CN1315608C - 旋转切削刀具、刀头以及制造刀头的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于旋转切削的刀具和刀头，其中，所述刀具在操作位置最好能够绕其纵向中心轴线转动。本发明还涉及一种用于制造刀头的方法。刀头(10”)包括两种硬质金属特性，一种是内部部分(41”)的具有坚韧但耐磨性较低的特性，一种是外部部分(41”)的具有更脆、更耐磨的特性。刀头由注塑成型方式制成，且两种金属特性具有相同的收缩率。内部部分(41”)除了送入方向和缩回方向以外，完全由所述外部部分(40”)包围。刀头具有螺纹(25)，其以具有更高韧性的硬质合金制成以能够承受高应力。

Description

旋转切削刀具、刀头以及制造刀头的方法
技术领域
本发明涉及一种旋转切削刀具，其包括一个刀体、一个刀头以及紧固装置。本发明还涉及一种刀头，并涉及一种用于制造刀头的方法。
背景技术
以前已经知道，在用于切削加工的不同类型的刀具中使用了可更换的切削刃。但是，当涉及用于绕其纵向轴线转动的铣刀和钻具时，由于切削刃需承受可变化的切削速度，因而由于强度方面的原因，这项技术具有其实际局限性。
美国专利No.5,947,660披露了一种钻具，这种钻具具有一个通过一根柄杆锚固在刀体上的通过注塑成型的可拆卸刀头。作为常用钻具的已知钻具的缺点在于，其不适用于可变化的切削速度。另外，已知钻具中的螺纹往往会在高应力下断裂。
例如，由WO 98/28455可知分两步加压成型芯体和一根由粉末材料制成的包裹管。所述粉末材料由碳化钨(WC)以及钴(Co)构成，所述粉末材料在一个压头和一个模具之间被压缩且随后被烧结，以便粘结剂金属能够熔化并粘结硬质合金，从而形成用于切削加工的刀具材料。已知技术的目的在于根据实心体的径向位置获得两种不同的特性。这种技术的缺陷在于，在径向外部部分会产生断裂或在径向内部部分会产生缩孔。
发明内容
因此，本发明的一个目的在于提供一种具有可更换切削刃的铣刀或钻具的实施例，所述实施例能够消除现有技术中的刀具所存在的问题。
本发明的另一个目的在于提供一种刚性刀具，其最好是用于钻孔或铣削，在这种刀具中，与切削刃的径向内部相比，要承受较高切削速度的切削刃的径向外部应具有更好的耐磨性。
本发明的另一个目的在于提供一种刀具，其最好是用于钻孔或铣削，在这种刀具中，与切削刃的径向外部相比，要承受较低切削速度的切削刃的径向内部应具有高的韧性。
本发明的另一个目的在于提供一种刀具，其最好是用于钻孔或铣削，在这种刀具中，减小了刀头断裂的危险性。
本发明的另一个目的在于提供一种刀头，其具有能够承受高应力的螺纹。
本发明的另一个目的在于提供一种用于由注塑硬质合金制造刀头的方法，从而基本上不会限制几何形状的自由度，并因此简化了磨削加工。
本发明的另一个目的在于提供一种用于由注塑硬质合金制造刀头的方法，通过该方法避免可断裂和孔隙的形成。
为此，根据本发明的一个方面，提供一种用于相对于工件进行旋转切削的刀具，其包括：一个刀体、一个刀头以及紧固装置，具有一个前表面的所述刀体和具有一个支承面的所述刀头可分离地彼此邻接，所述刀体具有一个柄杆部分，所述刀头由注塑硬质合金制成且包括至少一个切削刃和一个用以与紧固装置配合的孔或凸起，所述孔/凸起和切削刃与刀头一体形成，其中，所述孔或凸起至少部分形成在刀头的整体内部部分中，且由比制造刀头中其余外部部分的材料具有更高韧性的材料制成。
根据本发明的另一方面，提供一种用于旋转切削的刀头，该刀头具有圆形基本形状且具有至少一个切削刃，该切削刃与刀头一体形成，所述刀头在远离切削刃的端部设有一个支承面，所述刀头由注塑硬质合金制成且包括一个用以与紧固装置配合的孔或凸起，所述孔/凸起和所述切削刃与刀头一体形成，其中，孔或凸起至少部分形成在刀头的一个整体内部部分中，且由比制造刀头中其余外部部分的材料具有更高韧性的材料形成。
根据本发明的又一方面，提供一种用于制造旋转切削刀头的方法，该刀头具有圆形基本形状且具有至少一个切削刃，以及一个用以与用于紧固的装置配合的孔或凸起，所述孔/凸起和切削刃与刀头一体形成，其中，具有第一含量金属粘结剂的硬质合金粉末与一塑性粘结剂混合，之后将混合物注入一模塑机中并将其加热至适当的温度，然后将在高压和某一温度下的混合物注入第一模具内，该第一模具包括第一凹槽和一个用于成形具有至少一个孔的芯体的塞栓，之后，所述混合物在第一模具中固化，随后所述芯体在模塑机中被第二模具包围且借助所述至少一个孔定位于第二模具中，注入包括具有较小第二含量的金属粘结剂和塑性粘结剂的第二混合物并将其加热至适当的温度，所述第二模具包括直接或间接形成至少一个切削刃、至少一个排屑面、一个支承面和一个或多个芯体的部分，以用于成形所述刀头，之后，所述第二混合物在第二模具中固化，随后将刀头从所述第二模具中拔出并对其进行烧结，并且能够对刀头进行精加工。
附图说明
图1以局部剖面形式显示了本发明的一种钻具。
图2以侧视图形式显示了本发明的一种刀头。
图3以另一侧视图形式显示了本发明的刀头。
图4以底视图形式显示了所述刀头。
图5显示了沿图3中线V-V的剖面。
图6显示了本发明中刀头的另一个实施例的与图5中类似的剖面。
图7显示了本发明中刀头的另一个实施例的与图5中类似的剖面。
图8以侧视图形式显示了本发明的一个钻体。
图9以顶视图形式显示了所述钻体。
图10以放大侧视图形式显示了所述钻体的一个端部。
图11以底视图形式显示了一种用于制造本发明刀头的装置。
图12显示了沿图11中线XII-XII的剖面。
图13以对应于图11的剖面的形式、显示了在第二制造步骤中的装置。
图14以沿图13中线XIV-XIV的剖面的形式、显示了第二制造步骤中的装置。
图15以分解视图的形式显示了本发明中刀具端部的另一个实施例。
具体实施方式
图1所示实施例的本发明的刀具为一种螺旋钻，在这种情况下，该螺旋钻包括一个刀头10，一根柄杆11，一个刀体12，一个锁紧螺钉50，一根弹簧51以及一个止动螺钉52。通过这种刀具，尽管可以使刀体固定在钻机中，但是其也可以松开以更换所述刀头。在美国专利申请No.5,947,660以及欧洲专利申请No.96913765.2中也已披露了这种钻具，因此这些文献可在本申请的说明书结合使用。
刀头10在远离钻具体12的端部设有至少一个切削刃19，该切削刃是根据使用的面积设计出的。因此，在为端面铣刀时，所述切削刃基本上是直的且平行于切削部分的纵向中央轴线，而在为球端端面铣刀时，切削刃则是圆形的。在附图中的切削部分10的前端具有一个用于钻孔的切削刃19，该切削刃包括一凿尖24。
刀头10和刀体12包括与WO 9900208 A1一致的支承面22和前表面14，文献WO 9900208 A1可在本申请的说明中结合使用。
刀头10是由注塑硬质合金制成的。如图2-4所示，所述刀头包括两个上部排屑面15，一个支承面22以及相连的第一曲面17和第二曲面18。所有这些面和相连的刃均是由注塑硬质合金制成的。在第二曲面或容屑槽18与排屑面15之间的交会线最好通过未示出的加强斜面形成主切削刃19。在第一曲面17和容屑槽18之间的交会线形成了辅助主切削刃20。作为可选择的方案，所述容屑槽可以适用于一种具有直容屑槽的刀体。刀头的最大直径等于辅助切削刃20的径向端点之间的径向距离。刀头的高度大致等于所述直径。支承面22的最大直径最好小于刀头的最大直径，以便在机加工中能够实现排屑。渣孔23从支承面22开始经过刀头大致平行于中央轴线CL延伸，且终止于相应的上部排屑面15。渣孔在中央轴线的每一侧均与中央轴线CL垂直交叉。
支承面22具有圆形基本形状并包括两个槽部22A，22B。每一个槽部均基本上覆盖了整个支承面22且包括多个彼此独立的、相同的排屑槽。在槽部分中的这些槽具有两个彼此垂直的主方向。基本上在两个槽部分22A，22B中的每一个槽均在两个位置处与夹持器的罩面相交。每一个槽均是细长形的且剖面为大致V形。每一个槽均具有两个侧面，这些侧面通过陡的或弧形的过渡区连接至底部。所述侧面彼此形成锐角。该角度范围为40°-80°，最好为55°-60°。每一侧面最好为平面状，且通过一个在内侧的、坡度较小或较陡的钝角过渡区连接至相关的侧面上。在每一槽部分中槽的数量取决于如何形成夹持器的前表面，且槽的数量的选择范围为5-20个。槽部分22A，22B的结构应能够提供远大于其为平面时的特定表面。槽部分22A，22B在支承面22上占据有至少80％，最好为90-100％的可使用区。刀头具有一个盲孔，该盲孔具有与柄杆11的螺纹自由端结合的内螺纹25。因此，能够提供朝向钻孔的转动轴线的切削刃。在图4中所示的实施例中，槽部分22A，22B是通过直接加压和烧结或通过磨削形成的。
刀体设有容屑槽18a，其沿距中央轴线CL一定距离的螺旋路径跟随着钻具的凸出刀刃设置。容屑槽可以沿整个刀体或沿刀体的一部分延伸。另外，容屑槽可以是直的。
刀体12在朝向刀头10的端部设有一个前表面14，该表面抵靠在刀头10的支承面22上。所述前表面的最大直径小于刀头的最大直径，但最好等于刀头的最小直径。刀体具有清渣槽23A。刀体12可由钢，硬质合金或高速钢制成。刀体12的一个自由端或尾部往往被固定在钻具中的一根可转动心轴(未示出)中，而相对的另一自由端面则包括一个前表面14和一个孔15A。柄杆的自由端经孔15A伸出。前表面14具有圆形的基本形状，并包括两个槽部分16A，16B。每一个槽部分均占据了大致半个前表面14，且包括多个彼此独立、相同的槽。在槽部分中的槽具有两个彼此垂直的主方向S1，S2。辅助槽部16A邻接第一槽部16B。实质上，在第一槽部16B中的每一个槽均在两个位置处与夹持器的罩面相交，同时，在辅助槽部16A中的每一槽实质上在一个位置处与夹持器的罩面相交。每一个槽均是细长形的且剖面为大致V形。每一个槽均具有两个侧面，这两个侧面通过陡的或弧形过渡区连接至底部，且宽度为W。所述侧面彼此形成锐角。该角度范围为40°-80°，最好为55°-60°。每一表面最好为平面形且通过一个在内侧的、坡度较小或较陡的钝角过渡区连接至相关的侧面上。在每一槽部分中槽的数量取决于如何形成刀头的支承面，且槽的数量的选择范围为5-20个。另一方面，所述底部可具有大约0.2-0.4mm的半径。槽部分16A，16B的结构能够提供远大于其为平面时的特定表面。槽部分16A，16B占据了前表面14中可使用区的至少80％，最好为90-100％。
在图9所示的实施例中，第一槽部16b是通过滚铣或磨削制成的，且送进方向与方向S2平行。其次，辅助槽部16A是通过相同的刀具、以与方向S1平行的方向制成的。为了在辅助槽部16A的每一个槽中获得足够的深度，可以将刀具略微送入第一槽部16B内。随后，所述刀具也对第一槽部16B的材料进行加工，例如如图9所示，其中，在第一槽部16B中的辅助槽部16A的末端形成完全或部分金字塔形凸起。在所示的实施例中，辅助槽部16A的面积应略大于第一槽部16B的面积。在安装时，应使刀体和刀头中槽部分的槽的配合应以便清渣槽与容屑槽在相应的部分彼此对准。
刀头10在刀体12上的安装应按如下方式进行。使柄杆进入尾部的钻孔中且通过刀体12，直至柄杆的前部从前表面14的中央伸出。随后，插入弹簧51且向内拧入止动螺钉52。由于使用者通常仅需要更换刀头，因此，所述安装为一次性操作。接着，使螺纹端面进入槽25内，之后转动刀头并使其拧至柄杆上。之后，用手使刀头的支承面22与前表面14接触，以便在刀体12和刀头10中槽部分的槽和清渣槽以及容屑槽彼此对准。通过转动锁紧螺钉50使刀头10牢固地抵靠在前表面上，即实现图1中的位置。此时，刀头10以令人满意的方式被固定在刀体12上。在此位置的柄杆实质上用于在刀具从机加工孔中缩回时夹持刀头，同时边缘和槽能够接收在切屑排出时产生的力和力矩。但是，从柄杆产生的力的大小应足以避免当缩回时在刀头和刀体之间的连接点处产生间隙。
在这种连接中应指出的是，在刀头和柄杆之间的螺纹连接具有两个目的，即：在安装时，使刀头10位于刀体上的固定位置处，且在切削刀具体的使用时，能始终确保将刀头10固定在其固定位置处。
当必须更换刀头10时，采用与上述步骤相反的过程，从而能够从刀体12上拆下并更换刀头10。
本发明也适用于铣刀。例如Al2O3，TiN和/或TiCN层最好涂敷在刀头上。在某些情况下，能够发现在切削边缘上钎焊如CBN或PCD这样的硬质材料也可取得良好的效果。同样，除了一根中央柄杆以外，可以使用其它的夹持装置；例如，可以通过如在美国专利No.5,988,953或在图15中所示的卡口接头来夹持刀头。
另外，还应指出的是，上述实施例涉及相对于刀具纵向轴线或工件的中央轴线可转动的刀具以及与所述刀具一起转动的夹持装置。所述实施例也可是固定式的，但随后可以与一个旋转工件结合。
至此，本发明实质上已经披露了如在WO 9900208 A1中描述的现有技术。根据本发明，所述刀具和刀头的新特征在于，提供一种最好用于钻孔或铣削的刚性刀具，在这种情况下，与刀头的每一径向内部40-40相比，承受相对较高切削速度的刀头的每一径向外部41-41具有更好的耐磨性。同时，盲孔25由具有高韧性的硬质合金制成，其能够承受较高的应力，参见图5-7。这一点是通过在高压及大约180℃的一定温度下、利用第一混合物经入口62填入一个用于注塑的第一模具60实现的。所述模具包括一个第一圆柱形或椭圆形内腔或槽，其分别用于具有图5和图6所示外部形状的刀头；以及一个位于中央的外螺纹芯体65。参照附图11-13对所述方法作更详细地说明。其中，显示了根据本发明的、图7中的刀头41”的另一种可选择的实施例。在该实施例中，在根据图11所示的底视图中，所述内腔的轮廓形状具有花生或沙漏的外形状，以形成一个包围渣孔23和盲孔25的芯体61。所述模具60包括一个形成螺纹盲孔25的外螺纹塞栓65。当在注塑加工的第一阶段期间，塞栓和略微呈锥形的芯杆66由液体混合物包围时，形成了所述渣孔和盲孔。所述混合物包括具有较高钴含量的硬质金属粉末和粘结剂，例如塑料，其被混合且形成小球或颗粒形状。由此形成了一个具有渣孔23和内螺纹25的芯体61。随后，在冷却后由图13和14中的一个用于注塑的第二模具63包围，参见图13和14，最好通过利用新的夹板来代替在第一次注入中使用的两块第一夹板进行。第二模具63包括用于形成容屑槽和刀头的其它部件的部分。在第二次注入期间，锥形芯杆66用于固定插入件。结果，将芯体61固定在第二模具的中央。之后，经入口64将第二混合物67注入第二模具中。第二混合物67与第一混合物最主要的不同之处在于在第二混合物中钴的含量较小。金属粘结剂的不同之处在于1-10重量百分比组份的范围。此处，应理解术语“钴”为这样一种金属粘结剂，该粘结剂可被替换为或包括其它金属，例如镍Ni。另外，通过从第一次注入开始，仅改变成形夹板，便能够使用现存的机器。由于芯杆可与芯体61结合使用且在随后的处理期间能够对芯杆进行定位，因此，能够提供理想的制造方法。在图14的位置处，无需螺纹塞栓65。在注塑成型的第二个步骤之后，已获得了一个用于刀头的坯件，经过冷却后，该坯件在烧结之后限定了内部部分40”，同时第二种混合物67构成了外部部分41”。首先从成形部分除去塑性粘结剂，随后对所得的压模制品进行烧结。加工刀头的下侧，从而刀头的下侧能够获得上述蜂窝状图形22。
另外，借助这一方法，可以不受传统成形加压方法的限制来选择刀头的形状。例如，可以在至今仅能够放在地上的表面上形成断屑台。
图15显示了本发明中钻具的另一种可选择方案。所述钻具具有钻体12’和钻头10。所述钻体和钻头通过一种已知的卡口接头彼此相连。由于刀头10的内部部分40具有一个限定了较锐利的凹入角部，因此，内部部分40应由具有更高韧性的硬质合金材料制成。在图15中，所述具有更高韧性的材料被标为灰色。在上述具有更高韧性的硬质合金材料的外侧沿径向设有更耐磨的硬质合金材料41，所述刀头10可设有清渣槽。应理解，虽然在图15中的钻具的剖面非常类似于图6中的剖面。但是其也可以如图5或7那样制成。
因此，刀头包括至少两种硬质金属特性，一种是在内部部分40-40中具有坚韧但耐磨性较低的特性，一种是在外部部分41-41具有更脆、更耐磨的特性。刀头由注塑制成，且至少两种金属特性具有相同的收缩率，因此，消除了可由传统加压成形产生的在外部存在的破裂或在内部存在的缩孔。在四种可选择的实施例中已给出了刀头，其中两种(图5和7)具有一个整体内部部分，该整体内部部分除了送入方向和缩回方向以外完全由所述外部部分包围，而两种(图6和15)具有一贯穿的内部部分，该内部部分未由所述外部部分完全包围。在内部部分和外部部分之间钴含量的差异在于1-10％的重量百分比。其中，所述内部部分由含有重量百分比为6-20％的钴的材料制成，而所述外部部分中的材料含有重量百分比为5-15％的钴。在两个实施例中，内部部分40，40’均不会到达渣孔23。第四个实施例(图15)根本未披露清渣槽。刀头的内部部分由一种具有更高韧性的硬质合金制成，以便其螺纹25/凸起25’将承受较大的应力，以便如凿尖24这样的切削前端21将承受较低的切削速度。
本发明无论如何也不应局限于以上披露的实施例中，相反在所附权利要求的范围内可对本发明进行任意的改进。

Claims (10)

1.一种用于相对于工件进行旋转切削的刀具，其包括：一个刀体(12)、一个刀头(10-10)以及紧固装置，具有一个前表面(14)的所述刀体和具有一个支承面(22)的所述刀头可分离地彼此邻接，所述刀体具有一个柄杆部分，所述刀头由注塑硬质合金制成且包括至少一个切削刃(19)和一个用以与紧固装置配合的孔(25)或凸起(25’)，所述孔/凸起和切削刃与刀头(10-10)一体形成，其特征在于：孔(25)或凸起(25’)至少部分形成在刀头的整体内部部分(40-40)中，且由比制造刀头中其余外部部分(41-41)的材料具有更高韧性的材料制成。
2.根据权利要求1所述的刀具，其特征在于：所述孔(25)为中心盲孔，并包括内螺纹，且切削刃(19)的中央部分由所述具有更高韧性的材料制成。
3.根据权利要求2所述的刀具，其特征在于：所述具有更高韧性的材料包围所述孔(25)。
4.根据权利要求1所述的刀具，其特征在于：刀头的整体内部部分(40；40”)除了沿送入方向和缩回方向以外完全由所述外部部分(41；41”)包围。
5.根据权利要求1所述的刀具，其特征在于：所述刀头(10’)具有一个贯穿的内部部分(40’)，该内部部分(40’)部分地由外部部分(41’)包围，或刀头(10”)具有一个贯穿的内部部分(40”)，该内部部分(40”)包围所述孔(25)。
6.一种用于旋转切削的刀头，该刀头(10-10)具有圆形基本形状且具有至少一个切削刃(19)，该切削刃与刀头(10-10)一体形成，所述刀头在远离切削刃的端部设有一个支承面(22)，所述刀头由注塑硬质合金制成且包括一个用以与紧固装置配合的孔(25)或凸起(25’)，所述孔/凸起和所述切削刃与刀头一体形成，其特征在于：孔(25)或凸起(25’)至少部分形成在刀头的一个整体内部部分(40-40)中，且由比制造刀头中其余外部部分(41-41)的材料具有更高韧性的材料形成。
7.根据权利要求6所述的刀头，其特征在于：所述孔(25)为中心盲孔，且包括内螺纹，切削刃(19)的中央部分由所述具有更高韧性的材料制成。
8.根据权利要求7所述的刀头，其特征在于：所述具有更高韧性的材料包围所述孔(25)。
9.根据权利要求6所述的刀头，其特征在于：所述整体内部部分(40-40)完全或局部由所述外部部分(41-41)包围，或所述刀头(10”)具有一个贯穿的内部部分(40”)，该内部部分包围所述孔(25)。
10.一种用于制造旋转切削刀头的方法，该刀头(10-10)具有圆形基本形状且具有至少一个切削刃，以及一个用以与用于紧固的装置配合的孔(25)或凸起(25’)，所述孔/凸起和切削刃与刀头(10-10)一体形成，其特征在于：具有第一含量金属粘结剂的硬质合金粉末与一塑性粘结剂混合，之后将混合物注入一模塑机中并将其加热至适当的温度，然后将在高压和某一温度下的混合物注入第一模具(60)内，该第一模具包括第一凹槽和一个用于成形具有至少一个孔的芯体(61)的塞栓(65)，之后，混合物在第一模具中固化，随后所述芯体(61)在模塑机中被第二模具(63)包围且借助所述至少一个孔定位于第二模具(63)中，注入包括具有较小第二含量的金属粘结剂和塑性粘结剂的第二混合物并将其加热至适当的温度，所述第二模具(63)包括直接或间接形成至少一个切削刃、至少一个排屑面、一个支承面和一个或多个芯体的部分，以用于成形所述刀头，之后，所述第二混合物在第二模具中固化，随后将刀头从所述第二模具中拔出并对其进行烧结，并且能够对刀头进行精加工。
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