CN103097064B - 切削元件、包括该切削元件的旋转机床和制造该切削元件的方法 - Google Patents

Abstract

一种用于具有旋转轴线的旋转机床的切削元件（100），所述切削元件包括由至少一个包括超硬材料的切削结构（120）限定的多个切削刃（110），连续切削刃被隔开至多10mm并且被构造成可操作以便在沿与旋转轴线基本不对准的方向移动时切削物体。

Description

切削元件、包括该切削元件的旋转机床和制造该切削元件的方法

技术领域

本发明一般涉及用于旋转机床的切削元件，特别但非排他地涉及端铣刀、刳刨工具或铰孔工具，用于制造该切削元件的方法和包括该切削元件的旋转机床。

背景技术

例如螺旋钻和铰孔工具的一些类型的旋转机床被构造成沿与旋转机床的旋转轴线大体对准的方向前进到工件中。换言之，这种工具被设计成在物体中钻孔或穿孔，主馈送方向与旋转轴线基本上对准。例如端铣工具和刳刨工具的其它类型的机床被构造成在侧面上前进到工件中，主馈送方向与旋转轴线基本上不对准（或甚至基本上横向于旋转轴线）。具有相对小直径的旋转工具可能太小以致不能通过将足够量的插入件充分精确且稳固地夹紧或钎焊到工具物体上来制造。将节段钎焊到工具上的另一缺陷在于在侧切削表面上的切削刃之间的间隔的接近上可能有实际上的限制。例如除了实验工具外，难以使侧切削表面上隔开的超硬切削刃比约10mm更近。因此，在工具、特别是旋转工具上可实现的切削刃的数量方面有实际限制，这可限制利用该工具实现的生产率。在金属切削的情况下，工具生产率可以主要由每切削刃的碎片负载和切削刃的数量的乘积来确定。

欧洲专利编号1351798公开了一种生产切削工具的方法，该方法包括：提供未结合的组件，该组件包括具有端部和由超硬耐磨颗粒未烧结层部分或完全覆盖的伸长侧表面的圆柱状芯；和烧结该未结合组件以提供包括圆柱状芯和结合到该芯的超硬耐磨材料的产品。然后，烧结的产品被加工以在超硬耐磨材料中生成一个或更多切削刃。

虽然更大量的切削刃可提高机床使用中的效率，特别在相对小旋转切削元件的情况下，提供更大量切削刃的成本和复杂性可能相对高。

发明内容

从一方面看，提供一种工具元件，更具体地一种用于具有旋转轴线（用于在使用中旋转）的例如铣床或靠模铣床的旋转机床的切削元件，该切削元件包括多个（或至少三个）切削刃，该切削刃由至少一个包括例如PCD材料或PCBN材料的超硬材料的切削结构限定，连续的切割刃隔开至多10mm且被构造成可操作以便沿与旋转轴线基本上不对准或相对于旋转方向基本上横向的方向移动时切削物体。在一些示例布置中，连续的切削刃关于旋转轴线沿方位角（周向地）可隔开至多约10mm。

从另一方面看，提供一种用于旋转机床的切削元件，该切削元件具有近端、远端和连接近端和远端的周侧面；该切削元件包括通过多个（或至少三个）切削刃，该切削刃包括例如PCD材料或PCBN材料的超硬材料的刀具结构设置在周侧面上，周侧面上的连续切削刃在如使用中的大体旋转方向上（在一些布置中沿方位角或周向地）被隔开至多10mm。

在一些示例布置中，连续切削刃可隔开小于约6mm，至多约5mm，至多约2mm，或至多约1mm。

从另一方面看，提供一种用于旋转机床的切削元件，包括结合到硬质合金基体的超硬结构且限定至少三个切削刃，多个双向螺旋出屑槽形成在超硬结构中。

从另一方面看，提供一种具有旋转轴线的旋转机床，例如铣床或靠模铣床，该旋转机床包括公开的切削元件。

从另一方面看，提供一种用于制造用于旋转机床的切削元件的方法，该方法包括：提供前体，该前体包括接合到硬质合金基体的例如PCD或PCBN结构的超硬结构；前体具有近端、远端和连接近端和远端的周侧面，超硬结构设置在周侧面上；和从周侧面去除超硬结构的一部分以在周侧面上形成多个（或至少三个）切削刃，连续的切削刃彼此隔开至多约10mm、至多约6mm、至多约5mm、至多约2mm，或至多约1mm。该方法可包括加工切削元件以形成切削刃的后角和前刀面角。该方法可包括去除超硬件结构的一部分且形成多个出屑槽。

附图说明

图1、图2、图3示出示例双向出屑槽的旋转机床的示意性透视图。

图4示出示例出屑槽的旋转机床的示意性透视图。

图5示出球头端铣刀的示例的示意性侧视图和平面图（即从近端）。

图6示出示例前体的示意性侧视图。

具体实施方式

描述非限制性示例布置以说明本发明。

参考图1，用于旋转机床（未示出）的示例切削元件100包括多个（在该特定布置中至少16个）隔开的切削刃110，该切削刃通过包括PCD材料或PCBN材料的超硬切削结构120设置（限制）。例如，旋转机床可以用于对碳纤维增强材料的片材进行剪边。切削元件100具有近端102、远端104和连接近端102和远端104的周侧面106。周侧面106上的连续切削刃110分开至多5mm。换言之，在该示例布置中连续刃110沿方位角分开至多5mm，其中切削元件100具有大体圆柱形状。超硬切削结构120可具有大体管状形式且可以邻近大体圆柱状钴烧结碳化钨基体130的近端102一体地接合。切削元件100的远端104可以被钎焊或以其它方式接合到工具物体。双向出屑槽140被形成到切削结构120中，露出基体130的硬质合金材料。

在使用中，例如在修整纤维增强板或片材（未示出）的边缘中，切削元件100绕纵向轴线L沿方向R旋转并且可以抵靠工件的边缘沿大体方向T相对于轴线L基本上横向平移以对工件的边缘进行剪边。周侧面106上的连续切削刃110在使用中沿大体旋转方向R隔开至多约5mm。通过如执行切削动作时具有挤压板或片材的上、下表面的效果，出屑槽140的双向构造可减少板或片材的剥离。

参考图2，用于旋转机床的切削元件100的另一示例布置包括隔开的切削刃110，该隔开的切削刃通过包括PCD材料或PCBN材料的超硬切削结构120形成，其中周侧面106上的连续切削刃110分开至多约5mm。双向出屑槽140被形成到切削结构120中，露出基体130的硬质合金材料。

参考图3，用于旋转机床的切削元件100的另一示例布置包括隔开的切削刃110，该隔开的切削刃通过多个包括PCD材料或PCBN材料的超硬切削结构120形成，其中周侧面106上的连续切削刃110分开至多约5mm。双向出屑槽140被形成到切削结构120中，露出基体130的硬质合金材料。

参考图4，用于旋转机床的切削元件100的示例布置包括隔开的切削刃110，该隔开的切削刃110通过多个包括PCD材料或PCBN材料的超硬切削结构120形成，其中周侧面106上的连续切削刃110分开至多约5mm。单向出屑槽140被形成到切削结构120中，露出基体130的硬质合金材料。

参考图5，用于一种类型的旋转机床（未示出）的球头端铣刀的示例切削元件100，包括由PCD或PCBN切削结构120形成的隔开的切削刃110，周侧面上的连续切削刃110（即当从侧面看时）分开至多约5mm。切削结构120可具有基本上凸出或圆顶形式，并且可以邻近大体圆柱状钴烧结碳化钨基体130的近端102一体地结合。基体的远端104可以被钎焊或以其他方式接合到工具物体（未示出）。单向出屑槽140被形成到切削结构120中，露出基体130的硬质合金材料。

在示例布置中，切削元件100可包括超硬切削结构120，该超硬切削结构通过超硬切削结构120和基体130之间的至少一个中间层（未示出）接合到硬质合金基体130，中间层包括分散在基质材料中的金属碳化物颗粒和超硬材料颗粒。例如，切削元件100可包括至少三个中间层。每个中间层可以是至少约0.1mm或至少约0.2mm厚。至少一个中间层可包括分散在包含钴的基质中的金刚石颗粒和碳化钨颗粒，碳化物和金刚石颗粒的组合含量是中间层的至少约20体积百分比。这种布置可具有表现增强的抵抗破裂的方面。

一种用于制造切削元件的示例方法包括：提供包括接合到包括硬质合金材料的基体的超硬结构的前体，和去除超硬结构的一部分以露出基体材料并且提供横向切削刃。前体可具有近端和从近端悬垂的外周表面，并且可通过以超高压和高温将聚集的多个金刚石颗粒一起烧结到钴硬质合金基体的外周表面上来制造。

在一个示例布置中，前体可具有大体圆形或圆顶形近端，并且可以适于制造用于铣复杂腔的球头工具。这种工具可具有从约10mm到约25mm范围内的横向剖面直径。

一种用于制造用于旋转机床的切削元件的示例方法可包括：提供包括接合到硬质合金基体的超硬结构的前体。前体可具有近端、远端和连接近近端和远端的周侧面，并且可构造有基本上布置在周侧面上的超硬结构构造。超硬结构可通过超硬结构和基体之间的三个中间层被接合到硬质合金基体。中间层可包括分散在包含钴的基质中的碳化钨颗粒和超硬材料颗粒。中间层中的钴含量少于层中的钴含量。每个中间层是至少约0.2mm厚和至多约0.3mm厚。硬质合金基体可具有的伸长或大体圆柱形式，该伸长或大体圆柱形式具有近端、远端和连接近端和远端的侧表面。近端可具有基本上圆形的圆锥形状，或可以是基本上平坦或平面的。超硬结构在靠近或邻近近端处可被接合到基体。超硬结构的一部分被去除以露出位于去除部分下方并且在周侧面上提供隔开的切削刃的基体材料，切削刃由超硬切削结构限定，前体的周侧面上的连续切削刃彼此分开至多约10mm。

在示例的方法中，前体可具有大体凸出的、圆形的或圆顶形端部且包括接合到硬质合金基体的PCD或PCBN结构，如可被使用在用于在地面上钻孔的冲击或辊锥钻头。多个切削刃可通过加工方法（例如放电加工、激光切削或研磨）被形成到PCD或PCBN结构中以形成如所述的球头切削元件的实施例。可根据应用选择切削刃的数量。在一个实施例中，刃可被大体螺旋地构造以提供用于提高碎屑控制的螺旋“扫”。例如，球头切削元件可包括形成到PCBN结构中的切削刃。

参考图6，用于制造球头端铣刀的前体200的示例布置具有大体圆顶形的近端202、远端204和连接近端和远端的周侧面206。前体200包括接合到硬质合金基体230的大体圆顶形PCD结构120。示例方法可包括从PCD结构120去除PCD材料以形成切削刃和出屑槽。

包括公开的切削元件的示例机床可以用于铣或靠模铣切工件，特别是包括例如金属、陶瓷材料、复合材料、木材、石材、混凝土或砖石的硬或耐磨材料的工件。例如，机床可以是用于边缘修整包括纤维增强塑料材料的物体的压缩刳刨机或者是用于边缘修整包括复合材料的物体的螺旋多出屑槽刳刨机或去毛刺机。切削元件可用于靠模铣床或用于铣或修整物体边缘、特别是包括由碳纤维增强的材料的物体的边缘的机床。在另一示例中，切削元件用于球头机床。

在示例方法的一种方案中，前体可利用以下步骤制造：制备包括叠置在烧结碳化钨基体的近端上的多个包含金刚石箔片的预烧结组件，并且使预烧结组件经受超高压和高温以烧结金刚石并且经由至少一个包含金刚石颗粒和碳化物颗粒的中间层形成接合到硬质合金基体的PCD结构。箔片可从包含由有机粘合剂保持在一起的金刚石颗粒的片材切割而成，并且用于中间层的片材可包括由有机粘合剂保持在一起的金刚石颗粒和碳化钨颗粒。片材可通过现有技术公知的方法，例如挤出或流延成型方法制造，其中包含金刚石颗粒和粘合剂材料的浆料被铺设在表面上且被干燥。还可以使用用于制造承载金刚石片材的其他方法，例如在美国专利编号5,766,394和6,446,740中描述的。可替换的用于沉积承载金刚石层的方法包括溅射方法，例如热溅射。如现有技术已知的，预烧结组件可被装入到用于超高压熔炉的封壳中，并且经受至少约5GPa的压力和至少约1,300摄氏度的温度，并且金刚石颗粒烧结到一起以形成PCD。用于促进金刚石烧结和用于烧结中间层或各层中的颗粒的钴可源自硬质合金基体。

示例方法的一个方案可包括：提供具有限定支撑表面的成形的伸长近端部的硬质合金基体；提供具有被构造成具有与支撑表面的形状互补的形状的结合表面的超硬结构；将超硬结构的接合表面接合到基体的支撑表面；和去除超硬结构的一部分以露出位于去除部分下方且提供限定切削刃的后角和前刀面角的基体材料。

在方法的一个方案中，硬质合金基体可具有伸长或大体圆柱的形式。基体可具有近端和远端，远端是附接端，以及连接近端和远端的侧表面；至少近端的一部分具有基本上圆锥形、截锥形或圆头锥形，例如球形圆头锥形形状；超硬结构被设置成邻近近端。

在方法的一个方案中，前体是包含在地面中钻孔的钻头中使用的PCD材料的超硬插入件。

使用示例的切削元件的方法可包括提供包括切削元件的靠模铣或剪边机，该剪边机包括切削元件，并且修整包括纤维增强材料的板的边缘。

旋转机床的某些布置可具有能够增加生产率的方面，且某些布置可具有表现切削刃的更复杂和精致构造的方面，或者它们提供工具设计者对切削刃的更多设计灵活性以便更好地符合加工应用需求的方面。某些公开的制造切削元件的示例方法可具有更容易或更低实施成本的方面。

下面更详细地描述切削元件的进一步的非限制性示例。

示例1

用于刳刨工具的尖端可通过将多个螺旋形出屑槽和相联的切削刃形成到PCD层中而制造，该PCD层形成在包含硬质合金的大体圆柱形的伸长基体的端部上。碳化物基体可具有约10mm的端直径和约15mm的长度，并且包括约13重量百分比的钴粘合剂材料。用于容纳用于PCD层的前体结构的圆筒状凹部可被形成为邻近基体的近端且从近端朝远端延伸一定距离。凹部的深度可以是约3mm。

用于PCD层的前体结构可通过制备包含通过水基有机粘合剂保持在一起的金刚石颗粒的片材制造。片材可以是约500微米的厚度，且包含具有从约5微米到约15微米范围内的平均粒径的金刚石颗粒并且可通过流延成型制造。这将包括制造包含金刚石颗粒和有机粘合剂的浆料，该浆料被铸造到带上且干燥以去除粘合剂溶剂。片材中金刚石颗粒的含量应该是片材的至少约50体积百分比。可从片材上切割约六个条带，每个条带具有略微不同的长度使得它们可被彼此顺续堆叠，由最短的条带开始，且以最长的条终止，并且通过使最短的条带与基体相接触而缠绕邻近近端的基体的凹部。取决于条带在堆叠中的相应位置，各条带的相应长度应该是刚好在缠绕基体时使每个条带的端部彼此接触。条带的宽度应该是彼此基本上相同且等于凹部的宽度。

因此，可形成预烧结组件，该预烧结组件包括多个包含金刚石颗粒的缠绕条带的基本上同轴的管状结构。预烧结组件可被装入用于超高压熔炉的封壳，如本领域技术人员应该理解的，并且经受至少约5GPa的压力和至少约1,300摄氏度的温度，并且有钴的金刚石颗粒可在该温度和压力下烧结在一起。钴在超高压、高温处理期间可源自基体。结果形成的部件应包括在碳化物基体柱的端部处整体结合且同轴地烧结的PCD材料管。

然后，烧结的部件可被处理以形成用于刳刨工具的切削元件。通过放电加工，八个螺旋出屑槽可被形成到PCD管中，出屑槽的深度足以从下面的基体露出碳化物材料。八个切削刃可邻近相应的出屑槽形成，连续切削刃之间的平均周向距离约4mm。通过放电加工和机械金刚石研磨的组合，切削元件可被整修成最终的形状和尺寸公差。

示例2

可如该示例中描述的生产用于旋转机床的包括PCD结构的切削元件。预烧结组件可通过以下步骤制备：提供壳体，该壳体在一端具有被构造成与PCD结构的工作表面预期形状相同的大体形状的内部形状，和将用于PCD结构的前体层和中间层以及基体物体组装到壳体中。

硬质合金基体可由包含约13重量%的钴和具有从约4微米到约6微米范围内的平均粒径的WC颗粒的钴烧结的烧结碳化钨形成。基体的近端可具有圆顶形状且基体的最大横向直径可以是约10mm。

用于三个相应中间层的标示为L1、L2、L3的三个前体层中的每一层可由包含金刚石和碳化钨颗粒的三种不同成分的标示为S1、S2、S3的相应片材形成。片材中的标示为S1的片材还可包含混合的粉末形式的钴。片材成分的重量百分比在下表1中示出，除了有机粘合剂之外。片材可通过流延成型包含金刚石和碳化钨颗粒和有机粘合剂的相应浆料形成，并且使铸造浆料干燥。金刚石颗粒可具有多形式尺寸分布和从约5微米至约15微米的范围内的平均粒径。坯料箔片F1、F2、F3可由相应片材S1、S2、S3切割成适于组装到壳体内的尺寸，并且形成每个箔片以与壳体的端部的内部形状一致。

	金刚石	WC	Co
				S1	75wt.%	25wt.%	0wt.%
S2	50wt.%	50wt.%	0wt.%
				S3	20wt.%	61wt.%	19wt.%

表1

预压缩组件可通过将用于PCD结构的前体层放置到壳体内与壳体的成形内端接触，将箔片F1放置成抵靠PCD前体层，将箔片F2放置成抵靠F1，将箔片F3放置成抵靠F2，然后将基体物体放置到壳体内，将其近端压靠F3。

然后，预压缩组件可在真空中经受热处理以蒸发掉基本上所有有机粘合剂，然后组装到用于超高压熔炉的封壳中。预压缩组件可经受约5.5GPa的压力和约1,350摄氏度的温度，以烧结PCD前体结构来形成经由三个中间层接合到基体的PCD端帽。

然后，烧结的部件可被处理以形成用于球头端铣机床的切削元件。八个螺旋出屑槽可通过放电加工形成到PCD半球表面中，出屑槽的深度足以从下面的基体露出碳化物材料。八个切削刃可邻近相应出屑槽形成，连续切削刃之间的平均周向距离至多约4mm。通过放电加工和机械金刚石研磨的组合，切削元件可被整修成最终形状和尺寸公差。

现在说明这里使用的某些术语和概念。

机床是有动力的机械装置，可用于通过机械加工制造包含例如金属、复合材料、木材或聚合物的材料的部件。机械加工是从物体或工件选择性地去除材料。旋转机床是在使用中绕其自身轴线旋转的包括切削元件、例如钻头的机床。切削元件的刀面是当机床被用于从物体去除材料时碎屑在其上流动的表面，刀面引导新形成的碎屑的流动。碎屑是在使用中通过机床从物体的加工表面去除的物体的小块。切削元件的侧面是机床的通过机床在物体上生产的机械加工表面上通过的表面。切削刃是预期执行物体切削的刀面的边缘，出屑槽是旋转机床的能够在机床使用中旋转时将碎屑从切削刃输送离开的凹部。示例的旋转机床，例如攻螺纹机、球头端铣机和直端铣机（有时可称为槽钻），可具有六个或更多的切削刃和出屑槽。螺旋出屑槽（也称为盘旋出屑槽）包括相对于旋转机床的旋转轴线大体且至少部分地螺旋布置的出屑槽，双向螺旋出屑槽构造包括具有不同或相对的螺旋方向的出屑槽。

如这里使用的，超硬材料具有至少约28Gpa的维氏硬度。金刚石和立方氮化硼（cBN）材料是超硬材料的例子。多晶金刚石（PCD）材料包括大块（多个的集合）金刚石颗粒，其主要部分直接彼此内结合，且其中金刚石的含量是材料的至少约80体积百分比。金刚石颗粒之间的空隙可以至少部分地填充有包括用于合成金刚石的催化剂材料的粘合剂材料或它们可以是基本上空的。用于合成金刚石的催化剂材料能够在合成或天然金刚石热动态稳定的温度和压力下促进合成金刚石颗粒的生长或合成或天然金刚石颗粒的直接内生长。用于金刚石的催化剂材料的例子是Fe、Ni、Co和Mn，以及包括它们的某些合金。包括PCD材料的超硬结构可包括至少从催化剂材料已被从间隙去除使金刚石颗粒之间的空隙变空的区域。具有用于金刚石的催化剂材料已耗尽或其中催化剂材料是作为催化剂的相对低活性的形式的至少重要区域的PCD结构可被描述为热稳定PCD。

PCBN材料包括分散在包含金属或陶瓷材料的基质内的立方体氮化硼（cBN）颗粒。例如，PCBN材料可包括至少约60体积百分比的cBN颗粒，该cBN颗粒分散在粘合剂基质中，该粘合剂基质包括包含Ti的化合物（例如碳氮化钛），和/或包含Al的化合物（例如氮化铝），和/或包含例如Co和/或W的金属的化合物。一些形式（或“等级”）的PCBN材料可包括至少约80体积百分比或甚至至少约85体积百分比的cBN颗粒。

更大体的，聚晶体的超硬（PCS）材料包括大块超硬材料颗粒和超硬颗粒之间的间隙，该间隙至少可以是部分地由填充剂或粘合剂材料填充，超硬颗粒的含量至少约材料的体积百分比。颗粒可包括金刚石或立方氮化硼（cBN）。

Claims (8)

1.一种用于具有旋转轴线的球头端铣刀具的切削元件，所述切削元件包括由至少一个包括多晶立方氮化硼(PCBN)材料的切削结构限定的至少三个切削刃，所述多晶立方氮化硼(PCBN)材料包括分散在粘合剂基质中的至少80体积百分比的立方氮化硼(cBN)颗粒，所述粘合剂基质包括包含Co和W的化合物，其中，所述球头端铣刀具具有10mm到25mm的横向剖面直径，并且切削刃中的连续切削刃围绕旋转轴线沿周向被隔开至多5mm并且被构造成可操作以便在沿与旋转轴线基本上不对准的方向移动时切削物体。

2.根据权利要求1所述的切削元件，该切削元件具有近端、远端以及连接所述近端和所述远端的周侧面，其中，所述切削刃被设置在所述周侧面上。

3.根据权利要求1所述的切削元件，该切削元件包括形成到所述切削结构中的双向出屑槽。

4.根据权利要求1所述的切削元件，其中，所述切削结构通过在所述切削结构和硬质合金基体之间的至少一个中间层被接合到硬质合金基体，所述至少一个中间层包括分散在基质材料中的金属碳化物颗粒和超硬材料颗粒。

5.一种用于制造如权利要求1所述的切削元件的方法，该方法包括：提供包括接合到硬质合金基体的PCBN结构的前体；所述前体具有大体圆顶形的近端、远端以及连接所述近端和所述远端的周侧面，所述PCBN结构设置在所述周侧面上，所述球头端铣刀具具有10mm到25mm的横向剖面直径，所述PCBN结构包括分散在粘合剂基质中的至少80体积百分比的cBN颗粒，所述粘合剂基质包括包含Co和W的化合物；和通过放电加工从所述周侧面去除所述PCBN结构的一部分以在所述周侧面上形成至少三个切削刃，连续的切削刃彼此隔开至多5mm。

6.如权利要求5所述的方法，包括机械加工所述切削元件以形成切削刃的后角和前刀面角。

7.如权利要求5所述的方法，包括去除所述PCBN结构的一部分并且形成多个出屑槽。

8.一种用于铣的旋转机床，包括如权利要求1所述的切削元件。