CN107030303A - 陶瓷切削刀片及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了陶瓷切削刀片及其制造方法。切削刀片包括由陶瓷材料制成的主体。所述主体具有第一表面、第二表面和至少一个在所述第一表面和所述第二表面之间延伸的后刀面。所述第一表面包括沿径向向外的方向延伸至切削刃并且沿径向向内的方向延伸至内边缘的切屑形成特征。所述切屑形成特征包括从所述切削刃径向向内朝向圆形底部表面向下倾斜的前壁，以及从所述圆形底部表面径向向内朝向所述内边缘向上倾斜的后壁。所述切屑形成特征可包括在所述切削刃和所述前壁之间的任选的刃带面。

Description

陶瓷切削刀片及其制造方法
技术领域
本发明整体涉及其上具有整体式切屑控制表面的陶瓷切削工具，具体而言，涉及可用于金属材料高速加工的可转位型陶瓷切削工具。
背景技术
虽然相对于烧结碳化物、带涂层的烧结碳化物和金属陶瓷切削工具，陶瓷切削工具在加工黑色或有色金属材料方面的许多应用中展示出了明显的速度和/或工具寿命优势，但由于具有正前角模制切屑控制设计的刀片商购困难，其可用性依然受到了限制。尽管在文献中提及这些设计，但本领域的技术人员普遍认为陶瓷刀片中这种模制切屑控制设计将导致切削刃在切削操作期间过早失效。这种看法基于相比于烧结碳化物和金属陶瓷切削工具，陶瓷切削工具材料的横向断裂强度和断裂韧性较低。
已将化合物加入到陶瓷中以增加其断裂韧性和横向断裂强度。此类化合物，诸如碳化硅晶须以及碳化钛、Yb2O3、La2O3和其他稀土氧化物，通常使所得的复合材料更难以制造，因为需要更高的烧结温度或热压来实现获得最大断裂韧性和横向断裂强度所需的高密度。应当注意，即使当这些陶瓷复合材料完全致密时，其断裂韧性和横向断裂强度仍然远低于金属陶瓷和烧结碳化物的断裂韧性和横向断裂强度。
这些更高的制造温度也导致陶瓷复合材料表面处的反应层的形成增加。这些反应层的断裂韧性和横向断裂强度比本体材料的断裂韧性和横向断裂强度低。因此，在这些表面具有最佳强度和断裂韧度、对切削性能至关重要的区域中，这些反应层已被磨掉。因此，这些磨削要求使得具有切屑控制结构的陶瓷切削刀片的制造变得昂贵，并且在需要复杂的切屑控制结构的情况下，这种陶瓷切削刀片的制造在商业上是不切实际的。
然而，在大多数情况下，为了商业上和实践中将陶瓷切削刀片应用到延性材料(倾向于在高速加工期间形成不合需要的长切屑)诸如软碳、合金和不锈钢以及球墨或可锻铸铁的自动(即无人)高速加工，需要一些形式的切屑控制以提供所需的短切屑。
以往，在必要时，将单独的非一体式断屑器夹紧到陶瓷刀片的平坦顶部前刀面，以提供一定程度的切屑控制。现有技术中另一种尝试解决方案是在陶瓷刀片的顶部前刀面中提供一体式上升断屑器结构(即架型断屑器)。
在一种现有技术的陶瓷切削刀片中，在邻近切削刃的前刀面上提供斜面(T形(T-land)或K形(K-land))。在具有从斜面上升并处在斜面上方的模制凹形壁的前刀面上提供岛状部。斜面和后刀面均处于磨削状态。这种设计的优点是其保持了具有平坦前刀面的陶瓷刀片的强切削刃(即斜面和后刀面在切削刃处形成的夹角为大于90度)，同时在一些有限的条件下提供切屑控制。遗憾的是，这种设计和单独的顶部夹紧设计可能在切屑形成时拥堵或阻碍切屑的流动，并且由此被认为其增加了切削所需的功率，同时还增加了切屑在切削刃处或其附近施加的应力，导致切削刃寿命缩短。
发明内容
本领域长期以来需要具有切屑控制结构，优选地具有正前角设计的陶瓷切削刀片，并且可轻松制造，成本低廉，同时在高金属切削速度下在一定的进料和切削深度范围内提供切屑控制和可接受的金属切削寿命。因此鉴于以上所述研发了本发明。
在本发明的一个方面，切削刀片包括由陶瓷材料制成的主体。该主体具有第一表面、第二表面和至少一个在第一表面和第二表面之间延伸的后刀面。第一表面包括沿径向向外的方向延伸至切削刃并且沿径向向内的方向延伸至内边缘的切屑形成特征。切屑形成特征包括从切削刃径向向内朝向圆形底部表面向下倾斜的前壁，以及从圆形底部表面径向向内朝向内边缘向上倾斜的后壁。
在本发明的另一方面，切削刀片包括由陶瓷材料制成的主体。该主体具有第一表面、第二表面和至少一个在第一表面和第二表面之间延伸的后刀面。第一表面包括沿径向向外的方向延伸至切削刃并且沿径向向内的方向延伸至内边缘的切屑形成特征。切屑形成特征包括刃带面(land surface)和后壁，所述刃带面在所述切削刃和前壁之间延伸，所述前壁从该刃带面径向向内朝向圆形底部表面向下倾斜，所述后壁从所述圆形底部表面径向向内朝向所述内边缘向上倾斜。
在本发明的又一方面，一种制造陶瓷切削刀片的方法包括：
将由陶瓷材料制成的坯料压制成所需的形状，该坯料包括在第一表面和第二表面的其中一者上的切屑形成特征；
烧结该坯料以制备切削刀片的主体；
将切削刀片磨削至在约0.005英寸(0.127mm)的尺寸公差内；并且对该切削刀片执行精加工操作。
附图说明
虽然示出了本发明的各种实施例，但是示出的具体实施例不应被解释为限制权利要求。预期可以在不脱离本发明范围的情况下进行各种变化和修改。
图1是根据本发明的一个方面的具有切屑形成特征的圆形陶瓷切削刀片的透视图，示出中心纵向轴线32；
图2是图1所示的圆形陶瓷切削刀片的顶视图；
图3是沿着图2的线3-3截取的圆形陶瓷切削刀片的剖视图；
图4是图3的剖视图中的4的放大视图，示出陶瓷切削刀片的切屑形成特征，该陶瓷切削刀片具有任选的刃带面，所述刃带面相对于切削刀片的中心纵向轴线32以法向角(normal angle)形成；
图5是陶瓷切削刀片的切屑形成特征的另一放大剖视图，该陶瓷切削刀片具有任选的刃带面，该刃带面相对于切削刀片的中心纵向轴线32以法向角形成；
图6是具有任选的刃带面的切屑形成特征的另一放大剖视图，该刃带面相对于垂直于切削刀片的中心纵向轴线32的平面以负角形成；
图7是根据本发明的具有切屑形成特征的正方形或多边形陶瓷切削刀片的透视图；
图8是图7所示的正方形陶瓷切削刀片的顶视图；
图9是一种制造具有切屑形成特征的陶瓷切削刀片的方法的示意图。
具体实施方式
图1-6示出了根据本发明的一个方面的可转位陶瓷切削刀片10。切削刀片10包括主体11，该主体由陶瓷材料制成，并且具有第一或顶部表面12、第二或底部表面14以及在第一或顶部表面12和第二或底部表面14之间延伸的大致圆形的后刀面16。因此，应当理解，切削刀片10为大致圆形的切削刀片以便定位在工具主体中，以用于对工件(未示出)进行切削操作，如本文中将更详细地描述。还应当理解，第一或顶部表面12和第二或底部表面14彼此相同。因此，为了简明起见，下文将仅讨论切削刀片的第一或顶部表面12。
优选地，陶瓷切削刀片10选自基于氧化铝的陶瓷、基于氮化硅的陶瓷和基于赛隆(SiALON)的陶瓷。优选地，陶瓷复合材料中分散有选自陶瓷晶须(例如碳化钛和/或碳化硅)、陶瓷颗粒(例如氧化锆、二氧化铪、碳化硅和/或碳化钛)以及它们的混合物的增强剂。此外，陶瓷复合材料还优选地具有分散于其中的烧结助剂的残余物。优选地，该烧结助剂选自氧化锆、氧化铝、氮化铝、氧化钇、氧化镱、氧化镧、氧化镁以及它们彼此的混合物或它们与其他要素的混合物。优选的陶瓷复合材料包括约90-100％的氮化硅或赛隆相、以0至15重量％的量添加的稀土氧化物添加物，该稀土氧化物添加物全部分布在氮化硅或赛隆基体中。更优选地，此复合材料具有4至12重量％的氮化铝、5-12％的氧化镱2-10重量％。可用于本发明的陶瓷材料是横向断裂强度为至少80ksi并且断裂韧度为至少5MPam1/4的陶瓷材料。优选地，横向断裂强度为至少100ksi，更优选地至少130ksi，最优选地至少140ksi。如果您需要详细信息，请参阅由Yeckley发明的K-01688或US6693054，2004年。这只是赛隆的一个例子，但与本发明非常相关。
如图1-4所示，切削刀片10的第一或顶部表面12包括大致在18处示出的切屑形成特征，该切屑形成特征沿大致径向向外的方向延伸至切削刃20，并沿大致径向向内的方向延伸至内边缘22。
现参见图4和5，本发明的一方面是切屑形成特征18包括邻近切削刃20的任选的刃带面24，该刃带面的宽度26在约0.0至约0.2英寸(0.508mm)之间。参见图6，刃带面24可相对于平面30以在约0.0度至约-25.0度之间的角度28形成，该平面基本上垂直于切削刀片10的中心纵向轴线32。
现参见图4和5，切屑形成特征18还包括前壁34，该前壁从任选的刃带面24(或在省去刃带面24的情况下从切削刃20)径向向内朝向圆形底部表面36向下倾斜。前壁34相对于平面30以在约十(10)度和约二十五(25)度之间的前角38向下倾斜，该平面基本上垂直于切削刀片10的中心纵向轴线32。圆形底部表面36以在约0.02英寸(0.508mm)至约0.08英寸(2.032mm)之间的半径R形成。圆形底部表面36的深度40(相对于切削刀片10的切削刃20)为在约0.006英寸(0.1524mm)至约0.025英寸(0.635mm)之间。
切屑形成特征18还包括从圆形底部表面36径向向内朝向内边缘22向上倾斜的后壁42。应注意，内边缘22在后壁42与中央基本上平坦的顶台(plateau)44的交汇处。后壁42相对于平面30以在约三十(30)度和约五十(50)度之间的角度46向上倾斜，该平面基本上垂直于切削刀片10的中心纵向轴线32。当将切削刀片10安装在切削工具(未示出)中时，中央顶台44充当切削刀片10的座置面(seating surface)。
在图1-6中示出并描述了具有切屑形成特征18的圆形陶瓷切削刀片10。然而，应当理解，本发明不受切削刀片10的形状的限制，并且本发明的切屑形成特征18的原理可应用于具有任何所需形状的切削刀片。例如，本发明的切屑形成特征18的原理可应用于具有顶部表面12、底部表面14和多个后刀面16的正方形切削刀片10，如图7和8所示。考虑了其他形状诸如三角形、三边形(trigon)、矩形和任何多边形形状的切削刀片，均包含在本发明的范围内。
现参见图9，现将描述一种制造图1-8所示的切削刀片10的方法。应注意，在图9中示出了圆形陶瓷切削刀片10，但应当理解本发明的方法可应用于图7和8所示的正方形陶瓷切削刀片10和任何多边形形状的切削刀片。在步骤S8.1中，将由陶瓷材料制成的坯料48压制成在顶部表面12、底部表面14或者两者上具有切屑形成特征18的所需的形状(即圆形、正方形、多边形等)。通常将坯料48在介于约2ksi和约20ksi之间的压力下压制。
接着，在步骤S8.2中在约1500℃和约2000℃之间的温度下烧结坯料48，以制备切削刀片10的主体11。然后，在步骤S8.3中将切削刀片10磨削至在约0.005英寸(0.127mm)的尺寸公差内。
然后，可对切削刀片10执行若干任选的精加工步骤。例如，可在步骤S8.4中在切屑形成特征18和切削刃20之间形成刃带面24。可通过使用例如本领域中已知类型的计算机数控(CNC)程序形成刃带面24。在另一精加工步骤中，可在步骤S8.5中刷拭(brush)并珩磨(hone)切削刀片10。在又一精加工步骤中，可在步骤S8.6中涂覆切削刀片10。通常，可使用耐磨材料诸如赛隆上的氮化硅涂覆切削刀片10。在又一精加工步骤中，可在步骤S8.7中湿喷射珩磨(wet blast hone)切削刀片10至所需的光洁度。
通过将圆形陶瓷刀片10安装到切削直径为50.8mm的面铣刀中进行试验。工件是长度为10英寸的IN718。切削参数为：切削速度为747m/min，进料速率为0.051mm/齿，切削深度为1.5mm，径向切削深度为30mm。测试结果表明具有本文所述的切屑形成特征18的陶瓷切削刀片10提供了具有非常好的碎屑移除的优异性能。相比于标准平坦顶部陶瓷刀片，采用本发明的切屑特征主轴负载减小。
鉴于以上所述，现已发现具有本发明的切屑形成特征的单面和双面陶瓷切削刀片均可用于软钢、球墨铸铁和高温合金的高速加工。此外，申请人还惊奇地发现，虽然这些构造可在磨削状态下被制造和使用，但是其作为模制的后刀面和作为模制的切屑形成特征(例如刃带和/或凹槽)也可优选地被成功地制造和利用，由此显著降低这种设计的制造成本。另外，申请人惊奇地发现，本发明的切削刀片降低了工具压力，减小了切削力和机器上的主轴负载，减少了机器需求，提供了更安静的操作，同时使切削刀片能够承受更高的切屑负载和更深的切削深度。
本文指出的专利和其他文献据此以引用方式并入本文。根据对本说明书的考虑或实施本文所公开的发明，本发明的其他实施例对于本领域的技术人员将是显而易见的。本说明书和实例仅是示例性的，无意限制本发明的范围。本发明的真实范围和精神由以下的权利要求书指出。

Claims (19)

1.一种切削刀片，包括由陶瓷材料制成的主体，所述主体具有第一表面、第二表面和至少一个在所述第一表面和所述第二表面之间延伸的后刀面，所述第一表面包括沿径向向外的方向延伸至切削刃并且沿径向向内的方向延伸至内边缘的切屑形成特征，所述切屑形成特征包括从所述切削刃径向向内朝向圆形底部表面的向下倾斜的前壁，以及从所述圆形底部表面径向向内朝向所述内边缘的向上倾斜的后壁。
2.根据权利要求1所述的切削刀片，其中所述前壁相对于一平面以在约十度和约二十五度之间的前角向下倾斜，所述平面基本上垂直于所述切削刀片的中心纵向轴线。
3.根据权利要求1所述的切削刀片，其中所述圆形底部表面以在约0.02英寸(0.508mm)至约0.08英寸(2.032mm)之间的半径R以及相对于所述切削刀片的所述切削刃在约0.006英寸(0.1524mm)至约0.025英寸(0.635mm)之间的深度形成。
4.根据权利要求1所述的切削刀片，其中所述后壁相对于一平面以在约三十度和约五十度之间的角度向上倾斜，所述平面基本上垂直于所述切削刀片的中心纵向轴线。
5.根据权利要求1所述的切削刀片，其中所述内边缘在所述后壁与中央顶台之间的交汇处形成，所述中央顶台充当所述切削刀片的座置面。
6.根据权利要求1所述的切削刀片，其中所述主体为圆形。
7.根据权利要求1所述的切削刀片，其中所述主体为多边形。
8.一种切削刀片，包括由陶瓷材料制成的主体，所述主体具有第一表面、第二表面和至少一个在所述第一表面和所述第二表面之间延伸的后刀面，所述第一表面包括沿径向向外的方向延伸至切削刃并且沿径向向内的方向延伸至内边缘的切屑形成特征，所述切屑形成特征包括刃带面和后壁，所述刃带面在所述切削刃和前壁之间延伸，所述前壁从该刃带面径向向内朝向圆形底部表面向下倾斜，所述后壁从所述圆形底部表面径向向内朝向所述内边缘向上倾斜。
9.根据权利要求8所述的切削刀片，其中所述刃带面的宽度为在0.0至约0.2英寸(0.508mm)之间，并且所述刃带面相对于垂直于所述切削刀片的中心纵向轴线的平面以在0.0度至-25.0度之间的角度形成。
10.根据权利要求8所述的切削刀片，其中所述前壁相对于一平面以在约十度和约二十五度之间的前角向下倾斜，所述平面基本上垂直于所述切削刀片的中心纵向轴线。
11.根据权利要求8所述的切削刀片，其中所述圆形底部表面以在约0.02英寸(0.508mm)至约0.08英寸(2.032mm)之间的半径R以及相对于所述切削刀片的所述切削刃在约0.006英寸(0.1524mm)至约0.025英寸(0.635mm)之间的深度形成。
12.根据权利要求8所述的切削刀片，其中所述后壁相对于一平面以在约三十度和约五十度之间的角度向上倾斜，所述平面基本上垂直于所述切削刀片的中心纵向轴线。
13.根据权利要求8所述的切削刀片，其中所述内边缘在所述后壁与中央顶台之间的交汇处形成，所述中央顶台充当所述切削刀片的座置面。
14.根据权利要求8所述的切削刀片，其中所述主体为圆形。
15.根据权利要求8所述的切削刀片，其中所述主体为多边形。
16.一种制造陶瓷切削刀片的方法，包括：
将由陶瓷材料制成的坯料压制成所需的形状，所述坯料包括在第一表面和第二表面的其中一者上的切屑形成特征；
烧结所述坯料以制备切削刀片的主体；
将所述切削刀片磨削至在约0.005英寸(0.127mm)的尺寸公差内；并且
对所述切削刀片执行精加工操作。
17.根据权利要求16所述的方法，其中对所述切削刀片执行精加工操作的步骤包括下列之一：在所述切屑形成特征和切削刃之间形成刃带面；刷拭并珩磨所述切削刀片；用耐磨材料涂覆所述切削刀片；以及湿喷射珩磨所述切削刀片。
18.根据权利要求16所述的方法，其中将所述坯料在介于约2ksi和约20ksi之间的压力下压制。
19.根据权利要求16所述的方法，其中在约1500℃和约2000℃之间的温度下烧结所述坯料。
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