CN202480123U - 多功能刀片 - Google Patents
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Abstract
一种多功能刀片,包括:由第一材料形成的部分;和由第二材料形成的长型部分,第二材料比第一材料更硬并通过熔化第二材料粉末到第一材料上而涂覆在第一材料上,长型部分形成刀片的梢部,其中第二材料包括嵌入在柔软粘接剂中的碳化钨颗粒,并且其中至少90%的碳化钨颗粒的尺寸小于大约5微米。
Description
技术领域
本实用新型涉及多功能刀片和制造多功能刀片的方法。
背景技术
切削装置,例如多功能刀子,已经发展用于各种场合,例如,建筑、包装和装运、地毯安装以及其它的目的。
在切削装置中碳化钨用作切削材料在本领域是熟知的。碳化钨由于它的高耐磨属性而广泛用于各种切削、钻削、磨削以及其它研磨操作。传统的切削工具例如动力锯片具有焊接到刀片齿上的碳化钨嵌入件。这使得实际的切削表面非常硬并且耐用。但是,焊接对于安装碳化钨嵌入件在许多切削工具上例如在多功能刀片上并不是适当的工艺。
实用新型内容
本实用新型的一个方面涉及包括碳化钨涂层的多功能刀片。本实用新型的另一个方面涉及制造具有沉积在它的边缘上的硬质涂层的刀片的方法。该方法包括沉积硬质材料例如碳化钨在切削工具的边缘上,然后削尖边缘以使得在削尖之后表面完全由硬质材料例如碳化钨制成。
在本实用新型的一个方面,提供一种多功能刀片,包括由第一材料制成的部分;由第二材料制成的长型部分,第二材料比第一材料更硬并通过熔化第二材料的粉末在第一材料上而涂覆在第一材料上,长型部分形成刀片的梢部,其中第二材料包括嵌在软的粘接剂中的碳化钨颗粒,并且其中碳化钨颗粒的至少90%的尺寸低于大约5微米。
在本实用新型的一方面,提供一种为切削工具制造的刀片,包括:由第一材料形成的第一长型部分;和由第一材料和第二材料形成的第二长型部分,第二材料比第一材料更硬并沉积在第一材料上,第二长型部分形成刀片的梢部,其中第一长型部分限定具有第一角度的第一切削边缘,第二长型部分限定具有第二角度的第二切削边缘,第一角度小于第二角度,并且其中从第一角度到第二角度的过渡发生在由已经在第二材料沉积在第一材料过程中再硬化的第一材料形成的刀片的区域中。
在本实用新型的另一方面,提供一种为切削工具制造的刀片,包括:由第一材料形成的部分;和由第一材料和第二材料形成的长型部分,第二材料比第一材料更硬并沉积在第一材料上,长型部分形成刀片的梢部,其中长型部分形成定向为相对于刀片的部分的表面非零角度的刀片的面,并且其中从部分的表面到长型部分的面的过渡发生在由已经在第二材料沉积在第一材料的过程中再硬化的第一材料形成的刀片的区域中。
在本实用新型的又一个方面,提供一种为切削工具制造的刀片,包括:由第一材料形成并具有在从大约500Hv到大约700Hv范围内的硬度的部分;和由第一材料和第二材料形成的长型部分,第二材料比第一材料更硬并沉积在第一材料上并具有大于大约1,100Hv的硬度,长型部分形成刀片的梢部,其中,长型部分形成定向在相对于刀片的部分的表面非零角度的刀片的面,并且其中第二材料包括具有小于大约5微米的尺寸的碳化钨颗粒。
本实用新型的这些以及其它方面、特征和特性以及相关结构元件的操作方法和功能以及部件的组合和制造的经济性,将在参照附图考虑下面的描述和所附权利要求时变得更加明显,其中所述描述、权利要求以及附图全部构成该说明书的一部分,其中相同的附图标记代表在各个附图中的相应部分。应当认识到,在这里的显微照相图片是放大了的(相对比例被描述)。但是,应当清楚理解,附图和显微照相图片仅仅是为了示例和描述的目的,并不意在作为本实用新型的限制的限定。如在说明书以及权利要求中所用的,术语“一”和“所述”包括多个指代物,除非上下文另有特别说明。
附图说明
现参照附图仅通过例子描述本实用新型的实施例,在附图中相应的附图标记表示相应的部分,并且其中:
图1示出根据本实用新型的实施例的多功能刀片;
图2a示出根据本实用新型的实施例的多功能刀片的横截面;
图2b示出根据本实用新型的实施例的多功能刀片的硬度曲线以及刀片的显微照相图像;
图3示出根据本实用新型的实施例的用于制造切削工具的刀片的流程图;
图4示出根据本实用新型的实施例的钢条;
图5示出根据本实用新型的实施例的配置为沉积硬质金属(例如碳化钨)在钢条的边缘上的沉积站;
图6a示出根据本实用新型的实施例的在沉积硬质材料之后且在磨削之前刀片的横截面显微照相图像;
图6b示出在沉积硬质材料之后且在磨削之前刀片的横截面显微照相图像;
图6c示出根据本实用新型的实施例的在磨削图6a的刀片之后刀片的横截面显微照相图像;
图6d示出在磨削图6b的刀片之后刀片的横截面显微照相图像;
图7示出根据本实用新型的实施例的用于图5的设备中的分配器;
图8a示出根据本实用新型的实施例的250毫米/分钟地沉积第二材料获得的刀片的横截面显微照相;
图8b示出以250毫米/分钟的速度沉积第二材料获得的刀片的横截面显微照相;
图8c示出图8b的刀片的横截面显微照相;
图9a是具有大约30微米的公称尺寸的在沉积之前的个体粉末颗粒的透视显微照相;
图9b是多个粉末颗粒的透视显微照相;
图9c示出具有大约30微米的公称尺寸的粉末颗粒的横截面显微照相;
图9d是示出嵌入在钴载体中的碳化钨颗粒并具有小于大约1微米的大小的碳化钨颗粒的显微照相图像;以及
图9e示出具有相同化学成分的两种类型的粉末(粉末a和粉末b)的激光尺寸衍射数据。
具体实施方式
图1示出根据本实用新型的实施例的多功能刀片100。多功能刀片100限定后边缘5、切削边缘10和相对于彼此位于刀片的相对侧面上的两个侧边缘15和20。如图1所示,后边缘5、切削边缘10和两个侧边缘15和20限定大致梯形的构型,尽管本实用新型并不局限于任何具体形状的刀片。例如,还可以想到其它的形状(例如矩形)。多功能刀片100通常还具有主体部分7和切削边缘部分17。如在此及后更详细地描述的,切削边缘部分17由两个长型部分形成,该两个长型部分定向在相对于主体部分7不同的角度并且纵向延伸,大致平行于梢部18。具体地,切削边缘部分17包括形成在刀片100的梢部18上的第一长型部分25和第二长型部分30。将认识到,本实用新型的实施例并不局限于图1的构型。仅作为例子,可以想到,在其它的实施例中,切削边缘部分17包括单一长型部分,其对应第二长型部分30。在又一个的实施例中,切削边缘部分17包括超过两个长型部分。
现参照图2a,该图示出沿着图1的线AA’剖开的刀片100的横截面。如图2a所示,刀片100进一步限定大致平面的顶部分和底部分35和40,其位于刀片100的相对于彼此相对的侧面上。第一长型部分25包括第一面45a和45b,其分别邻接平面的顶部分和底部分35和40。面45a位于第一外点27a和第二外点26a之间。类似地,面45b位于第一外点27b和26b之间。第二长型部分30包括第二面50a,b,其分别邻接第一面45a,b。第一面45a,b限定示例方式的第一角度α(其中线29a平行于中心轴X),以及第二面50a,b限定示例方式的第二角度α’(面50a和中心轴X之间的角度)。第一角度α小于第二角度α’。在本实用新型的实施例中,第一角度α在6°和10°之间(例如大约8°),第二角度α’在12°和16°之间(例如大约14°)。
在本实用新型的实施例中,刀片100的第一长型部分25(其可以被认为大致位于由钝点26a、26b、27a、27b限定的区域中)和主体部分7由相同的第一材料55形成,第二长型部分30(其可以被认为位于由点26a、26b和梢部18限定的区域中)由第一材料55和硬度大于第一材料55的第二材料60形成。在一实施例中,第一材料55是钢,第二材料60是碳化钨。此外,刀片100限定跨过第一长型部分25和第二长型部分30之间的连接处安置的中间或者重叠部分65。在一个实施例中,中间部分65可以由第一材料55形成。中间部分65中的第一材料55具有大于在中间部分65外面的第一材料55的硬度,但是低于第二材料60的硬度。在本实用新型的实施例中,中间部分65对应在形成第二材料60的过程中已经再次硬化的第一材料55的区域。应当认识到,尽管附图示出区域和/或材料之间的边界为清楚的直线,但是实际中这些边界可以为不规则的,并还可以是更宽的过渡区域,如本领域技术人员可以认识到的。
在图2a中,根据本实用新型的实施例的第二材料60(例如碳化钨)的沉积提供刀片100,其具有与刀片的其余表面平齐的第二材料60(例如碳化钨)的表面。第二材料60(例如碳化钨)可以焊接到第一材料55以致在第二材料60(例如碳化钨)和刀片100的核芯的第一材料55之间形成无缝过渡。
在图1和2a中,从第一角度α到第二角度α’或者从第一面45a,b到第二面50a,b的过渡(例如,在点26a和/或26b)发生在由第一材料55形成的刀片100的中间区域65,所述第一材料已经在第二材料60沉积在第一材料55的过程中再次硬化。改变第一材料55的再次硬化区域中的而非第二材料60中的切削边缘角度有利于磨削操作并限制第二材料60在第二长型部分30中的量。在一实施例中,第二材料60占据大于第二长型部分30的总体积的50%的体积。在本实用新型的另一个实施例中,第二材料60占据大于第二长型部分30的总体积的70%的体积。
在本实用新型的一个实施例中,在磨削后在刀片100的梢部18和中间部分65之间的距离d限定的第二长型部分30中的第二材料60的厚度为大约0.1-0.3毫米的范围。在一实施例中,将认识到,距离d可以延伸到钝点26a、26b(如沿着中心轴X观看)以使得整个第二长型部分30由第二材料60形成。中间部分65的厚度,其对应第一材料55的再次硬化部分,处于大约0.3和0.4毫米的范围。进一步地,刀片100的主体部分7的厚度是在0.4毫米和0.8毫米之间(例如大约0.6毫米)。将认识到,在本实用新型的其它实施例中这些厚度可以变化,其取决于制造刀片使用的材料的类型以及刀片的几何结构。
在本实用新型的实施例中,第二材料60的硬度大于1100Hv,第一材料55的硬度为从大约500Hv到大约700Hv的范围。在另一实施例中,第一材料的硬度是从大约630Hv到大约650Hv的范围。例如,参照图2b,该图示出根据示例性的实施例的刀片100的硬度轮廓曲线。所述轮廓被确定用于包括碳化钨作为第二材料60的刀片。硬度轮廓包括4个硬度区域。第一硬度区域A是由第二材料60限定并且在这个实施例中轴向(例如,沿着图2a中的轴X)延伸到一定深度,在该深度钝点26a、26b以及因此整个第二长型部分30由第二材料60形成。这个实施例不同于图2a中的,其中第一硬度区域(由第二材料60限定)并不一直延伸到钝的部分26a、26b。第二和第三硬度区域B和(C1和C2)是受到焊接操作热影响的区域。在这些区域中的硬度轮廓通过焊接操作产生的温度梯度确定。第二硬度区域B对应未回火马氏体区域,其中第一基础材料55已经完全再硬化。结果,第一材料已经在焊接过程中变成奥氏体的,并具有大于区域C1中的第一材料55的硬度。就在区域B下方的是区域C1和C2。区域C1和C2在焊接工艺过程中没有获得足够高的温度以变成奥氏体,但是已经达到高于在原条热处理工艺(original strip heat treatment process)中使用的回火温度的温度。结果,与基础材料55的未受热影响区域相比,区域C1和C2已经过回火。这产生与区域B和基础材料55的未受热影响的区域相比更低硬度的区域。注意到,由于影响刀片的温度梯度,过回火在区域C1中比区域C2中更大。在图2b中,再次回火的区域存在于第一面45a和45b(区域C1)内并超过进入到刀片55的主体(区域C2)中。
在一个实施例中,激光沉积焊接工艺提供浅水平的热穿透以减少或者消除基板的变形。借助激光焊接工艺,在条的表面上产生的热足以熔化粉末粘接剂和条表面。就在焊接熔池后面的区域获得足够高的温度以变换到奥氏体,同时处于激光影响区域中。但是,在表面下方的主体条保持相对冷却,以使得当条退出激光束的影响时,热量以超过用于硬化的临界冷却速度的速度退却回冷却条。这导致在未回火马氏体(区域B)的区域中典型硬度处于HV750-900的范围内。
在一个实施例中,仅刀片的一个侧面可以被磨削。此外,例如,仅点26a可以得以形成,虽然点26a可以被省略(例如在梢部18和点45b之间的刀片的相对侧面上形成直线)。
现参照图3,该图示出根据本实用新型的实施例的制造刀片100的工艺300的流程图。在制造刀片的工艺300中,在步骤320提供钢刀片条原材料(也就是第一材料55),由该材料形成多个刀片。在一个实施例中,钢以线圈形式提供,例如,以使得所述条更加紧凑以有利于搬运。在本实用新型的实施例中,第一材料由钢形成并可以包括高碳钢例如ANSI 1095等级钢或者低合金钢(例如AISI 4147),尽管可以想到,在本实用新型的其它实施例中也可以使用其它类型的材料。在线圈中条的长度可以长达1千米或者更长。条还能以多个线圈构型提供,多个线圈首尾相连地焊接。条的尺寸可以根据刀片100的期望尺寸进行选取。例如,条可以具有19毫米的宽度和0.6毫米的厚度。但是,条可以具有其它的尺寸,这取决于由钢条所形成的刀片的预定用途。在本实用新型的实施例中,钢条设置有大约300Hv的最大硬度。
在步骤330,钢条材料被递送到冲床,在那里在条中冲压出多个开口以限定用于保持刀片在用于多功能刀的盒中或者刀架上的附连点。此外,还可以在那上面冲压商标名称、商标或者其它的标识。然后,在步骤340,钢条被刻痕以形成多个轴向间隔开的刻痕线,其中每个刻痕线对应各个刀片的一个侧边缘并限定用于后来咬断或者切削刻痕条为多个刀片的断裂线。图4是由第一材料(或者钢条)400形成的条的一部分的示意性视图,其示出刻痕线410。刻痕线限定具有梯形形状的各个刀片100。还可以通过选择适当的刻痕构型而获得其它形式和形状,例如平行四边形的刀片、钩子刀片等。
在一个实施例中,步骤330和340的刻痕和穿刺步骤可以合并为单一的冲压操作。
在刻痕和穿刺钢条之后,工艺进行到步骤350,在该步骤钢条400在沉积第二材料之前被硬化。在沉积第二材料60之前的热处理在图3中由步骤350-390示出并设计为以使得刀片100可以吸收在沉积第二材料60过程中由刀片经受的应力。
如图3所示,在步骤350,刀片原料的压制钢条圈然后通过热处理作业线馈送以硬化钢条材料。在这个工艺中,钢从线圈中卷出来并通过硬化炉,硬化炉加热钢到高于转变温度的温度。转变温度是钢结构从在室温下稳定的体心立方结构(body centered cubic structure)变化到在升高的温度下也就是高于转变温度下稳定的称作奥氏体的面心立方结构(face centeredcubic structure)的温度。转变温度取决于使用的钢材料而变化。在本实用新型的实施例中,加热以硬化钢条是在大约800℃和900℃之间的温度下执行。例如,对于等级1095钢,转变温度是大约890℃。
在本实用新型的实施例中,硬化/加热炉的长度为大约26英尺(大约8米)。钢条以大约16-22英尺/分钟(大约5-7米/钟分)的速度移动。在炉中提供例如大致包含氮和氢的“裂化氨”的受控空气以防止钢条的氧化和变色。虽然裂化氨可以用于防止氧化和变色,但是也可以使用其它气体,例如但不限于,“纯吸热型气体(a scrubbed endothermic gas)”或者“分子筛放热型气体(molecular sieved exothermic gas)”。
在本实用新型的实施例中,加热钢条以硬化钢条执行大约75到105秒之间的时间段。
在退出加热(硬化)炉之后,在步骤360,热硬化钢条被淬火。在本实用新型的实施例中,硬化钢条通过布置在钢条上方和下方的液体冷却的传导块之间以淬火钢条。在本实用新型的实施例中,热硬化钢条通过具有与钢条接触的碳化物磨损条的水冷却铜块以淬火钢。铜块以高于临界冷却速度的速度冷却钢条从例如硬化温度(大约890℃)到环境温度(大约25℃)。临界冷却速度是冷却钢以为了保证奥氏体的结构转变为马氏体结构的速度。马氏体结构是体心四方结构。在马氏体结构中,钢是内部高应力的。该内应力导致称作钢的硬化的现象。在硬化后,原来小于大约300Hv的钢硬度(热处理以前)变为大约850Hv(大约63HRC)。在本实用新型的实施例中,钢条的淬火执行大约2-4秒。在本实用新型的另一个实施例中,气体或者液体用于淬火钢条。
在步骤370,硬化钢条然后通过回火炉,该回火炉加热钢到150℃和400℃之间的温度,例如大约350℃。该工艺改善刀片的韧性并降低刀片硬度,其取决于选取的回火温度。
在本实用新型的实施例中,回火炉的长度为大约26英尺(大约8米)。钢条以大约16-22英尺/分钟(大约5-7米/分钟)的速度移动。在炉中提供例如主要包含氮和氢的“裂化氨”的受控空气以防止钢条的氧化和变色。虽然裂化氨可以用于防止氧化和变色,但是也可以使用其它气体,例如但不限于,“纯吸热型气体”或者“分子筛放热型气体”。在本实用新型的实施例中,加热条以回火条执行大约75-105秒的时间段。
在退出加热(回火)炉之后,在步骤380,硬化并回火的钢条被淬火。在本实用新型的实施例中,硬化并回火的钢条通过布置在钢条上方和下方的液体冷却的传导淬火块之间以淬火钢条。在本实用新型的实施例中,热硬化并回火的钢条通过具有与钢条接触的碳化物磨损条的冷却铜块以淬火钢。铜块以高于临界冷却温度的速度冷却钢条从例如回火温度(大约150℃到400℃,例如350℃)到环境温度(大约25℃)以防止钢表面的氧化。
将认识到,在步骤350和380,硬化和回火操作的温度范围可以受控以获得用于刀片100的主体部分17的期望的刀片硬度并减少或者防止在第二材料60的沉积过程中刀片变形。例如,如果刀片100的硬度太低,刀片可能弯曲并且难以从钢条咬断各个刀片100。相反,如果刀片100的硬度太高,在沉积第二材料60在第一材料55上的过程中会发生刀片变形。在本实用新型的一个实施例中,在步骤350和380,硬化并回火操作的温度被控制以使得在沉积第二材料60之前产生的第一材料55的条具有在从大约500到700Hv范围的硬度。在进一步的实施例中产生的第一材料55的条的硬度处于大约630到650Hv的范围中。
在步骤390,淬火钢条圈然后连续馈送到第二材料60沉积站,该站配置成施加第二材料60涂层到钢条边缘。硬质材料60具有明显大于钢条的硬度。在本实用新型的一个实施例中,硬质材料的硬度是至少1100Hv。
在一个实施例中第一材料55的条在沉积之前热处理以减少具有第二材料的软涂层条将在刀片100中产生裂缝或者致使第二材料60的涂层可能碎裂的可能性。
现更特别地参照图5,该图是根据本实用新型的实施例的沉积站的示意性视图,总的标为500,用于沉积硬质材料例如碳化钨涂层到由第一材料55形成的移动条400的边缘部分17上。沉积站500包括配置成提供辐射束555到条400上的辐射源505。沉积站500进一步包括配置成投射并聚焦辐射束555到钢条400的目标部分上的投射系统525。
回过来参照图5,辐射源505配置成输出具有足够功率和能量的辐射束以熔化条400。在一个实施例中,辐射源是固态盘激光器,其输出在红外线(IR)范围中的具有1.03微米波长的辐射束。激光器是高脉冲速率的激光器,其连续地输出束。在本实用新型的另一个实施例中,可以使用具有1.06微米波长的纤维激光器。在本实用新型的又一个实施例中,可以使用居中在大约9.4和10.6微米的主波长带的二氧化碳激光器。二氧化碳激光器的功率可以在大约几千瓦的范围,例如1和8千瓦之间。在一个实施例中,二氧化碳激光器的功率为大约6千瓦。或者,在本实用新型的另一个实施例中,也可以使用在紫外线(UV)范围操作的激光器,例如,具有小于400nm波长的UV激光器。UV激光器的例子包括准分子激光器。
应当认识到,辐射源505不局限于光源。例如,在本实用新型的实施例中,电子束源或者等离子源也可以用于沉积站500。在这个实施例中,电子束源配置来提供具有足够能量和功率的电子束以熔化条400。
通过辐射源505输出的辐射束555导向到投射系统525,该投射系统525配置成聚焦束到移动条400的边缘上。聚集在条400的边缘17上的投射束555的能量用于熔化条的目标部分以及使用时在馈送粉末542内的粘接剂。在本实用新型的一个实施例中,聚焦在条400上的辐射束的斑点具有与条大致相同的厚度。例如,在一个实施例中,斑点尺寸为大约0.6毫米。
投射系统525可包括各种类型的光学部件例如折射、反射、磁性、电磁、静电或者其它类型的光学部件,或者其任何组合,以导向、成形或者控制辐射线。在辐射源是电子束源的情形中,电磁透镜可以用于控制并聚焦束555。
应当认识到,投射系统525可以是与辐射源505一体的。投射系统525优选地安装到固定的支架,尽管可以想到投射系统525的一个或多个光学元件可以是可移动的以控制投射的辐射束555的形状。
安置在辐射源505和条400之间的分配器或者沉积头520配置成供应在此统称为第二材料60的硬质材料和粘接剂的混合物542到条400的薄的边缘17。分配器520具有大致中空形状以允许辐射束555贯穿通过那里。
在本实用新型的实施例中,包括第二材料的粉末是钴粘接剂、铬和碳化钨的预先混合的混合物。源粉末颗粒尺寸应当足够高以减小喷嘴堵塞的可能性。在一实施例中,粉末颗粒的尺寸(例如颗粒的直径、当量直径或者两端之间的最大距离)处于大约15和45微米直接按的范围,例如公称尺寸上是大约30微米。图9a示出具有大约30微米的公称尺寸的在沉积之前的个体粉末颗粒。碳化钨颗粒,在沉积之后,保持没有大变化。仅粘接剂熔化以产生固体焊接沉积。在一实施例中,第二材料60具有以下组分:在大约8-12%范围例如9.5-10.5%的钴、在大约2-5%范围例如3.5-4.5%的铬、在大约3-7%范围例如5-5.5%的碳化钨(以对应剩余平衡的数量)。本实用新型的其它的实施例可使用其它百分数的碳化钨粉末或者不同材料。
在一个实施例中,粉末颗粒在尺寸(颗粒的直径、当量直径或者两端之间的最大距离)、形状和化学成分方面具有大致相同的形态以有利于碳化钨在刀片上的均一沉积。参照图9b,该图示出具有大致相同的形态的粉末颗粒。在一实施例中,粉末颗粒为大致球状的并具有足够低的密度以使得粉末能够在激光束作用下迅速熔化。这利于在刀片上快速形成碳化钨的均一沉积。但是,粉末密度还应当足够高以有利于粉末在重力作用下下降并达到有利的流速。例如,在一实施例中,粉末密度是足够高的以在刀片上获得大于大约3克/秒,在另一实施例中大于大约4克/秒以及在另一实施例中大于大约5克/秒的粉末颗粒流速。在一实施例中,粉末具有大约2和6克每立方厘米之间的密度。例如,在一实施例中,粉末密度是在大约3和5克每立方厘米之间,例如,大约4克每立方厘米。在一实施例中,通过利用实质上多孔的粉末颗粒获得实质上低的密度。图9c示出根据本实用新型的实施例的粉末颗粒的横截面。如图9c所示,具有球形的颗粒粉末为大致中空的。
在一个实施例中,可以期望的是,即,粉末中的碳化钨颗粒的或者至少90%的碳化钨颗粒(在另一个实施例中至少99%)的颗粒尺寸(例如颗粒的直径、当量直径或者两端之间的最大距离)可以小于大约5微米,在另一个实施例中至少90%(在另一个实施例中至少99%)等于或者小于大约2微米以有利于磨削为锋利边缘。在一实施例中,粉末制造为烧结团以形成具有在金属矩阵或者粘接剂中的个体碳化钨颗粒的粉末。在一实施例中,这些碳化钨的尺寸是95%,在另一个实施例中99%,小于2微米,如通过激光尺寸衍射所测量的。特别地,在每个粉末颗粒内的碳化钨颗粒的尺寸和分配在一个实施例中可以为大致均一的以为了有利于在刀片上形成均一的碳化钨沉积。图9d示出嵌入在钴粘接剂中并具有小于大约1微米的尺寸的碳化钨颗粒。刀片100的切削边缘的性能至少部分地依赖于嵌入在更软的粘接剂(例如钴、镍、铁......)矩阵中的第二材料(例如碳化钨)的颗粒尺寸。包含大颗粒的粉末通常更不适合,因为碳化物颗粒自身不能够被磨削为锋利边缘,并且软的粘接矩阵无法承受磨削力。
参照图9e,该图示出用于具有相同化学成分的两种类型的粉末(粉末a和粉末b)的激光尺寸衍射数据。粉末a具有大约每立方厘米4.36克的表观密度,粉末b具有大约每立方厘米5.08克的表观密度。尽管粉末a和b二者在尺寸和形态上非常类似(粉末b稍微更细),更均一和抵抗性的涂层由粉末a获得。
参照图6a和6b,这些图示出第二材料60(碳化钨)的涂层已经沉积到其上的第一材料55的两个条400。图6c和6d示出分别对应于磨削后的图6a和6b的刀片的刀片100。在图6a中,构成第二材料的粉末颗粒的尺寸小于大约1微米。在图6b中,构成第二材料的粉末颗粒的尺寸为大约40微米。如可以在图6b中看出的,由于大的颗粒尺寸,第二材料60的涂层从刀片100的顶部分和底部分35、40伸出。相反,在图6a的涂层中,第二材料60的沉淀物保持限制在刀片的梢部上。图6a的构型有利于磨削。
图7示出根据本实用新型的实施例的分配器520的顶视图。分配器520具有大致圆锥的环形形状,尽管可以想到其它的形状(例如正方形、矩形、椭圆形、多边形)也可用于分配混合物542。分配器520包括一系列的圆锥的环形腔,用于递送粉末542、惰性保护气体561和激光束到单一聚焦点F。在本实用新型的实施例中,保护气体561是氩。如图7所示,分配器520包括外锥570和气体入口571,惰性保护气体561通过该气体入口供应。分配器570进一步包括内芯573和入口574a-b,混合物542通过入口574a-b供应。中央锥575限定分配器520中的通道以允许投射的辐射束555通过其中。内芯573安置在中央锥575和外锥570之间并限定通道576。内芯573和外锥570限定其中的通道577以允许惰性保护气体561流动通过其中。应当认识到,还可以想到其它配置。还应认识到,额外的或者更少的通道可以用于供应混合物542到条400。
中央锥575的周边562的直径随着分隔分配器520与钢条400的距离D1和通道576的长度进行选择以使得混合物542的颗粒在重力作用下落到条400的预定部分上。该预定部分通常对应辐射束555到条400上的焦点F。内周边562的直径同样被选择以为了允许辐射束555通过分配器520。
内屏蔽气体561配置成在靠近焦点F的位置围绕混合物542形成屏蔽546,如图5所示。屏蔽546在硬质材料(例如碳化钨)的混合物542的沉积过程中提供保护气体以为了防止条400的氧化。在沉积站500的使用过程中,内屏蔽气体561从入口571沿着通道577冲流到条以使得围绕条400的熔化部分的环境是非氧化的。
分配器520固定地安装到沉积站500的框架(未示出)并可以是固定的或者在至少三个方向例如x、y和z方向是活动的。具有可活动的分配器520的益处在于,分配器520相对于钢条500的位置可以精确地控制。各种电机和致动器,例如电、电磁和/或压电致动器,可用于位移分配器520。
混合物542到分配器520的供应是经由多个入口574a-b实行的。在一个实施例中,容器(未示出)用于存储混合物542的颗粒。容器安置为与多个入口574a-b经由一个或多个导管连通以使得混合物在重力作用下经由通道576传送到条400的预定部分。在本实用新型的一个实施例中,可以想到,混合物542的供应通过例如压缩气体或者机械推料器机械地辅助。
分配器520还可包括一个或多个关闭器(未示出)以防止混合物542的颗粒在完成淀积过程之后退出喷嘴560。关闭器可以安置在分配器520的内周边上,或者在通道之内,或者在分配器的上部分上。
回过来参照图5,条400可以在致动器535的帮助下在至少三个方向上,即x、y和z方向,相对于辐射束555运动。如图5所示,可移动的条400借助于两个辊子544ab在辐射束555下沿着x方向移动。两个辊子544a-b可以通过致动器535定位。一个或多个单独的电机可以用于在至少三个方向上,即x、y和z,移动钢条200。可以在本实用新型的实施例中使用的致动器的例子包括电动和电磁型致动器。条400的位置可以借助专门的电子和伺服控制系统进行控制。为了所述效果,测量系统(未示出)可以用于测量在辐射束555下移动的条400的位置。
应当认识到,硬质材料(例如碳化钨)和粘接元件的混合物542的沉积可以在非保护性环境中进行。在这个实施例中,条400的氧化将发生在刀片上的沉积混合物542的位置。氧化因此可以在完成淀积过程之后机械地或者化学地移除。例如,可以想到,利用钢丝刷的嵌入式抛光工艺(in-linepolishing process)可以在混合物542沉积到条400上之后施行。
嵌入式测量系统550可以用于控制在刀片100上的沉积混合物542的特征。优选地,测量系统550是非破坏性的光学系统,例如偏振光椭圆率测量仪,其控制薄膜混合物542的质量/组分和厚度。嵌入式测量系统550可包括发射器551a和检测器551b。发射器551a配置为通过辐射束照射条400的一部分。辐射束通过条400反射,然后由检测器551b检测。反射的辐射束随后通过专门的仪器进行分析以为了测量混合物542的涂层的特征。优选地,测量在完成淀积过程之后通过嵌入式测量系统550执行。如果条400的测量特征不在规格之内,钢条的所述部分可以被标记有标记物以表明应当被拒绝的最终刀片。
如图5所示,控制器545用于控制淀积过程。控制器545可以可操作地连接到分配器520、辐射源505和致动器535。控制器545可以通过操作者访问以输入照射设置,控制分配器520中混合物542的颗粒的数量和流动和/或在淀积过程中条400的期望定位。在其中使用多个沉积头或者喷嘴的构型中,操作者可以输入每个沉积头中的期望组分到控制器545。将认识到,在辐射束555下条400的薄边缘17的定位、混合物542的颗粒的数量和辐射源505的照射设置可以取决于条400的几何结构和属性而显著变化。
选择粘接元件从而将硬质材料(例如碳化钨)粘接到焊接熔池的熔化材料。在混合物542的颗粒和条400之间的全部粘接通过在焊接熔池内凝固硬质材料(例如碳化钨)/粘接元件而实现。这导致硬质材料(例如碳化钨)/粘接剂到条400上的无孔沉淀。在本实用新型的实施例中可以使用的粘接剂的例子包括钴。但是,这不是限制性的。可以想到,在本实用新型的其它实施例中,可以使用其它的粘接剂。
沉积厚度通过颗粒馈送速率、颗粒大小、辐射源的照射设置(例如辐射脉冲的能量、功率、频率)和在聚焦的辐射束555之下条400的通过速率进行控制。这些参数通过控制器545输入和控制。沉积的厚度通过测量装置551进行测量。
在操作中,条400的薄边缘17在辐射束555下连续移动。期望的是,小心控制条400的位移速度以使得沉积厚度总是保持在规格内并防止在第二材料60的沉积中形成气孔。条400的速度可以依赖于辐射束的特征(例如波长和频率、脉冲的能量和功率)、焦点斑的尺寸和形成条400的材料而改变。在一实施例中,存在于第二材料的涂层中的气孔的尺寸小于涂层的体积的大约1%。
例如,如果条400的速度不被控制,第二材料60的沉积会不期望地产生孔。在一个实施例中,可以实现最少0.15毫米,例如大约0.3毫米的第二材料沉积厚度的极限吞吐速度为大约200毫米/分钟到300毫米/分钟,例如250毫米/分钟。图8a示出250毫米/分钟的第二材料沉积所获得的刀片100的横截面。由于该技术中产生的非常低的热穿透深度,在条400中几乎没有热积聚。结果,条是自淬火的,并且传导到主体中的热量足够快速以超过用于全硬化的临界冷却速度。未回火马氏体的窄的带,其对应如图2a所示的中间部分65,刚好形成在沉积层后面。
增大线速度明显超过250毫米/分钟(例如超过700毫米/分钟),同时仍沉积最少0.3毫米的沉积厚度,这会产生明显的气孔,如图8b所示。在图8b中,条的速度为1000毫米/分钟。已经发现,在更高的处理速度下,冷却的自然速率足够高以导致沉积层裂缝,如图8c所示。在一个实施例中,条的速度小于750毫米/分钟。在本实用新型的另一个实施例中,条的速度小于500毫米/分钟。
回过来参照图3,在退出沉积站500之后,条400递送到磨床。在一实施例中,在步骤391,条被解开并传递到磨床以便磨削条的边缘并形成第一面45a,b。
在磨削后,在步骤391,条400的边缘可以被珩磨(honed)。珩磨工艺产生第二面50a,b并在被磨的边缘顶部形成第二角度α’。该更深的珩磨角度给予比更浅的磨削角度更强的边缘,并允许延长切削边缘的寿命。结果,条具有带双角度的边缘。在另一个实施例中,可以仅提供单一角度。
最后,在步骤392,处理过的钢条沿着钢条的长度在每个刻痕线处折断以沿着刻痕线断裂钢条以产生多个刀片。
在前面的实施例中已经描述了多功能刀片。但是,这不是限制性的。应当认识到,可以以类似于多功能刀片的方式制造其它类型的刀片。根据上面描述的工艺可以制造的刀片的例子包括TK刀片、剃须刀片、地毯刀片、剪切刀片、锯条刀片、钢锯刀片和起子(recip)刀片。
尽管已经在上面提出的示例性实施例中清楚了本实用新型的原理,但是,对于本领域技术人员而言明显的是,可以对本实用新型的实施中使用的结构、配置、比例、元件、材料和部件进行各种修改。
这样,可以看出,已经完整、有效地实现了本实用新型的目的。但是,应当认识到,前面的优选的特定实施例是为了示出本实用新型的功能和结构原理而进行示出和描述的,可以在不偏离这样的原理下进行改变。因此,本实用新型包括所有包括在下面权利要求的实质和范围内的全部修改。
Claims (28)
1.一种多功能刀片,其特征在于,包括:
由第一材料形成的部分;和
由第二材料形成的长型部分,所述第二材料比所述第一材料更硬并通过熔化第二材料的粉末到第一材料上而涂覆在所述第一材料上,所述长型部分形成所述刀片的梢部。
2.如权利要求1所述的多功能刀片,其特征在于,第二材料通过激光沉积而涂覆在第一材料上。
3.如权利要求1所述的多功能刀片,其特征在于,第二材料的硬度大于大约1100Hv。
4.如权利要求1所述的多功能刀片,其特征在于,第一材料的硬度是在从大约500Hv到大约700Hv的范围内。
5.如权利要求4所述的多功能刀片,其特征在于,第一材料的硬度是在从大约630Hv到大约650Hv的范围内。
6.如权利要求1所述的多功能刀片,其特征在于,第二材料沿着所述刀片的横截面的厚度是在从大约0.1毫米到大约0.3毫米的范围内。
7.如权利要求1所述的多功能刀片,其特征在于,所述第一材料是钢。
8.如权利要求1所述的多功能刀片,其特征在于,在第二材料中的孔占据的体积小于第二材料的总体积的大约1%。
9.一种多功能刀片,其特征在于,包括:
由第一材料形成的第一长型部分;和
由所述第一材料和第二材料形成的第二长型部分,所述第二材料比所述第一材料更硬并沉积在第一材料上,所述第二长型部分形成所述刀片的梢部,
其中所述第一长型部分限定具有第一角度的第一切削边缘,所述第二长型部分限定具有第二角度的第二切削边缘,所述第一角度小于所述第二角度,并且
其中从所述第一角度到所述第二角度的过渡发生在由已经在第二材料沉积在第一材料过程中再硬化的第一材料形成的刀片的区域中。
10.如权利要求9所述的多功能刀片,其特征在于,所述区域具有小于第二材料的硬度但是大于第一材料的硬度的硬度。
11.如权利要求10所述的多功能刀片,其特征在于,第二材料的硬度大于大约1100Hv。
12.如权利要求10所述的多功能刀片,其特征在于,第一材料的硬度是在从大约500Hv到大约700Hv的范围内。
13.如权利要求12所述的多功能刀片,其特征在于,第一材料的硬度是在从大约630Hv到大约650Hv的范围内。
14.如权利要求9所述的多功能刀片,其特征在于,第二材料沿着所述刀片的横截面的厚度是在从大约0.1毫米到大约0.3毫米的范围内。
15.如权利要求9所述的多功能刀片,其特征在于,沿着所述刀片的横截面的所述区域的厚度是在从大约0.3毫米到大约0.4毫米的范围内。
16.如权利要求9所述的多功能刀片,其特征在于,所述第二材料占据大于所述第二长型部分的总体积的50%的体积。
17.如权利要求9所述的多功能刀片,其特征在于,所述第二材料占据大于所述第二长型部分的总体积的70%的体积。
18.如权利要求9所述的多功能刀片,其特征在于,所述第二材料是碳化钨。
19.如权利要求9所述的多功能刀片,其特征在于,所述第一材料是钢。
20.如权利要求9所述的多功能刀片,其特征在于,在第二材料中的气孔占据的体积小于第二材料的总体积的大约1%。
21.一种多功能刀片,其特征在于,包括:
由第一材料形成的部分;和
由所述第一材料和第二材料形成的长型部分,所述第二材料比所述第一材料更硬并沉积在所述第一材料上,所述长型部分形成所述刀片的梢部,
其中所述长型部分形成定向为相对于所述刀片的所述部分的表面非零角度的所述刀片的面,并且
其中从所述部分的所述表面到所述长型部分的面的过渡发生在由已经在第二材料沉积在第一材料的过程中再硬化的第一材料形成的刀片的区域 中。
22.如权利要求21所述的多功能刀片,其特征在于,所述区域具有小于第二材料的硬度但是大于第一材料的硬度的硬度。
23.如权利要求22所述的多功能刀片,其特征在于,第二材料的硬度大于大约1100Hv。
24.如权利要求22所述的多功能刀片,其特征在于,第一材料的硬度是在从大约500Hv到大约700Hv的范围内。
25.如权利要求24所述的多功能刀片,其特征在于,第一材料的硬度是在从大约630Hv到大约650Hv的范围内。
26.如权利要求24所述的多功能刀片,其特征在于,所述第二材料是碳化钨。
27.一种多功能刀片,其特征在于,包括:
由第一材料形成并具有在从大约500Hv到大约700Hv范围内的硬度的部分;和
由所述第一材料和第二材料形成的长型部分,所述第二材料比第一材料更硬并沉积在第一材料上并具有大于大约1100Hv的硬度,所述长型部分形成所述刀片的梢部,
其中所述长型部分形成定向在相对于所述刀片的所述部分的表面非零角度的所述刀片的面。
28.如权利要求27所述的多功能刀片,其特征在于,从所述部分的所述表面到所述长型部分的所述面的过渡发生在已经由在第二材料沉积在第一材料的过程中再硬化的第一材料形成的所述刀片的区域中。
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