CN108262510A - 刀具及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种刀具，包括柄部和切削部，切削部包括基体部和刃部，刃部固定于基体部。刃部至少包括2个折弯部或1个弧形曲部，刃部的一个正投影面包括第一边沿和第二边沿，第一边沿与第二边沿之间各处距离为0.1mm～5.0mm。本发明提供的刀具，能避免沿着刃口线所成的各个截面的截面积发生急剧变化，进而减少硬质材料刀片因焊接而受到的形变应力在硬质材料截面积急剧变化处集中释放而对材料造成的破损和裂纹等损伤情形的发生，还能实现硬质材料节省30％以上，同等面积硬质材料能制造更多的切削部，提高了硬质材料的利用率。

Description

刀具及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种切削工具，尤其涉及一种用于机加工的刀具，以及制造该种刀具的方法。
背景技术
刀具是机械制造中用于切削加工的工具，又称切削工具。由于绝大多数的刀具是机用的，基本上都用于切削金属材料，所以“刀具”一词一般就理解为金属切削刀具。但材料科学发展，各种材料也已经在产品的生产和加工中得以广泛应用，如：工程塑料和碳纤维复合材料等(CN203401118U)。刀具按工件加工表面的形式可分为：加工各种外表面的刀具、孔加工刀具、螺纹加工刀具、齿轮加工刀具和切断刀具等若干种。
为了增加刀具，尤其是刃部的耐用性，硬质材料如：硬质合金、金属陶瓷、金刚石和立方氮化硼(CBN)等制成刃部得到广泛的应用。目前，硬质材料通常是以“贴片”的样式通过烧结、焊接或铆接等方式固定于钢制的刀具基体上。比如：由于金刚石和CBN自身理化特性及制造工艺的限制尚无法获得棒料，业界主要是将材料加工成圆盘后，再切割成小片再烧焊到刀具基体上，组成烧焊刀具。
对于需要较长刃部才能满足加工要求的刀具而言，如：用于铣加工的铣刀，用于孔加工的铰刀和丝锥等，尤其是用于成型加工的刀具，如：成型铣刀、球头铣刀和快进铣刀，以及成型钻头、成型铰刀和成型丝锥等，就难以采用从圆盘上切割下很小的片做刃部的的方案。
因为成型刀具刃部都很长，一方面需要消耗大量的原材料，造成价格昂贵；另一方面，硬质材料刀具在焊接过程中，刀片和刀体需加热到近1,000℃，才能使焊料熔化成液体。紧接着在随后的冷却过程中，在铜焊料的凝固力作用下，把刀片与刀体凝固在一起就达到焊接刀具的目的。在焊接过程中，加热和冷却两个过程是相互关联的，因为任何材料的加热和冷却过程都会有热胀冷缩，且热胀冷缩的程度由各种材料的热膨胀系数决定。在相同温度下，硬质材料和刀体的热膨胀系数相差很大(以硬质合金和钢材基体举例，前者热膨胀系数约为后者的30％前后)，因此在焊接过程中，这两种材料的热胀冷缩程度是相当悬殊的。当硬质材料刀片和刀具基体处在近1,000℃高温时，虽然焊料已经熔化成液体，但此时的刀片和刀体还没有焊接在一起，仍处在自由膨胀状态，刀片也不会产生裂纹。
在随后的冷却过程中，温度下降使焊料逐渐凝固，直到把刀片和刀体凝固成一体，这时刀片和刀体之间的自由收缩受到限制，因而在膨胀系数大的刀体中产生了拉应力，在膨胀系数小的刀片中产生了压应力，硬质材料在巨大应力的作用下很容易在应力集中点开裂，即使未发生立即开裂现象，也会在截面积发生突然增大或减少的应力集中点形成严重的应力集中，导致接下去的加工和使用中容易在应力集中点产生崩裂。
为了克服上述缺陷，现有技术一般的做法有：尽可能加厚或加宽刀片以增加材料本身抵抗应力的能力(参见图1、图2和图3)；或在基体和硬质材料间填充具有适当硬度和膨胀系数的垫片作为应力过渡层；或选择和刀片的热膨胀系数差别小的基体材料以减少应力造成的形变等；或如CN1439482A所公开的，采用强制冷却和碾压矫形的方式来减少应力释放。
另一方面，刀具行业大量使用呈圆盘状的人造聚晶金刚石复合片和人造立方氮化硼复合片等超硬材料，将其加工成刀具的刃部。传统工艺是将原盘切割成所需要的形状并烧焊到刀具基体上；并且复合片只能贴附于平面上，不能应用于具有空间几何形状刃部的刀具上(如：螺旋刃刀具)。对此，行业内采用刃倾角设计，但前角角度只能＜10度(而螺旋刀具前角一般在30以上)，且导致刀具刚性不良；或者采用多段刃以模仿螺旋角，但制造工艺极其复杂，成本也高。
其次，硬质材料(如：金属陶瓷、金刚石和立方氮化硼)虽然耐磨，但韧性往往不佳，如果做成细长的圆柱回转类刀具，容易因抗弯折力不足而发生断裂，导致工具失效。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种刀具，利于硬质材料作为刃部和成型刃部应用于机加工刀具。
本发明的另一个目的在于提供一种刀具，减少硬质材料刀片及硬质材料成型刀片和刀具基体虚焊情形的发生。
本发明的再一个目的在于提供一种刀具，减少硬质材料刀片及硬质材料成型刀片固定于刀具基体过程中热损伤的发生。
本发明的又一个目的在于提供一种硬质材料刃部的刀具，该刀具的刃部为硬质材料构成的圆弧刃、曲线刃、角度刃、直线刃或其组合。
本发明的又一个目的在于提供一种刀具，以便于将韧性不足的硬质材料应用于具有复杂形状的回转类刀具的制造。
本发明的又一个目的在于提供一种刀具的制造方法，以便于刀具的制造。
对于机加工领域的刀具，如：孔加工刀具、铣刀和镗刀等，其外观通常以整体呈现圆柱形较为常见，还具有槽体和切削端部等特征。从加工效率角度，这些刀具一般具有2枚以上的切削刃，切削刃也较常见地设置于切削端部。
一种刀具，其包括柄部和切削部，切削部包括基体部和刃部，刃部固定于基体部。刃部的一个正投影面包括第一边沿和第二边沿，第一边沿与第二边沿之间各处距离为0.1mm～5.0mm，优先选择0.1mm～3mm，尤其是0.1mm～2mm。
本发明的刀具，刃部至少包括2个相连接的几何结构，刃部的截面形状为多边形、椭圆形或圆形。刃部各处的截面高度与该处(产生截面而对刃部进行切割之处)在正投影面所成的第一边沿与第二边沿之间的距离比值为1∶0.5～1∶2，优先选择1∶0.8～1∶1.8。
本发明的刀具，第一边沿至少包括2个相连接的几何形状，几何形状选自于直线和弧线。
本发明的刀具，刃部的一条刃口(edge)或刃带(magin)的正投影为第一边沿。
本发明的刀具，在基体部设置槽体，以安置刃部。
本发明的刀具，刃部至少包括2个折弯部或1个弧形曲部。
本发明的刀具，第一边沿与第二边沿各处的距离之差为0.001mm～0.5mm。
本发明的刀具，折弯部所在的第一边沿至第二边沿的距离大于第一边沿与第二边沿各处的距离的最小值。
本发明的刀具，弧形曲部的弧底所在的第一边沿至第二边沿的距离大于第一边沿与第二边沿各处的距离的最小值。
本发明的刀具，基体材料如：但不仅限于硬质合金、钨合金和合金钢等。
本发明的刀具，刃部如：硬质合金、金属陶瓷、金刚石和立方氮化硼(CBN)等。
本发明的各种刀具，尤其是回转类刀具。
一种刀具的制造方法，先根据要求将硬质材料加工成刃部，然后将刃部固定于基体部。
另一种刀具的制造方法，先用磨削、线切割、激光获得刃部坯体，该刃部坯体的形状可分布在二维平面空间内，或三维立体空间内；再将刃部坯体固定于(如：以高频焊接或真空焊接)，基体部上，形成刀具坯体；之后，对刀具坯体进行加工(如：磨削、线切割和激光等)形成刃口和刃带等。
本发明技术方案实现的有益效果：
本发明的刀具，能实现硬质材料节省30％以上，同等面积硬质材料能制造更多的切削部，提高了硬质材料的利用率。
本发明的刀具，将切削部正投影所成的第一边沿和第二边沿的距离设定在0.1mm～5.0mm，能避免沿着刃口线所成的各个截面的截面积发生急剧变化，进而减少硬质材料刀片因焊接而受到的形变应力在硬质材料截面积急剧变化处集中释放而对材料造成的破损和裂纹等损伤情形的发生。
本发明的刀具，将切削部正投影所成的第一边沿和第二边沿的距离设定在0.1mm～5.0mm，使得切削部整体能迅速达到焊接所需温度，不容易发生局部温度达不到焊接所需温度的现象。特别是在高频钎焊中，由于加热是通过电磁感应作用于处于电磁场内的一部分刀体并传导到硬质材料刀片的，因此刀片存在着到达焊接温度的时间差，而本发明的刀具硬质材料由于体积面积小，避免了烧焊时因硬质材料刀片面积大，不易均热而易于发生局部虚焊情况的发生。
本发明的刀具，将切削部正投影所成的第一边沿和第二边沿的距离设定在0.1mm～5.0mm，使得以相对小的厚度更有利于迅速达到焊接所需温度，缩短硬质材料保持焊点温度的时间，解决了现有技术通过厚度需要在焊接所需温度保持更长时间以保证均热，减少了硬质材料刀片因过长时间受热而导致的热损伤的发生。
附图说明
图1为现有增加材料本身抵抗应力的能力一实施例的示意图；
图2为现有增加材料本身抵抗应力的能力另一实施例的示意图；
图3为现有增加材料本身抵抗应力的能力另一实施例的示意图；
图4为本发明提供的切削部一实施例的示意图；
图5为本发明提供的刃部的正投影面一实施例的示意图；
图6为本发明提供的刃部的正投影面另一实施例的示意图；
图7为本发明提供的刃部的正投影面另一实施例的示意图；
图8为本发明提供的刃部和刀具基体装配的一实施例的示意图；
图9为图8刃部和刀具基体装配所得刀具的一实施例的示意图；
图10为本发明提供的刃部和刀具基体装配的另一实施例的示意图；
图11为图10切刃部和刀具基体装配所得刀具的一实施例的示意图。
具体实施方式
以下结合附图详细描述本发明的技术方案。本发明实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围中。
图4为本发明提供的切削部一实施例的示意图。如图4所示，刃部100固定于基体部200上。本实施例中，基体部200的材料如：硬质合金、钨合金和合金钢等。刃部100的材料如：硬质合金、金属陶瓷、金刚石和立方氮化硼(CBN)等。
图5为本发明提供的刃部正投影面一实施例的示意图。如图5所示，刃部100的一个正投影面包括第一边沿110和第二边沿120，第一边沿110与第二边沿120之间各处距离为0.1mm～5.0mm。本实施例中，刃部100的一条刃口的正投影为第一边沿110，第一边沿110与第二边沿120之间各处距离优先选择0.1mm～3mm，尤其是0.1mm～2mm。刃部各处的截面高度与该处(产生截面而对刃部进行切割之处)在正投影面所成的第一边沿与第二边沿之间的距离比值为0.5∶1～2∶1。
如图5所示，第一边沿110由若干直线段相连而成，连接处行程折弯。如图6所示，第一边沿110由若干直线段相连而成，连接处行程折弯。如图7所示，第一边沿110由若干直线段和1条曲线段相连而成，连接处行程折弯。
为了减少硬质材料刀片和刀具基体虚焊情形的发生，本实施例中，第一边沿110与第二边沿120各处的距离之差为0.01mm～0.5mm。类似的刃部正投影面还可参见图6和图7。如图6和图7所示，刃部至少包括2个折弯部或1个弧形曲部。折弯部所在的第一边沿至第二边沿的距离大于第一边沿与第二边沿各处的距离的最小值。弧形曲部的弧底所在的第一边沿至第二边沿的距离大于第一边沿与第二边沿各处的距离的最小值。
本实施例提供的刀具的制造方法，先用磨削、线切割和激光至少一种获得刃部100，所获得的刃部形态为二维平面状，或三维立体状。再将刃部固定于基体200上(如：以高频焊接或真空焊接)形成刀具坯体；之后，对刀具坯体进行加工(如：磨削、线切割和激光等)形成刃口和刃带等。参见图8、图9、图10和图11，均为具有螺旋刃的球头铣刀各种实施方式，基体200上还可预先开设固定刃部100的槽体210，其螺旋外周刃和球头刃都由硬质材料加工而得。
如图3所示的刀具刃部，在实际生产中，因为应力集中，容易在圆弧曲线刃的起点附近开裂，通过替换为图7所示的刀具刃部，可以使钎焊后的开裂率减少50％以上。以相同基体材质和相同刀片材质制成如图3和图7所示的两种刀具，并在各种焊接条件进行测试，具体如表1所示。
表1

Claims (16)

1.一种刀具，包括柄部和切削部，其特征在于所述的切削部包括基体部和刃部，所述的刃部固定于所述的基体部；
所述的基体材料选自于硬质合金、钨合金和合金钢之一种或几种；
所述的刃部选自于硬质合金、金属陶瓷、金刚石和立方氮化硼之一种或几种；
所述刃部的一个正投影面包括第一边沿和第二边沿，所述的第一边沿与所述的第二边沿之间各处距离为0.1mm～5.0mm。
2.根据权利要求1所述的刀具，其特征在于所述的第一边沿与所述的第二边沿之间各处距离为0.1mm～3mm。
3.根据权利要求1所述的刀具，其特征在于所述的第一边沿与所述的第二边沿之间各处距离为0.1mm～2mm。
4.根据权利要求1所述的刀具，其特征在于所述刃部的一条刃口或刃带的正投影为第一边沿。
5.根据权利要求1所述的刀具，其特征在于所述的第一边沿与所述的第二边沿各处的距离之差为0.001mm～0.5mm。
6.根据权利要求1所述的刀具，其特征在于所述的折弯部所在的第一边沿至第二边沿的距离大于所述的第一边沿与所述的第二边沿各处的距离的最小值。
7.根据权利要求1所述的刀具，其特征在于所述的弧形曲部的弧底所在的第一边沿至第二边沿的距离大于所述的第一边沿与所述的第二边沿各处的距离的最小值。
8.根据权利要求1所述的刀具，其特征在于所述的刃部的截面形状为多边形、椭圆形或圆形。
9.根据权利要求1所述的刀具，其特征在于所述的刃部各处的截面高度与该处在正投影面所成的第一边沿与第二边沿之间的距离比值为1∶0.5～1∶2。
10.根据权利要求1所述的刀具，其特征在于所述的刃部各处的截面高度与该处在正投影面所成的第一边沿与第二边沿之间的距离比值为1∶0.8～1∶1.8。
11.根据权利要求1所述的刀具，其特征在于所述的刃部至少包括2个相连接的几何结构。
12.根据权利要求1所述的刀具，其特征在于所述的第一边沿至少包括2个相连接的几何形状，所述的几何形状选自于直线和弧线。
13.一种权利要求1～12之一所述的刀具的制造方法，其特征在于先根据要求将硬质材料加工成刃部，然后将刃部固定于基体部；
所述的硬质材料选自于硬质合金、金属陶瓷、金刚石和立方氮化硼之一种或几种；
所述的基体部选自于硬质合金、钨合金和合金钢之一种或几种。
14.一种权利要求1～12之一所述的刀具的制造方法，其特征在于：
先用磨削、线切割、激光获得刃部坯体，所述的刃部坯体的形状可分布在二维平面空间内，或三维立体空间内；再将刃部坯体固定于基体部上，形成刀具坯体；之后，对刀具坯体进行加工形成刃口和刃带之一种或几种。
15.根据权利要求14所述的制造方法，其特征在于所述的刃部坯体以焊接方式固定于所述的基体部。
16.根据权利要求14所述的制造方法，其特征在于以磨削、线切割和激光对所述的刀具坯体进行加工形成刃口和刃带之一种或几种。
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