CN108788251B - 切削工具 - Google Patents

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Abstract

一种切削工具包括工具主体，其具有第一端和第二端以及在该第一端和该第二端之间延伸的纵向轴线。该第一端包括两个或更多个切削部分，其中每个切削部分包括切削边缘和后刀面。每个切削边缘从第一端的中心区域径向向外延伸到第一端的周边边缘，其中切削边缘相对于纵向轴线成角度倾斜。每个后刀面从切削边缘周向延伸。两个或更多个后刀面中的至少两个后刀面中的每一个包括在相应的后刀面的至少一部分之上延伸的研磨部分，并且每个研磨部分包括多个研磨特征部。

Description

切削工具
技术领域
本公开涉及一种具有研磨特征部的切削工具，并且具体但非排他地，涉及一种具有研磨特征部的钻。
背景技术
陶瓷基体复合（CMC）材料由增强陶瓷基体的陶瓷纤维10形成，图1中示出了一个示例。CMC材料具有优异的高温机械性能。当前正在考虑用CMC材料在诸如燃气涡轮发动机的部段、轮叶和叶片以及在燃烧器隔热罩之类的应用中替代高温金属合金（例如，镍基超合金）。
CMC材料需要加工过程，例如磨削、钻孔或铣削等，以实现工件的最终形状。常规的钻削刀具的几何构型是几十年前设计的，并且已经针对均质材料的加工进行了优化。例如，在大多数钻头中，切削唇是仅有的切削区域。这些CMC材料的非均质、各向异性和高硬度的特性意味着常规的切削工具具有较低的材料去除率、较短的工作寿命和较差的加工表面质量。
常规的切削工具经受高磨损率，特别是当切削力通过切削动态变化时（对于CMC材料就是如此）。因此，切削边缘的几何构型迅速改变，从而显著地降低了产生的表面质量。在加工例如微小尺寸的孔和凹槽之类的小公差特征时，这会进一步增大。
发明内容
根据本公开的第一方面，提供了一种切削工具，其包括：
具有第一端和第二端的工具主体，
所述工具主体具有在所述第一端和所述第二端之间延伸的纵向轴线，
所述第一端包括两个或更多个切削部分，
其中，所述切削部分中的每一个包括：
从所述第一端的中心区域径向向外延伸到所述第一端的周边边缘的切削边缘，所述切削边缘相对于所述纵向轴线成角度倾斜；以及
从所述切削边缘周向延伸的后刀面，
其特征在于，两个或更多个后刀面中的至少两个后刀面中的每一个均包括在相应的后刀面的至少一部分之上延伸的研磨部分，每个研磨部分包括多个研磨特征部，并且每个研磨特征部以特征部高度从所述后刀面延伸，所述特征部高度随着径向远侧的特征部位置而增加。
除了主要限定的切削边缘之外，在后侧面上具有研磨颗粒的切削工具的几何构型还提供两个附加的研磨区域（切削区域）。增加有效切削区域的量减小了每个切削边缘或区域的切削力，并且优于其中切削唇是仅有的切削边缘的常规的切削工具延长了切削边缘的寿命。
由于整体工具寿命的增加，这些改进提供了伴随的加工成本的降低。
当加工非均质CMC和其他先进材料时，增加的切削区域的量也将通过防止分层、开裂、纤维拉出和边缘碎裂来改善加工表面的质量。增加的切削区域的量还将改善表面光洁度并降低表面粗糙度。
在加工例如CMC和其他复合材料中的微小孔和凹槽之类的小公差特征时，附加的切削区域所提供的表面质量改进得到特别的加强。
通过允许CMC的粉状切屑特性在各研磨特征部之间流动，提供跨越后刀面的多个研磨特征部提高了通过研磨部分的材料去除的有效性。
随径向远侧的特征部位置的特征部高度的增加导致切削边缘之后的间隙增加。
为了允许这种变化的增加的研磨特征部高度，需要相应地对后刀面的几何构型进行预加工，以便允许研磨特征部的切削边缘的位置相对于工具的两个（或更多个）主切削边缘精确地对准。
可选地，所述研磨特征部具有圆形的轮廓。
各个研磨特征部的圆形轮廓在耐磨性和跨后刀面的面积覆盖之间提供了平衡。
在其他布置结构中，研磨特征部可以具有替代的轮廓，例如椭圆形、正方形、矩形或者泪滴形。
可选地，所述研磨特征部从所述后刀面延伸为截头圆锥。
优于其他几何构型，将研磨特征部中的每一个形成为截头圆锥改善了研磨特征部的刚度和强度。
在其他布置结构中，研磨特征部可以具有替代性的几何构型，例如金字塔形等。
可选地，所述研磨特征部跨越所述后刀面布置成相邻的两排，每一排跨越所述后刀面径向延伸，第一排定位成与所述后刀面的周向后缘相邻，第二排与所述第一排径向偏置。
提供成跨越后刀面的径向范围延伸的两排的研磨特征部而第二排与第一排偏置确保了后刀面的全部径向范围可以被研磨特征部覆盖，同时仍然维持“特征部间”的空间用于去除加工碎屑。
在替代性布置结构中，研磨特征部可被布置成跨越后刀面的至少一部分延伸的多于两排。
可选地，每个切削边缘从所述第一端的中心区域线性延伸到所述第一端的周边边缘，每个切削边缘与所述纵向轴线成第一角度。
在一个实施例中，每个切削边缘形成为线性特征部。在加工诸如陶瓷和例如CMC材料的陶瓷相之类的高硬度材料时，这种构造可能是有利的。
在其他实施例中，切削边缘中的每一个可形成有非线性的纵向轮廓，例如对数或指数的纵向轮廓。
可选地，所述切削工具还包括沿所述工具主体的至少一部分延伸的两个或更多个槽，其中，两个或更多个切削边缘中的每一个对应于所述两个或更多个槽中相应的一个。
将每个槽形成为扭曲槽在加工高硬度材料时提供提高的工具刚度以及改善的切屑断裂和排出。
在替代性布置结构中，每个切削边缘都可以沿工具主体的至少一部分从第一端的周边边缘朝向第二端延伸为直槽。具有直槽的切削工具可以比具有扭曲槽的切削工具以更低的成本来制造。
可选地，所述切削工具由选自金刚石材料和立方氮化硼材料所组成的组中的材料一体地形成。
由金刚石材料形成切削工具确保了切削工具足够硬，以有效地切削例如CMC材料的高硬度基体部分，而切削工具不会遭受高磨损率。
在替代性布置结构中，切削工具可以形成为模块化组件，其中分开的切削部分被附接到共同的工具主体。
可选地，所述切削工具由选自钢和碳化物材料所组成的组中的基材形成，并且所述基材设有选自金刚石材料和立方氮化硼材料所组成的组中的涂覆层。
由常规的切削工具材料形成切削工具并且随后提供金刚石涂覆层使得切削工具制造更便宜。然而，这样的涂覆工具仅能在涂覆层耗尽之前重新加工利用（重新磨锐）有限的次数。
可选地，每个研磨特征部的特征部高度等于沿相应的切削边缘的相应的切削深度。
如上所述，每组研磨特征部位于与相应的切削边缘相邻并与之周向隔开的后刀面上。在使用中，每组研磨特征部都作为切削区域。每个研磨特征部的特征部高度对应于相应的研磨特征部的切削深度。在一种布置结构中，每个研磨特征部的特征部高度等于相应的相邻切削边缘的切削深度。这确保了在切削边缘和相应的研磨特征部之间共用通过切削工具的材料去除过程。
根据本公开的第二方面，提供了一种形成切削工具的方法，所述方法包括以下步骤：
提供具有第一端、第二端和从所述第一端延伸到所述第二端的纵向轴线的工具主体；
在所述第一端处形成两个或更多个切削部分，每个切削部分包括切削边缘和后刀面，每个切削边缘从所述第一端的中心区域径向向外延伸到所述第一端的周边边缘，所述切削边缘相对于所述纵向轴线成角度倾斜，并且每个后刀面从所述切削边缘周向延伸；
其特征在于，所述方法包括以下另外的步骤：
在所述后刀面中的两个或更多个后刀面中的至少两个中的每一个的至少一部分之上形成研磨部分，其中，每个研磨部分包括多个研磨特征部，并且每个研磨特征部以特征部高度从所述后刀面延伸，所述特征部高度随着径向远侧的特征部位置而增加。
除了主要限定的切削边缘之外，在后侧面上具有研磨颗粒的切削工具的几何构型还提供两个附加的研磨区域（切削区域）。增加有效切削区域的量减小了每个切削边缘或区域的切削力，并且优于其中切削唇是仅有的切削边缘的常规的切削工具延长了切削边缘的寿命。
由于整体工具寿命的增加，这些改进提供了伴随的加工成本的降低。
当加工非均质CMC和其他先进材料时，增加的切削区域的量也将通过防止分层、开裂、纤维拉出和边缘毛刺来改善加工表面的质量。增加的切削区域的量还将改善表面光洁度并降低表面粗糙度。
当加工非均质CMC和其他先进材料时，增加的切削区域的量也将通过防止分层、开裂、纤维拉出和边缘碎裂来改善加工表面的质量。增加的切削区域的量还将改善表面光洁度并降低表面粗糙度。
在加工例如CMC和其他复合材料中的微小孔和凹槽之类的小公差特征时，附加的切削区域所提供的表面质量改进得到特别的加强。
随径向远侧的特征部位置的特征部高度的增加导致切削边缘之后的间隙增加。
为了允许这种变化的增加的研磨特征部高度，需要相应地对后刀面的几何构型进行预加工，以便允许研磨特征部的切削边缘的位置相对于工具的两个（或更多个）主切削边缘精确地对准。
可选地，在所述第一端处形成两个或更多个切削部分的所述步骤包括以下附加步骤：
沿所述工具主体形成两个或更多个槽，每个槽对应于所述切削部分中相应的一个，每个槽从所述第一端的周边边缘沿所述工具主体的至少一部分延伸。
将每个槽形成为扭曲槽在加工高硬度材料时提供提高的工具刚度以及改善的切屑断裂和排出。
在替代性布置结构中，每个切削边缘都可以沿工具主体的至少一部分从第一端的周边边缘朝向第二端延伸为直槽。具有直槽的切削工具可以比具有扭曲槽的切削工具以更低的成本来制造。
可选地，所述工具主体由金刚石材料形成，并且在所述后刀面中的两个或更多个后刀面中的至少两个中的每一个的至少一部分之上形成研磨部分的所述步骤包括以下步骤：
在所述后刀面中的两个或更多个后刀面中的至少两个上选择性地烧蚀所述后刀面的一部分，以产生从所述后刀面延伸的多个研磨特征部。
对于小直径的切削工具，通过烧蚀后刀面以使研磨特征部从后刀面突出来形成研磨特征部产生成品切削工具，其中研磨特征部与切削工具是一体的。这使得切削工具对于用户而言更加稳健和有用。
在替代性布置结构中，研磨特征部可以通过将金刚石颗粒电镀到切削工具的后刀面上来形成。用于形成研磨特征部的另一替代性技术是通过放电加工（EDM）。
可选地，每个研磨特征部的特征部高度等于沿所述切削边缘的相应的切削深度。
如上所述，每组研磨特征部位于与相应的切削边缘相邻并与之周向隔开的后刀面上。在使用中，每组研磨特征部都作为切削区域。每个研磨特征部的特征部高度对应于相应的研磨特征部的切削深度。在一种布置结构中，每个研磨特征部的特征部高度等于相应的相邻切削边缘的切削深度。这确保了在切削边缘和相应的研磨特征部之间共用通过切削工具的材料去除过程。
本公开的其他方面提供了包括和/或实现本文所述的一些或全部动作的装置、方法和系统。本公开的说明性方面被设计成解决本文所描述的一个或多个问题和/或未论述的一个或多个其他问题。
附图说明
现在参照附图借助于非限制性示例来描述本公开的实施例，附图中：
图1示出了陶瓷基体复合材料的示意性剖面图；
图2A至图2C分别示出了根据本公开的一个实施例的切削工具的示意性的垂直投影图、局部透视图和端视图；以及
图3示出了图2A至图2C的切削工具的后刀面（flank surface）的示意性放大局部透视图；
图4A示出了常规的切削工具的切削边缘的动作的示意图；以及
图4B示出了图2A至图2C的切削工具的切削边缘和相应研磨部分的动作的示意图。
要注意的是，这些附图可能不是按比例绘制的。这些附图意在仅描绘本公开的典型方面，并且因此，不应被视为限制本公开的范围。在附图中，相同的编号在附图之间表示相同的元件。
具体实施方式
参照图2和图3，根据本公开的一个实施例的切削工具总体上通过附图标记100来标示。
切削工具100包括具有第一端112和相对的第二端114的工具主体110。在本实施例中，工具主体110具有大致圆柱形的几何构型。在其他实施例中，工具主体110可以具有替代性的细长几何构型。工具主体110具有纵向轴线120。
在本实施例中，第二端114对应于柄或保持部分（未示出），该柄或保持部分将被用于将切削工具100保持在机械工具（未示出）中。
工具主体110的第一端112具有中心区域114和周边边缘116。第一端112的中心区域114对应于纵向轴线120与第一端112的相交处。第一端112的周边边缘116对应于第一端110的第一端112的周向边缘。
第一端112包括两个切削部分130。在其他实施例中，第一端112可以包括多于两个切削部分130。
切削部分130中的每一个包括切削边缘132和相应的后刀面140。每个后刀面140周向（方向138）延伸远离相应的切削边缘132。
每个切削边缘132从第一端112的中心区域114径向向外延伸到第一端112的周边边缘116。每个切削边缘132相对于纵向轴线120成角度134定向。在本实施例中，每个切削边缘132从第一端112的中心区域114线性地延伸到第一端112的周边边缘116，其中，每个切削边缘132与纵向轴线成（subtend）第一角度136。
切削边缘132中的每一个沿工具主体110的至少一部分从第一端112的周边边缘116朝向第二端118延伸为扭曲的槽162。
两个或更多个后刀面140中的至少两个包括在相应的后刀面140的至少一部分之上延伸的研磨部分142。在第一端112包括两个切削边缘132（如在本实施例中）的情况下，则两个相应的后刀面140中的每一个都包括研磨部分142。在第一端112包括四个切削边缘的替代实施例中，则相应的后刀面140中的两个或全部四个可以包括研磨部分142。
研磨部分142中的每一个包括多个研磨特征部144。研磨特征部144跨越后刀面140布置成两排150。研磨特征部144的所述两排150中的每一排跨越后刀面140径向延伸。研磨特征部144的第一排152位于后刀面140的周向后缘141处。
研磨特征部144的第二排154与第一排152周向（方向138）偏置。形成第二排154的研磨特征部144还与形成第一排152的研磨特征部144径向偏置。该径向偏置156被布置成使得第二排154中的每个研磨特征部144对应于第一排152中的研磨特征部144中相邻的研磨特征部之间的间隙。
研磨特征部144中的每一个具有圆形的平面部段（plan section）146，并且每个研磨特征部144从后刀面140延伸为截头圆锥148。
每个研磨特征部144从相应的后刀面140延伸一特征部高度158。每个研磨特征部144的特征部高度158随着径向远侧的特征部位置而增加。换句话说，每个研磨特征部144具有大于其径向近侧的邻近特征部高度的特征部高度158。
在本实施例中，切削工具100由多晶金刚石一体地形成。形成切削边缘132、后刀面140和纵向槽162的过程是已知的，并且在本文中不再进一步描述。
通过选择性地烧蚀每个后刀面140的一部分，研磨特征部144与后刀面140一体地形成。这种选择性烧蚀（ablation）使得截头圆锥形的研磨特征部144从后刀面140突出。选择性烧蚀的过程可以通过任何合适的方式进行，例如通过气体激光器。
替代性地，研磨特征部144可以通过使用放电加工来选择性地修改后刀面140而形成。另一替代性的布置结构可涉及将研磨特征部144电镀或钎焊到后刀面140。
在其中切削工具100由例如碳化物材料形成而随后施加多晶金刚石涂层的替代实施例中，选择性的烧蚀过程可以按照与上述相同的方式被施加于涂覆层，以产生研磨特征部144的阵列。
在使用中，研磨部分142提供补充的切削动作，并且因此，减小切削边缘132所经受的切削力。切削力的这种减小导致随之发生的切削边缘132的磨损率的降低。
图4A示意性地图示了根据现有技术的切削工具30（在这种情况下为麻花钻）的切削动作。切削工具30包括两个切削边缘32和两个后刀面40。每个后刀面40周向延伸远离切削边缘32中相应的一个。
当切削工具30遇到材料60时，每个切削边缘32去除材料60的一部分。这种被去除的材料具有深度hD，其被称为未切切屑厚度（或俗称为切削深度）。在现有技术的切削工具30中，材料的去除完全通过切削边缘32来执行。
相比之下，图4B示出了本公开的切削工具100的切削动作的示意图。如图4B中所示，并且如上所述，材料的去除通过切削边缘132和研磨特征部144二者来实现。
研磨特征部144中的每一个去除具有深度h栅 D的一部分材料，并且每个切削边缘去除具有深度h边缘 D的一部分材料。切削边缘132中的每一个作为现有技术的常规切削边缘32，并且沿其整个线性长度切削。研磨特征部144中的每一个通过犁削动作来去除材料，如一个这样的研磨特征部在图4B中的放大透视图所示。以这种方式，切削边缘132中的每一个比现有技术的切削边缘32执行更少的工作，并且因此，经受较低的切削力和较低的磨损率。
在一种布置结构中，研磨特征部144中的每一个具有特征部高度158，该特征部高度158等于相应的切削边缘的切削深度h边缘 D。换句话说，在该布置结构中，研磨特征部具有切削深度h栅 D，其等于相应的切削边缘的相应的切削深度h边缘 D。
尽管上述实施例涉及CMC材料的加工，但要理解的是，研磨特征部在切削工具的后刀面上的定位可等同地应用于其他切削工具的几何构型和材料（即，涂覆和未涂覆的硬质合金工具），并且还应用于通常用于加工例如镍和钛合金钢之类的航空航天材料的其他加工过程（即，车削镶刀或球头铣刀）。
除非相互排斥，否则任何特征都可以单独使用或与任何其他特征结合使用，并且本公开延伸到并且包括本文所描述的一个或多个特征的所有组合及子组合。
已经出于说明和描述的目的而呈现了本公开的各个方面的上述描述。这并不意在是穷尽性的或者将本公开限于所公开的确切形式，并且显然，许多修改和变型是可能的。对于本领域技术人员而言可能是显而易见的这些修改和变型被包括在由所附权利要求限定的本公开的范围内。

Claims (14)

1.一种切削工具，包括：
具有第一端和第二端的工具主体，
所述工具主体具有在所述第一端和所述第二端之间延伸的纵向轴线，
所述第一端包括两个或更多个切削部分，
其中，所述切削部分中的每一个包括：
从所述第一端的中心区域径向向外延伸到所述第一端的周边边缘的切削边缘，所述切削边缘相对于所述纵向轴线成角度倾斜；以及
从所述切削边缘周向延伸的后刀面，
其特征在于，两个或更多个后刀面中的至少两个后刀面中的每一个包括在相应的后刀面的至少一部分之上延伸的研磨部分，每个研磨部分包括多个研磨特征部，并且每个研磨特征部以特征部高度从所述后刀面延伸，所述特征部高度随着径向远侧的特征部位置而增加。
2.如权利要求1所述的切削工具，其特征在于，所述研磨特征部具有圆形的轮廓。
3.如权利要求1或权利要求2所述的切削工具，其特征在于，所述研磨特征部从所述后刀面延伸为截头圆锥。
4.如权利要求1或权利要求2所述的切削工具，其特征在于，所述研磨特征部跨越所述后刀面布置成相邻的两排，每一排跨越所述后刀面径向延伸，第一排定位成与所述后刀面的周向后缘相邻，第二排与所述第一排径向偏置。
5.如权利要求1或权利要求2所述的切削工具，其特征在于，每个切削边缘从所述第一端的所述中心区域线性延伸到所述第一端的周边边缘，每个切削边缘与所述纵向轴线成第一角度。
6.如权利要求1或权利要求2所述的切削工具，还包括沿所述工具主体的至少一部分延伸的两个或更多个槽，并且其中，两个或更多个切削边缘中的每一个对应于所述两个或更多个槽中相应的一个。
7.如权利要求1或权利要求2所述的切削工具，其特征在于，所述切削工具由选自金刚石材料和立方氮化硼材料所组成的组中的材料一体地形成。
8.如权利要求1或权利要求2所述的切削工具，其特征在于，所述切削工具由选自钢、钛和碳化物材料所组成的组中的基材形成，并且所述基材设有选自金刚石材料和立方氮化硼材料所组成的组中的涂覆层。
9.如权利要求1或权利要求2所述的切削工具，其特征在于，每个研磨特征部的所述特征部高度等于沿所述切削边缘的相应的切削深度。
10.一种形成切削工具的方法，所述方法包括以下步骤：
提供具有第一端、第二端和从所述第一端延伸到所述第二端的纵向轴线的工具主体；
在所述第一端处形成两个或更多个切削部分，每个切削部分包括切削边缘和后刀面，每个切削边缘从所述第一端的中心区域径向向外延伸到所述第一端的周边边缘，所述切削边缘相对于所述纵向轴线成角度倾斜，并且每个后刀面从所述切削边缘周向延伸；
其特征在于，所述方法包括以下另外的步骤：
在所述后刀面中的两个或更多个后刀面中的至少两个中的每一个的至少一部分之上形成研磨部分，其中，每个研磨部分包括多个研磨特征部，并且每个研磨特征部以特征部高度从所述后刀面延伸，所述特征部高度随着径向远侧的特征部位置而增加。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，在所述第一端处形成两个或更多个切削部分的所述步骤包括以下附加步骤：
沿所述工具主体形成两个或更多个槽，每个槽对应于所述切削部分中相应的一个，每个槽从所述第一端的所述周边边缘沿所述工具主体的至少一部分延伸。
12.如权利要求10或权利要求11所述的方法，其特征在于，所述工具主体由金刚石材料形成，并且在所述后刀面中的两个或更多个后刀面中的至少两个中的每一个的至少一部分之上形成研磨部分（142）的所述步骤包括以下步骤：
在所述后刀面中的两个或更多个后刀面中的至少两个上选择性地产生所述后刀面的一部分，以产生从所述后刀面延伸的多个研磨特征部。
13.如权利要求10所述的方法，其特征在于，每个研磨特征部的所述特征部高度等于沿所述切削边缘的相应的切削深度。
14.如权利要求12所述的方法，其特征在于，在所述后刀面中的两个或更多个后刀面中的至少两个上通过激光烧蚀、放电加工、电镀或钎焊产生所述后刀面的一部分。
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