CN108602134B - 刀体、刀具及制造刀体的方法 - Google Patents

Abstract

一种用于切削加工的刀体和刀具，其中所述刀体(100)沿轴向方向延伸并且所述刀体的至少一部分形成有包住芯结构(106)的实心外夹套(105)，所述芯结构包括附接到所述外夹套并由网格结构材料构成的三维开放网格结构(107)。所述芯结构还包括填充结构(108)，该填充结构(108)由与所述网格结构10材料不同的固相填充材料构成，其中所述填充结构包围所述网格结构。所述网格结构和外夹套使用增材制造来制造，并且所述填充材料以液体或粉末的形式添加到所述网格结构中，所述液体或粉末在添加之后固化。

Description

刀体、刀具及制造刀体的方法

发明领域

本发明涉及一种根据本发明的用于金属切削加工的刀具的刀体、包括这种刀体的用于金属切削加工的刀具以及制造这种刀体的方法。切削加工的刀具可例如是诸如铣刀、铰刀、镗刀或钻孔刀具的旋转刀具，或诸如车刀或非旋转钻孔刀具的非旋转刀具。

背景技术

也被称为3D打印的增材制造近年来已被用于各种各样的应用，由此制造用于金属切削加工的刀具。它基本上涉及用激光束逐层处理粉状起始材料，使得各个粉末颗粒彼此结合。各个粉末颗粒可以例如逐层地彼此熔融或烧结在一起，以形成实心体。这种制造方法使得可以容易地形成一件式的复杂的几何结构，该几何结构用之前的传统制造方法来实现是不可能或不现实的。

增材制造中通常使用两种不同的方法：直接金属沉积(DMD)和选择性激光熔融(SLM)。在DMD中，激光束用于在金属基板上形成熔池。金属粉末被馈送到激光束中，使得熔化结合的沉积物形成在基板上。所需的几何形状逐层构建。

SLM是所需几何形状的3D CAD模型首先被分割成很多有限层的工艺。对于每一层，计算激光扫描路径，从而一方面定义边界轮廓，而另一方面定义某种形式的填充序列。此后，每一层通过将粉末层一个沉积在另一个之上并通过扫描激光束而局部熔化粉末层来顺序地重新形成。该工艺使复杂的几何形状能够在单次操作中有生产力地制成。

US2015/0298222公开了一种用于金属切削加工的工具，其已经使用增材制造用工具钢粉末作为起始材料而制造出来。该刀具具有刀体，该刀体的一部分形成有包住芯结构的实心外夹套。芯结构包括与外夹套一体形成的三维开放非实心的芯结构。换句话说，刀体是部分空心的。在这种刀体的情况下，与使用传统制造工艺制造的实心刀具相比，刀具的重量可以降低。但是，减少刀体中的材料量可能也会影响刀具的强度以及其刚度，并由此使刀具不太适合要求高的应用。

发明内容

本发明的主要目的是获得一种用于金属切削加工的刀具，该刀具相对于传统制造的实心刀具和上述的部分空心的刀具都具有结构优点和/或动力学优点和/或热力学优点。

在本发明的第一方面中，主要目的是通过开头限定的刀体来实现，该刀体的特征在于，所述芯结构还包括由至少一种不同于网格结构材料的固相填充材料构成的填充结构，其中所述填充结构包围网格结构。这种刀具具有包括至少两种不同材料的芯结构，其中一种材料形成网格结构而另一种形成填充结构。优选地是，一种材料用作填充材料，但可以使用多于一种的填充材料。附接于周围的外夹套的网格结构形成刀体的空间框架并提供基本的强度和刚度。填充网格结构中的空隙的固相填充结构提供了额外的强度并且可以进行调整，使得刀体关于例如阻尼、重量、刚度、热传导和热膨胀获得所需的特性。因此，与包括呈网格结构形式的芯结构并且其中未设置填充结构、即其中空的空间设置在芯结构内的刀体相比，根据本发明的刀体具有改进的强度。同时，改进的强度可以在增加的重量方面以低成本实现，这是因为足够的强度也可以用相对轻质的填充材料来实现。因此，刀体可以被设计成具有与标准、压实、实心刀体相比减小的重量，并且具有与如上所述的部分空心的刀体相比增加的强度。对于刀体的重量较不重要的应用，填充材料可以包括具有其它所需特性的高密度材料。在这种情况下，获得具有例如与由传统实心工具钢制成的压实刀体相比增加的刚度的刀体。网格结构被固相填充结构包围的优点是，填充结构固定在刀体内，而不需要填充结构粘附到网格结构。因此，通常不相容的材料可以在芯结构中结合。

实心外夹套(在增材制造中也称为表皮)应当至少包住芯结构的大部分，即它应当覆盖芯结构的大部分。例如，实心外夹套可以覆盖刀体的整个包络面和前端，同时芯结构在刀体的后端处完全或部分地暴露。实心外夹套可以优选地覆盖芯结构的另外暴露部分。如果刀具在仅刀体的一部分具有实心外夹套和芯结构的情况下形成，则实心外夹套可以完全覆盖该部分的包络面，同时开口设置在待与刀体的其余部分的表面连结的表面中。优选地是，外夹套应当构造成使得随后要被固化并且形成填充结构的粉末或液体材料能够经由实心外夹套中的开口而被填充到被包住的网格结构中。实心外夹套可以形成有不变的壁厚或变化的壁厚。

刀体的实心外夹套和网格结构或至少网格结构优选地使用增材制造来形成。

根据本发明的一个实施例，网格结构和外夹套由相同的材料并一件式地形成。换言之，外夹套和网格结构由相同的材料一体形成。这是使用增材制造提供网格结构和实心外夹套的有效方式，并且它还允许形成坚固的结构。

根据本发明的一个实施例，所述至少一种填充材料的密度低于网格结构材料的密度。比相应的实心刀具轻但比部分空心的刀具更坚固和更硬的刀具得以实现。减轻的重量给出易于操作且具有理想的动力学特性(例如，在操作期间不易振动)的刀具。

根据本发明的一个实施例，所述至少一种填充材料具有比网格结构材料更高的杨氏模量。刀具的刚度由此增加，这对于大多数应用来说是需要的。

根据本发明的一个实施例，所述至少一种填充材料选自由陶瓷、金属和硬质合金组成的组。这种填充材料适合于实现刀具的增加刚度。例如，诸如氮化硅的陶瓷和氧化铝是合适的填充材料，其也具有比工具钢更低的密度，工具钢优选地被用作网格结构材料。使用硬质合金作为填充材料将产生非常坚固和坚硬的刀具，但是是以更大的密度和更大的刀体重量为代价的。

根据本发明的一个实施例，所述至少一种填充材料是粘弹性材料。粘弹性材料具有粘弹性行为，意味着在任何变形力已经被去除之后它恢复到其原始形状(即，它显示出弹性响应)，即使这样做需要时间(即，它具有响应的粘性分量)。通过使用粘弹性填充材料，与传统制造的实心刀具和部分空心的刀具相比，刀具的阻尼特性可以得以提高。合适的材料例如是橡胶、合成橡胶和硅树脂。

根据本发明的一个实施例，所述至少一种填充材料是具有比网格结构材料更高的导热率的材料。这对于用于加工对热敏感的工件的刀具来说是有利的，因为刀具的高导热性导致经由刀具的有效热传导，并且由此较少加热工件。

根据本发明的一个实施例，所述至少一种填充材料是具有比网格结构材料更低的导热率的材料。这样，防止热量传递到安装刀具的机床的主轴上。因此，刀具和机床受到加工过程中产生的热量的影响较小。

根据本发明的一个实施例，所述至少一种填充材料是具有比网格结构材料小的热膨胀系数的材料。刀具的总热膨胀由此可以在一定程度上降低，使得热更稳定的刀体可以得以实现。FeNi36(也称为殷钢)是热膨胀系数接近于零的合适材料的实例。也可以使用具有负热膨胀系数的填充材料。

根据本发明的一个实施例，网格结构材料是金属材料，优选为工具钢。这提供了具有所需的强度和韧性的网格结构。

根据本发明的一个实施例，所述刀体的所述至少一部分包括刀体的前部，该前部构造成包括或保持切削部分。能够调整刀具前部的特性通常是最重要的。在这种情况下，为了提高成本效率，后部可以使用传统的制造技术由实心工具钢制成，并且前部可以单独构造并与后部连结，或者前部可以直接构建到后部上。

根据本发明的一个实施例，芯结构仅部分填充有填充材料，其中芯结构的填充因子例如为至少40％或50％，优选地为至少70％，更优选地为至少80％。换言之，在芯结构中，网格结构内可用空间的至少40％或50％，优选地为至少70％，更优选地为至少80％被填充材料，优选地是相对均匀分布的填充材料占据。填充材料在芯结构内的均匀分布防止加工期间的振动。

根据本发明的一个实施例，网格结构由在节点处连接在一起的多根直梁形成，以致形成空间框架。包括直梁的空间框架形成具有良好的吸收力的特性的坚固且刚性但又轻质的网格结构。梁形成了空间框架的支柱。空间框架的许多不同设计是可能的，这取决于刀具的所需特性。空间框架可以设计成具有所需的强度、刚度和动力学特性。当然，可以在尺寸和几何形状两方面上改变同一刀具内的空间框架的设计。

根据本发明的一个实施例，空间框架由多个互锁的结构单元构成，其中结构单元选自四面体或八面体和四面体。换言之，在该实施例中，空间框架可以或者仅由互锁的四面体形成，或者由互锁的四面体和八面体的组合形成，例如采用所谓的交替立方蜂巢结构。四面体为网格结构提供刚性和强度。空间框架内的各个结构单元的尺寸可以变化，使得例如，更靠近刀体的外径的结构单元具有比位于更靠近刀体的纵向轴线的相应结构单元更长的梁或支柱。由于梁在刀体内沿多个不同的方向延伸，因此施加到刀具上的径向力和轴向力均可被空间框架吸收。此外，在该实施例中，刀具具有较高的扭转刚度和挠曲强度。

根据本发明的一个实施例，结构单元是互锁的八面体和四面体，并且八面体中的每一个具有定向成垂直于刀体的纵向轴线的中心正方形平面。八面体(其可以是正八面体)因此定向成使得存在相邻八面体的共同节点，该共同节点沿与刀体的中心纵向旋转轴线平行的轴线布置。此外，在该实施例中，八面体也布置成使得存在沿刀体的径向方向上彼此相邻的八面体，该八面体具有位于与所述正方形平面平行的平面中的顶部节点。

在本发明的另一方面中，主要目的通过一种用于金属切削加工的刀具来实现，该刀具包括所提出的刀体和附接到刀体或与刀体一体形成的至少一个切削部分。该刀具可以是任何类型的适用于金属切削加工的刀具，诸如钻孔刀具、铰刀，镗刀、铣刀或车刀。然而，优选地是，该刀具是构造用于旋转金属切削加工的刀具，即，具有旋转中心轴线的刀具，该刀具构造成围绕该中心旋转轴线旋转。本发明因此可以提供与刀体的减轻重量相关联的有利动力学特性以及由填充结构提供的可能的额外阻尼特性。本发明可以例如有利地用于减少与包括细长刀体的铣刀相关的振动，特别是在包括这种圆柱形刀体的端铣刀中的振动。取决于刀具的类型，刀体的不同部分可以形成有芯结构和外夹套。在面铣刀的情况下，可能优选的是，设计具有设置有芯结构的中心部分并且具有围绕该中心部分且保持可更换的切削刀片的实心圆周部分的刀具。在镗刀或钻孔刀具中，或在小端铣刀中，可能优选的是，提供具有芯结构和实心外夹套的刀具的前部，并且提供实心且传统制造的后部。切削部分可以是与刀体形成为一体或者使用例如可替换的切削头安装在刀体上的切削刃。刀体也可以构造用于切削刀片以及诸如螺钉、夹具或类似物的紧固装置，该紧固装置用于将切削刀片附接到设置在刀体上的刀座中。

在本发明的这个方面的一个实施例中，刀具是端铣刀，其中该刀体是圆柱形的。这种端铣刀可以例如展现出与具有传统制造的压实刀体的可比较刀具相比改进的减振。端铣刀通常具有细长的圆柱形刀体，其在加工期间倾向于振动。在具有芯结构的根据本发明的刀体的情况下，如果例如选择粘弹性填充材料，则振动的趋势可以减小。具体地说，对于小直径端铣刀来说，这是有利的。

在本发明的另一方面，主要目的通过用于制造所提出的刀具的刀体的方法来实现，该方法包括以下步骤：

-使用增材制造形成所述外夹套和所述网格结构，

-经由实心外夹套中的开口将所述至少一种填充材料以粉末或液体形式添加到网格结构，

-固化所述至少一种填充材料。

这是提供根据本发明的刀体的通用方式，该刀体此后可以被加工和/或组装有切削部分，以形成刀具。通过选择填充材料，刀具的特性可以针对刀具的预期应用进行调整。固化填充材料的步骤当然可以适合用于所选择的填充材料。

例如，在使用橡胶或硅树脂的情况下，它可以通过硫化固化。如果相反地是使用粉末的话，则粉末可以使用例如热等静压(HIP)或烧结来固化。

本发明的其它有利特征和优点将从以下详细描述中显现出来。

附图说明

本发明将在下文中参照附图以示例的方式进行描述，附图中：

图1示出了根据本发明实施例的刀具的立体图，

图2示出了具有部分暴露的网格结构但没有填充结构的图1中的刀具，

图3示出了具有部分暴露的芯结构的图1中的刀具，

图4示出了图1中的刀具的侧视图，

图5a-b示出了有填充结构和无填充结构的情况下的沿图4中的线V-V截取的横截面，

图6a-b示出了有填充结构和无填充结构的情况下的沿图4中的线VI-VI截取的横截面，

图7a-b示出了沿图4中的线VII-VII截取的横截面，

图8a-c示出了用于形成图1中所示的刀具的网格结构的结构单元的不同视图，以及

图9是示出根据本发明实施例的方法的步骤的流程图。

具体实施方式

图1-7中示出了根据本发明实施例的端铣刀1。端铣刀1包括沿中心轴线C延伸的大致圆柱形的刀体100以及安装在刀体100的前部101中的多个刀片200，刀具1可围绕中心轴线C沿方向R旋转。切屑槽102在旋转方向上设置在刀片200的前方。刀体100的后端103用于附接到刀夹(未示出)。包络面104绕刀体100的周界延伸。

刀体100形成有实心外夹套105，如图2和3中所示，其中实心外夹套105已被部分地剖开，以示出铣刀1的内部。刀体100包括芯结构106，芯结构106一方面包括例如呈空间框架的形式的三维开放网格结构107，另一方面包括由固相填充材料构成的填充结构108。在图2中，示出了刀具1没有填充结构108，同时在图3中，填充结构108被添加。包围的填充结构108和网格结构107缠结，使得填充结构108相对于网格结构107是不可移动的。网格结构107与实心外夹套105一件式地形成。在刀体100的后端103中，呈圆柱形空腔109形式的中心开口设置在实心外夹套105中。圆柱形空腔109可以全部或部分填充有填充材料。

在所示实施例中，芯结构106呈铅笔形状，具有从刀体100的后端103延伸的长圆柱形部分110和设置在刀体100的前部101中的相对较短的圆锥形部分111。通道112从圆锥形部分111延伸到切屑槽102。填充材料优选地通过后端中的中心开口引入，由此当引入填充材料时，通道112会排空芯结构内的空气。通道可以填充有填充材料。在所示的实施例中，除了后端103中的中心开口和通道112之外，实心外夹套105完全包住芯结构106。

网格结构107应该是开放的网格结构，即它应当可以从刀体100的一端用液体或粉末填充材料填充网格结构107至所需的填充因子。因此，芯结构106可以仅部分填充有填充材料。芯结构106的填充因子应当优选地为至少40％或50％，优选地为至少70％，更优地选为至少80％。填充材料优选地均匀地分布在芯结构106内。

网格结构107优选地由工具钢形式的网格结构材料或其它金属材料制成，从而为刀体100提供强度、韧性和刚度。填充材料可以根据刀具1的所需特性来选择。例如，填充材料可以是具有比网格结构材料更高的杨氏模量的材料。这种材料可以选自由陶瓷、金属和硬质合金组成的组。填充材料也可以是诸如橡胶、合成橡胶或硅树脂的粘弹性材料。填充材料也可以是具有比网格结构材料更高或更低的热导率的材料，或具有比网格结构材料更小的热膨胀系数的材料。

在所示的实施例中，网格结构107由结构单元113构成，该结构单元113具有从公共节点115延伸的具有相等长度的四根直梁114a、114b、114c、114d，如图8a-c中所示的那样。因此，所示的结构单元113是四脚状结构。所有的梁都有圆形横截面。当从上方观察并投影在垂直平面上时，其中的三根梁114b、114c、114d相对于彼此形成120°的角度α。第四根梁114a相对于其它梁114b、114c、114d中的每一根梁形成大约109.5°的角度β。因此，这些梁相对于彼此以角度β相互设置。然而，角度α、β在不对称构型中也可以不同。结构元件113被组合在一起以形成三维网格。当然，梁114a、114b、114c、114d彼此形成的角度可以变化。在所示的实施例中，梁114a、114b、114c、114d定向成使得没有梁平行于中心轴线C，正如可在图2中看到的那样。梁114a、114b、114c、114d的定向以及长度当然可以变化。图5-7中示出了包含网格结构107和填充结构108的所得到的芯结构106，其中，图5a、图6a和图7a示出了没有填充结构的网格结构107，并且其中，图5b、图6b和图7b示出了网格结构107和填充结构108两者。在所示的示例性实施例中，填充因子为100％，即，梁114a、114b、114c、114d之间的空间全都被填充材料占据。

在其它实施例中，用于形成网格结构的结构单元可以例如是彼此互锁以形成空间框架的四面体或者四面体和八面体的组合。梁可以具有不同的长度，例如，使得梁靠近中心轴线C更短并且靠近刀体的包络面更长。也可以具有带有弯曲梁或者立方体结构单元等的网格结构。梁不需要具有圆形横截面，但是任何横截面形状都是可能的，诸如正方形、椭圆形、多边形等。

此外，不同的结构单元可以用于网格结构的不同部分中。在一个实施例(未示出)中，一组四根梁形成四腿金字塔形结构单元。结构单元内的所有梁的第一端因此在结构单元的节点处连接在一起，梁从该节点沿不同的方向延伸。结构单元内的每根梁的第二端连接到相邻结构单元的节点。

图8中示出了根据本发明实施例的制造刀体100的方法。在第一步骤S1中，外夹套和网格结构使用增材制造一件式地形成。在增材制造步骤中，使用适合于形成三维金属结构的工艺，诸如直接金属沉积(DMD)或选择性激光熔融(SLM)。当外夹套和网格结构已经形成时，在步骤S2中，填充材料以粉末或液体形式经由实心外夹套中的开口添加到网格结构。在第三步骤S3中，填充材料被固化。固化工艺自然取决于所选择的填充材料。在橡胶填充材料的情况下，固化步骤可以包括硫化，同时粉末填充材料可以例如熔融和熔化、使用HIP固化或烧结。在固化填充材料之后，刀体可以被加工和/或组装有切削部分，以形成根据本发明的刀具1。

也可以通过增材制造来制造根据本发明的刀具的网格结构，同时外夹套可以通过传统的制造技术来形成。刀体可以仅形成有诸如前部的刀体的较小部分，该较小部分包括芯结构，而刀具的后部由诸如实心工具钢的实心材料形成，而没有芯结构。

本发明当然不限于所公开的实施例，而是可在所附权利要求书的范围内进行变化和更改。

Claims (22)

1.一种用于金属切削加工的刀具(1)的刀体(100)，所述刀体(100)沿轴向延伸，其中所述刀体(100)的至少一部分形成有实心外夹套(105)，所述外夹套(105)包住或基本上包住芯结构(106)，所述芯结构(106)包括附接到所述外夹套(105)并由网格结构材料构成的三维开放网格结构(107)，

其特征在于，

所述芯结构(106)还包括由与所述网格结构材料不同的至少一种固相填充材料组成的填充结构(108)，其中所述填充结构(108)包围所述网格结构(107)，使得所述填充结构(108)被固定在所述刀体内。

2.根据权利要求1所述的刀体，其特征在于，所述网格结构(108)和所述外夹套(105)由相同的材料并且一件式地形成。

3.根据权利要求1或2所述的刀体，其特征在于，所述至少一种填充材料具有比所述网格结构材料更高的杨氏模量。

4.根据权利要求3所述的刀体，其特征在于，所述至少一种填充材料选自由陶瓷、金属和硬质合金组成的组。

5.根据权利要求1或2所述的刀体，其特征在于，所述至少一种填充材料是粘弹性材料。

6.根据权利要求1或2所述的刀体，其特征在于，所述至少一种填充材料的密度低于所述网格结构材料的密度。

7.根据权利要求1或2所述的刀体，其特征在于，所述至少一种填充材料是具有比所述网格结构材料更高的导热率的材料。

8.根据权利要求1或2所述的刀体，其特征在于，所述至少一种填充材料是具有比所述网格结构材料低的导热率的材料。

9.根据权利要求1或2所述的刀体，其特征在于，所述至少一种填充材料是具有比所述网格结构材料小的热膨胀系数的材料。

10.根据权利要求1所述的刀体，其特征在于，所述网格结构材料是金属材料。

11.根据权利要求10所述的刀体，其特征在于，所述网格结构材料是工具钢。

12.根据权利要求1或2所述的刀体，其特征在于，所述刀体(100)的所述至少一部分包括所述刀体(100)的前部(101)，所述前部(101)构造成包括或保持切削部分(200)。

13.根据权利要求1或2所述的刀体，其特征在于，所述芯结构(106)仅部分地填充有填充材料。

14.根据权利要求13所述的刀体，其特征在于，所述芯结构(106)的填充因子为至少40％或50％。

15.根据权利要求13所述的刀体，其特征在于，所述芯结构(106)的填充因子为至少70％。

16.根据权利要求13所述的刀体，其特征在于，所述芯结构(106)的填充因子为至少80％。

17.根据权利要求1或2所述的刀体，其特征在于，所述网格结构(107)由在节点(115)处连接在一起以致形成空间框架的多根直梁(114a、114b、114c、114d)形成。

18.根据权利要求17所述的刀体，其特征在于，所述空间框架由多个互锁的结构单元构成，其中所述结构单元选自四面体或八面体和四面体。

19.根据权利要求18所述的刀体，其特征在于，所述结构单元是互锁的正八面体和四面体，并且其中，所述八面体中的每一个均具有定向成垂直于所述刀体(100)的纵向轴线(C)的中心正方形平面。

20.一种用于金属切削加工的刀具(1)，包括根据前述权利要求中任一项所述的刀体(100)以及附接到所述刀体(100)或与所述工具主体(100)一体形成的至少一个切削部分(200)。

21.根据权利要求20所述的刀具，其特征在于，所述刀具(1)是端铣刀(1)，其中所述刀体(100)是圆柱形的。

22.一种制造根据权利要求1至19中任一项所述的刀体(100)的方法，包括以下步骤：

-使用增材制造形成所述外夹套(105)和所述网格结构(107)，

-经由所述实心外夹套(105)中的开口将所述至少一种填充材料以粉末或液体的形式添加到所述网格结构(107)，

-固化所述至少一种填充材料，以形成由与所述网格结构材料不同的所述至少一种固相填充材料组成的所述填充结构(108)，其中所述填充结构(108)包围所述网格结构(107)，使得所述填充结构(108)被固定在所述刀体内。

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