CN104520067A - 制造立方氮化硼切削工具的方法及立方氮化硼切削工具 - Google Patents

Abstract

本发明提供能显著改善cBN切削工具的中心高度的精度且还能使负倒棱的倾角和宽度足够小的cBN切削工具制造方法和cBN切削工具，cBN切削工具包括位于金属基体的角部的cBN烧结体。在通过用位置和方向均能控制的磨床的卡盘夹持工具的金属基体来保持cBN切削工具时，通过将cBN烧结体按压在磨床的磨石的端面上来对形成在cBN烧结体上的后刀面和前刀面进行磨削。执行所述磨削使得磨削物体基本上为cBN烧结体。此外，在前刀面的磨削中，cBN烧结体的前刀面从金属基体的顶面凹陷下去或者仅磨削从金属基体前刀面突出的cBN烧结体。该方法构造为在不解除卡盘对工具的夹持的情况下进行所述作业。

Description

制造立方氮化硼切削工具的方法及立方氮化硼切削工具

技术领域

本发明涉及一种制造立方氮化硼(cBN)切削工具的方法和这种立方氮化硼切削工具，所述方法包括：将一小片立方氮化硼烧结体设置在金属基体的角部并且在立方氮化硼烧结体上形成切削刃，更具体地说，本发明涉及一种包括设计的精磨步骤的制造立方氮化硼切削工具的方法和这种立方氮化硼切削工具。

背景技术

切削工具(切削刀具)的实例包括以如下方式形成的立方氮化硼切削工具：在诸如硬质合金、陶瓷、金属陶瓷或烧结合金等材料制成的多边形金属基体的角部处结合一小片立方氮化硼烧结体并且在立方氮化硼烧结体上形成切削刃。

不包括断屑突起部和断屑槽的立方氮化硼切削工具以使金属基体的顶面与形成在立方氮化硼烧结体上的前刀面相互齐平的方式被精加工。使用立方氮化硼切削工具的切削包括各种应用，每种应用都需要适当的刀刃处理。在需要锐度的情况下，使用具有锋利刀刃的切削工具或具有磨光刀刃的切削工具进行切削。在需要强度的情况下，通常使用包括立方氮化硼烧结体的切削工具进行切削，其中立方氮化硼烧结体硬且脆，在立方氮化硼烧结体上形成切削刃的同时在切削刃上形成负倒棱以加强切削刃。

通常，为了通过磨削来形成前刀面，将多个切削工具安装到平面磨床上并利用单个磨石进行磨削。在这种方法中，金属基体和设置在金属基体的角部处的立方氮化硼烧结体一同被磨削(同时磨削)，并且因此，金属基体的顶面和立方氮化硼烧结体的前刀面相互齐平。另一种可构想出的方法是仅对金属基体或前刀面进行磨削和精加工，然后焊接立方氮化硼坯，以便同时对金属基体和立方氮化硼烧结体一起进行磨削而仅仅形成后刀面。

例如，在专利文献(PTL)1中公开了一种立方氮化硼切削工具，其中，金属基体的顶面和立方氮化硼烧结体的前刀面相互齐平。各切削工具厂商(例如，Sumitomo Electric Hardmetal Corporation(住友电工硬质合金有限公司)、Tungaloy Coporation(泰珂洛公司)、Mitsubishi Materials Corporation(三菱综合材料公司)或Sandvik AB(山特维克公司))通过互联网公开的目录中也描述有这种立方氮化硼切削工具。

引用列表

专利文献

PTL1：日本未审查的专利申请公开No.2011-045955

发明内容

技术问题

在同时磨削立方氮化硼烧结体和金属基体的顶面以形成前刀面的方法中，具有不同硬度的材料被同时加工并且磨削面的面积大。因此，磨石会不可避免地附上碎屑或因晃动而不可避免地与立方氮化硼烧结体或金属基体的一侧(以不均匀的形式)接触，因此磨削面出现塌角(shear droop)并且刀刃附近的前刀面的平面度下降。即使在仅磨削金属基体的情况下，也会因为磨削面的面积大，而难以具有平整的磨削面。

典型的旋削工具的真正中心高度(工具的加工点)由于工具主体的厚度公差(最严格的情况下为±25μm)而有变动。在旋削工具的切削刃具有负倒棱的情况下，中心高度由于负倒棱的倾角、宽度或加工精度也有大幅变动。

特别在小直径棒材外周的加工和小直径孔的加工中，因为中心高度决定加工精度，所以改善中心高度的精度是非常重要的。现有的立方氮化硼切削工具并不真正符合要求。

例如，考虑到锐度，用于精加工的立方氮化硼切削工具需要减小负倒棱的倾角和负倒棱的宽度。在进一步增强锐度的情况下，立方氮化硼切削工具需要具有不带负倒棱的锋利刀刃或具有仅通过珩磨形成的刀刃。

与上述需要相反，在现有的立方氮化硼切削工具中，立方氮化硼烧结体和金属基体的顶面被一同磨削以形成前刀面，在满足同一规格的切削工具之中，由于诸如前刀面的刀刃钝度的影响，在负倒棱的倾角例如为15°的情况下负倒棱的宽度在±25μm内变化，或者，在负倒棱的倾角例如为10°的情况下负倒棱的宽度在±40μm内变化。

如果负倒棱的宽度变化，那么切削工具之间中心高度也会发生变化。因此，在对工件进行试磨削之后通过进行校正来调整中心高度。对切削工具的使用者而言这项调整是极其繁琐的。

负倒棱的宽度或者高度必然超过磨削时的精度误差范围。因此，负倒棱变得大于必要量，并且难以进一步减小负倒棱的倾角，从而影响锐度。

如上所述，出于使用目的，有时将负倒棱扩大。此外，负倒棱因以下原因被扩大。在现有技术中，因为后刀面是在将立方氮化硼烧结体和金属基体的顶面一起磨削以形成前刀面之后通过磨削形成的，所以在后刀面的加工过程中刀刃有时会碎裂。因此，为了移除碎裂部位，必须扩大负倒棱。

本发明目的是提供一种如下的立方氮化硼切削工具：其包括位于金属基体的角部处的立方氮化硼烧结体，切削工具具有高精度的中心高度并且具有可灵活加工的刀刃(能够充分减小负倒棱的倾角或宽度)。

技术方案

为了解决上述问题，本发明提供了下述的制造立方氮化硼切削工具的方法。

该制造立方氮化硼切削工具的方法包括：将设置在金属基体的角部处的立方氮化硼烧结体按压到位置和方向均能控制的磨床的磨石的端面上来磨削所述立方氮化硼烧结体，从而在利用所述磨床的卡盘沿所述立方氮化硼切削工具的厚度方向紧紧将所述立方氮化硼切削工具的金属基体夹持住的同时，在所述立方氮化硼烧结体上形成后刀面和前刀面。

以对所述立方氮化硼烧结体充分研磨的方式进行磨削。在进行磨削来形成所述前刀面的过程中，使所述前刀面形成为从所述金属基体的顶面(金属基体前刀面)凹陷下去，或者只研磨所述立方氮化硼烧结体的从金属基体前刀面突出的部分。上述磨削(研磨)过程在通过调整所述卡盘的位置和方向来用所述卡盘持续地夹持所述立方氮化硼切削工具的同时进行。

在本文中，对于“以对所述立方氮化硼烧结体充分研磨的方式进行磨削”的表述，经磨削而形成前刀面的区域可延伸在金属基体的一部分上，只要该区域足够小从而能保持平面度而不对同时磨削过程造成有害影响即可。在这种情况下被磨削的金属基体的一部分不被视为磨削区域。这为以上表述的预期含义。

根据本发明的立方氮化硼切削工具包括位于硬质合金金属基体的角部处的立方氮化硼烧结体，所述立方氮化硼烧结体具有后刀面和前刀面。后刀面具有与切削工具的厚度方向垂直的磨削条纹，前刀面具有与切削工具的设置立方氮化硼烧结体的角部的二等分线基本垂直的磨削条纹。前刀面形成为从金属基体的顶面凹陷下去以在前刀面和金属基体的顶面之间形成台阶部。

发明效果

在本发明的制造方法中，通过使用单个卡盘进行磨削来形成后刀面和前刀面。使用单个卡盘能够防止可能因更换另一个卡盘而产生的切削工具的位置偏移。此外，与将金属基体一同磨削的情况不同，因为以充分磨削立方氮化硼烧结体的形式进行形成前刀面的磨削，所以避免了前刀面发生刀刃钝化。因为加工区域小，所以能够提高平面度。

因此能够提供具有高精度中心高度的立方氮化硼切削工具。而且，刀刃的加工过程变得更加灵活。因此，在具有负倒棱或不具有负倒棱的情况下，均可以使负倒棱的倾角或宽度足够小。

附图说明

图1A是根据本发明的方法进行磨削获得的立方氮化硼切削工具的实例的透视图。

图1B是图1A所示立方氮化硼切削工具被磨削后的外观的透视图。

图2A是根据本发明的方法进行磨削获得的立方氮化硼切削工具的另一个实例的透视图。

图2B是图2A所示立方氮化硼切削工具被磨削后的外观的透视图。

图3是用于执行根据本发明的方法的磨床的实例的主要部分的平面图。

图4是示出了磨床的卡盘的操作的正视图。

图5是示出了磨床的卡盘的操作的平面图。

图6是示出了后刀面上的磨削条纹的透视图。

图7示出了正在被磨削的前刀面的状态。

图8是示出了前刀面上的磨削条纹的透视图。

图9是示出了正在被磨削的前刀面的状态的正视图。

图10是前刀面上的台阶部的放大侧视图。

图11是刀刃部的负倒棱的放大侧视图。

图12是示出了中心高度的侧视图。

具体实施方式

下面将参考附图描述根据本发明的制造立方氮化硼切削工具的方法的实施例。

图1A和图2A示出了待磨削的立方氮化硼切削工具的实例。图1A所示立方氮化硼切削工具1是通过将小片的立方氮化硼烧结体3结合到金属基体2的顶面2a上获得的菱形切削嵌件。这样的菱形切削嵌件的另一个实例包括通过在两个完全相对的锐角上设置小片的立方氮化硼烧结体3获得的菱形切削嵌件。

图2A所示立方氮化硼切削工具1是通过将小片的立方氮化硼烧结体3结合到由硬质合金制成的金属基体2的顶面2a的角部上而获得的三角形切削嵌件。可根据本发明的方法加工的其他实例包括：仅在一个角部有立方氮化硼烧结体的切削嵌件；形状与示出的切削嵌件的形状不同的切削嵌件(具有不同角部角度的菱形或具有四个或更多个角部的多边形)；和通过将立方氮化硼烧结体结合到金属基体的顶面和底面的角部获得的负(negative)切削嵌件。

各立方氮化硼烧结体3具有接合面3a，接合面3a与立方氮化硼切削工具1的设置立方氮化硼烧结体3的角部的二等分线CL相垂直。接合面3a承受切削推力。

立方氮化硼烧结体3和由硬质合金制成的金属基体2可以是任何适用于切削工具的物体，并且物体中含有立方氮化硼或钨的量不受特别的限制。

下面将参考图1A的立方氮化硼切削工具(菱形切削嵌件)作为实例进行描述。

在本发明中，使用数控(NC)磨床进行磨削。在磨削中使用的磨床包括：图3示出的卡盘11，其位置和方向是数控的；和磨石12，其在固定位置旋转。

使用位置受控的机械手(未示出)将工件(立方氮化硼切削工具)运送到磨床并且将工件运送到卡盘11。

在本文中，示出的磨石12是杯状磨石，但是也可以使用盘状磨石。对于磨石12而言，适合使用具有#600以上细粒度的磨石。

用于评价本发明方法的磨床具有图4和图5示出的四轴控制功能，即磨床具有沿X轴和Y轴方向移动卡盘11(尽管无法沿Z轴方向移动)、绕轴线O旋转卡盘11以及沿如图5所示b轴方向旋转卡盘11多种功能。使用具有四轴控制功能的磨床成功进行了本发明的制造方法的磨削过程。

卡盘11包括一对相对的塞规11a，塞规11a可被不同尺寸的塞规替换。使用待加工的立方氮化硼切削工具的型号所适用的塞规，卡盘11沿切削工具的金属基体2的厚度方向将被机械手运送到固定位置的立方氮化硼切削工具1紧紧夹持住。

通过控制卡盘11的位置和方向，在将结合到金属基体2的角部处的立方氮化硼烧结体3按压在旋转的磨石12的端面上的同时对立方氮化硼烧结体3进行磨削，由此在立方氮化硼烧结体3上形成后刀面5和前刀面4。

关于磨削的顺序，首先进行磨削以形成后刀面5，然后进行磨削以形成前刀面4。这一顺序是优选的，因为与先进行磨削以形成前刀面然后进行磨削以形成后刀面的情况下的顺序相比，本顺序更有效地避免了在前刀面和后刀面之间的位置形成的棱部处发生碎裂。

在进行磨削以形成后刀面5期间，与磨石相接触的被加工表面的位置逐步变化。另一方面，在进行磨削以形成前刀面4期间，磨石的端面接触到整个磨削区域以与该区域平行。这项操作被认为能有效避免碎裂。

如图4所示，在进行磨削以形成后刀面5期间，在卡盘11所保持的立方氮化硼切削工具1的后刀面5按压在磨石12的端面上的同时，使卡盘11绕轴线O旋转来逐步改变被加工部分。

因此，在后刀面5上形成与切削工具的厚度方向垂直的磨削条纹7(参见图6)。在本文中，与切削工具的厚度方向垂直的磨削条纹不仅包括与切削工具的厚度方向完美垂直的磨削条纹，而且包括如下的磨削条纹：其在不损害经济效率或可使用性的范围内沿相对于与切削工具的厚度方向垂直的线或多或少地倾斜的方向延伸。

在后刀面和前刀面上形成的磨削条纹垂直于切削工具的厚度方向的原因是为大量生产节约成本。在能够获得操作效果的范围内，磨削条纹可以形成为相对于与切削工具的厚度方向垂直的线倾斜。

这里，如果立方氮化硼烧结体3的后刀面5与金属基体2的侧面2b齐平，那么金属基体2的侧面2b将被同时磨削。然而，因为立方氮化硼烧结体3不具有大的厚度，所以该磨削过程不会在后刀面上造成显著的刀刃钝化。在后刀面5从金属基体2的侧面2b突出的情况下，在此步骤中只有后刀面5通过磨削形成。

然后，通过磨削形成前刀面4。在保持立方氮化硼切削工具1的卡盘11不更换为另一个卡盘的情况下进行磨削。保持立方氮化硼切削工具1的卡盘11沿图5所示的b轴方向旋转，并且如图7所示，立方氮化硼烧结体3的前刀面被按压在磨石12的端面上从而平行于该端面。

这里，当以仅仅立方氮化硼烧结体3被磨削的方式将切削工具按压在磨石12上时，不执行两种不同硬度的材料的同时磨削。此外，减小了磨削区域并且由此能够使用磨石的经过适当磨光并具有良好锐度的表面。此外，精加工切削工具具有良好的外观。在立方氮化硼烧结体3的顶面从金属基体2的顶面(金属基体前刀面)突出的情况下，仅磨削立方氮化硼烧结体3是容易的。

然而，只要烧结体和金属基体被同时磨削的区域处于不受同时磨削的有害影响的范围内，那么金属基体的一部分可以与立方氮化硼烧结体同时磨削以形成前刀面。在将磨削面的边缘切入金属基体2例如大约2mm的情况下，同时磨削金属基体和烧结体不造成任何损害，因此也不损害前刀面的平面度。

如图8所示，通过以形成与切削工具的设置立方氮化硼烧结体3的角部的二等分线CL基本上垂直的磨削条纹8的形式进行磨削来形成前刀面4。

当将前刀面按压到旋转的磨石的端面上时，从严格意义上来说，形成在前刀面上的磨削条纹是弧形的，而非直线的。因此，磨削条纹8在本文中表述为“与角部的二等分线CL基本上垂直的磨削条纹”。

如图9所示，当烧结体在角部的二等分线CL与从磨石12的旋转中心沿径向延伸的虚拟直线对齐的位置被磨削时，在前刀面4上形成以磨石的旋转中心为中心的弧形的磨削条纹8。

半径在大约50mm到300mm的范围内的磨石被广泛用作磨石12的实例。在使用半径为300mm的磨石的情况下，磨削条纹8具有大约300mm的半径R。因为立方氮化硼切削工具不太大，所以磨削条纹8看起来为近似直线的条纹。

在使用同一磨石的端面进行磨削以形成后刀面5和前刀面4的情况下，后刀面5的表面粗糙度和前刀面4的表面粗糙度的比值大约是1。

在进行磨削之前金属基体顶面(金属基体前刀面)与立方氮化硼烧结体的顶面互相齐平的情况下，前刀面4从金属基体的顶面2a凹陷下去(在顶面与底面具有相同结构的负切削工具的情况下，底面也被视为顶面)从而在金属基体的顶面2a和前刀面4之间形成高度优选为0.1mm或更小的台阶部h，如图10所示。

当形成台阶部h时，在金属基体2的磨削面和烧结体之间的边界形成图10中虚线表示的边缘e。因为边缘e是无用的，所以优选地通过形成斜切部分9去除边缘e(参见图10)。可以在进行磨削以形成前刀面4之后通过从图7所示位置沿图7的箭头方向(图7中的顺时针方向)旋转卡盘11来形成斜切部分9。

本发明还适用于如下的情况：将要对通过将立方氮化硼坯焊接到金属基体的磨削顶面上而获得的切削工具进行磨削(金属基体的前刀面和立方氮化硼坯相互不齐平的情况)。在磨削之前立方氮化硼烧结体的顶面从金属基体的顶面突出的情况下，只有立方氮化硼烧结体的突出部分必然被磨削。

在使用同一磨石的端面进行磨削来形成后刀面5和前刀面4的情况下，后刀面5的表面粗糙度和前刀面4的表面粗糙度的比值大约是1。

在需要切削刃具有负倒棱(negative rake face，或负前刀面)的情况下，在通过磨削形成后刀面5和前刀面4之后，沿着由后刀面5和前刀面4相交的棱形成的切削刃6形成负倒棱10(参见图11)。卡盘的轴线O如图5的虚线所示是倾斜的。在这种状态下，形成负倒棱10的部分与磨石12的端面相接触，并且移动卡盘11使接触点沿切削刃的纵向移动。由此能够形成负倒棱10。

在本发明中，上述磨削过程在卡盘11持续保持切削工具的同时使用所谓的单个卡盘。

这项操作防止因保持切削工具的卡盘更换为另一个而可能发生的切削工具的位置偏移。此外，通过在不对金属基体同时磨削的情况下进行磨削以形成前刀面，防止前刀面的刀刃钝化，从而能够大程度地改善中心高度H(参见图12，为从支撑切削工具的底面到加工点的高度)的精度。

相对于现有切削工具，防止前刀面刀刃钝化能够使负倒棱10的倾角θ和公称宽度W(参见图11)减小(能够使精加工切削工具的负倒棱的尺寸优化等)。因此，公称宽度W能够小程度地改变，从而能够进一步改善中心高度的精度或锐度。

在使用#1400杯状磨石进行磨削形成的用于大量生产的试用型切削工具中，中心高度H的公差成功地落入±10μm的范围内，负倒棱的倾角θ成功地落入15°的范围内，在负倒棱的公称宽度W为0.1mm(100μm)时，公称宽度的公差成功落入±10μm的范围内。而且，成功执行曾经不可实现的对具有5°倾角θ的负倒棱的加工。在本文中，后刀面具有与切削工具的厚度方向垂直的磨削条纹，前刀面具有与切削工具的设置立方氮化硼烧结体的角部的二等分线基本上垂直的磨削条纹，并且前刀面形成为从金属基体的顶面凹陷下去以在前刀面和金属基体的顶面之间形成台阶部。

如上所述，上述方法能够制造具有高精度中心高度的立方氮化硼切削工具。这消除了在使用大量生产的切削工具时用于调整中心高度的试削的需要，这对切削工具使用者来说是十分有用的。尽管所示方法实例是容易地使用典型的外围磨削设备制造切削工具的方法，但是加工方法不限于此，只要加工方法具有相同的操作效果即可。

已经举例描述了依次磨削以形成后刀面和前刀面的步骤。然而，即使在首先磨削以形成前刀面然后磨削以形成后刀面的情况下，中心高度的精度和负倒棱的精度与现有切削工具的精度相比也有所改善，这是因为使用单个卡盘执行磨削并且以充分磨削立方氮化硼烧结体的方式形成前刀面来进行磨削是有效的。

本发明还适用于如下的情况：将要对通过将立方氮化硼坯焊接到金属基体的磨削顶面上而获得的切削工具进行磨削(金属基体前刀面和立方氮化硼坯相互不齐平的情况)。

本发明所公开的实施例的结构仅作为实例并且本发明的范围不限于实施例所描述的范围。本发明的范围由权利要求书的范围来限定，并且本发明的范围还包括与权利要求书的范围等同的范围以及所有落入该范围内的变型。

附图标号列表

1   立方氮化硼切削切削工具

2   金属基体

2a  顶面

2b  侧面

3   立方氮化硼烧结体

3a  接合面

4   前刀面

5   后刀面

6   切削刃

7   后刀面上的磨削条纹

8   前刀面上的磨削条纹

9   斜切部分

10  负倒棱

11  卡盘

11a 塞规

12  磨石

CL  立方氮化硼切削切削工具的设置立方氮化硼烧结体的角部的二等分线

O   卡盘的轴线

b   卡盘的旋转方向

h   金属基体顶面和前刀面之间的台阶部

e   边缘

θ  负倒棱的倾角

W   负倒棱的公称宽度

H   中心高度

Claims (5)

1.一种制造立方氮化硼切削工具的方法，所述立方氮化硼切削工具包括：金属基体和立方氮化硼烧结体，所述立方氮化硼烧结体上形成有切削刃，所述立方氮化硼烧结体连接在所述金属基体的角部，所述方法包括：

将设置在所述金属基体的角部处的所述立方氮化硼烧结体按压到位置和方向均能控制的磨床的磨石的端面上来磨削所述立方氮化硼烧结体，从而在利用所述磨床的卡盘沿所述立方氮化硼切削工具的厚度方向紧紧将所述立方氮化硼切削工具的金属基体夹持住的同时，在所述立方氮化硼烧结体上形成后刀面和前刀面，

其中，以对所述立方氮化硼烧结体充分磨削的方式进行磨削，并且

在进行磨削来形成所述前刀面的过程中，在通过调整所述卡盘的位置和方向来用所述卡盘持续地夹持所述立方氮化硼切削工具的同时，使所述前刀面形成为从所述金属基体的顶面凹陷下去，或者只磨削所述立方氮化硼烧结体的从金属基体前刀面突出的部分。

2.根据权利要求1所述的制造立方氮化硼切削工具的方法，其中，在磨削形成所述后刀面之后，通过进行磨削来形成所述前刀面。

3.根据权利要求1或2所述的制造立方氮化硼切削工具的方法，其中，进行磨削形成所述后刀面和所述前刀面，以使在所述后刀面上形成与所述立方氮化硼切削工具的厚度方向垂直的磨削条纹，并且在所述前刀面上形成与所述立方氮化硼切削工具的设置所述立方氮化硼烧结体的角部的二等分线基本上垂直的磨削条纹。

4.一种立方氮化硼切削工具，包括：硬质合金金属基体和立方氮化硼烧结体，所述立方氮化硼烧结体位于所述硬质合金金属基体的角部，所述立方氮化硼烧结体具有后刀面和前刀面，

其中，所述后刀面具有与所述立方氮化硼切削工具的厚度方向垂直的磨削条纹，所述前刀面具有与所述立方氮化硼切削工具的设置所述立方氮化硼烧结体的角部的二等分线基本上垂直的磨削条纹，并且

所述前刀面形成为从所述硬质合金金属基体的顶面凹陷下去以在所述前刀面和所述硬质合金金属基体的顶面之间形成台阶部。

5.根据权利要求4所述的立方氮化硼切削工具，还包括：负倒棱，其沿着由所述后刀面和所述前刀面相交的棱线形成的切削刃延伸，所述负倒棱的倾角为15°或更小。