CN1071168C - 切割模具的成形方法 - Google Patents

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Abstract

一种切割模具(13，14)，通过激光(10)束沿一个与刀刃(14)图样一致的线路扫描形成，并且加入选择好的粉末(16A)以便在相对柔软的模具本体(13)上形成高等级并且耐磨的材料制成的整体刀刃(14)。最终刀刃(14)的形状通过EMD或铣削加工制成。进一步的热处理硬化可以选择。也可以使用其它热源和金属包覆材料。

Description

切割模具的成形方法
发明背景
本发明涉及一种切割模具，特别是，涉及一种用于切割各种原材料的模具的加工。
已知切割模具用于将原材料的一部分从另一部分上切割或割断下来。例如，切割模具被用于将纸板或塑料或金属的片材切割制成预定的半成品。在已知的一种切割操作的形式中，两个旋转圆柱并列，各自具有其小的一体化切割刀刃从圆柱形表面径向延伸，以便当旋转时，刀片通常与工件原材料的相对侧面啮合，并且共同作用，将原材料分割成毛坯，毛坯的形状由刀刃的形状决定。在美国专利4,608,895描述了一种这种操作，在此作为参考。
制造每一个圆柱形模具的工艺方法需要一定的工艺处理，以确保刀刃在长时间操作中能够提供所需要的切割功能。特别是，刀刃应当非常硬，以便在需要修理之前刀刃有足够长的寿命。
因此，在制各模具的一种方法中，具有合适大小的整体模具圆柱进行热处理，以便使圆柱形表面达到所需要的硬度，例如，洛氏硬度值在HRC60左右的数量级。由于刀刃由圆柱整体制成，下一个工序是去掉圆柱材料以形成并且限定整体刀刃，刀刃从圆柱的表面径向向外延伸。同时可以向下铣削表面形成刀刃，圆柱的硬度使得铣削为一个不好的选择。
因此，使用放电加工(EMD)制造模具是众所周知的。在这种方法中，石墨圆柱在要制造的模具圆柱和刀刃结构中形成负极。石墨圆柱和模具圆柱在放电环境下并列安置，因此模具圆柱金属被消耗，剩下硬化的切割刀刃从降低的圆柱表面向上延伸。这是一种缓慢的工艺，当其圆柱大时，例如直径为十二英寸或更大达几英尺长，该工艺能够用几天的时间。
制造商曾试图首先制造模具，然后将其硬化。这种逆向工艺不好用。为了达到所需要的刀刃硬度，圆柱及其伸展的刀刃必须被加热到奥氏体化温度，对于D2钢大约1038℃到1093℃(1900°F到2000°F)。当这种预制的圆柱从炉子中取出冷却时，在模具刀刃区域或其周围可能变形或开裂。这种变形被认为是由几种原因引起的，包括由于相对体积较小的刀刃与相对体积较大的圆柱之间以及模具的表面和内部之间的冷却速度不同引起的热变形、相变。
特别是，当圆柱冷却时，其表面比内部冷却快。由于热和相变引起的体积变化不均匀，使得模具开裂或变形超过允许的极限。还有，为了达到所需要的硬度，金属必须被加热到所需要的温度以产生要求的相变。刀刃的这种相变是生产所需要的硬度所必需的，为了产生相变，所需要的从大约1038℃(1900°F)的奥氏体化温度快速冷却，是在圆柱上的刀刃上出现不希望的开裂和变形的一个原因，这是由于在模具表面和内部的相变速度不同。由于在不同体积的刀刃形状和圆柱上热量的分布，金属中这些相变以不同的速度进行。这会产生体积和密度的变化，这样会引起开裂或变形，特别是在刀刃和圆柱表面上。
因此，模具制造商面临的困难是为了模具的寿命所需要的硬刀刃与为了制造模具刀刃所需要的软表面材料之间的矛盾。当模具首先硬化时，制造刀刃需要使用慢的、昂贵的资金量多的EDM工艺。如果首先铣削刀刃，然后加热并冷却圆柱以使刀刃硬化，则可能引起变形和开裂。
因此，本发明的一个目的是提供一种改进的制造切割模具的方法。
为了能够确实克服前面的困难，申请人已经在同一天提出了相关的申请，题目为“切割模具及其制造方法”，给出了制造切割模具的工艺方法，即首先在模具表面，例如圆柱上制造刀刃，然后通过用激光扫描刀刃使刀刃硬化；激光器安装为可作五轴运动并且通过计算机数控(CNC)技术进行控制。这样，就提供了一种用例如4150低碳钢、低合金钢材料有效制造切割模具的工艺方法。刀刃在硬化之前首先要铣削，并且随后通过激光硬化，因此，没有过度或显著的变形或开裂。这种工艺方法对例如上述提到的4150低碳钢、低合金钢材料特别有效。
该工艺方法的一个困难是，预先硬化交叉刀刃的退火部分以及在该刀刃上产生软化点，将在刀刃修理过程之间降低模具的寿命或功能。
还有，该工艺方法对材料有一定的依赖，因为，使用例如高碳、高合金钢例，比如已知的D-2钢，或者较高等级的钢都是比较困难。如果这种较高等级的钢在切割模具制造中可用的话，就能够提供较长的使用寿命。然而，如果用D-2钢制造模具，试图首先铣削随后硬化，则硬化工艺难以控制。如果控制激光的强度和运动速度以便形成所需要深度的壳，钢制刀刃的表面可能会有熔化的可能。另一方面，较快的运动速度或降低激光强度，使温度升得可能不够高，不足以使D-2钢刀刃硬化足够的深度。同时应该成功地控制加热参数以便产生所需要的硬化，这些狭窄的标准致使工艺更难以控制。
最后，另一个困难是：当使用高等级钢激光硬化工艺时，材料成本高。一般切割模具用圆柱制造成一个整体，其直径为十英寸或十英寸以上并且有几英尺长。这种圆柱有几百或几千磅重。因此，使用高等级钢例如D-2钢，其成本为中碳钢或低碳钢例如1045或4150钢的三到四倍，显著地提高了成品模具的成本。此外，使用更高等级的钢，能够提供更长的寿命，例如已知的CMP10V或CMP15V，其成本为D-2钢的八倍。使用这种更高等级的钢更显著地增加了材料成本。此外，直接加工这种材料极端困难。
由于切割模具的刀刃进行切割工作，相应地最后能够根据刀刃所需要的参数选择模具材料，而不是根据相应的整体模具圆柱的热处理或机加工的需要，也不是根据刀刃支座和圆柱所需要的强度的因素。此外，在整体模具的情况下，例如描述的圆柱模具，选择较高等级钢，例如D-2钢，为了满足刀刃参数需要整个圆柱都具有高等级，因此，模具成本更高。
因此，本发明的另一个目的是，提供一种改进的用于制造切割模具的工艺方法，使该切割模具具有硬的、长寿命的、由高等级钢制成的刀刃，而成本与用低等级钢一体形成的切割模具基本一样。
本发明的另一个目的是，提供一种用于制造切割模具的工艺方法，该工艺方法允许按照所需要的刀刃参数和寿命选择其材料，而不过度增加模具的成本。
在LANE94科学报告集第Ⅱ卷，第803-814页，由Murphy等人发表的题为“通过激光表面金属包覆快速制造金属元件”的文章中，描述了一种激光金属包覆工艺，其包括：通过激光加热基底，并且向产生的熔池内加入粉末化的包覆金属。
美国专利3952179描述了一种旋转切割模具，其通过在毛坯的四周表面加上熔敷的焊珠并且随后加工形成切割刃而成形。
按照本发明成形切割模具的一种方法包括，在模具表面上包覆刀刃材料，以形成从表面向外伸出的刀刃，并且使金属包覆的刀刃成形，其特征在于，该方法还包括进一步超低温处理刀刃的附加步骤。
按照本发明的一个实施例，用于成形切割模具的方法包括，通过一个所需要的刀刃模样用激光扫描模具表面，在被激光束扫描的区域加入选择好的粉末，沿着扫描模样形成整体刀刃，随后通过铣削、研磨、放电加工(EMD)或其他合适工艺形成刀刃的最终形状。可选择的是，如果需要，制成的刀刃可以进行热处理和/或低温处理。刀刃最好在激光一次通过时成形，其中形成两毫米高的刀刃。此外，需要较高的刀刃时可以进行额外的扫描加工。还有，在单扫描加工制造较高刀刃时可以使用高能激光，但对于两毫米高的刀刃，高能激光所需要的成本可能过高。
上面提到的这种包覆金属工艺在制造切割模具时有许多优点。首先，可以根据模具刀刃和模具圆柱的不同参数选择各自的材料，一方面根据刀刃的硬度和寿命，另一方面根据模具圆柱的韧性，因此，不必象整个模具本体必须为所选择的刀刃材料时那样，从而，不会使成本增加过多。
其次，该工艺在模具本体材料上形成一个刀刃粉末材料的冶金结合。这种冶金结合比通常的表面涂层技术形成的机械结合牢固得多，并且基本上形成了一个与低等级的、低成本的材料制成的模具本体成为一个整体的高等级材料的模具刀刃。
第三，一旦刀刃形成以后，其可以通过任何合适的技术最终成形，例如通过EMD或通过研磨或通过铣削。EMD成形最好。然而，与以前的整个刀刃通过EMD工艺在圆柱上除去材料而形成的工艺相比较，最终成形工艺相对较快并且成本低。形成的刀刃只有很小部分需要除去以形成最终的、最好倾斜的刀刃，其每侧倾斜大约25度到30度，并且为了形成刀刃没有必要除去圆柱材料。
因此，这种金属包覆工艺在模具圆柱或本体上形成一个清楚的刀刃形状，用做切割刀刃。粉末材料可以是D-2钢或高等级钢，例如CMP10V或CMP15V，用于制造很硬的长寿命的刀刃。然而，模具圆柱或本体不需要使用这种高等级材料，例如，其能够用4150或者甚至1045钢制造，就足以形成强的模具本体。材料成本大大降低，同时，刀刃性能和寿命大大增加。刀刃材料根据刀刃的性能标准选择，而模具本体材料根据模具参数选择，这样，当希望提高刀刃寿命时，仍然能够以比以前较低的材料成本形成整体切割刀刃。
通过下面对本发明优选的和另一个替换实施例的描述，并通过附图，这些和其他的目的和优点将变得更容易明白，其中：
图1为按照本发明的工艺方法的示意图；
图2为按照本发明的工艺方法在模具圆柱上制造刀刃的示意图；
图3为按照本发明的工艺方法制造的刀刃在成形前的部分剖面图；
图4为与图3相似的视图，但是示出了在最终成形时被除去的刀刃部分；
图5为与图4相似的示意图，但是在此将该工艺与以前的用模具圆柱材料制造刀刃的技术进行了比较；以及
图6为与图4相似的视图，但是示出了可选择的热处理或硬化步骤。
现在参考附图，在图1中示意性地示出了实施本发明的装置和工艺方法。由计算机数控装置(CNC)12控制的CO2激光头10和激光发生器11可操作地连接。例如，这种CO2激光头10和激光发生器11可以为位于康涅狄格Farmington的TRUMPF公司加工的激光元件，其型号为no.TLF2600turbo。激光束的线路和密度能够通过CNC12控制。这种CNC是由位于马萨诸塞州波士顿市的波士顿数字公司(Boston DigitalCorp.of Boston,Massachusetts)生产的，型号为no.BD85-2。该模具安装在有三个轴，最好四个轴的机床15上。这种机床是由Boston DigitalCorp．生产的，型号为no.BD85-2。粉末送进器16可以为侧面送进器或同轴送进器，同轴送进器较好。这种侧面送进器是由俄亥俄州的SulzerMetco(Wostbury公司)生产的，型号为METCO Type 9MP。刀刃14制造在模具圆柱13上。模具圆柱被机床15旋转，机床也被CNC装置12控制，以便与激光头10和激光发生器11协调。正如将要描述的那样，粉末送进器16与激光头10关联，以便向被包覆的区域有选择地引入粉末。
应当明白，激光束相对于模具表面的运动由CNC12控制。激光头10或模具圆柱13沿着与所需要的模具刀刃的形状一致的线路移动。
现在参考图2，在此示出了本发明工艺的一部分。激光束10沿着模具表面13A扫描，以便沿着与所需要的模具刀刃形状一致的线路在表面13A上熔化或“熔融”一个区域17。在这种熔化或熔融的情况下，粉末16A被送进到被激光包覆的区域，以便如图3所示，沿表面13A的一次通过，形成一个半椭圆形截面的模具刀刃。应该选择模具本体13的材料使其与所需要的模具本体的强度参数一致。例如，可以使用通常的中碳普通钢或中碳低合金钢，比如1045或4150钢。
相反，被以粉末形式加入的、用于形成刀刃的材料，可以按照所需要的模具刀刃的参数，选择另一种材料。这种材料可以为很高等级的钢，例如CMP10V或CMP15V；或金属-陶瓷混合物，例如，镍基超级合金加上30-40％(体积百分比)碳化钨。
例如(没有示出)，目前，粉末的沉积放通过一个粉末喷嘴，形成一个如图3所示的半椭圆形截面的模具刀刃。最好使最终的模具刀刃的侧面轮廓有点斜，例如倾斜大约25度到大约35度。在美国专利4,608,895中披露了这种模具刀刃形状，其使得模具刀刃适宜于与另一个模具协调，用于切割插入它们之间的工件。
图4示出了模具刀刃14的最终形状。应当明白，在图4中区域21、22和23已经从模具刀刃上去掉，因此，在截面上模具刀刃14具有倾斜的或截头形形状。
应当明白，如图3所示，为了形成最终模具刀刃14，只需要从模具刀刃的半椭圆形上去掉相对较小的区域21、22和23。模具刀刃材料通过包覆工艺形成，由于包覆工艺使模具刀刃与模具本体13形成整体，并且在模具刀刃和模具本体之间形成了冶金结合。一旦刀刃14最终成形，如图4所示，其能够迅速地用做切割模具。
还希望进一步使刀刃硬化，这可以通过任何合适的技术实现，例如，通过将模具刀刃材料的温度升高到足以进一步强化该材料的温度和/或通过超低温处理包覆金属轨迹以消除包覆金属材料中的残余奥氏体。例如，模具刀刃能够通过激光束沿着模具刀刃扫描进行处理，在此移动速度和强度参数适合于产生最佳的显微结构和硬度。然而，应当明白，正如上面提到的，由于在制造刀刃时使用了很高质量的钢，用于强化模具刀刃的可选择的热处理步骤不再需要。另外，局部硬化可以通过感应加热实现。
模具刀刃的最终形状和大小是非常重要的。模具刀刃应当足够高以便对所需要的工件提供所需要的切割。在许多应用中发现，模具刀刃大约1.5到2.0毫米高足以满足大多数和各种应用中的需要。其中模具刀刃应该倾斜，还发现，在刀刃成形以后，模具刀刃的上表面14A可以为大约0.035英寸宽，如图4所示。例如，这种刀刃能够适宜于旋转压力切割。另一方面，如果希望制造冲压切割模具刀刃，模具刀刃上表面14的宽度可以为，例如，0.001-0.002英寸。
应当明白，图4中描述的模具刀刃的最终成形可以通过任何合适的工艺进行。最好使用放电加工(EMD)工艺除去模具刀刃两侧的少量必须除去的材料。当然，模具刀刃能够通过研磨或铣削形成所需要的形状。
现在参考图5，在此，示出了在模具本体13的模具表面13A上按照本发明成形的模具刀刃14。虚线25用于将本发明的工艺与以前的工艺比较，以前的工艺模具刀刃从模具本体上一体成形。例如，在以前的工艺中，模具本体具有外部周边25。为了制造模具刀刃14，需要从周边25向下到表面13A加工掉或去掉或除去所有的材料，而在图5中被刀刃14示出的剩余刀刃材料除外。
应当明白，按照本发明，原始材料为具有表面13A的模具本体13，模具刀刃14作为一个零件在模具表面13A上形成。因此，不需要从一个具有例如周边25的圆柱开始，研磨或去掉表面13A和虚线25之间所示出的材料。而是，只需要按照如图4所示成形，在此，模具刀刃的侧面的最终成形只需要通过去掉21、22和23表示的材料实现。还应当明白，与以前的工艺相比，按照模具刀刃本身所要求的参数，模具刀刃可以用任何合适的材料制成，而模具本体不需要同样的材料。
因此，很高等级的材料能够用于制造模具刀刃，而不需要购买用同样高等级高成本钢制成的整个模具圆柱。
现在参考本发明的工艺，应当明白，在金属包覆或形成模具刀刃材料时，要使用大约两千瓦或两千瓦以上的激光。使用这种激光单次通过可以形成大约两毫米或稍高的模具刀刃。也可以用多次激光通过形成模具刀刃，当然，各层的交会部分在最终的模具刀刃上不会出现使用或磨损问题。
还应当明白，在单次激光扫描形成非常高的或非常深的模具刀刃，或者刀刃材料的熔化温度较高时，可以使用较高功率的激光；然而，所需要的非常高性能的激光其成本非常高。加工具有极高硬度材料刀刃的切割模具的能力，并且从而提高切割模具的使用寿命，使得生产具有同样高度的较软刀刃的模具刀刃没有必要，因为这种模具刀刃需要大量的修理时间。目前，具有其他不必要高度的刀刃使用相对低等级钢制造的切割模具，即使它们需要硬化。
应当明白，在本发明中，CO2激光能够局部熔化模具表面和粉末。然而，产生激光的介质并不限于CO2气体。只要能够产生足够的能量，任何使用不同介质的其他类型的激光也能够使用。
最后，应当明白，在本发明中，刀刃能够通过使用热源(激光束)包覆金属并且供应包覆金属材料(粉末)制造。然而，用于熔化包覆金属材料和模具表面的热源并不仅限于激光。任何其他能够在选定的区域快速升温的热源都能够用于本发明，例如，热喷枪、离子束、电子束和等离子体转移弧等。另一方面，包覆金属材料并不限于粉末。例如，只要不偏离本发明的范围，可以使用焊丝、气体材料、液体材料。

Claims (8)

1．一种成形切割模具的方法，包括：在模具表面(13A)上包覆刀刃材料(16A)以形成从表面(13A)向外伸出的刀刃(14)，并且使金属包覆刀刃(14)成形，其特征在于，该方法还包括进一步超低温处理刀刃(14)的步骤。
2．如权利要求1的方法，其中，金属包覆步骤包括：加热模具表面(13A)的一个区域，并且向被加热的区域(17)加入刀刃材料(16A)并从表面(13A)向外形成所述材料(16A)的刀刃(14)。
3．如权利要求2的方法，包括用激光加热区域(17)。
4．如权利要求2或3的方法，包括向加热的区域(17)内加入金属包覆粉末(16A)以形成刀刃(14)。
5．如前面任一权利要求的方法，其中，成形步骤包括通过放电加工使刀刃(14)成形。
6．如前面任一权利要求的方法，其中，所述成形步骤包括：通过铣削使刀刃(14)成形。
7．如前面任一权利要求的方法，其中，所述成形步骤包括：通过研磨使刀刃(14)成形。
8．如前面任一权利要求的方法，包括热处理刀刃(14)的附加步骤。
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