CN102990785B - 聚晶金刚石球头刀的制作工艺 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种制作用于工件中加工出凹槽的聚晶金刚石球头刀的工艺，其要点在于使得所述刀片沿所述回转中心线方向的径向尺寸公差落入以该刀片径向尺寸上偏差为一端点的、占该刀片径向尺寸公差带大小的30％的公差带子区间内，而同时使得所述刀片沿横向于所述回转中心线方向的径向尺寸公差落入以该刀片径向尺寸下偏差为一端点的、占该刀片径向尺寸公差带大小的30％的公差带子区间内。

Description

聚晶金刚石球头刀的制作工艺

技术领域

本发明涉及一种聚晶金刚石球头刀的制作工艺。

背景技术

球头刀一般是用在工件的成形加工中，通常是用于在被加工工件中成型出具有与球头刀的刀片圆弧尺寸(例如半径)相同尺寸的凹槽。现有球头刀主要是包括用整体硬质合金或高速钢在数控机床上制作的整体硬质合金或高速钢球头刀，其主要不足是被加工件达不到稳定的尺寸精度和表面光洁度。聚晶金刚石(PCD)球头刀能解决上述不足，但聚晶金刚石(PCD)球头刀的刃磨一般都是用数控金刚石磨床进行曲线插补成形加工，但数控金刚石磨床成本很高，因而在一些场合希望能够提供用非数控式的PCD磨床来实现PCD球头刀的刃磨以降低成本，而且还希望进一步控制球头刀尤其是球头刀刀片的精度。

发明内容

因此，本发明的任务是提供一种聚晶金刚石球头刀的制作工艺，其能够精确地加工出符合精度要求的球头刀，而尤其能省去数控磨床来刃磨刀片的需要。

在本发明的一个方案中，提供一种制作用于工件中加工出凹槽的聚晶金刚石球头刀的工艺。该聚晶金刚石球头刀包括金属刀体和圆弧状聚晶金刚石刀片，该刀体具有沿该球头刀的回转中心线延伸的刀杆和位于刀杆一端上的球头部，该球头部设有用于所述刀片固定于其中的刀槽。该制作工艺包括如下步骤：提供聚晶金刚石刀片坯；根据要被加工出的凹槽所希望的上偏差和下偏差以及由该上偏差和下偏差限定的公差带来选定该刀片径向尺寸的上偏差和下偏差以及由该上偏差和下偏差限定的公差带；基于刀片径向尺寸的选定的上偏差、下偏差以及公差带来刃磨刀片，所述刀片沿所述回转中心线方向的径向尺寸公差落入以该刀片径向尺寸上偏差为一个端点的、占该刀片径向尺寸公差带大小的30％的公差带子区间内，所述刀片沿横向于所述回转中心线方向的径向尺寸公差落入以该刀片径向尺寸下偏差为一个端点的、占该刀片径向尺寸公差带大小的30％的公差带子区间内；加工成形所述刀杆和球头部；加工出所述刀槽；将刃磨好的刀片固定到所述刀槽中。

优选地，所述刀槽大致平行于所述回转中心线延伸。

进一步优选地，所述刀片沿所述回转中心线方向的径向尺寸公差落入以该刀片径向尺寸上偏差为一个端点的、占该刀片径向尺寸公差带大小的10％的公差带子区间内，所述刀片沿横向于所述回转中心线方向的径向尺寸公差落入以该刀片径向尺寸下偏差为一个端点的、占该刀片径向尺寸公差带大小的10％的公差带子区间内。

通过如此控制刀片刃磨时在沿回转中心线方向和横向于该方向上的径向尺寸(例如半径)能够很好地控制刀片精度，尤其是能够减少甚至消除球头刀制作时很容易出现的刀片的中心偏量和轴向倾角的影响。

根据进一步实施例，所述刀片径向尺寸的公差带的大小为所述凹槽公差带的大小的40％-60％。

更优选地，所述刀片径向尺寸的上偏差大于所述凹槽上偏差，且所述刀片径向尺寸的上偏差与所述凹槽上偏差之差为所述刀片径向尺寸公差带大小的20-30％。

根据进一步优选的实施例，所述加工刀槽步骤包括通过具有回转轴线的慢走丝机床装夹刀杆来进行加工。

根据本发明一个实施例，在将刃磨好的刀片固定到所述刀槽的步骤之前还包括选择具有合适厚度的刀片以控制中心偏量，该中心偏量由所述刀片的前刀面的实际位置相对于其理论位置的间距所定义。

更优选地，还包括检查聚晶金刚石刀片刃口的完整性。

根据本发明另一实施例，所述提供聚晶金刚石刀片坯步骤包括切割出聚晶金刚石刀片坯。

优选地，加工成型所述刀杆和球头部步骤包括刀体坯下料、机加工出刀杆的外形、热处理所述刀杆、机加工出刀杆的中心孔和磨削成型球头部。

根据一个优选实施例，所述将刃磨好的刀片固定到所述刀槽中步骤包括通过焊接或粘接固定该刀片。

附图说明

以下，结合附图来详细说明本发明的实施例，其中：

图1示出了一种聚晶金刚石球头刀的实施例；

图2是沿图1中A-A线截取的横截面图；

图3是用于本发明的球头刀制作工艺的一个实施例的示例性的被加工工件中的凹槽和刀片的径向尺寸公差带的对照；

图4A和4B相对照地示出了存在和不存在中心偏量的刀头横截面图；

图5示出了存在和不存在中心偏量的刀片回转成形轨迹对比；

图6示出了具有轴向倾角的PCD刀片的布置；

图7示出了存在和不存在轴向倾角的刀片成形轨迹对比；

图8示出了存在和不存在中心偏量和轴向倾角这两者的刀片成形轨迹对比。

具体实施方式

现参考附图描述本发明的具体实施例，并由此体现本发明的思想。附图呈现根据本发明的球头刀的多种构型，且附图并未精确地按尺寸绘制，且某些特征可被放大、移除或部分剖切以更好地示出和解释本发明公开内容。此外，下文结合附图所进行的描述不打算是排他的或者以其他手段将权利要求书限制于或局限于附图所示和以下详细说明所公开的精确结构。

本发明一种聚晶金刚石(PCD)球头刀制作工艺，聚晶金刚石(PCD)球头刀的结构如下图：

图1示出了一种聚晶金刚石球头刀的正视图，图2是沿图1中线A-A截取的剖视图。如图1和2所示，该聚晶金刚石球头刀由圆弧状的聚晶金刚石(PCD)刀片1和金属刀杆2组成，PCD刀片1焊接或粘接在刀杆2球头上的刀槽内，前角0°，后角大约为20°。加工工件时，该球头刀绕刀杆2的回转中心线O-O回转，在被加工件上形成一个半径为R的球形凹槽。如图所示该金属刀体具有沿该球头刀的回转中心线延伸的刀杆和位于刀杆一端上的球头部，该球头部设有用于所述刀片固定于其中的刀槽。具体地如图2所示，所述刀槽平行于所述回转中心线延伸。需要说明的是，这里仅示出了一种聚晶金刚石球头刀的示例，但根据本发明的制作方法也可以用于制作具有其它尺寸参数的球头刀。

下面以图1和2所示的聚晶金刚石球头刀为例说明根据本发明的制作工艺。一个示例性的方案包括如下工艺路线：

a.提供聚晶金刚石刀片坯；

b.根据要被加工出的球形凹槽所希望有的上偏差和下偏差以及由该上偏差和下偏差限定的公差带来选定该刀片径向尺寸的上偏差和下偏差以及由该上偏差和下偏差限定的公差带；

c.基于选定的刀片径向尺寸的上偏差、下偏差和公差带来刃磨刀片；

d.加工成形所述刀杆和球头部；

e.加工出所述刀槽；

f.将刃磨好的刀片固定到所述刀槽中；

g.检查所述聚晶金刚石刀片。

本发明的聚晶金刚石(PCD)球头刀制作工艺尤其还可适合于无需数控金刚石磨床的环境。但尤其在不用数控金刚石磨床通过插补进行加工的情况下，球头刀的精度是尤为引人关心的。本发明人据此通过本发明的方案以在省去数控金刚石磨床来刃磨刀片的情况下，仍能够精确地加工出符合精度要求的球头刀。具体地，本发明人发现影响PCD球头刀的一些影响因素，并且提供了解决方案来减小和克服这些因素的影响，以提高球头刀的精度。在下文，将结合附图描述球头刀精度的一些影响因素。

参见图4A和4B，其中显示了球头刀的刀头横截面图。其中，在球头部中例如通过车床线切割切出刀槽的步骤中，以及在将PCD刀片1焊固或粘接在刀槽内的步骤中，可能会造成刀片的前刀面的实际位置偏离其理论位置，该偏离的轴向间距在本发明中定义为中心偏量。具体而言，如图4A所示，刀片前刀面的理论位置应该在垂直于回转中心的球头部截面的半径上(换句话说在刀具回转中心的理论中心面上)延伸。而由于刀槽加工以及例如刀片焊接固定的影响，刀片前刀面的实际位置可能会偏离球头部的半径，从而造成中心偏量。

而如图4A和4B所示，可以明白，在具有中心偏量H之后，球头刀的最大回转半径将会变大，具体而言将为R1，其中。此时回转形成的成形轨迹不再是圆，而是最大回转半径变大的椭圆，椭圆的长轴为R1，短轴为R，如图5所示。而该椭圆的长轴与理论圆的差等于R1-R。这样在用标准球检查被加工工件的凹槽中的成形面时，就会有标准球接触不到底面的现象。注：在图4B中显示为在理论中心面下方的中心偏量，但在理论中心面上方的中心偏量仍会类似地造成最大回转半径变大。

现参考图6，其中显示了由该刀片的延伸方向相对于所述回转中心线延伸方向所限定出的轴向倾角σ。类似地，在球头部中通过机床线切割切出刀槽的步骤中，以及在将PCD刀片1焊固或粘接在刀槽内的步骤中，刀片的延伸方向可能偏斜于回转中心线(理论上应该沿回转中心线延伸)，在此即造成了刀片的轴向倾角。而由于轴向倾角的影响，PCD刀片轴向的长度L在水平轴上的投影(也是轴向加工长度)就变成了L1，L1＝L*cosσ，从而L1＜L。而理论轴向加工长度与刀片的轴向长度相等，即为L(在球头刀中L＝2R)，此时回转形成的成形轨迹不再是圆，而是轴向加工长度减小的椭圆，如图7所示。当用标准球检查被加工工件的凹槽中的成形面时，同样会有标准球接触不到球形凹槽底面的现象

而由于上述两者因素的存在，会造成球头刀的加工成型的凹槽呈现出即最大回转半径变大，轴向加工长度变小的情形，从而会显示如图8所示的椭球面。而且，中心偏量和轴向倾角都会造成标准球检查成形面时，接触不到球形凹槽底面的现象。

现参考图3，说明为了减小或消除上述两个因素的影响，本发明所采用的手段。本领域技术人员将明白球头刀中PCD刀片1的圆弧的径向尺寸(例如)的大小和形状，对被加工工件中球形凹槽的基本尺寸和形状是基本相等的(公差不一样)。

如上所提到的，在本发明的方案中，根据要被加工出的球形凹槽所希望有的上偏差和下偏差以及由该上偏差和下偏差限定的公差带来选定该刀片径向尺寸的上偏差和下偏差以及由该上偏差和下偏差限定的公差带。

如图3所示，E为凹槽的径向尺寸的公差带，E1为凹槽的上偏差，E2为凹槽的下偏差；D为刀片的径向尺寸(在此为半径R)的公差带，D1为上偏差，D2为下偏差。优选地，在选择刀片公差时，取所述刀片径向尺寸的公差带的大小为所述凹槽公差带的大小的40％-60％，更优选为刀片的尺寸公差大小为凹槽尺寸公差大小的一半，即D＝E/2。如图所示，所述刀片径向尺寸的上偏差大于所述凹槽上偏差，且所述刀片径向尺寸的上偏差与所述凹槽上偏差之差G为所述刀片径向尺寸公差带大小的20-30％。更优选是G＝D1-E1＝D/4，这样能很好地保障加工出工件的尺寸精度。

在根据本发明的制作工艺中，为了减小或消除上述中心偏量和轴向倾角因素的影响，通常使得刀片的径向尺寸的公差，在大体沿回转中心线O-O方向上相对地接近于上偏差，即刀片公差带中上50％部分，而在垂直于回转中心线O-O方向上相对地下偏差，也即是刀片公差带中下50％部分。更具体地，所述刀片沿所述回转中心线方向的径向尺寸公差落入以该刀片径向尺寸上偏差为一端点的、占该刀片径向尺寸公差带大小的30％的公差带子区间内，即公差带中70％位置至上偏差之间的区间内；所述刀片沿横向于所述回转中心线方向的径向尺寸公差落入以该刀片径向尺寸下偏差为一端点的、占该刀片径向尺寸公差带大小的30％的公差带子区间内，即下偏差至公差带中30％位置的区间内。更优选地，所述刀片沿所述回转中心线方向的径向尺寸公差落入以该刀片径向尺寸上偏差为一端点的、占该刀片径向尺寸公差带大小的10％的公差带子区间内；所述刀片沿横向于所述回转中心线方向的径向尺寸公差落入以该刀片径向尺寸下偏差为一端点的、占该刀片径向尺寸公差带大小的10％的公差带子区间内。

通过这样设置，圆弧形刀片刃口的加工面在微观上呈现在回转半径方向比R小，而在沿回转中心线方向该刀片的径向尺寸将会比L(2R)大，从而至少部分抵消了上述中心偏量和轴向倾角的影响。通过本发明来控制圆弧状刀片的尺寸精度保证了球头刀的最终尺寸，能很好地保证工件成形加工的尺寸和形状精度。

在磨PCD刀片1圆弧R时，可按照上述尺寸和公差要求进行控制。

此外，本发明还提供其它进一步的方法来减小或抵消中心偏量和轴向倾角的影响。例如通过具有回转轴线的慢走丝机床装夹刀杆来进行加工刀槽，此机床能较精确地定位刀杆的回转中心，且能加工出尺寸精度很高的刀槽尺寸。例如筛选刀片，选用厚度合适的刀片与刀槽相配，以达到进一步控制中心偏量。此外，例如在焊接刀片时，在焊片熔化后，注意均匀地下压刀片，使刀片底部与刀槽均匀接触，以保证中心偏量和轴向倾角。

中心偏量和轴向倾角的控制主要是在线切割切刀杆2球头上刀槽和将PCD刀片1焊在刀杆2球头上刀槽内。

此外，还可以对本发明的上述工艺进行很多的改进和/或限定，例如所述提供聚晶金刚石刀片坯步骤包括切割出聚晶金刚石刀片坯。

根据本发明的一些方案，加工成形所述刀杆和球头部包括刀体坯下料、机加工出刀杆的外形(如车床车出其外形)、热处理所述刀杆(例如淬火和回火)、机加工出刀杆的中心孔(例如电火花加工出中心孔和研磨该中心孔)和磨削成型球头部。进一步地，还可以包括在刀杆2上磨出球头刀的排屑倒角。

上述的检查聚晶金刚石刀片步骤是优选步骤，例如可以包括下述手段的一项或多项：检查所述刀片的中心偏量是否符合要求和检查由该刀片的延伸方向相对于所述回转中心线延伸方向所限定出的轴向倾角是否符合要求，以及检查该刀片刃口的完整性。

其中检验PCD刀片1刃口，例如可以在50倍放大镜下检验，以确认无任何崩口现象，保证刃口平滑，以保证被加工工件表面质量。

通过本发明的上述方案，能够精确地加工出符合精度要求的球头刀，而尤其能省去数控磨床来刃磨刀片的需要，但本领域的普通技术人员能对上述方案进行进一步的改进和变换，而这些可以由本领域的普通技术人员所作出的改进和变换落入所附权利要求书及其等同所限定的本发明的范围和精神中。

Claims (10)

1.一种制作用于工件中加工出凹槽的聚晶金刚石球头刀的制作工艺，该聚晶金刚石球头刀包括金属刀体和圆弧状聚晶金刚石刀片，该刀体具有沿该球头刀的回转中心线延伸的刀杆和位于刀杆一端上的球头部，该球头部设有用于所述刀片固定于其中的刀槽，其特征是，该制作工艺包括如下步骤：

(a)提供聚晶金刚石刀片坯；

(b)根据要被加工出的凹槽所希望有的上偏差和下偏差以及由该上偏差和下偏差限定的公差带来选定该刀片径向尺寸的上偏差和下偏差以及由该上偏差和下偏差限定的公差带；

(c)基于所述刀片径向尺寸的选定的上偏差、下偏差以及上述公差带来刃磨刀片坯，所述刀片沿所述回转中心线方向的径向尺寸公差落入以该刀片径向尺寸上偏差为一个端点的、占该刀片径向尺寸公差带大小的30％的公差带子区间内，所述刀片沿横向于所述回转中心线方向的径向尺寸公差落入以该刀片径向尺寸下偏差为一个端点的、占该刀片径向尺寸公差带大小的30％的公差带子区间内；

(d)加工成形所述刀杆和球头部；

(e)加工出所述刀槽；

(f)将刃磨好的刀片固定到所述刀槽中。

2.根据权利要求1所述的制作工艺，其特征是，所述刀片沿所述回转中心线方向的径向尺寸公差落入以该刀片径向尺寸上偏差为一个端点的、占该刀片径向尺寸公差带大小的10％的公差带子区间内，所述刀片沿横向于所述回转中心线方向的径向尺寸公差落入以该刀片径向尺寸下偏差为一端点的、占该刀片径向尺寸公差带大小的10％的公差带子区间内。

3.根据权利要求1所述的制作工艺，其特征是，所述刀片径向尺寸的公差带的大小为所述凹槽公差带的大小的40％-60％。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的制作工艺，其特征是，所述刀片径向尺寸的上偏差大于所述凹槽上偏差，且所述刀片径向尺寸的上偏差与所述凹槽上偏差之差为所述刀片径向尺寸公差带大小的20-30％。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的制作工艺，其特征是，所述加工刀槽步骤包括通过具有回转轴线的慢走丝机床来进行加工。

6.根据权利要求1至3中任一项所述的制作工艺，其特征是，在将刃磨好的刀片固定到所述刀槽的步骤之前还包括基于中心偏量选择刀片，该中心偏量由所述刀片的前刀面的实际位置相对于其理论位置的周向间距所定义。

7.根据权利要求1至3中任一项所述的制作工艺，其特征是，所述提供聚晶金刚石刀片坯步骤包括切割出聚晶金刚石刀片坯。

8.根据权利要求1至3中任一项所述的制作工艺，其特征是，所述加工成型所述刀杆和球头部步骤包括刀体坯下料、机加工出刀杆的外形、热处理所述刀杆、机加工出刀杆的中心孔和磨削成型球头部。

9.根据权利要求1至3中任一项所述的制作工艺，其特征是，还包括检查所述聚晶金刚石刀片的刃口完整性。

10.根据权利要求1至3中任一项所述的制作工艺，其特征是，所述将刃磨好的刀片固定到所述刀槽中步骤包括通过焊接或粘接固定该刀片。