專利名稱：不重磨刀片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明主要涉及用于金屬切削作業(yè)中的可轉(zhuǎn)位刀片以及制造這種刀片的方法。
背景技術(shù)：
在鋼/鐵材料和鋁合金的加工中，由于近年來對于減少環(huán)境污染，更不用說降低加工成本的需求，使得高精度、高效率的機加工作為重要的技術(shù)開發(fā)問題成為人們關(guān)注的焦點。作為其解決方案，將諸如燒結(jié)立方氮化硼(cBN)和燒結(jié)金剛石等的高壓燒結(jié)材料用作切削工具的例子已經(jīng)增加。
與屹今為止使用的硬質(zhì)合金和陶瓷相比，使用高壓燒結(jié)材料作為切削工具的資源成本較高。因此，在采用高壓燒結(jié)材料的應用中，例如在其底質(zhì)由硬質(zhì)合金構(gòu)成的可轉(zhuǎn)位刀片中，被切成用作切削刃的部分的尺寸的燒結(jié)材料通過釬焊等技術(shù)被安裝到底質(zhì)中。圖1(A)是它的一個特殊例子。由高壓燒結(jié)材料1和硬質(zhì)合金2構(gòu)成的坯料通過釬焊被焊接到由硬質(zhì)合金構(gòu)成的底質(zhì)3上，在底質(zhì)被燒結(jié)前在底質(zhì)中形成夾緊/鎖定孔5。
可轉(zhuǎn)位刀片形成包括較小尺寸的三角形或四邊形的幾何形狀，用于鉆小孔的操作，以及同樣為小尺寸的圓形，用于仿形作業(yè)。在這些可轉(zhuǎn)位刀片中，那些整個切削面或整個刀片本身由高壓燒結(jié)材料構(gòu)成的刀片，和那些不具有夾緊/鎖定孔的刀片，已經(jīng)被沿著切削面楔在帶有夾持楔塊的工具柄上以將它們固定在適當?shù)奈恢靡员阌谑褂?。圖1(B)和1(C)是這樣的刀片的特定例子。在圖1(B)中，高壓燒結(jié)材料1構(gòu)成切削面，硬質(zhì)合金部分2被整體燒結(jié)。在圖1(C)中的可轉(zhuǎn)位刀片整個由高壓燒結(jié)材料構(gòu)成。這些可轉(zhuǎn)位刀片不具有夾緊/鎖定孔。
設置有夾緊/鎖定孔的可轉(zhuǎn)位刀片在連接到工具柄上時具有優(yōu)點。在日本專利申請公開出版物No.H04-2402中公開了一種在可轉(zhuǎn)位刀片已被模制后用于在可轉(zhuǎn)位刀片中鉆孔的技術(shù)，該技術(shù)使用激光束產(chǎn)生從切削面到由線體加強陶瓷制成的銑削刀片安裝座的圓柱形通孔。同樣地，在日本專利申請公開出版物No.H07-299577中公開了一種與直接轉(zhuǎn)換方法結(jié)合的激光加工cBN燒結(jié)物質(zhì)的方法，其中幾乎不包含任何的燒結(jié)添加劑。
上述在圖1(A)中所示的使用了高壓燒結(jié)材料的傳統(tǒng)可轉(zhuǎn)位刀片的一個問題在于，對于小尺寸可轉(zhuǎn)位刀片，在其上釬焊刀片的毛坯尺寸較小，意味著由于減小了釬焊的表面積，釬焊焊縫在切削作業(yè)期間在間歇沖擊力和重復應力作用下有時會松脫。為了解決這一問題，與采用將毛坯釬焊到刀片的切削刃部分的結(jié)構(gòu)不同，可利用一種刀片，具有如圖1(B)或圖1(C)所示的結(jié)構(gòu)，其中整個切削面或整個刀片本身由高壓燒結(jié)材料制成，其中沒有夾緊/鎖定孔。采用整個切削面或整個可轉(zhuǎn)位刀片本身由高壓燒結(jié)材料制成的結(jié)構(gòu)有可能使刀片具有許多切削齒，并且通過去除釬焊過程，使得制造成本得以減少。刀片不具有夾緊/鎖定孔的原因是，由于使用傳統(tǒng)的技術(shù)在高壓燒結(jié)材料上鉆孔極其困難，因此就工業(yè)可行性而言在可接受的限度內(nèi)的生產(chǎn)成本下進行制造是不可能的。
在安裝不具有夾緊/鎖定孔的可轉(zhuǎn)位刀片的情況下所采用的系統(tǒng)依賴于以下技術(shù)，其中通過利用楔塊沿著可轉(zhuǎn)位刀片的切削面壓在可轉(zhuǎn)位刀片上來固定可轉(zhuǎn)位刀片，或者將刀片夾緊在墊片和夾緊塊之間。在這些情況下，當加工具有高延展性的工件時，來自工件的碎屑為連續(xù)和卷曲形的，碎屑碰撞夾具頭，常常損壞夾具頭。已經(jīng)證明這是使碎屑脫離能力變差的一個因素，從而使得碎屑與工件的表面接觸并在工件的表面上留下劃痕，產(chǎn)生低品質(zhì)的切削。
在用于切削齒的具有高壓燒結(jié)材料的刀片安裝在諸如端銑刀之類的回轉(zhuǎn)刀具上的機加工中會產(chǎn)生另外的問題。由于在這些情況下刀片通常在高速機加工條件下使用，因此刀具轉(zhuǎn)速較快，并且，在不使用夾緊/鎖定孔的夾緊系統(tǒng)中不能得到足夠的夾緊力，因此，由于轉(zhuǎn)動期間產(chǎn)生的離心力，刀片易于從工具柄上松脫。而且，對于不使用夾緊/鎖定孔的夾緊系統(tǒng)，用于夾緊/鎖定的部分的數(shù)量很大，這已證明是龐大的，從而使得用于小直徑工具柄(諸如φ20mm或更小)規(guī)格的多點設計很困難。
至于加工如上所述的用于夾緊/鎖定的孔的方法，除了本發(fā)明中公開的激光加工方法以外，盡管可利用諸如使用旋轉(zhuǎn)研磨機研磨、超聲加工、放電加工等等的技術(shù)，但由于使用這些技術(shù)在高壓燒結(jié)材料上進行加工的速度極慢，研磨機、超聲波照射槍、放電電極等等的形狀隨著時間改變，因此不可能保持加工精度。對于線放電加工，必須加工出導向鉆頭孔(starter hole)，就可加工的形狀而言，只能加工圓柱孔。而且，在高壓燒結(jié)材料不導電的情況下，放電加工是不適用的。至于激光加工，利用傳統(tǒng)方法在加工過程中會有相當大的熱損傷，諸如在被加工面中出現(xiàn)潛在裂紋，導致刀片破壞；并且，與線放電加工一樣，只能加工圓柱形的孔。
本發(fā)明的問題是解決上述的到目前為止的技術(shù)中所存在的問題，為此，提供一種可轉(zhuǎn)位刀片，該刀片沒有結(jié)構(gòu)脆性部分，能夠容易地和牢固地連接到工具柄上，并且在處理碎屑方面具有優(yōu)越性。

發(fā)明內(nèi)容
為了實現(xiàn)上述目的，通過采用在超高壓下整體地燒結(jié)到硬質(zhì)合金上的高壓燒結(jié)材料本身作為主要部件，消除釬焊焊縫中的非穩(wěn)定強度狀態(tài)(wise)；通過在切削面的中心部分中設置孔以便夾緊到工具柄上，以提高連接到工具柄上的強度和精度，并且減小工具的總體尺寸，從而使得加工可行性的限度擴大了。
此外，在本發(fā)明的第二方面中，通過從高壓燒結(jié)材料構(gòu)造整個可轉(zhuǎn)位刀片，除了前述的效果外，由于高壓燒結(jié)材料具有的高水平的熱傳導，減小了加工時在切削刃中的溫度升高，使得在切削刃中的碎屑和破裂減少，并提高了加工的尺寸精度。
在前述的本發(fā)明的第一和第二方面中，為了對諸如鋼、鑄造金屬物體、不銹鋼等黑色金屬進行切削操作，可利用立方氮化硼(cBN)燒結(jié)物質(zhì)作為高壓燒結(jié)材料，而在對諸如壓鑄鋁合金、鎂合金以及銅合金等非鐵金屬進行切削操作中，可利用金剛石燒結(jié)物質(zhì)作為高壓燒結(jié)材料。兩者中的任一種都具有高強度、在高溫下化學性質(zhì)穩(wěn)定并且具有高的熱傳導性。
通過本發(fā)明擴大可轉(zhuǎn)位刀片的總體幾何尺寸將意味著較大尺寸的高壓燒結(jié)材料用作刀片材料，提高了生產(chǎn)成本，并且意味著與屹今為止使用的可轉(zhuǎn)位刀片——其中高壓燒結(jié)材料只釬焊到刀片的切削刃部分——相比，本發(fā)明的可轉(zhuǎn)位刀片在性能價格比方面將不會顯示優(yōu)越性。因為同樣的原因，如果根據(jù)本發(fā)明的刀片的總體幾何尺寸被減小到一定程度，在該程度下設置在刀片中部中的夾緊孔的存在明顯削弱了刀片的機械強度，將不會顯示穩(wěn)定的切削工具性能。因此，在本發(fā)明的可轉(zhuǎn)位刀片的幾何形狀為多角形的情況下，投影到切削面上并構(gòu)成可轉(zhuǎn)位刀片輪廓的多角形中的內(nèi)接圓的直徑優(yōu)選為3mm或更多，13mm或更小；在幾何形狀為圓形的情況下，在投影到切削面上的圓形中的可轉(zhuǎn)位刀片的外徑優(yōu)選為5mm或更多，20mm或更小。
可利用高功率脈沖YAG激光器加工位于可轉(zhuǎn)位刀片的中心部分中的把柄夾緊孔，其中調(diào)節(jié)輸出功率并且同時利用檢流計鏡增強光收集，同時，通過控制輸出功率、振蕩頻率和滾花節(jié)距，以固定的加工量逐漸切削出刀片的輪廓線(contour line)。利用這樣的激光加工方法，通過減小激光束的總輸出功率及提高它的光收集水平，可減小熱對于加工表面的影響。另外，向被接通以便接收電子數(shù)據(jù)的激光加工設備直接傳送通過三維CAD系統(tǒng)準備的形狀建模數(shù)據(jù)，在激光加工設備中安裝CAD-CAM系統(tǒng)以便由接收的形狀建模數(shù)據(jù)自動產(chǎn)生加工孔型，使得加工不僅限于一般的線切削作業(yè)，而且延伸到具有不規(guī)則曲面的復雜形狀。
可利用上述的激光系統(tǒng)，在可轉(zhuǎn)位刀片的中心部分中提供把柄夾緊孔，所述夾緊孔的形狀不同于沿深度方向直徑均勻的圓柱形形狀，而是在水平截面中的孔直徑從切削面?zhèn)瘸虬惭b座側(cè)減小。這種形狀在孔的內(nèi)表面產(chǎn)生的傾斜度使得夾緊螺釘?shù)目ㄈΑ獋鬟f夾緊力的部分——以及夾緊孔的傾斜表面形成表面接觸，使得有可能實現(xiàn)穩(wěn)定的夾緊。
夾緊孔可采用的特定形狀如下，并在圖5中示出，其中在通過孔的中心軸線的平面中截取的截面形狀中，對應于孔側(cè)面的邊的切削面端部朝向切削面端張開45°-120°角，構(gòu)成圓錐形的側(cè)表面，而在截面形狀中的安裝座端部構(gòu)成平行線段，就側(cè)表面形狀而言成為圓柱形的形狀。作為選擇，如圖2所示，可采用如下形狀，其中孔朝向切削面的結(jié)構(gòu)的截面形狀為朝向切削面打開的弧形，并且側(cè)表面具有朝向孔的凸典面結(jié)構(gòu)，其中安裝座端部為圓柱形。
通常，可轉(zhuǎn)位刀片中的夾緊孔和工具柄中的連接孔被設置為偏心的，其中，通過平行于安裝座方向的力(引入力)和來自壁的反力將可轉(zhuǎn)位刀片牢固和精確地緊固到工具柄上，所述的引入力是通過緊固夾緊螺釘產(chǎn)生的，所述刀片靠在所述壁上被夾緊到把柄上。上述在切削面端部中的孔的張角越小，則剛剛所述的引入力越大。相反，在切削面端部中的孔的張角越大，則朝向柄安裝座的夾緊力越大。因此，可根據(jù)工具所需要提供的力和安裝精度選擇夾緊孔的結(jié)構(gòu)。
夾緊孔在平行于切削面的截面中的形狀是至關(guān)重要的，尤其是夾緊螺釘接觸可轉(zhuǎn)位刀片處的孔部分的形狀。如果該截面的形狀顯著偏離圓形，意味著夾緊螺釘將只能與孔形成部分接觸，夾緊力將集中于沿孔的周邊散布的接觸點中，在夾緊孔的附近產(chǎn)生非均勻的應力集中，導致可轉(zhuǎn)位刀片的破壞。因此，理想的是，在平行于切削面的截面中，在孔接觸夾緊螺釘處附近，夾緊孔的形狀幾乎是完美的圓形。如果不圓偏差在20μm的范圍內(nèi)，則由應力集中引起的工具故障的發(fā)生率可被控制在較低的發(fā)生頻率下。為了更穩(wěn)定的設計，不圓偏差在10μm的范圍內(nèi)是理想的。在這里，“不圓偏差”是指在被測量的孔的形狀的外接圓和內(nèi)接圓之間的半徑差。
為了減輕夾緊力在分散的接觸點中的上述集中，此外，在夾緊螺釘?shù)目ㄈο虏迦胫T如銅箔、鋁箔、尼龍樹脂或硬橡膠之類的緩沖材料是有效的。接著，對于緩沖，一個慣例是利用諸如濕鍍、CVD或PVD等方法在夾緊螺釘上涂以Ti、Cr、TiNz(0.1≤z≤0.93)、Cu或NiP等材料。同樣，對于緩沖的另一慣例是在可轉(zhuǎn)位刀片切削面上和安裝孔內(nèi)表面上涂以諸如Ti、Cr、TiN(z)(0.1≤z≤0.93)、Cu或NiP材料。在這種情況下，涂層色彩呈現(xiàn)金屬光輝，使得容易辨別已被使用的角，這一點與得自涂層的可轉(zhuǎn)位刀片耐磨性的提高相結(jié)合，也是優(yōu)選的。
如圖3所示，通過在設置在可轉(zhuǎn)位刀片中央部分的孔的切削面端部提供一個部分，所述孔用于夾緊到工具柄上，在所述部分中，對于離開切削面的一定距離，孔直徑不減小，夾緊螺釘緊固在比可轉(zhuǎn)位刀片低的位置處，其中，通過使夾緊螺釘?shù)墓诓勘惹邢髅娴?，當加工高延性材料時，可防止碎片破裂的干擾，而且，當采用通過解決本發(fā)明的問題的第一種方法在超高壓情況下整體燒結(jié)到硬質(zhì)合金上的高壓燒結(jié)材料作為源材料時，通過使作為與夾緊螺釘接觸的孔部分的斜表面成為具有高強度的硬質(zhì)合金部分，工具的主要部件將不易破裂。


圖1是傳統(tǒng)的高壓燒結(jié)材料可轉(zhuǎn)位刀片；圖2是根據(jù)本發(fā)明的可轉(zhuǎn)位刀片，其中高壓燒結(jié)材料和硬質(zhì)合金被結(jié)合；圖3是根據(jù)本發(fā)明的可轉(zhuǎn)位刀片，其中高壓燒結(jié)材料和硬質(zhì)合金被結(jié)合；圖4是根據(jù)本發(fā)明的由高壓燒結(jié)材料制成的可轉(zhuǎn)位刀片；圖5是可轉(zhuǎn)位刀片孔結(jié)構(gòu)，示出了實施例1；圖6是可轉(zhuǎn)位刀片孔結(jié)構(gòu)，示出了實施例2；圖7是可轉(zhuǎn)位刀片孔結(jié)構(gòu)，示出了實施例3；圖8是可轉(zhuǎn)位刀片，示出了實施例4；圖9是可轉(zhuǎn)位刀片孔結(jié)構(gòu)，示出了實施例4；圖10是可轉(zhuǎn)位刀片，示出了實施例5；圖11是可轉(zhuǎn)位刀片孔結(jié)構(gòu)，示出了實施例5；圖12是可轉(zhuǎn)位刀片孔結(jié)構(gòu)，示出了實施例6；圖13是夾緊孔結(jié)構(gòu)，示出了實施例7，其中(A)是內(nèi)接圓和外接圓直徑差為24μm的情況，和(B)是內(nèi)接圓和外接圓直徑差為8μm的情況；圖14是可轉(zhuǎn)位刀片，示出了實施例8；和圖15是可轉(zhuǎn)位刀片孔結(jié)構(gòu)，示出了實施例8。
具體實施例方式
以下將根據(jù)圖2-4說明本發(fā)明的實施例。
圖2代表根據(jù)本發(fā)明一個方面的可轉(zhuǎn)位刀片的一個例子。通過在圖中的1處在超高壓下整體燒結(jié)包括cBN燒結(jié)物質(zhì)或金鋼石燒結(jié)物質(zhì)的高壓燒結(jié)材料部分，以及在2處硬質(zhì)合金部分來形成可轉(zhuǎn)位刀片；在可轉(zhuǎn)位刀片切削面的中心部分中形成它的夾緊孔5部分。如圖2(B)中的截面圖所示，用于夾緊到工具柄上的孔5的直徑在切削面上最大，朝向安裝座減小，并且，從可轉(zhuǎn)位刀片中部附近到安裝座的半徑不變。當將可轉(zhuǎn)位刀片安裝到工具柄上時，可轉(zhuǎn)位刀片通過夾緊螺釘?shù)慕佑|部分7被夾緊螺釘夾緊，如圖2(B)中6處所示。理想的是使夾緊螺釘在高強度的硬質(zhì)合金部分上接觸。
圖3代表根據(jù)本發(fā)明另一方面的可轉(zhuǎn)位刀片。在可轉(zhuǎn)位刀片的工具柄夾緊孔5部分的切削面端部中是直徑不變的部分8；在該部分以外朝向安裝座處，所述孔具有與如上所述的圖2所示的可轉(zhuǎn)位刀片的工具柄夾緊孔部分相同的形狀。在本發(fā)明的該方面中，由于與可轉(zhuǎn)位刀片接觸的夾緊螺釘接觸部分7靠近安裝座——由于上述的半徑不變的部分的存在——螺釘?shù)墓诓柯袢肱c切削面平齊的位置或者超過切削面埋入朝向安裝座凹陷的位置處，從而在這種情況下夾緊螺釘不會阻礙經(jīng)過切削面的碎屑的流出。
圖4代表根據(jù)本發(fā)明另一方面的可轉(zhuǎn)位刀片?？赊D(zhuǎn)位材料整體由cBN燒結(jié)物質(zhì)或金剛石燒結(jié)物質(zhì)形成，并且形成有與圖3所示的本發(fā)明的一個方面中的夾緊孔具有相同形狀的夾緊孔。利用具有高熱導性的高壓燒結(jié)材料形成整個可轉(zhuǎn)位刀片提高了工具總體的熱傳遞，使得在諸如沒有致冷劑的高速切削期間之類的情況下在切削刃部分中產(chǎn)生的熱能夠快速地擴散到夾持部分，從而有可能防止由于過熱而在切削刃部分中產(chǎn)生碎屑，并防止在工具構(gòu)造中與熱膨脹導致的變化有關(guān)的加工精度的降低。
接著，將通過舉例的方式以例子說明本發(fā)明的細節(jié)。
實施例1利用由特氟綸制成的罐和硬質(zhì)合金球，在乙醇中混合由重量比為30％的TiN、5％的Ti、15％的Al組成的平均粒度為1μm或更小的粘結(jié)劑粉末與50％的平均粒度為2μm的cBN粉末，以獲得混合粉末；對混合物在真空環(huán)境內(nèi)、1000℃下熱處理30分鐘，然后將其裝入硬質(zhì)合金容器中并在溫度為1300℃、壓力為4Gpa下燒結(jié)60分鐘，產(chǎn)生cBN燒坯。由X射線衍射來分析燒坯，以鑒別其中的cBN、TiN、TiB2、AlN、Al2O3。
利用激光加工在cBN燒坯中加工具有圖5所描述的形狀的孔，所述燒坯由上述方法獲得，并與硬質(zhì)合金一起整體燒結(jié)。利用由Lasertec(Deckel Maho)GmbH制造的DML-40激光銑床進行所述加工?？捉Y(jié)構(gòu)的總厚度(A)為3.97mm；在切削面中的孔直徑(B)為φ7.0mm；在安裝座中的孔直徑(C)為φ4.4mm；及在切削面端部孔的張角(D)為60°。表I說明了加工條件。這里定義的“激光功率”是指在YAG棒出口(rodexit)處的激光輸出功率；“脈沖頻率”是指Q開關(guān)的脈沖頻率；滾花節(jié)距是指由激光束掃描時的進給寬度。激光束的移動速度固定為500mm/秒。
對于每一被加工的孔，測量在每一種情況中加工所需要的時間、孔部分的內(nèi)表面的cBN部分的10點平均表面粗糙度(Rz)以及硬質(zhì)合金部分的10點平均表面粗糙度(Rz)，及在硬質(zhì)合金部分中熱變形層的厚度。從這些結(jié)果可以明顯地看出，適合的條件為激光功率80-95W、及滾花節(jié)距15-30μm，在這樣的條件下，有可能在相對較短的時間內(nèi)進行加工，被加工表面的特性良好，并且熱破壞的程度是微小的。這里，請注意，激光振蕩脈沖頻率在20kHz至50kHz的范圍內(nèi)變化，但很明顯，脈沖頻率與熱影響深度和被加工表面的特性沒有強相關(guān)關(guān)系。
表I


實施例2利用由特氟綸制成的罐和硬質(zhì)合金球，在乙醇中混合由重量比為15％的Co、5％的Al組成的平均粒度為2μm或更小的粘結(jié)劑粉末與80％的平均粒度為5μm的cBN粉末，以獲得混合粉末；對混合物在真空環(huán)境內(nèi)、在1200℃的條件下熱處理30分鐘，然后將其裝入硬質(zhì)合金容器中并在溫度為1400℃、壓力為5Gpa下燒結(jié)60分鐘，產(chǎn)生cBN燒坯。由X射線衍射來分析燒坯，以鑒別其中的cBN、CoWB、Co2W2B、AlN和AlB2及微量的WC和Al2O3。
以與實施例1相同的方法，利用激光加工在cBN燒坯中加工圖6所示形狀的孔，所述燒坯由前述方法獲得，但不包含硬質(zhì)合金?？捉Y(jié)構(gòu)的總厚度(A)為3.97mm；在切削面中的孔直徑(B)為φ6.0mm；在安裝座中的孔直徑(C)為φ3.9mm；及在孔向切削面端部張開處(E)的曲率半徑為R＝4.0mm；在切削面端部，固定半徑部分具有0.45mm的深度(F)。表II說明了加工條件。
表II

對于每一被加工的孔，測量在每一情況下加工所需要的時間、孔部分的內(nèi)表面的10點平均表面粗糙度(Rz)及熱變形層的厚度。從這些結(jié)果可以明顯地看出，適當?shù)臈l件為激光功率為70-95W及滾花節(jié)距為15-30μm，在該條件下，有可能在較短的時間內(nèi)加工，被加工表面的特性良好，并且熱破壞的程度是微小的。
實施例3利用硬質(zhì)合金罐和球，在乙醇中混合重量比為95％、平均粒度為1μm的金剛石粉末與5％的平均粒度為1μm或更小的Co粉末，以獲得混合粉末；對混合物在真空氣氛內(nèi)、1200℃的條件下熱處理30分鐘，然后層壓到Co板上。將所述層壓制品裝入硬質(zhì)合金容器中并在溫度為1500℃、壓力為5Gpa下燒結(jié)60分鐘，產(chǎn)生燒結(jié)金剛石復合片。由ICP對燒結(jié)金剛石復合片的成份進行分析，其中，就體積比而言，87％為金剛石、8％為Co，其它為W和C。
以與實施例1相同的方法，利用激光加工在燒結(jié)金剛石復合片中加工圖7所示形狀的孔，所述燒結(jié)金剛石復合片由前述方法獲得，并與硬質(zhì)合金一起整體燒結(jié)?？捉Y(jié)構(gòu)的總厚度(A)為1.59mm；在切削面中的孔直徑(B)為φ3.0mm；在安裝座中的孔直徑(C)為φ2.2mm；及在切削面端部中的孔的張角(D)為60°；在切削面端部中的固定半徑部分具有0.4mm和深度(F)。表III說明了加工條件。
表III

對于每一被加工的孔，測量在每種情況下加工所需要的時間、燒結(jié)金剛石復合片部分的孔部分的內(nèi)表面的10點平均表面粗糙度(Rz)及熱變形層的厚度。從這些結(jié)果可以明顯地看出，適當?shù)臈l件為激光功率為60-80W及滾花節(jié)距為15-30μm，在該條件下，有可能在較短的時間內(nèi)加工，加工的表面特性良好，并且熱破壞的程度是微小的。
實施例4利用由特氟綸制成的罐和硬質(zhì)合金球，在乙醇中混合由重量比為25％的TiN、5％的Ti和18％的Al構(gòu)成的平均粒度為1μm或更小的粘結(jié)劑粉末與52％的平均粒度為1μm的cBN粉末，以獲得混合粉末；對混合物在真空環(huán)境內(nèi)、1000℃的條件下熱處理30分鐘，將其裝入硬質(zhì)合金容器中并在溫度為1350℃、壓力為4.8Gpa下燒結(jié)60分鐘，產(chǎn)生cBN燒坯。由X射線衍射對燒坯進行分析，以鑒別其中的cBN、TiN、TiB2、AlB2、AlN、Al2O3。
由前述方法獲得的與硬質(zhì)合金燒結(jié)為一體的cBN燒坯通過線放電加工被切割成形，接著進行外周拋光操作，從而制成圖8所示的直徑為10mm和厚度3.18mm的圓形可轉(zhuǎn)位刀片。此外，利用激光加工在刀片中加工出圖9所示形狀的孔?？捉Y(jié)構(gòu)的總厚度(A)為3.18mm；在切削面中的孔直徑(B)為φ6.0mm；在安裝座中的孔直徑(C)為φ3.9mm；在孔向切削面端部張開處(E)的曲率半徑為R＝4.0mm；在切削面端部中的固定半徑部分的深度(F)為0.45mm。實施加工的條件為激光輸出功率90W，脈沖頻率為25kHz，滾花節(jié)距為15μm。
作為與其比較的例子，使用放電加工在與剛描述的燒坯相同的燒坯中形成具有相同結(jié)構(gòu)的孔。在放電加工操作中，首先，為了從切削面到安裝座鉆一通孔，利用直徑為1mm的電極執(zhí)行放電加工；下一步，通過線放電加工出直徑為3.9mm的圓柱形孔；接下來，在孔上使用放電電極來實施放電加工，并使其具有圖8所示的結(jié)構(gòu)，其中所述放電電極已被加工成孔的最后形狀。
上述的加工操作結(jié)果在表IV中說明。
表IV

為了加工具有相同形狀的孔，與放電加工相比，通過激光加工在鉆孔操作中加工可在極短的時間內(nèi)進行。
實施例5利用由特氟綸制成的球和罐，在乙醇中將重量比為30％、平均粒度為5μm或更小的cBN粉末與70％、平均粒度為10μm的cBN粉末混合，以獲得混合粉末；對混合物在真空內(nèi)、1000℃的條件下熱處理30分鐘，并層壓到Al板上。該層壓制品被裝入硬質(zhì)合金容器中并在溫度為1350℃、壓力為4.8Gpa下燒結(jié)60分鐘，產(chǎn)生cBN燒坯。由X射線衍射對燒坯進行分析，來鑒別其中的cBN、AlN和AlB2。
由于通過前述方法獲得的cBN燒坯—其不包含硬質(zhì)合金—不具有導電性，不能進行放電加工，因此通過高功率激光加工切削成形，接著進行外周拋光操作，從而制成圖10所示的直徑為6.35mm、厚度為2.38mm的菱形可轉(zhuǎn)位刀片。接著，利用激光加工在可轉(zhuǎn)位刀片的中心部分中加工出具有圖11所示形狀的孔。孔結(jié)構(gòu)的總厚度(A)為2.83mm；在切削面中的孔直徑(B)為φ3.75mm；在安裝座中的孔直徑(C)為φ2mm；在孔向切削面端部張開處(E)的曲率半徑為R＝2.8mm；及在切削面端部中的固定半徑部分的深度(F)為0.3mm。加工的條件為激光輸出功率為85W，脈沖頻率為30kHz，滾花節(jié)距為25μm。
作為與此比較的例子，用砂輪進行研磨操作以形成具有相同結(jié)構(gòu)的孔。在使用砂輪的研磨操作中，首先，利用直徑為2.8mm的圓柱形砂輪鑄件加工出圓柱形孔，此后，利用在與孔一致的模具中制造的砂輪將孔加工成最終的形狀。
上述加工操作的結(jié)果在表V中說明。
表V

為了加工具有相同形狀的孔，與利用砂輪的研磨操作相比，通過激光加工在鉆孔操作中加工可在極短的時間內(nèi)進行。如本實施例所述，對于在高壓燒結(jié)材料上鉆孔的作業(yè)，利用根據(jù)本發(fā)明的激光加工的加工速度與研磨操作相比顯著加快，其中所述高壓燒結(jié)材料不具有導電性，不能進行放電加工，因此，本發(fā)明的激光加工具有很大優(yōu)點。
實施例6利用硬質(zhì)合金罐和球，在乙醇中將重量比為95％、平均粒度為1μm的金剛石粉末與5％、平均粒度為1μm或更小的Co粉末混合，以獲得混合粉末；對混合物在真空環(huán)境內(nèi)、1200℃的條件下熱處理30分鐘，然后層壓到Co板上。將所述層壓制品裝入硬質(zhì)合金容器中并在溫度為1500℃、壓力為5Gpa下燒結(jié)60分鐘，產(chǎn)生燒結(jié)金剛石復合片。由ICP對燒結(jié)金剛石復合片的成份進行分析，其中，就體積比而言，87％為金剛石、8％為Co，其它為W和C。
由前述方法獲得的燒結(jié)金剛石復合片利用線放電加工被切削成形，所述燒結(jié)金剛石復合片與硬質(zhì)合金一起整體燒結(jié)，接著，經(jīng)外周拋光操作后，通過電火花線切割切削成形，通過外周拋光制成內(nèi)接圓直徑為φ3.97mm、厚度為1.59mm的等邊三角形刀片。此外，利用激光加工在可轉(zhuǎn)位刀片中加工出具有圖12所示形狀的孔?？捉Y(jié)構(gòu)的總厚度(A)為1.59mm；在切削面中的孔直徑(B)為φ3.0mm；在安裝座中的孔直徑(C)為φ2.2mm；及孔向切削面端部張開處(E)的曲率半徑R＝3.0mm；及在切削面端部中的固定半徑部分具有0.4mm的深度(F)。進行加工的條件為激光輸出功率為70W，脈沖頻率為35kHz，滾花節(jié)距為15μm。
作為與此比較的例子，用放電加工在與上述相同的燒坯中形成具有相同結(jié)構(gòu)的孔。在放電加工操作中，首先，為了從切削面到安裝座鉆一通孔，利用直徑為1mm的電極執(zhí)行放電加工；下一步，通過線放電加工出直徑為2.2mm的圓柱形孔；接下來，使用放電電極在孔上實施放電加工，并使其具有圖12所示的結(jié)構(gòu)，其中所述放電電極已被加工成孔的最后形狀。
上述的加工操作結(jié)果在表VI中說明。
表VI

為了加工相同結(jié)構(gòu)的孔，與放電加工相比，通過激光加工在鉆孔操作中加工可在極短的時間內(nèi)進行。
實施例7通過改變與切削面平行的夾緊孔部分的截面形狀，可研究可轉(zhuǎn)位刀片承受夾緊轉(zhuǎn)矩的強度，其中夾緊螺釘與所述夾緊孔接觸。利用在實施例2中制備的cBN燒坯制造內(nèi)接直徑為φ6.35mm、厚度為2.38mm的菱形可轉(zhuǎn)位刀片；利用激光加工通過刀片的中心部分鉆出夾緊孔，并利用M3.5的平頭螺釘將刀片夾緊到工具柄上。
分別利用在卡圈以下用銅箔作為緩沖材料包裹的夾緊螺釘和沒有這樣包裹的夾緊螺釘來評估兩類孔，其中在一類孔中，在平行于切削面的截面中，與夾緊螺釘相接觸的部分的內(nèi)接圓和外接圓的直徑差為24μm(見圖13(A))，在另一類孔中，該直徑差為8μm(圖13(B))。在若干測試條件中的每個條件下對5個可轉(zhuǎn)位刀片進行測試；利用轉(zhuǎn)矩扳手以預定的夾緊力將可轉(zhuǎn)位刀片緊固到工具柄上，通過裂紋出現(xiàn)的數(shù)量來評估可轉(zhuǎn)位刀片。這里，注意，在測試中使用的用于夾緊螺釘?shù)臉藴蕣A緊轉(zhuǎn)矩為2.5N·m。測試結(jié)果在表VII中說明。
表VII

在表VII中No.1表示內(nèi)接圓和外接圓直徑差為24μm的情況；No.2表示銅箔緩沖材料用于No.1的情況；No.3表示內(nèi)接圓和外接圓直徑差為8μm的情況；No.4表示銅箔緩沖材料用于No.3的情況。在表中，“好”標記是在可轉(zhuǎn)位刀片中未出現(xiàn)裂紋的情況；“不好”標記表示在所有可轉(zhuǎn)位刀片中都出現(xiàn)裂紋的情況；數(shù)字表示被測試的5個項目中出現(xiàn)裂紋的個數(shù)。當在平行于切削面的方向上與夾緊螺釘接觸的夾緊孔部分的截面形狀接近真正的圓形時，可轉(zhuǎn)位刀片抵抗裂紋的強度較大；同樣地，在夾緊螺釘和可轉(zhuǎn)位刀片之間提供緩沖材料降低了可轉(zhuǎn)位刀片的脆性，而脆性較大可能產(chǎn)生裂紋。這里，注意在cBN燒坯與硬質(zhì)合金物質(zhì)整體燒結(jié)的情況下，當與夾緊螺釘接觸的區(qū)域位于硬質(zhì)合金部分中時，由于在本實驗的測試條件下在可轉(zhuǎn)位刀片中不產(chǎn)生裂紋，因此不存在由于夾緊螺釘?shù)木o固而抵抗裂紋的問題。
實施例8利用由特氟綸制成的罐和硬質(zhì)合金球，在乙醇中將由重量比為20％的TiN、5％的Ti和25％的Al構(gòu)成的平均粒度為1μm或更小的粘結(jié)劑粉末與50％的平均粒度為1μm的cBN粉末混合，以獲得混合粉末；對混合物在真空環(huán)境內(nèi)、1000℃的條件下熱處理30分鐘，將其裝入硬質(zhì)合金容器中并在溫度為1350℃、壓力為4.5Gpa下燒結(jié)60分鐘，產(chǎn)生cBN燒坯。由X射線衍射對燒坯進行分析，以鑒別其中的cBN、TiN、TiB2、AlB2、AlN、Al2O3。
利用由前述方法獲得的與硬質(zhì)合金燒結(jié)為一體的cBN燒坯，形成圖14所表示的直徑為φ7mm、厚度為1.99mm和后角為15°的圓形可轉(zhuǎn)位刀片。利用激光加工通過該可轉(zhuǎn)位刀片的中心部分加工出圖15所示形狀的夾緊孔?？捉Y(jié)構(gòu)的總厚度(A)為1.99mm；在切削面中的孔直徑(B)為φ3.65mm；在安裝座中的孔直徑(C)為φ2.75mm；在孔向切削面端部張開處(E)的曲率半徑為R＝2.85mm；在切削面端部中的固定半徑部分的深度(F)為0.45mm。實施加工的條件為激光輸出功率90W，脈沖頻率為25kHz，滾花節(jié)距為15μm。
利用夾緊螺釘將該可轉(zhuǎn)位刀片裝配到用于直徑為20mm的立銑刀的工具柄上，實施螺旋銑削以對碎屑排出能力進行評估。采用回火SKD-61材料(HRC-63)作為工件。作為比較，在相同的條件下對前述的圓形可轉(zhuǎn)位刀片實施切削試驗，但是其中在刀片中還沒有形成安裝孔，采用連接夾緊系統(tǒng)將可轉(zhuǎn)位刀片安裝到工具柄上，在所述夾緊系統(tǒng)中沿著可轉(zhuǎn)位刀片的切削面使用夾具。測試結(jié)果在表VIII中列出。
表VIII

在上表中，“好”表示排屑良好；“不好”表示由于碎屑咬入被加工表面，使被加工表面中產(chǎn)生不可接受狀態(tài)。與通過夾緊系統(tǒng)進行安裝從而產(chǎn)生碎屑堵塞故障的情況相比，當在刀片中鉆夾緊孔并且通過夾緊螺釘將刀片安裝到工具柄上時，由于沒有障礙物阻止碎屑在切削面上的流動，有可能在沒有碎屑堵塞的情況下進行穩(wěn)定的加工。
并且，在通過夾緊系統(tǒng)安裝的情況中，由于部件結(jié)構(gòu)復雜，可被安裝到工具柄上的刀片的數(shù)量為3，其中每個刀片帶有切削刃；因此，如果銑削條件確定為每一刃的進給速度相同，則利用帶有孔的可轉(zhuǎn)位刀片并帶有4個刀片/刃的端銑刀的實際銑削速率將會更快。
另外，當進行高速切削時，工具柄的rpm(每分鐘轉(zhuǎn)速)增加，從而增加作用在可轉(zhuǎn)位刀片上的離心力。在這樣的情況下，如果通過夾緊系統(tǒng)安裝，則可轉(zhuǎn)位刀片有可能飛脫，但是如果利用夾緊孔通過夾緊螺釘進行安裝，則沒有風險。
工業(yè)適用性如上所述，本發(fā)明提供一種可轉(zhuǎn)位刀片，其對切削操作期間的沖擊力和重復應力的耐受力高，易于連接到工具柄上，并且，利用該可轉(zhuǎn)位刀片，由于安裝器具不顯著突出刀片外部，因此，與被加工材料的干擾很小，排屑能力良好。
權(quán)利要求
1.一種可轉(zhuǎn)位刀片，包括構(gòu)成切削面的高壓燒結(jié)材料，及用于支撐所述高壓燒結(jié)材料的硬質(zhì)合金，其特征在于，其包括位于切削面中心部分中的孔，用于連接到工具柄上。
2.一種可轉(zhuǎn)位刀片，整個由高壓燒結(jié)材料構(gòu)成，其特征在于，具有位于切削面中心部分中的孔，所述孔用于連接到工具柄上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的可轉(zhuǎn)位刀片，其特征在于，所述高壓燒結(jié)材料為燒結(jié)的立方氮化硼(cBN)或燒結(jié)的金剛石物質(zhì)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任意一項所述的可轉(zhuǎn)位刀片，其特征在于，投影到切削面上的構(gòu)成可轉(zhuǎn)位刀片輪廓線的多角形的內(nèi)接圓的直徑為3mm或更多以及13mm或更小。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任意一項所述的可轉(zhuǎn)位刀片，其特征在于，在投影到切削面上的圓形中的可轉(zhuǎn)位刀片的外徑為5mm或更多，以及20mm或更小。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5中任意一項所述的可轉(zhuǎn)位刀片，其特征在于，利用激光加工形成所述工具柄連接孔。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6中任意一項所述的可轉(zhuǎn)位刀片，其特征在于，所述工具柄連接孔的直徑從切削面?zhèn)瘸虻镀陌惭b座側(cè)逐漸減小。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-7中任意一項所述的可轉(zhuǎn)位刀片，其特征在于，所述工具柄連接孔的直徑在靠近切削面的部分中急劇減小，減小的速率逐漸變小，并且在安裝座附近中直徑不減小。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-8中任意一項所述的可轉(zhuǎn)位刀片，其特征在于，所述工具柄連接孔的直徑具有一個部分，該部分對于從切削面起的固定距離不減小。
10.制造根據(jù)權(quán)利要求1-9中任意一項所述的可轉(zhuǎn)位刀片的方法，其特征在于，利用輸出功率為50-100W的脈沖振蕩YAG激光器在可轉(zhuǎn)位刀片中形成所述工具柄連接孔，其中所述可轉(zhuǎn)位刀片的整個切削面或者它的整體由高壓燒結(jié)材料構(gòu)成。
全文摘要
傳統(tǒng)的高壓燒結(jié)材料的小尺寸可轉(zhuǎn)位刀片的問題在于，沒有工具柄夾緊孔，與柄的連接復雜且夾緊力較弱。這是由于很難在高壓燒結(jié)材料中加工具有曲線輪廓的孔。通過激光加工必要的構(gòu)造同時調(diào)節(jié)光束輸出功率并通過檢流計鏡增強光束光采集，以及控制光束輻射位置的高精度，在由高壓燒結(jié)材料和硬質(zhì)合金構(gòu)成的整體燒結(jié)的可轉(zhuǎn)位刀片中加工夾緊孔。
文檔編號B23B27/20GK1538891SQ0281533
公開日2004年10月20日 申請日期2002年7月31日 優(yōu)先權(quán)日2001年8月10日
發(fā)明者植田丞司, 馬場良介, 佐橋稔之, 久木野曉, 之, 介, 曉 申請人:住友電氣工業(yè)株式會社