TWI555603B - 硬質合金切削刀具的製造方法 - Google Patents

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Description

硬質合金切削刀具的製造方法
本發明係涉及僅切削部由硬質合金形成的切削刀具的製造方法，並且更具體地，涉及具有優良的機械性能的硬質合金切削刀具的製造方法，其中，即使在高溫塗覆處理之後在所述硬質合金切削刀具中也不會產生裂紋。
諸如銑床中所用的立銑刀、用於沖孔的鑽頭以及冷熱沖壓機等切削刀具包括位於其前端的切削部以及與所述切削部一體地形成的柄部。所述切削刀具應當具有諸如耐用性、耐磨性和機械加工性等優良的機械性能，並因而通常由硬質金屬製成。
然而，由於用作刀具材料的硬質合金非常昂貴，所以製造出了僅切削部而不包括柄部是由硬質合金形成的切削刀具。
相關技術文獻1(韓國實用新型登記公報第20-0256477號)披露了這樣的硬質合金釺焊刀具：該刀具的柄部由工具鋼形成，且切削部由硬質合金形成，其中，鎳薄片被插入到柄部與切削部之間的對接接頭部中，然後通過釺焊將柄部與切削部形成為一體。此外，相關技術文獻2(韓國專利10-1099395)披露了包括硬質合金材料的機加部和一般材料的支撐部的硬質合金切削刀具以及其製造方法，其中通過放電等離子燒結在真空室中對用作機加部和支撐部的原材料的經過處理的粉末進行燒結並被一體地形成。
如上所述，在相關技術文獻1和2中，僅切削部，即機加部由硬質合金形成，因此可以降低刀具的製造成本。
這裡，在相關技術文獻中所披露的硬質合金切削刀具以及其它切削刀具的情況下，需要在刀具的表面上塗覆金剛石薄膜或氮化鈦鋁的額外處理，以提供優良的諸如耐用性、耐磨性和機械加工性等機械性能。
然而，在柄部和切削部均由硬質合金形成的切削刀具的情況下，在上面的塗覆過程中不會出現問題；而在僅切削部由硬質合金形成的切削刀具的情況下，由於柄部和切削部具有彼此不同的熱膨脹係數，所以在塗覆處理中所施加的熱處理之後，在刀具的表面處可能出現裂紋。
本發明的目的在於提供一種能夠防止在高溫塗覆處理之後，在主體部和切削部的表面處出現裂紋的硬質合金切削刀具的製造方法。
本發明的另一目的在於提供一種能夠確保切削部與重磨削工具之間的空間，從而能夠容易地對所述切削部進行重磨削，並對工件的表面進行精確地加工的硬質合金切削刀具。
根據本發明的目的，提供了硬質合金切削刀具的製造方法，其中所述方法包括步驟：a)對由熱作工具鋼(hot work tool steel)形成的主體部和由硬質合金形成的切削部進行加熱並使它們接合在一起；b)使接合的所述主體部和所述切削部冷卻預設一段時間；c)根據應用目的將所述切削部加工成具有預定圖案並形成切削刀具；d)使用由金屬氧化物、氮化物和碳化物中的至少一者形成的膜對經過加工的所述切削刀具進行塗覆；以及e)使經過塗覆的所述切削刀具在空氣中冷卻預設一段時間。
優選地，在所述步驟a)中，可通過高頻焊接或氧氣焊接使所述主體部與由所述硬質合金形成的切削部在800至1200℃下接合，其中所述主體部可包括諸如SKD61等熱作模具(工具)鋼。
優選地，在所述步驟b)中，可使接合的所述主體部和所述切削部在真空室中緩慢地冷卻24小時。
優選地，在所述步驟c)中，可通過鏟磨機對所述切削部進行磨削，以使得具有相同切削後角的多個刀片在所述切削部的圓周方向上以彎曲的形狀形成。
優選地，在所述步驟d)中，在400至700℃的溫度下在所述切削刀具的表面上沉積厚度為2至4微米的氮化鈦鋁(TiAlN)。
根據本發明的另一目的，提供了通過上述方法製造的硬質合金切削刀具，其中所述主體部具有多個凹槽和翼部，所述翼部被加工成使得所述翼部的側端面具有“L”形狀，且所述切削部與所述翼部的被加工成具有“L”形狀的所述側端面接合。
優選地，多個所述凹槽和所述翼部可以沿著所述主體部的周向以斜線的方式佈置；所述翼部具有在縱長方向上彼此間隔開的多個“L”形的刀片接合部，並且所述切削部能夠以露出於所述凹槽的方式被接合至所述刀片接合部。
優選地，所述切削部包括以狹縫形狀形成的斷屑器。
(10)‧‧‧主體部
(20)‧‧‧切削部
(11)‧‧‧凹槽
(12)‧‧‧翼部
(12a)‧‧‧刀片接合部
(21)‧‧‧斷屑器
(110)、(210)、(310)、(410)和(510)‧‧‧主體部
(112)、(212)、(312)、(412)和(512)‧‧‧翼部
(111)、(211)、(311)、(411)和(511)‧‧‧凹槽
(120)、(220)、(320)、(420)和(520)‧‧‧切削部
(112a)、(212a)、(312a)、(412a)和(512a)‧‧‧接合部
(121)和(421)‧‧‧斷屑器
第一圖：示意性地揭示了根據本發明的硬質合金切削刀具的製造方法的流程圖
第二圖(a)：是通過根據本發明的硬質合金切削刀具的製造方法製造的平銑刀的立體圖
第二圖(b)：是通過根據本發明的硬質合金切削刀具的製造方法製造的平銑刀的端視圖
第三圖(a)：是通過根據本發明的硬質合金切削刀具的製造方法製造的立銑刀的立體圖
第三圖(b)：是通過根據本發明的硬質合金切削刀具的製造方法製造的立銑刀的端視圖
第四圖(a)：是通過根據本發明的硬質合金切削刀具的製造方法製造的仿形銑刀的立體圖
第四圖(b)：是通過根據本發明的硬質合金切削刀具的製造方法製造的仿形銑刀的端視圖；
第五圖(a)：是通過根據本發明的硬質合金切削刀具的製造方法製造的細齒銑刀的立體圖
第五圖(b)：是通過根據本發明的硬質合金切削刀具的製造方法製造的細齒銑刀的端視圖
第六圖(a)：通過根據本發明的硬質合金切削刀具的製造方法製造的槽銑刀的立體圖
第六圖(b)：是通過根據本發明的硬質合金切削刀具的製造方法製造的槽銑刀的端視圖
第七圖(a)：是通過根據本發明的硬質合金切削刀具的製造方法製造的滾刀的立體圖
第七圖(b)：是通過根據本發明的硬質合金切削刀具的製造方法製造的滾刀的端視圖
為令本發明所運用之技術內容、發明目的及其達成之功效有更完整且清楚的揭露，茲於下詳細說明之，並請一併參閱所揭之圖式及圖號：參考第一圖、第二圖(a)、第二圖(b)，本發明的製造方法包括：通過熱處理將主體部(10)與切削部(20)接合在一起的步驟S100；使接合的主體部(10)和切削部(20)冷卻的步驟S200；對冷卻的切削部(20)進行加工的步驟S300；對切削刀具的表面塗覆膜的步驟S400；以及使經過塗覆的切削刀具冷卻的步驟500。
首先，在通過熱處理使主體部(10)與切削部(20)接合在一起的步驟S100中，在800至1200℃的溫度下通過釺焊或焊接將由諸如SKD61等熱作工具鋼形成的主體部(10)的接合部接合至由硬質合金形成的切削部(20)的接合部。在此結合步驟中，優選的是，通過高頻焊接或氧氣焊接使主體部(10)與切削部(20)彼此接合。
而且，通過該接合步驟，主體部(10)與切削部(20)被彼此接合並且還進行了熱處理。通過熱處理，由SKD661形成的主體部(10)具有約HRC 55的洛氏硬度，且由硬質合金構成的切削部(20)具有約HRC 93至97的洛氏硬度。
這裡，切削部(20)可以是包括84.5wt%的碳化鎢(WC)、1.5wt%的鉭&鈮雙碳化物粉末(TaNbC)和14wt%的鈷(Co)的基於碳化鎢的硬質合金。而且，切削部(20)可以是包括85至88wt%的碳化鎢(WC)和11至13wt%的鈷(Co)的基於碳化鎢的合金。 由於基於碳化鎢的合金表現出了比高速鋼或鎢鉻鈷合金(stellite)更高的硬度和更優良的耐磨性並且在高溫下也表現出了良好的硬度，所以可以通過接合至主體部(10)的一部分而將基於碳化鎢的合金用於切削部(20)。
在使接合的主體部(10)和切削部(20)冷卻的步驟S200中，通過釺焊或焊接接合的主體部(10)和切削部(20)在真空室中預定一段時間緩慢地冷卻。在通過熱處理進行的接合步驟S100和冷卻步驟S200期間，具有不同的熱膨脹係數的主體部(10)和切削部(20)經過了熱處理和冷卻。特別地，在主體部(10)由SKD61形成且切削部(20)由基於碳化鎢的合金形成的情況下，主體部(10)和切削部(20)在室溫下被置於真空室中24小時，以進行緩慢冷卻。此時，主體部(10)和切削部(20)可被處理成(調整成)具有相同的熱膨脹係數。令主體部(10)和切削部(20)獲得相同的熱膨脹係數的處理是為了用來防止在主體部(10)與切削部(20)的接合部處出現裂紋，即使是在後述的塗覆步驟S400中對主體部(10)和切削部(20)加熱之後也能夠防止在主體部(10)與切削部(20)的接合部處出現裂紋。
在對切削部(20)進行加工的步驟S300中，切削部(20)根據它的用途，即將要製造的切削刀具的種類而被加工成具有預定的圖案。例如，可根據切削部(20)的加工圖案加工出第二圖(A)和第二圖(B)所示的平銑刀、第三圖(A)和第三圖(B)所示的立銑刀、第四圖(A)和第四圖(B)所示的仿形銑刀、第五圖(A)和第五圖(B)所示的細 齒銑刀、第六圖(A)和第六圖(B)所示的槽銑刀以及第七圖(A)和第七圖(B)所示的滾刀。
在加工步驟S300中，通過鏟磨機對切削部(20)進行磨削。此時，對切削部(20)進行加工以使切削部(20)具有多個刀片，這些刀片具有相同的切削後角並且是在切削部(20)的圓周方向上以彎曲形狀形成。由於切削部(20)的這種形狀，切削刀具具有刮削功能。即，切削刀具可對工件的表面進行非常精確地加工。
在對切削刀具的表面塗覆膜的步驟S400中，將包括金屬氧化物、氮化物和碳化物中的至少一者的膜塗覆在切削刀具的加工表面上，以提高切削刀具的諸如硬度、耐磨性和抗氧化性等機械性能。
在此塗覆步驟S400中，可通過物理氣相沉積(PVD)法或化學氣相沉積(CVD)法將覆膜塗覆在切削刀具的表面上。塗覆溫度被保持在400至700℃的溫度，且覆膜被形成為具有2至4微米的厚度。由於該覆膜，塗覆步驟之後的切削刀具表現出的機械性能是塗覆步驟之前切削刀具的機械性能的約1.5倍。
此時，切削刀具的主體部(10)和切削部(20)由於高的塗覆溫度而發生膨脹。然而，由於主體部(10)和切削部(20)在上述冷卻步驟S200中被處理成具有相同的熱膨脹係數，所以即使在對主體部(10)和切削部(20)加熱的塗覆步驟S400之後，在主體部(10)和切削部(20)的接合部處也不會出現裂紋。此外，當切削刀具被磨損時， 即使在重磨削處理之後，也可容易地進行上面的塗覆處理，且因此可持續地保持刀具的性能。
同時，為了增加刀具的耐磨損性，上述膜的材料可以是週期表的IV、V和VI族的過渡金屬的氧化物、碳化物或氮化物，或者選自於由矽、硼和鋁所組成的組中的元素的氧化物、碳化物或氮化物。而且，上述覆膜可以塗覆有金剛石和氮化硼化合物(cBN)以用於廣泛的切削應用。特別地，金剛石是硬度最大的材料並且還具有優良的熱導率、耐磨性和電阻，因而適用於覆膜材料。
而且，覆膜的一層或多層可由通過PVD法沉積的微晶氧化鋁(Al2O3)形成，且在非Al2O3層的情況下，非Al2O3層可包括選自於Ti、Nb、Hf、V、Ta、Mo、Zr、Cr、W和Al的金屬的氮化物和/或碳化物之中的一種或多種難熔化合物。
另外，上述覆膜可以包括通過PVD法和CVD法沉積的諸如二元的TiN和TiC、三元的TiAlN和AlCrN、四元的TiAlSiN以及類金剛石碳(DLC)等各種耐熱過渡金屬氮化物或碳化物的硬質膜。在這些硬質膜中，通過PVD法形成的TiAlN膜具有諸如高硬度和優良的抗氧化性等機械性能並因而最適用於上述覆膜。
然後，在冷卻經塗覆的切削刀具的步驟S500中，使高溫的經塗覆的切削刀具在空氣中冷卻預設一段時間。當冷卻步驟S500結束時，僅尖端部與硬質合金接合的切削刀具就完成了。
如上所述，在本發明中，不同種類的材料的主體部(10)和切削部(20)在高溫下被接合，然後在真空氣氛下緩慢地冷卻。因此， 這兩種部件可被調整成具有相同的熱膨脹係數。因此，在高溫塗覆步驟中，可以防止在主體部(10)與切削部(20)的接合部處出現裂紋。
在下文中，將參考圖式對通過根據本發明的硬質合金切削刀具的製造方法製造的切削刀具進行說明。
首先，參考第二圖(A)和(B)，其揭示了通過上述步驟S100至S500製造的平銑刀。平銑刀包括由熱作工具鋼形成的主體部(10)和由硬質合金形成的切削部(20)。主體部(10)在接合步驟S100之前被提前加工成具有多個凹槽(11)和多個翼部(12)。
在對圓柱形的主體部(10)進行加工的步驟中，形成多個凹槽(11)和翼部(12)，這些凹槽(11)和翼部(12)被佈置成相對於圓柱形的主體部(10)的縱長方向(即，主體部的軸向)傾斜約7至23度。這裡，翼部(12)被加工成使得每個翼部(12)的側端面具有“L”形狀。並且，切削部(20)與每個翼部(12)被加工成具有“L”形狀的所述側端面接合。切削部(20)和翼部(12)的接合是依照上述接合步驟S100進行的。
優選地，主體部(10)的凹槽(11)和翼部(12)沿主體部(10)的軸向以斜線的方式佈置，並且翼部(12)具有用於切削的多個“L”形刀片接合部(12a)，這些刀片接合部(12a)沿縱長方向彼此間隔開。切削部(20)以露出於凹槽(11)之外的方式被接合至用於切削部的刀片接合部(12a)。切削部(20)的突起結構對於切削刀具被磨損時所需的重磨削是有利的。換言之，露出於主體部(10)之外的切削部(20) 由於凹槽(11)的空間可以確保與重磨削工具的接觸空間，且因此可以容易地進行切削部(20)的重磨削。
而且，如上所述，在切削部(20)的加工步驟S300中，通過鏟磨機對切削部(20)進行磨削，以使切削部(20)在圓周方向上具有相同的切削後角。因此，切削部(20)以在與刀具旋轉方向相反的方向上彎曲形成彎曲形狀。這種彎曲的切削部(20)可以使得當通過所述平銑刀對工件進行加工時在切削部(20)與工件之間形成光滑的接觸角，並因而可以減少切削部(20)的磨損，並且還可以使工件能夠被精確地加工。即，所述切削刀具由於切削部(20)的形狀可以具有刮削功能。因此，切削刀具可對工件的表面進行非常精確地加工。
同時，切削部(20)可具有以狹縫形狀形成的斷屑器(21)。斷屑器(21)被加工成使得在切削部(20)的端部處形成有多個輪齒。因此，由於設置有斷屑器(21)，碎屑在切削時不會融接並且被順利地排出。
同時，第三圖(A)和(B)揭示了立銑刀，第四圖(A)和(B)揭示了仿形銑刀，第五圖(A)和(B)揭示了細齒銑刀，第六圖(A)和(B)揭示了槽銑刀，且第七圖(A)和(B)揭示了滾刀。在所有這些切削刀具中，通過上述製造步驟S100至S500將硬質合金接合至上述尖端部。
參考第三圖(A)至第七圖(B)，像平銑刀一樣，切削刀具包括由熱作工具鋼形成的主體部(110)、(210)、(310)、(410)和(510)以及 由硬質合金形成的切削部(120)、(220)、(320)、(420)和(520)。在接合步驟S100之前預先對主體部(110)、(210)、(310)、(410)和(510)進行加工，以形成多個凹槽(111)、(211)、(311)、(411)和(511)以及多個翼部(112)、(212)、(312)、(412)和(512)。
在對主體部(110)、(210)、(310)、(410)和(510)進行加工的步驟中，在主體部中形成多個凹槽(111)、(211)、(311)、(411)和(511)以及翼部(112)、(212)、(312)、(412)和(512)。在此，翼部(112)、(212)、(312)、(412)和(512)被加工成使得每個翼部的側端面具有“L”形狀。並且切削部(120)、(220)、(320)、(420)和(520)被接合至翼部(112)、(212)、(312)、(412)和(512)的側端面被加工成“L”形狀。切削部(120)、(220)、(320)、(420)和(520)和翼部(112)、(212)、(312)、(412)和(512)的接合是根據上述接合步驟S100進行的。
優選地，翼部(112)、(212)、(312)、(412)和(512)具有用於切削部(120)、(220)、(320)、(420)和(520)的多個“L”形的接合部(112a)、(212a)、(312a)、(412a)和(512a)。切削部(120)、(220)、(320)、(420)和(520)以露出於凹槽(111)、(211)、(311)、(411)和(511)之外的方式被接合至切削部(120)、(220)、(320)、(420)和(520)的接合部(112a)、(212a)、(312a)、(412a)和(512a)。像這樣，露出於主體部(110)、(210)、(310)、(410)和(510)之外的切削部(120)、(220)、(320)、(420)和(520)憑藉凹槽(111)、(211)、(311)、(411)和(511)的空間可以確保與重磨削工具的接觸空間，且因此可以容易地執行切削部的重磨削。
而且，在對切削部(120)、(220)、(320)、(420)和(520)進行加工的步驟S300中，通過鏟磨機對切削部(120)、(220)、(320)、(420)和(520)進行磨削，以使切削部(120)、(220)、(320)、(420)和(520)在圓周方向上具有相同的切削後角。因此，切削部(120)、(220)、(320)、(420)和(520)以在與刀具的旋轉方向相反的方向上彎曲形成彎曲形狀。彎曲的切削部(120)、(220)、(320)、(420)和(520)可以使得當所述切削刀具對工件進行加工時在切削部(120)、(220)、(320)、(420)和(520)與工件之間形成光滑的接觸角，因而可以減少切削部(120)、(220)、(320)、(420)和(520)的磨損，並且還可以使工件能夠被精確地加工。
而且，在第三圖(A)和(B)所示的立銑刀以及第六圖(A)和(B)所示的槽銑刀的情況下，切削部(120)和(420)可以具有以狹縫形狀形成的斷屑器(121)和(421)。斷屑器(121)和(421)被加工成使得在每個切削部(120)和(420)的端部處形成有多個輪齒。因此，碎屑在切削時不會融接並且可以被順利地排出。
以上所舉者僅係本發明之部份實施例，並非用以限制本發明，致依本發明之創意精神及特徵，稍加變化修飾而成者，亦應包括在本專利範圍之內。
綜上所述，本發明實施例確能達到所預期之使用功效，又其所揭露之具體技術手段，不僅未曾見諸於同類產品中，亦未曾公開於申請前，誠已完全符合專利法之規定與要求，爰依法提出發明 專利之申請，懇請惠予審查，並賜准專利，則實感德便。

Claims (4)

  1. 一種硬質合金切削刀具的製造方法，其包括步驟：a)通過熱處理將由熱作工具鋼形成的主體部和由硬質合金形成的切削部接合在一起；b)使接合的所述主體部和所述切削部於真空室中緩慢地冷卻24小時；c)根據應用目的將所述切削部加工成具有預定圖案並且形成所述切削刀具；d)使用由金屬氧化物、氮化物和碳化物中的至少一者形成的膜對經過加工的所述切削刀具進行塗覆以提高機械性能；以及e)使經過塗覆的所述切削刀具在空氣中冷卻預設一段時間。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的方法，其中所述熱作工具鋼是SKD61，且所述步驟a)包括：通過高頻焊接或氧氣焊接在800至1200℃的溫度下使所述主體部與所述切削部接合。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的方法，其中所述步驟c)包括：通過鏟磨機對所述切削部進行磨削，使得具有相同切削後角的多個刀片在所述切削部的圓周方向上以彎曲的形狀形成。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的方法，其中所述步驟d)包括：在400至700℃的溫度下在所述切削刀具的表面上沉積厚度為2至4微米的氮化鈦鋁(TiAlN)。
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