本發(fā)明涉及金屬切削工具的制備和設(shè)計(jì)。
背景技術(shù)：
：金屬切削工具通常由燒結(jié)碳化鎢或另一種合適的材料(諸如PCD、PcBN、高速鋼和其他金屬陶瓷)制成。燒結(jié)碳化鎢部件通過將WC、Co以及可能的其他材料的共混物壓制或擠壓成生坯形狀而制成。然后燒結(jié)生坯形狀以將粉末壓實(shí)并熔化在一起。燒結(jié)碳化物是金屬基質(zhì)復(fù)合材料，該復(fù)合材料包含一種或多種過渡金屬的碳化物，所述碳化物作為硬顆粒分散并固結(jié)在諸如鈷、鎳和/或鐵(或這些金屬的合金)的粘結(jié)劑中。這樣，硬顆粒形成分散相，而粘結(jié)劑形成成連續(xù)相。對(duì)于用作切削工具(包括例如車削刀片和銑削刀片)，燒結(jié)碳化物提供強(qiáng)度、韌性和耐磨損性/耐腐蝕性(即，耐磨性)的有吸引力的組合。在可能的不同硬顆粒組合中，由碳化鎢作為硬顆粒以及鈷作為粘結(jié)劑相而組合的燒結(jié)碳化物普遍用作對(duì)難加工材料(諸如鈦和鈦合金、鎳和鎳合金、超合金、不銹鋼和球墨鑄鐵)進(jìn)行金屬加工操作的切削工具。壓制和燒結(jié)技術(shù)或擠壓和燒結(jié)技術(shù)將最終部件的設(shè)計(jì)僅限為可被壓制或擠壓的那些幾何形狀。這可能導(dǎo)致含有更多材料的燒結(jié)碳化物部件中摻入次等或不必要的特征。一個(gè)不必要的特征通常是使用比所需更多的材料來制備部件。燒結(jié)碳化鎢是昂貴的材料。在不損害切削工具質(zhì)量或性能的情況下需要不斷減少燒結(jié)碳化鎢的使用。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：在本發(fā)明的一種形式中，本發(fā)明為切削工具，該切削工具包括外表面以及由一個(gè)或多個(gè)朝內(nèi)的表面限定的封閉的內(nèi)部腔體。內(nèi)部腔體可具有內(nèi)部支撐件，諸如晶格或蜂窩結(jié)構(gòu)。在本發(fā)明的另一種形式中，本發(fā)明為制備切削工具的方法，該方法包括使用粘結(jié)劑噴射工藝由起始粉末制備具有內(nèi)部腔體的生坯切削工具，然后使切削工具脫粘并燒結(jié)。在本發(fā)明的另一種形式中，本發(fā)明為制備切削工具的方法，該方法包括使用選擇性激光燒結(jié)工藝由起始粉末制備具有內(nèi)部腔體的工具的步驟。根據(jù)本發(fā)明制備的工具可具有改善的機(jī)械性能和耐磨性、通過消除不必要的材料而降低的總重量，以及節(jié)省的制造時(shí)間和成本。此外，工具的輕重量設(shè)計(jì)將由于機(jī)械的更快反應(yīng)而允許高速操作中更精確的工具路徑。該設(shè)計(jì)的另外的益處包括設(shè)計(jì)靈活性增加的更高質(zhì)量成品。這些和其他實(shí)施例在下文的具體實(shí)施方式中更詳細(xì)地描述。附圖說明圖1為根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的切削刀片的透視圖。圖2為圖1的切削刀片的剖視圖。圖3為根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的切削刀片的剖視圖。圖4為根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的鉆頭的透視圖。圖5為圖4的鉆頭的剖視圖。具體實(shí)施方式參考以下具體實(shí)施方式和實(shí)例以及前述和下述內(nèi)容可更容易地理解本文所述的實(shí)施例。然而，本文所述的元素、設(shè)備和方法并不限于具體實(shí)施方式和實(shí)例中所述的具體實(shí)施例。應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，這些實(shí)施例僅示例性地說明本發(fā)明的原理。在不脫離本發(fā)明精神和范圍的情況下，多種修改和變更對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言將是顯而易見的。如本文所用，術(shù)語切削工具是指用于從工件移除材料的硬組件。圖1示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的切削刀片10。在該實(shí)施例中，切削刀片呈大致矩形形式，但是該切削刀片可為適用于金屬切削的任何所需形狀，例如另一種刀片類型、端銑刀或鉆頭。此外，該切削刀片10可在其一個(gè)或多個(gè)表面上具有類似斷屑槽或孔之類的另外幾何形狀。切削刀片10具有在前刀面12與后刀面13的交匯處的切削刃11。切削工具10的外表面14 包括前刀面12、后刀面13和切削刃11。該類型的切削刀片通?？筛鶕?jù)車削或銑削操作在刀架上轉(zhuǎn)位，并且可以從刀架上拆卸。圖2為圖1的切削刀片10的剖視圖。該剖面展示了刀片10內(nèi)的內(nèi)部腔體15。內(nèi)部腔體15由一個(gè)或多個(gè)朝內(nèi)的表面19限定。結(jié)合晶格結(jié)構(gòu)17以改善切削刀片10的機(jī)械性能。晶格結(jié)構(gòu)17可以是維持工具的機(jī)械強(qiáng)度和完整性的任何合適設(shè)計(jì)，例如，可加入一個(gè)或多個(gè)內(nèi)壁或者可結(jié)合蜂窩結(jié)構(gòu)。如本文所用，術(shù)語“腔體”是指工具內(nèi)由朝內(nèi)的表面在所有側(cè)面上限定的內(nèi)部空間。現(xiàn)在參見圖3，根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例示出了切削刀片20的剖視圖。切削刀片20具有帶有支撐晶格結(jié)構(gòu)22的內(nèi)部腔體21。切削刀片20具有在后刀面24與前刀面25的交匯處的切削刃23。在前刀面25內(nèi)并且鄰近切削刃23的是冷卻劑排放孔26，該冷卻劑排放孔從內(nèi)部腔體21延伸至前刀面25。在該實(shí)施例中，冷卻劑(例如水或切削液)通過刀架(未示出)遞送進(jìn)入到冷卻劑入口(未示出)中，該冷卻劑入口結(jié)合到切削刀片20的底部。刀片的底部是與前刀面25相對(duì)的側(cè)面。其他實(shí)施例可具有位于后刀面或前刀面的冷卻劑入口。圖4和圖5示出根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的鉆頭30。圖5為鉆頭30的中心部分的剖視圖。該剖面沿著與鉆頭30的縱向軸線相交的平面。該鉆頭具有在切削刀頭32的一端處的柄部31以及在相對(duì)端處的切削刃33。如圖5所示，鉆頭30具有由一個(gè)或多個(gè)朝內(nèi)的表面35限定的內(nèi)部腔體34。晶格結(jié)構(gòu)36為鉆頭30提供機(jī)械支撐。本發(fā)明的切削工具通過增材制造(例如粘結(jié)劑噴射、選擇性激光燒結(jié)(SLS)、或選擇性激光熔化(SLM))來制造。如本文所用，“粘結(jié)劑噴射”是指生產(chǎn)部件的以下方法：將液體粘結(jié)劑選擇性地噴射到基于部件3D模型的粉末床上，將粘結(jié)劑和粉末凝固成剖面，接著依次放置額外的粉末和粘合劑以形成物件的下一層，然后重復(fù)該過程直到完成生坯部件。在粘結(jié)劑噴射之后，將部件脫粘并燒結(jié)。在一些實(shí)施例中，將切削工具在介于2000至3000℉之間的溫度以及10,000至30,000psi的壓力下熱等靜壓(HIP)30至500分鐘之間的時(shí)間段以獲得高度致密和可靠的結(jié)構(gòu)。工具的最終密度為>95％，例如>99.5％。合適的粉末包括水霧化和氣霧化的粉末，該霧化粉末包含硬顆粒組分和金屬粘結(jié)劑組分。現(xiàn)在轉(zhuǎn)到特定組分，硬顆粒相可以不違背本發(fā)明目的的任何量存在于燒結(jié)硬質(zhì)碳化物制品中。在一些實(shí)施例中，例如，硬顆粒相以燒結(jié)硬質(zhì)碳化物制品的至少70重量％或至少80重量％的量存在。硬顆粒相還可以選自表I的量存在。表I-硬顆粒相含量重量％燒結(jié)硬質(zhì)碳化物制品70-9880-9885-9688-9589-9890-97如本文所述，硬顆粒相包括碳化鎢。在一些實(shí)施例中，硬顆粒相僅由碳化鎢形成。作為另外一種選擇，硬顆粒相還可包括選自周期表的IVB族、VB族和VIB族的一種或多種金屬的碳化物、氮化物和/或碳氮化物。例如，在一些實(shí)施例中，除了碳化鎢以外，硬顆粒相包括碳化鉭、碳化鈮、碳化釩、碳化鉻、碳化鋯、碳化鉿、碳化鈦及其固溶體中的至少一種。另外的金屬碳化物、氮化物和/或碳氮化物可以不違背本發(fā)明目的的任何量存在于硬顆粒相中。在一些實(shí)施例中，另外的金屬碳化物、氮化物和/或碳氮化物以最多至硬顆粒相的50重量％的量存在。例如，另外的金屬碳化物、氮化物和/或碳氮化物可以硬顆粒相的1-10重量％的量存在。另外，硬顆粒相可通常表現(xiàn)出小于30μm的平均粒徑。例如，硬顆粒相的平均粒徑可小于10μm，諸如0.5-3μm。如本文所述，燒結(jié)硬質(zhì)碳化物制品包括金屬粘結(jié)劑相，所述金屬粘結(jié)劑相包括一種或多種合金化添加劑以及余量的鈷、鎳和/或鐵。如本文所用，“金屬粘結(jié)劑”是指金屬組分，該金屬組分在燒結(jié)期間軟化并且將硬顆粒固結(jié)在一起。金屬粘結(jié)劑是粉末共混物的一部分，該粉末共混物用于形成生坯部件。一般來講，金屬粘結(jié)劑相以燒結(jié)硬質(zhì)碳化物制品的1-30重量％的量存在。在一些實(shí)施例中，金屬粘結(jié)劑相以選自表II的量存在。表II–金屬粘結(jié)劑相含量金屬粘結(jié)劑相的合金化添加劑包括一種或多種金屬元素、非金屬元素或其固溶體。適于用作合金化添加劑的金屬元素包括過渡金屬和鋁。在一些實(shí)施例中，過渡金屬合金化添加劑選自周期表的IIIB族-VIIm族。例如，合金化添加劑可包括鎢、釕、錳、銅、錸、鉻、鋨和鉬中的一種或多種。在一些實(shí)施例中，金屬合金化添加劑表現(xiàn)出六方緊密堆積(hcp)晶體結(jié)構(gòu)。在其他實(shí)施例中，金屬合金化添加劑具有立方晶體結(jié)構(gòu)，諸如面心立方(fcc)或體心立方(bcc)。合金化添加劑還可包括一種或多種非金屬元素。非金屬合金元素可選自周期表的IlIA族-VA族，諸如硼、硅、碳和/或氮。一般來講，合金化添加劑以最多至金屬粘結(jié)劑相的50重量％的量存在。在一些實(shí)施例中，例如，合金化添加劑以金屬粘結(jié)劑相的10-30重量％或30-50重量％的量存在。在一些實(shí)施例中，本文所述的燒結(jié)硬質(zhì)碳化物制品還包括合金粘結(jié)劑富集的表面區(qū)，其具有大于燒結(jié)制品本體中合金粘結(jié)劑含量的最大合金粘結(jié)劑含量。粘結(jié)劑富集區(qū)可從燒結(jié)制品表面向內(nèi)延伸。在一些實(shí)施例中，富集區(qū)的合金粘結(jié)劑分層，從而表現(xiàn)出不同的合金粘結(jié)劑層。在其他實(shí)施例中，合金粘結(jié)劑是不分層的。燒結(jié)硬質(zhì)碳化物制品可在一個(gè)或多個(gè)表面上表現(xiàn)出合金粘結(jié)劑富集的表面區(qū)?？膳c本發(fā)明的懸浮液一起使用的粘結(jié)劑的非限制性例子包括諸如乙二醇單甲醚、聚乙二醇、聚乙烯醇(PVA)、聚乙烯醇縮丁醛(PVB)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)和蠟之類的粘結(jié)劑。粘結(jié)劑的濃度可為約5至約10重量％粘結(jié)劑。 工具可使用如上所述的合適的粘結(jié)劑和粉末組合用ExOne粘結(jié)劑噴射打印機(jī)來制備。在一些實(shí)施例中，通過PVD和/或CVD將本文所述的切削工具涂覆一種或多種耐火材料。在一些實(shí)施例中，耐火涂層包括選自鋁和周期表IVB族、VB族和VIB族的金屬元素中的一種或多種金屬元素以及選自周期表IIIA族、IVA族、VA族和VIA族中的一種或多種非金屬元素。例如，耐火涂層可包括選自鋁和周期表IVB族、VB族和VIB族中的一種或多種金屬元素的一種或多種碳化物、氮化物、碳氮化物、氧化物或硼化物。另外，涂層可為單層或多層。另外，本文所述的切削工具可經(jīng)受一種或多種處理，諸如拋光、噴射和/或蝕刻。表面處理的燒結(jié)硬質(zhì)碳化物制品可保持未涂布狀態(tài)，或者可將本文所述的耐火涂層施加到處理過的表面。此外，耐火涂層的一個(gè)或多個(gè)層可經(jīng)受涂布后處理，諸如拋光和/或噴射。增材制造技術(shù)使完全封閉的腔體能夠被設(shè)計(jì)成切削工具。腔體可設(shè)計(jì)成在工具中額外具有晶格或其他支撐件以增加工具的強(qiáng)度?，F(xiàn)有技術(shù)的壓制和燒結(jié)技術(shù)不能夠產(chǎn)生完全封閉的內(nèi)部腔體。具有晶格支撐件的封閉腔體允許以最少用料設(shè)計(jì)切削工具，同時(shí)保持工具的機(jī)械強(qiáng)度。針對(duì)實(shí)現(xiàn)本發(fā)明多個(gè)目的，現(xiàn)已描述了本發(fā)明的多個(gè)實(shí)施例。應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，這些實(shí)施例僅示例性地說明本發(fā)明的原理。在不脫離本發(fā)明精神和范圍的情況下，其多種修改和變更對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言將是顯而易見的。當(dāng)前第1頁(yè)1 2 3