CN1787892A - 切削工具镶件及制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及切削工具镶件，其中包括硬质材料(研磨或超级研磨材料)的磨料刀片通过机械力被结合到镶件本体，所述机械力是通过在所述磨料刀片和所述镶件本体上的配对几何特征的变形来生成的。本发明还指出了用于形成切削工具镶件的方法。所述方法包括提供磨料刀片和镶件本体，它们各自具有配对的几何特征。然后，通过所述各自配对的几何特征，所述磨料刀片被接合到所述镶件本体，所述几何特征使所述配对特征中的至少一个变形。所述变形提供了足以在所述镶件本体中保持所述磨料刀片的机械力。

Description

切削工具镶件及制造方法

相关申请的交叉引用：本申请要求于2003年10月22日提交的美国申请No.10/690,761的权益，该美国申请要求了于2003年5月14日提交的临时专利申请No.60/470,306的权益，并且这两个申请全部在此引入作为参考。

背景

发明领域

本发明涉及切削工具镶件(insert)，其中包括磨料/超级磨料材料的磨料刀片(abrasivetip)通过机械力被结合到镶件本体(insert body)上，所述机械力是通过在磨料刀片和镶件本体上的配对几何特征的变形来产生的。

相关领域的描述

机加工工具、切削工具、锯削或者钻削工具经常提供可拆卸的镶件，所述镶件包括常规的材料，例如烧结碳化物、陶瓷(例如，Si₃N₄、TiC-Al₂O₃复合材料)以及高速钢。如图1中所图示，镶件1通过螺丝或者其他夹紧机构4被牢固地保持并锁定在工具固定器5中。在机加工操作中，所述镶件被保持与工件接触并且最终磨损到它要求更换的时候。按照定义，镶件是机加工工具系统的用完即可丢弃的部件。

含有金刚石(例如，多晶金刚石或PCD)和/或立方氮化硼(例如，多晶立方氮化硼，PCBN)的超级磨料材料提供了超过常规材料的增强的机加工性能(工具寿命、表面光洁度、公差能力等)，并且还被广泛使用为工具镶件。由于超级磨料材料的高材料成本，制造技术已被发展和优化来降低超级磨料在镶件上的使用量(以mm²计)。一种这样的技术是同样在图1中示出的“制成刀片的镶件(tipped insert)”的制造。所述制成刀片的镶件由镶件本体3和超级磨料材料的磨料刀片2组成，其中所述镶件本体一般由烧结的碳化钨制成。所述超级磨料刀片2通过铜焊方法被附着到所述镶件本体的角或者边上。铜焊提供足够的结合力来经受切削力和热量，并且对于附着小的磨料刀片而言，铜焊是方便的。

多晶金刚石(“PCD”)和立方氮化硼(“PCBN”)通常被制造成结合烧结碳化物，以形成双层盘(two-layer disk)，其中PCD或者PCBN在一侧，而烧结碳化物在另一侧。这样做易于通过铜焊附着来制作镶件。PCD或者PCBN刀片的碳化物侧容易被铜焊到碳化物的刀片固定器(holder)上，以制成现有技术的铜焊镶件。将PCD或者PCBN直接铜焊到碳化物上是富有挑战性的，因为铜焊金属必须遍布并且结合相当不同的材料。

虽然现有技术的铜焊方法确实降低了制造超级磨料镶件的材料成本，但是所述的工艺，并且尤其是铜焊操作本身，是劳动密集型的。在这种工艺中，如图2中示出的那样，磨料盘(abrasive disk)11通过EDM、EDG或者其他工艺来机加工成所需的形状(例如，80°的三角形)，形成磨料刀片12。在镶件本体13中磨削尺寸合适的凹座(pocket)，以形成用于附着所述磨料刀片的位置。所述磨料刀片的底部后缘可以被切成斜面，以避免不切成斜面时应力累积在磨料刀片将与镶件本体13接合的尖锐棱角上的情况发生。在下一步骤中，铜焊材料14(一般为金属糊、粉或箔)被放在被切成斜面的磨料刀片15和加工了凹座的镶件本体16之间。焊剂材料可以被施加来抑制铜焊氧化。所述组件被加热到导致所述铜焊材料熔化的超过所述铜焊材料液相线的温度。一旦冷却，所述金属就凝固为结合所述磨料刀片和镶件本体的薄膜，形成半成品的镶件17。然后，可以将所述镶件的边缘磨削到最终的尺寸和锐度(sharpness)来生产最终的镶件18。所述铜焊工艺是劳动密集的，因为当熔化时，由于需要确保良好的结合，操作者不得不密切注意接合界面(例如，磨料刀片、铜焊界面层以及镶件本体)，并且重新定位这些材料。由于易变的铜焊金属流以及对这种手动定位的要求，磨料刀片在镶件本体中的最终位置以及它的附着质量都可能是变化的。

铜焊工艺中的困难是，不同组成或者颗粒尺寸的工具材料常常要求不同的铜焊条件，例如，温度、时间、铜焊金属配方。此外，铜焊不同的材料(例如，将立方氮化硼刀片铜焊到烧结碳化物镶件本体)要求专门的铜焊合金和条件，使其能够在同一个加工周期中能够同时结合两种材料。已知PCBN和PCD是难以被铜焊浸润的，除非将活泼金属(例如，Ti或者Fe)掺入到该金属配方中。而这样的活泼金属是氧化敏感性的，并且可能要求使用惰性气氛或者真空炉或者非常快的感应铜焊(induction brazing)来改进所述结合。它们还需要较高的温度，而这种较高的温度可能导致超级磨料材料的降级。

常规铜焊镶件另一个缺点是，一旦形成，在后续的工艺步骤中(例如，镶件的化学气相沉积(CVD)涂敷)，它们就不能被加热到超过铜焊金属的升华或者液相线温度。在铜焊合金中使用的低熔点金属(例如，Sn、Zn)是挥发性的，而且铜焊以后的热处理将削弱铜焊结合和/或污染真空部件。此外，在铜焊期间，来自热膨胀/收缩周期的对磨料刀片或者镶件本体的损害是可能的，这要求铜焊温度和时间被保持在最低限度。在一些场合中，重新铜焊刀片来弥补铜焊缺陷或者重新磨削刀片是不可能的。而且，切削期间在刀片处所生成的热量可能损害铜焊附着，使得所述刀片在固定器中被移位，这又将中断切削操作。

在现有技术中有多篇关于排除了铜焊要求的专用工具的文献，包括名称为“CuttingTool with Insert Clamping Mechanism(具有镶件夹紧机构的切削工具)”的美国专利No.5,829,924，名称为“Throw Away Cutting Tool(抛弃型切削工具)”的美国专利No.4,909,677，名称为“Throw Away Tipped Drill Bit(抛弃型制成刀片的钻头)”的美国专利No.5,154,550，以及名称为“Tool System for Precision Slotting(用于精确插削的工具系统)”的美国专利No.4,558,974。所有这些专利引入本文作为参考。现有技术的教导依赖于镶件和工具固定器的准确并且复杂的几何结构来确保所述镶件在操作中被所述工具固定器牢固地抓紧。这些文献采用在工具固定器中保持镶件而不是在所述镶件本体本身中保持磨料刀片的机械装置。

最近，在商业上已经获得了在制成刀片的镶件中排除铜焊要求的一种解决方案，并且在图3中示出。所述镶件系统结合了可重复使用的镶件本体，其中所述镶件本体本身起着保持磨料刀片的夹具的作用。如图所示，所述镶件本体沿中央垂直面被切开，将一个角上的一组卡爪连接到在相对角附近的释放孔(relief hole)。所述释放孔以及中央垂直切口允许所述卡爪在所述镶件本体的水平面内可逆地运动。所述镶件组件与专门设计的工具固定器一起使用，当夹紧机构被上紧时，所述工具固定器强迫所述镶件回到V形块中，将所述镶件本体上的卡爪挤在一起，并且在机加工操作期间，牢固地将所述磨料刀片保持在适当的位置上。从所述工具固定器移走所述镶件，使得所述镶件本体弹回到它的原始状态，使得所述卡爪张开，以便所述刀片能够被移走和替换。在被夹进所述镶件本体中以前，磨料刀片经过精整磨削(即，被斜切(chamfered)、磨锋和/或珩磨(honed))。

由于以上所描述的镶件可重复使用的性质，所述镶件本体的变形以及由此产生的夹紧力必须是可逆的。如果所述镶件本体上的卡爪被撬开或者被强迫合在一起到这样一个程度，即所述镶件本体材料在相对于所述卡爪的角上发生屈服(yield)，它将不会弹回到它的原始状态。然后，替换的磨料刀片总是不得不被制成具有越来越大(或越来越小)的配对特征来适合所述镶件本体，在所述磨料刀片的制造以及镶件系统的应用方面造成了相当大的复杂性。另一个缺点是，这种设计使得镶件本体被限制到只能固定一个磨料刀片。因此，所述镶件不能是分度的(indexed)，例如，在所述工具固定器中被旋转以使用另一个角作为切削刃。它必须被移出并且被重新装上替换的磨料刀片，增加了在操作中的停机时间。最后，由于磨料刀片是与可重复使用的镶件本体分开来被磨削精整的，磨料刀片之间的尺寸差异被传递给了该组装的镶件。这可能就要求在每次更换磨料刀片的时候都需要针对工件重新校准切削刃的位置，否则的话，就存在将磨料刀片中的尺寸差异传递到被机加工部件的风险，其结果是导致尺寸能力(dimensional capability)降低和零件废品率增加。

因此，存在对改进的、廉价的、方便的、通用的镶件系统的需求，在没有增加现有技术的非铜焊镶件的复杂性以及限制其效用的情况下，所述镶件系统消除了与铜焊相关联的问题和成本。还存在对简单并且在尺寸上精确的镶件的需求，所述镶件需要极少的用于尺寸控制和磨锋的后续磨削。最后，存在对这样的镶件系统的需求，即，所述镶件系统使得磨料刀片和镶件本体材料能够在不考虑它们的铜焊兼容性的情况下被选择，允许磨削那些组装的镶件，并且使得后处理能够在高温下进行(例如，CVD涂覆或者通过经热处理的硬化)。

概述

本发明涉及切削工具镶件，其中包含硬质材料的磨料刀片通过机械力与镶件本体结合。所述机械力可以通过在所述磨料刀片和镶件本体上的配对几何特征的变形来生成。

本发明还涉及形成切削工具镶件的方法。所述方法包括以下步骤，即通过机械力，优选通过使得在磨料刀片和镶件本体上的配对几何特征变形来将包括硬质材料的磨料刀片结合到镶件本体。

附图说明

图1是以顶视图和侧视图表示的用于车削的一个实施方案的工具结构。

图2是示出形成现有技术的铜焊工具镶件的多步骤方法的图。

图3是现有技术非铜焊镶件的照片。

图4是示出为了形成本发明的工具镶件的实施方案，将磨料刀片机械地结合到镶件本体的本发明方法的一个实施方案的图。

图5A和5B示出本发明的两个实施方案的顶视图，一个互锁的实施方案和一个非互锁的实施方案。

图6A和6B是示出通过本发明的压配合实施方案制得的镶件的透视图。

图7是本发明另一个实施方案的透视图，其中磨料刀片和镶件本体具有用于机械结合的配对并且互锁的圆形特征。

图8A、8B和8C示出本发明的镶件的一些实施方案的透视图，图8D、8E和8F示出本发明一些实施方案的顶视图。

图9是比较图5和6中利用互锁的燕尾几何结构的压配合镶件和现有技术中铜焊镶件的切削寿命的图，以每0.001”的刀片侧面磨损(flank wear)所去除的钢的英寸数计。

图10是比较本发明工具(如图6-7所示的那样)和现有技术工具的机加工性能的图，以每0.001”的侧面磨损所去除的钢的英寸数来测量。

详细描述

在此所使用的术语“镶件”是指碳化钨或者可选择的切削材料的部件，所述部件被机械地保持、铜焊、焊接(solder)或者熔焊(weld)在模具或者切削工具上的位置中，并且当用坏时被丢弃，而将其他的“镶件”安装在它们的位置中。图1中示出了一个实施例。亦可见“Dictionary of Machining(机加工字典)”(Eric N.Simmons，Philosophical Library，纽约，1972)。

在此所使用的术语“工具固定器”是指这样的刚性体，其将一个镶件或者多个镶件牢固地保持在适当的位置，从而使这些镶件能够在车削、铣削、镗削、切削或者钻削应用中(参见，例如图1，图5)被利用。

在此所使用的术语“制成刀片的镶件”是指由本体(在此是指如图1中的镶件本体并且图示为物品3)和某些硬质切削合金的刀片(在此是指如图1中的磨料刀片并且图示为物品2)构成的切削工具。亦可见“Dictionary of Machining(机加工字典)”。制成刀片的镶件使得昂贵的材料能够被经济地用于切削难切的材料，而以整体工具的形式使用这些昂贵的材料的成本要多得多。

在此所使用的术语“配对几何特征”是指在镶件本体和磨料刀片上的特征，这些特征能够通过机械力接合(或者允许接合)所述镶件本体和磨料刀片，例如，具有被成形来安装在另一部件的母特征中的公特征的刀片。所述配对几何特征可以具有相似的轮廓，例如圆形的公特征配合在圆形的母特征内，或者是不一样的轮廓，例如，方形的公特征配合在圆形的母特征内。如果形成的尺寸恰当，所述公和母部件能够生成干涉配合。

在此所使用的术语“干涉配合(interference fit)”是指在配对几何特征之间的尺寸失配导致一个或两个特征在接合时变形。所述的变形可以是弹性的和可逆的，或者塑性的和不可逆的，所述变形在零件之间产生大的法向力和摩擦力。

在此所使用的术语“可逆变形”是指由于负载的施加在物体中造成的物质流，所述负载低于所述物体所包含的材料的屈服强度。当所述负载被移走时(或者，例如，压配的物体被分开)，所述物体将回到其原始尺寸。

在此所使用的术语“不可逆变形”是指由于负载的施加在物体中造成的物质流，所述负载高于所述物体所包含的材料的屈服强度。当所述负载被移走时(或者，例如，压配的物体被分开)，所述物体将不回到其原始尺寸。

在此所使用的术语“互锁的几何特征”是指在所述磨料刀片和镶件本体上配对几何特征，其中，母特征在离所述磨料刀片上的切削刃较近的某个距离x上的横截面积比它在离所述磨料刀片上的切削刃更远的某个距离x+y上的横截面积要小。互锁的配对几何结构的说明性实施例被图示在图5A中(41-44)。非互锁的配对几何结构的说明性实施例被图示在5B中(45-48)。

在本发明中，通过由磨料刀片和镶件本体上配对几何特征的变形所生成的力，磨料刀片被机械地与镶件本体结合，产生具有任何各种形状、尺寸或者厚度的镶件，这些镶件可附着到各种各样的工具固定器上，用于车削、铣削、镗削、锯削以及钻削应用中。本发明的所述新颖的机械结合的镶件可以包括多个磨料刀片(仅受镶件形状限制)，而不需要外部的夹具、体楔(body wedge)，也不需要紧固装置的约束。

本发明的用于工具镶件的磨料刀片。所述磨料刀片可以包括任何能够被使用于机加工、切削或者钻削应用中的材料，包括但不限于氮化硅、碳化硅、碳化硼、碳化钛-氧化铝陶瓷，例如碳化钛、熔融氧化铝、陶瓷氧化铝、热处理过的氧化铝、氧化铝氧化锆、铁氧化物、碳化钽、氧化铈、石榴石、烧结碳化物(例如，WC-Co)、人造和天然金刚石、氧化锆、立方氮化硼，这些材料的层压件(laminate)，它们的混合物及复合材料。这些材料可以是单晶或者烧结多晶体的形式。通常，所述磨料刀片可以是任何比工件原料所包含的材料更不易变形的(更硬的)或者更耐磨的材料，并且一般要比所述镶件本体的材料更耐磨。

在本发明的一个实施方案中，磨料刀片可以与镶件本体具有相似的厚度。这种组合允许使用来自一个经机械方式结合的磨料刀片的顶部和底部切削刃。这些厚的刀片可以是单晶、烧结多晶体，或者与所述组件的上和下层上的研磨材料的层压体的形式(图6B，72、73、75)。

包括多晶金刚石(PCD)或者多晶立方氮化硼(PCBN)的磨料压坯(compact)或者毛坯(blank)可由多个来源从商业上获得，包括俄亥俄州沃辛顿的戴蒙得创新股份有限公司(Diamond Innovation，Inc.)，商品名分别为COMPAX^和BZN^。PCD和PCBN压坯可以是自粘结的，或者可以包括大约5％到80％(体积)的合适的粘结基体(bonding matrix)。所述粘结基体通常是例如钴、铁、镍、铂、钛、铬、钽、铜的金属或者其合金或混合物和/或其碳化物、硼化物或者氮化物或其混合物。所述基体另外还可以含有再结晶或者生长催化剂，例如，用于CBN的铝或者用于金刚石的钴。

在本发明的一个实施方案中，所述压坯是厚度为1到15mm的PCBN盘。在第二个实施方案中，所述PCBN压坯优选厚度为约1.6到6.4mm。所述压坯的形成可以通过本领域已知的方法来进行，包括放电加工(Electro Discharge Machining(EDM))、放电磨削(Electro Discharge Grinding(EDG))、激光、等离子以及水喷射。切割部件的几何结构可以被预先确定并且被电脑控制来保持精密公差。

在一个实施方案中，所述PCBN毛坯通过磨料水喷射的方式来成形。在本发明的另一个实施方案中，所述PCBN毛坯根据预先确定的电脑控制的图形被激光蚀刻在所述表面的所选择位置上，例如，形成多边形，其中两个边形成具有5.0mm切削刃长度的80°的三角形，并且为了后续的与镶件本体中的配对特征的互锁，剩下的直边形成锯齿形。

在本发明的一个实施方案中，所述磨料刀片具有0.5mm到25.4mm的长度“a”的切削刃，包括在任何参考面上构成20到90°的角度。在第二实施方案，所述磨料刀片的厚度为约0.5mm到7mm。所述磨料刀片可以是圆形、椭圆形、八边形、六边形、部分或完整的环形(图8D中的78)，或者任何在切削工具中使用的形状或尺寸。

根据本发明的多个制成刀片的镶件可以由分别配合的磨料刀片来形成，如图8B所示，其中刀片74从镶件本体84上的母特征的相对侧插入。可选择地，如图6B和7所示，具有与镶件本体32相似的厚度的单侧、双侧或者实心的(solid)(即没有被支撑的)磨料刀片31总是可以通过所述母特征被压紧，以在所述镶件的顶部和底部上形成切削刃。

在如图8E所示的另一个实施方案中，磨料刀片79可以被插进镶件本体87，在“孔”中，在所述的边或者角上没有露出的刀片。为切削而暴露的硬质刀片材料的量会由精整磨削来确定，由此，消除了对在镶件组装以前精确地预成形所述刀片的需要，将需要被磨削的硬质材料的量减到最少。

本发明的工具镶件。如上所述的磨料刀片可以被使用在工具领域中已知的具有多种形状和三维形式的工具镶件中，包括但不限于如图1和5中所示的方形的ANSI镶件形状指定，三角形(Triangle)、菱形(如图8F中所示的斜方形)、平行四边形、六边形、八边形、五边形、三角(Trigon)、长方形，如图8D中以镶件86示出的圆形，圆环形及反形(inverse)，以及梯形(Trapezoidala)或者任何通常使用的厚度或内切(inscribed)直径尺寸。

在一个实施方案中，所述工具镶件本体被磨削成各种形状，包括本领域已知的珩磨头、斜面、刮器(wiper)(多个刀尖半径)、翘角、间隙角等，没有限制。在本发明的另一个实施方案中，所述工具镶件本体可以包括碎裂图形(chip-breaking pattern)、对准孔，或者在它的本体中或本体上的斜面。

所述镶件本体可以由任何材料制成，包括但不限于烧结碳化物、钢、钛、塑料或者陶瓷，只要它的强度和刚性足以坚固地保持受到切削操作中有关的力和热量影响的磨料刀片，并且它不会在组件中破裂。

在本发明的又一个实施方案中，镶件本体包括高温可模制热塑性材料或者热固性材料，例如聚醚酰亚胺、聚酰胺、酚醛树脂等，这些材料具有足以保持金属切削期间有充分压紧作用的刀片的热、延展和强度性能。

在一个实施方案中，所述镶件本体的材料是一种耐热的、刚性的(高模量)、高强度的、高延展性的并且易于成形为精确的尺寸和形状的材料。在又一个实施方案中，所述镶件本体是烧结碳化物，包括钨、钛，或者钽的碳化物颗粒，或者其混合物，这些烧结碳化物用具有约6％到约25％(重量)之间金属(例如，钴、镍或者铁，或者它们的混合物或合金)的粘合剂来结合在一起。在另一个实施方案中，所述镶件本体包括金属材料，例如工具钢、不锈钢或者钛。

在一些情形中，其中刚性的而且硬的材料(例如，陶瓷或烧结碳化钨)被使用于所述镶件本体，并且取决于生成足够的保持力所需要的干涉配合的水平，在这样的材料中可能会引起破裂。在这些情形中，中间材料或者特征可以被使用来牺牲性地变形，降低硬而且易碎的镶件本体在组装时破裂的倾向性。如图8F所示，中间配对几何特征90和91被设置在磨料刀片89和镶件本体88之间。所述中间配对特征可以包括例如钢、钛，或者某一等级的具有比制成所述镶件本体的材料韧性更高的烧结碳化物的材料。

本发明的镶件本体以及相应的(母)特征可以通过本领域已知的任何方法来形成，包括EDM、EDG、激光、等离子、冲压以及水喷射。在本发明的另一个实施方案中，固定器可以通过被称作快速全向压制(Rapid Omni directional Compaction，ROC)的方法来形成，ROC是一种用于将高性能预合金的粉末固结成完全致密的零件的方法。针对一种产生具有精细微结构形状的方法，所述ROC方法在美国专利No.5,594,931中公开。

接合处的几何特征。在本发明的镶件中，存在无数种的可以被利用来将磨料刀片结合到镶件本体的几何布置。在切削过程中，因为所述磨料刀片在镶件的应用期间被更频繁地机械损伤，优选但不是必需地，在所述磨料刀片上具有公的(例如凸出的)几何特征，而在所述镶件本体上具有配对的母特征。这使得所述磨料刀片处于受压而非张紧的(tension)状态下。

图4-8示出本发明的多种实施方案，其中镶件本体(32，49，83-88)具有用于容纳磨料刀片(具有配对几何特征的31、41-48，72-82)的张开的或者母的特征。如图所示，所述配对几何特征可以是互锁的或者非互锁的。图5B是非互锁特征(45-48)的实施例。图5A、6和7是互锁特征的实施例。在许多应用中，互锁特征比非互锁特征更优选，因为它们沿除了插入方向之外的所有方向都提供了额外的保持力。图6A是以燕尾接合形式的互锁特征的实施例。

在本发明的又一个实施方案中(未示出)，所述磨料刀片具有喇叭形的凸榫或者唇，所述凸榫或唇与固定器上的配对插口(socket)紧密配合，以容纳所述磨料刀片上的唇，并且形成互锁的接合。在又一个实施方案中，所述接合或者配对表面可以具有圆形或者圆形图案，如图6B和7示出的那样，其中所述圆形通过消除尖角或者小半径(tight radii)，改进了切削率以及接合的韧性。在另一个实施方案中，磨料刀片44是“楔”的形式。这种几何结构不包括尖锐的边或者小转角(tight corner)，并且因此被优选用来附着相对于所述镶件本体非常小的磨料刀片。

磨料刀片与镶件本体接触的面积可以被改变，取决于对于所述刀片所要求的机械保持力。对于低速高切削率的应用以及非刚性的机床，可能需要更大的保持力。大的力要求在磨料刀片和镶件本体之间更大的接触面积和/或更大的过盈量。接触面积能够用形状，或者简单地说，与将只被用来保持所述刀片的刀片的那部分尺寸来调节。所述磨料刀片的细节(例如，形状、角度、尺寸、刀尖半径等)不依赖于所述镶件本体用于结合所述刀片的接触面积的细节。尺寸和粗糙度的不规则性(asperity irregularity)，例如在所述镶件本体的母特征中以及所述磨料刀片上的毛刺、粗糙，在一些场合中，改进了机械的夹紧度。

在本发明的一个实施方案中，所述磨料刀片是锥形的，例如，顶侧或者底侧在尺寸上比另一侧要小。锥形改进了磨料刀片在压配合或者冷缩配合(shrink fit)以前在镶件本体母特征中的对准。锥度可达10°或者更大，其中优选0.1到0.5°。过大的锥度降低了平均机械结合力，并且使得它集中在所述磨料刀片的某些区域上。所述力可以变得过于集中而使得所述刀片破裂，或者变得对于低而使得所述刀片在切削期间发生移位。不足的锥度使得预装配变得困难，增加固定装置在压配合或者冷缩配合时对不准和破损的可能性。所述锥形可以是任何轮廓，包括但不限于直线形、圆形或者弯曲形、双线形，或者多种形状的组合。

如图4、6B和7所示，在所述镶件本体中的母特征可以贯穿整个厚度，从而形成孔或者切口部分，并且使得切削刃位于所述磨料刀片的顶部和底部两个部位。在这种布置中，单个磨料刀片能够提供两倍的切削刃数，例如，图6B和7中镶件可以具有四个切削刃，而不是两个。可替换地，两个磨料刀片74可以被插进在镶件本体上的单个母特征中，如图8B中所图示的那样，在镶件的顶部和底部提供切削刃。在如图8C所示的另一个实施方案中，母特征(76、77)只是部分贯穿所述镶件本体。在如图8A所示的又一个实施方案中，母特征(72、73)没有穿透所述镶件本体的顶部或底部表面。

所述配对表面可以具有简单的几何结构，如在图8A中示出的刀片72和镶件本体83之间的那样，或者可以具有更复杂的几何结构，如同一幅图还示出的在刀片73和镶件本体83之间带螺纹或者倒刺的实施例中的那样。如图8A中示出的那样，在镶件本体中的母特征与在磨料刀片(72、73)上对应的特征的配对方向可以是水平的，或者如图7中示出的那样，是垂直的，或者是相对于镶件平面呈任何中间角度。

形成本发明镶件的方法。在本发明的方法中，磨料刀片主要通过由所述镶件本体和磨料刀片的配对几何特征的变形所生成的“机械”力来与镶件本体接合(例如，机械地结合于镶件本体)。也可能有在所述刀片与所述镶件本体接合的过程中所出现或者生成的其他力，例如，粘合力。但是，主要是所述机械力在镶件本体中牢固地保持磨料刀片。所述机械力能够通过许多技术来生成。

在本发明的一个实施方案中，如图4中示意性地示出的那样，针对“压配合”接合处，一种意外地简单并且有效的技术被使用来在所述镶件本体中固定所述刀片。如图中示出的那样，通过将配对几何结构对齐(line up)，并且通过所施加的力将部件压在一起，具有所述配对几何特征的磨料刀片31和镶件本体32便机械地接合了。所述配对几何特征精确的尺寸控制被使用来在镶件本体32中牢固地保持磨料刀片31，形成半成品镶件33。然后，通过本领域中已知的标准方法，半成品镶件33可以被精整磨削到最终的工具几何结构34。

镶件本体可以被精整磨削、抛光或者进一步的机加工来去除在它的形状上的不规则性、粗糙性等，以有助于配合。所述镶件本体的精整磨削或者成形可以使用下列方法中的任何一种来实现，这些方法包括但不限于线EDM(WEDM)、铣削、PM烧结、烧结并且锻造、锻造、冲压、铸造、模制等。

在本发明的第二实施方案，对于要穿过磨料刀片和镶件本体上的配对特征施加的固定力，所使用的技术可以是“干涉配合”。对于干涉配合，沿插入的方向，公配对特征的横截面积优选比母特征在插入方向上的某些点的横截面积要稍大一点。干涉配合可以造成公和/或母配对特征可逆或者不可逆的变形，这取决于尺寸失配的程度和配对材料的屈服强度。在实践中，塑性变形的量可以通过这种尺寸失配的适当选择来控制。

在某些应用中，选择导致镶件本体和/或磨料刀片不可逆变形的干涉配合的原因是，这确保了在所述磨料刀片和镶件本体之间的结合力比所有的变形都是弹性的和可逆的要更高并且更一致(镶件到镶件)。如果曾经被不可逆地压配合进镶件本体中的磨料刀片被移走并重新插入，所述重新插入将需要比在原始组件中所需要的更小的力。所述磨料刀片和/或镶件本体应该已发生不可逆的变形，减少了所述公和母配对特征之间在拆开以后的尺寸失配。

应该注意，如果配对特征具有尺寸上参差不平、表面粗糙、毛刺、划痕或者其他不规则性，在磨料刀片和/或镶件本体中的不可逆变形也可能在压配合时发生。这些缺陷会导致局部区域具有超过材料的屈服强度的高应力，并且导致塑性变形。因为这个原因，某些水平的尺寸参差不齐是所希望的，因为它增加了配对几何特征之间的结合力。

在还有一个本发明的第三实施方案中，用于将磨料刀片结合到镶件本体的机械力是由“冷缩配合”技术生成的。在这种技术中，配对几何特征是采用本领域已知的方法形成在镶件本体和磨料刀片中的。对于冷缩配合，母特征的尺寸允许比公特征上的那些尺寸稍小一点。然后，所述母特征被加热到造成足以将所述公特征配合进所述母特征中的热膨胀的温度。当冷却所述组件到室温时，所述磨料刀片和镶件本体优选牢固地结合在一起。取决于所述配对特征在环境温度下的尺寸失配，冷缩配合也能够对所述镶件本体和/或磨料刀片产生可逆或者不可逆的变形，并且在它们之间产生保持力。冷缩配合还能够通过由于相变导致磨料刀片和/或镶件本体所包含材料的体积变化的手段来获得。

在还有一个本发明的第四实施方案中，磨料刀片和镶件本体可以采用本领域已知的方法(例如，共烧结或者铸造、嵌件成型或者过成型(overmolding)，或者冲压、锻造等)同时在一个操作中成形。在这种技术的一个实施方案中，在镶件本体中的母特征被磨料刀片冲穿或者冲压，例如，类似于木头(“镶件本体”)中的钉子(所述“磨料刀片”)，从而消除对精确地预成形所述母特征的需要。

在任何一种以上技术的一个实施方案中，所述组装镶件被加热到使得所述镶件本体进一步收缩并且变硬，以增加在压配合和冷却以后的压紧作用。在这种方法的一个实施方案中，镶件本体被预加热或者磨料刀片被预冷却来改变它们在压配合以前的尺寸，并且通过热弹性应变来增加力。

在任何一种以上技术的又一个实施方案中，辅助性的、第三物体楔(third-body wedge)可以被加在磨料刀片和镶件本体之间，例如，以防止磨料刀片退出镶件本体的蠕变，以及以增加所述刀片的压紧作用在又一个实施方案中，在机械结合被建立以后，通过以上所描述的方法，点焊(铜焊或者焊接的点)可以被引入来进一步保证所述工具刀片被牢固地锁在或者保持在固定装置中。

在任何一种以上技术的又一个实施方案中，以薄粘合剂膜或者薄金属箔或涂层(例如，Pb或者Sn)的形式的楔在磨料刀片的压配合以前被置于镶件本体中，从而确保在所有表面没有孔隙的接触，并且通过粘合来增加机械力。在约0.0005到0.003英寸的厚度范围中或者更厚的薄金属箔在商业上可以从许多来源获得，包括Wesgo、Allied Signal和Vitta。在另一个实施例中，粘合剂糊、蜡或者液体被使用来代替箔，以确保没有孔隙的接触，并且在将磨料刀片保持在镶件本体中的机械力上增加粘着力。用在陶瓷结合中的粘合材料在商业上可以从多个来源获得，包括Bonadent，GmbH的Durit^金属粘合粉/液，以及来自Aremco Product，Inc的Ceramabond^TM。

来自粘合、摩擦或者粗糙产生的表面力可以被利用来改进在磨料刀片和镶件本体之间的结合强度。但是，表面力可能超过磨料刀片和镶件本体的张力强度，造成不希望的破裂或者碎裂。在任何一种以上技术的又一个实施方案中，导致可能造成局部碎裂和破裂的非均匀应力的表面力，通过干或者湿的润滑剂(例如，石墨、hBN、油、金属皂)的使用来减轻。可以使用这些或者其他润滑剂来使得磨料刀片在镶件本体中的配合易于进行，而又没有由于材料的屈服而减弱楔的作用和机械力。

在本发明的技术的另一个实施方案中，用于将磨料刀片结合到镶件本体的机械力还能够通过使用高温可模制聚合物作为所述镶件本体，并且围绕所述磨料刀片直接成型所述镶件本体来生成。后续的来自固化和/或热缩的化学收缩产生机械力来在所述镶件本体中坚固地保持所述磨料刀片。所述成型可以是本领域中包括铸造、模制以及过(over-)、共(co-)或嵌件成型(insert-molding)的已知方法中的任何一种，并且能够通过液压压缩来加强。所述的成型方法能够消除组装成本和镶件本体和磨料刀片精确成形的成本。在任何一种以上技术的又一个实施方案中，工具镶件能够通过热处理来进一步处理，以使得所述镶件进一步变硬，例如，在至少300°F的温度下加热所述工具镶件。在任何一个以上技术的再一个实施方案中，所述额外的处理步骤可以包括通过本领域中已知的涂覆技术(例如，化学气相沉积技术、物理气相沉积技术、热溅射技术、使用气动喷雾器的喷雾技术、热注射技术)来涂覆所述工具镶件，其中涂层包括下列物质中的至少一种：从由B、Ti、Al、Si、Ga、耐熔硬金属、过渡金属以及稀土金属组成的组中选择的元素的氮化物、碳化物、碳氮化物、氧化物、硼化物或者氧氮化物或者其复合物和其组合。在一个实施方案中，所述涂层是氮化铝、氮化钛铝、氮化钛、碳氮化钛铝、碳化钛、碳化硅以及氮化硅中的至少一种。在另一个实施方案中，所述涂层是通过CVD方法施加的氮化铝。

本发明的机械结合镶件的应用。本发明的所述机械结合的镶件可以被使用在许多工具操作中，包括但不限于切削工具；单点工具，多点工具，例如钻头、铰刀、铣刀、拉刀、锯和柄(shank)，以及磨削工具。这些包括通常使用铜焊镶件或者常规的整体镶件(例如，碳化物、陶瓷等)的应用，以及因为包括铜焊质量的许多原因，一般不能使用镶件的应用。

实施例

以下的实施例，以及如通常由附图示出的那样，仅仅代表对本发明的教导作出贡献的工作，并且本发明不应受到以下实施例的限制。

实施例1 通过将具有类似于图6A中图示的配对及互锁的燕尾几何结构的压配合实施方案，制备两个机械结合的镶件。所述磨料刀片材料可从俄亥俄州沃辛顿的DiamondInnovation获得，如具有0.039”的PCBN层厚度和0.126”的总厚度，以碳化物支撑的形式的BZN^HTM 2100毛坯。接下来，具有80°切削角以及5mm焊角长度(leg length)的磨料刀片通过WEDM从所述毛坯切下。所述公的，燕尾形的配对特征大约0.149”宽，0.059”深，具有45°角。所述燕尾形特征被WEDM切削成具有0.1°的锥度，以使得装配到镶件本体母特征中的操作易于进行。锥度的方向是从PCBN表面到碳化物表面，以便所述公特征的碳化物侧要比PCBN侧稍小一点。所述镶件本体材料是具有52到55洛氏硬度A的未硬化A2工具钢。母特征的镶件本体通过WEDM从具有0.126”或者0.189”厚度的钢板制成。在将所述磨料刀片的碳化物端笔直地放置在所述母特征的开口中后，所述部件用人工手扳压机压在一起。

对于对照的实施例，常规铜焊镶件是使用那些本领域的技术人员熟悉的标准工序，从烧结碳化钨镶件本体以及同样的PCBN材料制成。然后，所述压配合和铜焊的镶件通过标准镶件研磨技术以及轻型磨石(light hone)来精整研磨，所述标准镶件研磨技术达到最终具有25°×0.004”斜面的CNGA422规格。

在模拟齿轮OD车削的加速车削测试中，对所述镶件进行评价。所有的镶件被夹紧在标准的工具固定器上，其中标准插入到机床旋转刀架上。包括6个槽口，直径6英寸并且长2英尺，由4340硬化钢HRC62-65制成的带槽口的钢圆柱体由具有所述镶件的车床的车削来机加工。所有的测试是在使用0.010英寸的切削深度，每转0.005英寸的进刀速度，以每分钟361英尺的切削速度的情况下进行的。所述镶件以一分钟的间隔切削所述的钢工件，在此以后，测量以英寸计量的侧面磨损(工具变钝或者磨损的指标，推断工具的切削寿命)。

所述机加工测试的结果在图9中示出，表明本发明的压配合镶件在性能上与现有技术的铜焊镶件是相当的。

实施例2  在这个实施例中，除非另有表明，使用与实施例1中同样的工序和材料来制备本发明的几种多刀片的、机械结合的镶件，所述镶件具有类似于图7中所示的配对圆形特征。

七件两个刀片的镶件由碳化钨支撑的BZN*HTM2100和镶件本体制成，其中镶件本体在相对的80°角上具有两个圆形的偏置孔。所述偏置孔直径是0.088”，并且从所述镶件本体的边偏置0.026”。具有0.3到0.5度锥度的两个配对的磨料刀片被压配合进每个镶件本体中，以产生两个刀片的镶件。另外，如图6B所示的四个刀片的镶件，通过用专门准备的、整体无支撑型式的具有0.189”厚度的HTM2100来取代碳化物支撑的HTM2100，以相同的几何结构来同样制成。所述镶件本体和磨料刀片的精确尺寸存在不同水平的过盈量，在0.1到25lbs力的范围中，其中所述刀片的深度和ID分别具有+0.0002”和+0.0003”的平均过盈量。

然后，这些镶件用轻型的磨石来精整磨削到最终达到25°×0.004”斜面的CNGA432规格，并且经历实施例1中所描述的相同机加工测试。

图10将来自本发明的机械互锁镶件的性能数据与常规的铜焊工具进行比较。结果也显示在所选择范围中的压力以及(在磨料刀片/镶件本体的配合中的)缝隙没有在工具寿命中扮演主要的角色，在正常的测试不确定性范围内。此外，本发明的镶件，在测试误差范围内，呈现出与现有技术的所述铜焊工具相当的性能。

实施例3  从实施例2中所取得的压配合组件在800℃下在流动的氩中加热2hrs。炉管没有完全清除周围空气，因此，可见所述镶件被氧化但没有碎裂或者破裂。目视检查显示磨料刀片仍被牢固地保持在镶件本体中。

接下来，所述热处理过的压配合镶件在实施例1中所描述的同样的机床车削测试中进行测试。所述热处理过的镶件的磨损率与实施例1和2中未加热的压配合组件的相当，即，在侧面磨损上没有造成伤害的增加，从而证明对本发明新颖的压配合镶件组件进行热处理的可行性。

为了说明的目的，优选实施方案中的一些已在本公开中提出。但是，以上的描述不应被视为对本发明范围的限制。因此，对于本领域的技术人员而言，在没有偏离所要求的发明概念的精神和范围的情况下，各种修改、调适以及替换是可能的。

所有以上所提到的专利、专利申请、文章以及内容在此引入作为参考。

Claims (24)

1.一种包括镶件本体和磨料刀片的工具镶件，所述磨料刀片和所述镶件本体含有配对几何特征，其中所述磨料刀片主要通过机械力来保持在所述镶件本体中，所述机械力从所述磨料刀片和/或所述镶件本体上的所述配对几何特征的变形来获得。

2.如权利要求1所述的工具镶件，其中所述变形是部分不可逆的。

3.如权利要求1所述的工具镶件，其中所述几何特征是互锁的。

4.如权利要求1所述的工具镶件，其中至少一个额外的磨料刀片被保持在所述镶件本体中来形成多个制成刀片的工具镶件。

5.如权利要求1所述的工具镶件，其中所述磨料刀片包括选自由氮化硅、碳化硅、碳化硼、碳化钛、熔融氧化铝、陶瓷氧化铝、热处理过的氧化铝、氧化铝氧化锆、铁氧化物、碳化钽、氧化铈、石榴石、烧结碳化物、人造和天然金刚石、氧化锆、立方氮化硼，其压件，其混合物及其复合材料组成的组的材料。

6.如权利要求1所述的工具镶件，其中所述镶件本体包括选自由金属、钢、合金、热塑性聚合物、热固性聚合物、陶瓷、烧结碳化物、金属陶瓷及其混合物组成的组的材料。

7.如权利要求1所述的工具镶件，其中所述镶件在超过300℃的温度下被进一步热处理。

8.如权利要求1所述的工具镶件，其中所述工具镶件用选自由下列材料组成的组的至少一种来涂覆：选自由B、Ti、Al、Si、Ga、耐熔硬金属、过渡金属以及稀土金属组成的组的元素的氮化物、碳化物、碳氮化物、氧化物、硼化物或者氧氮化物，或者其复合物和其组合。

9.如权利要求1所述的工具镶件，其中所述工具镶件包括至少一种额外的装置来改进在所述镶件本体中保持所述磨料刀片的保持力。

10.如权利要求9所述的工具镶件，其中所述至少一种额外的装置选自由点焊、薄金属膜、箔、粘结箔、楔及其组合组成的组。

11.一种形成切削工具镶件的方法，所述方法包括：

提供磨料刀片和镶件本体，所述的磨料刀片和镶件本体各自具有配对几何特征；以及

通过所述各自的配对几何特征引起所述配对特征中的至少一个变形，将所述磨料刀片与所述镶件本体接合，所述变形提供足以在所述镶件本体中保持所述磨料刀片的机械力。

12.如权利要求11所述的方法，其中所述磨料刀片和所述镶件本体的接合还包括所述配对几何特征的压配合。

13.如权利要求11所述的方法，其中所述磨料刀片和所述镶件本体的接合还包括所述配对几何特征的冷缩配合。

14.如权利要求11所述的方法，其中所述磨料刀片和所述镶件本体的接合通过围绕所述磨料刀片成型、形成、锻造、铸造镶件本体中的至少一种以及其组合来发生。

15.如权利要求11所述的方法，其中所述配对几何特征具有产生干涉配合的尺寸。

16.如权利要求11所述的方法，其中所述配对几何特征是互锁的。

17.如权利要求11所述的任何方法，其中提供了至少一个额外的具有与所述镶件本体配对的几何特征的磨料刀片，形成多个制成刀片的工具镶件。

18.如权利要求11所述的方法，其中所述磨料刀片包括选自由氮化硅、碳化硅、碳化硼、碳化钛、熔融氧化铝、陶瓷氧化铝、热处理过的氧化铝、氧化铝氧化锆、铁氧化物、碳化钽、氧化铈、石榴石、烧结碳化物(例如，WC-Co)、人造和天然金刚石、氧化锆、立方氮化硼，其压件，其混合物及复合材料组成的组的材料。

19.如权利要求11所述的方法，其中所述镶件本体包括选自由钢、合金、金属、热塑性聚合物、热固性聚合物、陶瓷、烧结碳化物、金属陶瓷及其混合物组成的组的材料。

20.如权利要求11所述的方法，还包括在至少300℃的温度下热处理所述工具镶件的步骤。

21.如权利要求11所述的方法，还包括用某些元素的氮化物、碳化物、碳氮化物、氧化物、硼化物，或者氧氮化物，或者其复合物和其组合中的至少一种来涂覆所述镶件本体的步骤，所述的某些元素选自由B、Ti、Al、Si、Ga、耐熔硬金属、过渡金属以及稀土金属组成的组。

22.如权利要求11所述的方法，还包括提供至少一种额外的装置来改进用于在所述镶件本体中保持所述磨料刀片的保持力的步骤。

23.如权利要求22所述的方法，其中所述至少一种额外的装置是选自由点焊、薄金属膜、箔、粘结箔、楔及其组合组成的组。

24.如权利要求21所述的方法，其中所述涂层是通过选自由物理气相沉积、化学气相沉积、使用气动喷雾器的喷雾方法、采用辊的涂抹方法、热喷雾方法、热注射方法及其组合组成的组的技术来形成的。

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