的多个具体实施方案，但是对于本领域那些普通技术人员而言明显的是无需背离如所附权利要求书中限定的本发明即可进行对本发明的细节的多种变更。

Claims (26)

1.一种形成旋转切削刀具(10)的切削刃(20，22)的方法，该旋转切削刀具具有一个本体(12)以及至少一个槽(16A，16B)，该槽是沿着该本体(12)的长度的至少一个部分而在该本体(12)中形成的、限定了与该刀具(10)的一个切削末端(18)相邻的一个切削刃(20)，该方法包括用一个定向的激光束(L)从该刀具(10)的切削末端(18)上去除材料，由此形成完成的该切削刃(20，22)以及与该切削刃(20，22)相邻的一个预定的三维仿形的表面(S)，其中，该仿形的表面包括凹形表面、凸形表面、或者凹形表面和凸形表面的组合。
2.如权利要求1所述的方法，其中，将该激光束(L)以一个角度(Θ)射向该刀具(10)的切削末端(18)，该角度具有垂直于该切削末端(18)的成形表面(S)的一个分量(CN)。
3.如权利要求2所述的方法，其中，该激光束(L)的角度(Θ)是90°±10°、是从与该成形的表面(S)平行的一个平面测量的。
4.如权利要求2所述的方法，其中，使该激光束(L)以多条路径横跨过该切削末端(18)的表面(S)。
5.如权利要求4所述的方法，其中，这多条路径中的至少一些是彼此平行的。
6.如权利要求5所述的方法，其中，使得这些彼此相邻的平行路径是在相同的方向上。
7.如权利要求5所述的方法，其中，使得这些彼此相邻的平行路径是在相反的方向上。
8.如权利要求1所述的方法，其中，该旋转切削刀具(10)是一个钻头。
9.如权利要求1所述的方法，其中，该旋转切削刀具(10)包括两个槽(16A，16B)以及两个切削刃(20，22)。
10.如权利要求1所述的方法，其中，至少一个槽(16A，16B)是螺旋形的。
11.如权利要求1所述的方法，其中，该刀具(10)的切削末端(18)是圆锥形的。
12.如权利要求1所述的方法，其中，通过该激光束(L)形成的仿形的表面(S)包括一个凹形的部分。
13.如权利要求1所述的方法，其中，通过该激光束(L)形成的仿形的表面(S)包括在该切削刃(20)的一侧上的一个凹形的部分以及在该切削刃(20)的另一侧上的一个凸形的部分。
14.如权利要求13所述的方法，其中，该凹形的部分包括一种螺旋形的形状，并且该凸形的部分包括一种圆锥形的形状。
15.如权利要求1所述的方法，其中，通过该激光束(L)形成的仿形的表面(S)具有的表面粗糙度是小于0.2微米的Ra。
16.如权利要求1所述的方法，其中，该激光束(L)是脉冲式的。
17.如权利要求1所述的方法，进一步包括对于该旋转切削刀具(10)的、位于离开该切削刃(20)的一个位置处的另一个部分进行机加工。
18.如权利要求17所述的方法，其中，该机加工步骤在是该激光束步骤之前进行的。
19.如权利要求17所述的方法，其中，该机加工步骤在是该激光束步骤之后进行的。
20.如权利要求1所述的方法，其中，当该激光束(L)被射在该切削末端(18)上时，该旋转切削刀具(10)的切削末端(18)和本体(12)被整体地形成在一起。
21.如权利要求1所述的方法，其中，当该激光束(L)被射在该切削末端(18)上时该旋转切削刀具(10)的切削末端(18)与该本体(12)是分开的、并且随后被固定到该本体(12)上。
22.如权利要求1所述的方法，其中，该旋转切削刀具(10)的切削末端(18)包括：陶瓷、碳化物、金属陶瓷、或它们的一种组合。
23.如权利要求1所述的方法，其中，该旋转切削刀具(10)的切削末端(18)包括：聚晶金刚石、立方氮化硼、或它们的一种组合。
24.如权利要求1所述的方法，其中，该旋转切削刀具(10)的本体(12)包括钢。
25.一种通过权利要求1所述的方法制成的旋转切削刀具(10)。
26.一种旋转切削刀具(10)，包括：
一个本体(12)；
至少一个槽(16A，16B)，该槽是沿着该本体(12)的长度的至少一部分而在该本体(12)中形成的、限定了与该刀具(10)的一个切削末端(18)相邻的一个完成的切削刃(20，22)；以及
与该完成的切削刃(20，22)相邻的一个仿形的表面(S)，其中该完成的切削刃(20，22)以及相邻的仿形的表面(S)是通过一个激光束(L)形成的；
其中，该仿形的表面包括凹形表面、凸形表面、或者凹形表面和凸形表面的组合。
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