製造切削刀具的方法和設備的製作方法

2023-06-08 17:02:46

專利名稱：製造切削刀具的方法和設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種含有權利要求1前序部分所述特性的切削刀具製造方法，以及一種含有權利要求10前序部分所述特性的切削刀具製造設備。
眾所周知，對於製造切削刀具而言，要用連結著金剛石層的金屬來製造刀具的切削體，例如，這可通過粉末冶金或者在預附著的金剛石顆粒上塗覆金屬得以實施。然後採用釺焊或雷射光束焊接法把這樣做成的切削體與刀具基體連結成一體。這種已知方法的缺點是切削刀具的製造複雜、昂貴而且勞動力費用相當高。
藉助於單階雷射光束覆蓋使一種較便宜的切削刀具生產方法得到實施。在這種製造過程中，含有切削材料的層或切削體分別在一個單獨工序中制出並與刀具的金屬基體連成一體。在這個工序期間，刀具基體水平地，也就是說與重力方向垂直地運動。把一種含有切削材料例如金剛石顆粒的物質附著在將要支承切削體的運動刀具基體表面上。用一個加熱裝置使支承面獲得熱能。於是形成一個熔池，所述物質就是被餵入該熔池並在該處熔化的。這種製造方法的缺點為熔池中的切削材料顆粒逆著重力浮動。由於所述物質中單一組分的高比率密度差，在製造過程期間當熔化持續時間過長時，切削材料顆粒會在切削體熔池內移動。其結果是，在切削體體積內切削材料顆粒分布不均勻，而分布均勻對於切削體全高具有連續的切削品質是必需的。切削材料的集聚產生在垂直遠離支承面的切削體外部區域，而靠近支承面的切削體部分實際上不含切削材料。在切削體幾何形狀約為小於2mm寬3mm高的情況下，由於安置時間的縮短，切削材料的浮動及其沿切削體全高的不規則分布能部分地得到抑制；然而，在切削體幾何形狀尺寸較大的情況下，切削材料的不規則分布不能藉助於諸如刀具基體走速或物質群集流量之類參數改變而得到防止。
本發明的一個目的在於保證在生產切削刀具期間，在切削體內部的切削材料顆粒均勻分布，所述刀具具有一種含切削材料的物質，而且切削材料被附著在刀具基體上。這個目的通過權利要求1和10的特徵組合來獲得。
根據本發明，在刀具基體位移方向的多個支承面單獨分區沿著一個與重力相反的方向運動，從而使切削材料顆粒在該物質安置時間期內附著在相應分區上。在理論上，可把支承面沿著刀具基體位移方向劃分為任何數量的極小分區。在這些分區的每一個上連續地附著確定數量的物質，並在那裡熔化該物質。根據本發明，至少在該數量物質熔化和該數量熔化物固化期間，也就是至少在安置時間期內，這樣一種附著該數量物質的分區沿著與重力方向相反的方向運動，換句話說，不管支承面如何行動，總是把物質附著在一個逆著重力方向運動的支承面分區上，該分區在此處起著切削體的一個組分的作用。由於附有一定數量物質的支承面分區具有上文提及的位移方向，切削材料顆粒的浮動總是發生在已經固化的前一個分區上。因此，這些固化後的切削體分區構成一個阻止順次附著在支承面上的切削材料顆粒進一步浮動的天然屏障，此處不再需要任何附加的位移。
切削材料顆粒的這種浮動導致所需的切削材料顆粒沿著正在生產的切削體縱向均勻分布，這是因為在生產該切削體期間，極小的熔化物質區段沿著切削體縱向排列成行，所有區段具有相同的顆粒浮動動作。由於在生產切削體期間支承面的這種安排和位移，切削材料顆粒能完全避免傳統的沿著切削體全高的浮動。
根據本發明生產出一個切削體，在該切削體的全部體積中具有大致均勻分布的切削材料。這個功能顯著改善的切削體能用一種傳統設備成本低廉地生產出來，因為對於生產切削體而言，與傳統製造設備相比，只有刀具運動基體的位置改變是必需的。所需位置如下含有切削材料的物質只是被附著在逆著重力方向運動的支承面分區上。各個構件的相互位置，也就是說製造設備中各裝置的相互位置可以完全保持不變。因此，不需要任何附加的費用和材料，就能使切削體內切削材料規則分布。
本發明保證在任何切削材料體積中切削材料分布均勻。這對於平支承面以及表面起伏或者橫截面呈孤形的支承面都是確實的，尤其是對於一個如同鋼瓶護套狀的部分來說也是如此。只是必需這樣控制刀具基體；至少在熔化的附著物質安置時間期內，支承面的每個分區沿著一個與重力方向相反的方向運動。
切削材料可以是CBN，金剛石或者SiC等。
為了使切削體內的切削材料顆粒特別良好地規則分布，支承面的每個單獨分區至少在分配給它的熔化物質的安置時間期內要布置成準確地平行於重力方向，而且它的位移方向至少在這個安置時間期內同樣被布置成平行於重力方向。然而，在許多情況下，當支承面的相應分區或者它的位移方向在安置時間期內被布置成相對於重力方向成銳角時，切削材料顆粒足夠規則的分布已能獲得。為了足夠規則地分布切削材料，至少在熔化的被分配物質安置時間期內，由分區的表面正交線和重力方向圍成的角度範圍約為60°至90°(權利要求2和11)。理想狀態是90°，這對於平支承面來說特別容易實現。
尤其是在平支承面情況下，刀具基體的平移運動或者用於刀具基體的平移驅動裝置，對於切削體全高一致以及被得到的切削材料規則分布是適合的(權利要求3和12)。因此，通常具有平支承面的磨石也能用根據本發明的方法製造。
根據權利要求4的刀具基體轉動或者根據權利要求13的刀具基體旋轉驅動裝置，對於橫截面形狀為圓弧形或者圓形結構的刀具基體來說是有好處的，而且它們的支承面橫截面也可呈弧形或圓形。在這種情況下，在熔化在這個分區上的物質的安置時間期內，每個弧形或圓形的極小分區大致與重力方向平行地延伸。由於權利要求4和13所述的措施，鋸片也能用根據本發明的方法來製造。
根據權利要求5，含有切削材料的物質是一種金屬粉末(例如青銅粉末)和切削材料顆粒的混合物，這種混合物能保證在刀具基體上的固化切削體具有良好的結合強度。然而這種混合物有助於在一個單獨覆蓋路徑，也就是說一個在支承面上附著所述物質的單獨路途內製造切削體。
權利要求6推薦金剛石顆粒作為切削材料顆粒，它已成功地用於實踐。這有助於在獲得一成不變的優良切削性能的同時，還獲得特別長的切削體使用壽命。
與一個最佳實施例相一致，所述物質被噴射到支承面上(權利要求7)或者藉助於一個指向支承面的進料噴嘴噴射到支承面上(權利要求14)。用這種措施，把一定數量的物質聚集在支承面相關分區上。因此不工作的物質數量減少了。這有助於降低切削體以及整個切削刀具的製造成本。還有，藉助於物質顆粒，在壓力下激活支承面，能改善切削體的機械結構堅固程度以及切削體與刀具基體的結合強度。
權利要求8和15推薦用雷射器光束能量作用於支承面從而獲取熔化的物質。這是一個用足夠的聚焦點尺寸照射支承面的雷射器。尤其是，這種加熱裝置是一種固體雷射器(YAG雷射器)。其優點為，這種加熱裝置作為一種可從外部購入的商界提供部件，能以較低價格獲取。因此，切削刀具的生產成本能被控制住。
權利要求16至19所述措施涉及具有雷射器形式的加熱裝置相對於具有進料噴嘴形式的供應裝置最佳位置，並且該位置涉及重力方向和/或用所述物質覆蓋的支承面。加熱裝置相對於進料噴嘴的這些位置保證製造參數配合適當，所述參數可以是用於刀具基體的驅動裝置的驅動速度、物質群集的流量、熔化物質的安置時間等等。這又一次地簡化了切削體的製造，使切削體具有符合需要的多種材料性能。
藉助於一個包圍刀具基體及其支承面的澆鑄模具，能方便和精確地按照製造工藝生產出一個預定幾何形狀的切削體(權利要求9和20)。在這種澆鑄模具幫助下任何所需的固化的熔化物質立方體形狀都能嚴格地得到遵守。並且任何所需長度的切削體都能被生產出來，固化後的切削體沿其縱向不會偏離所需的幾何尺寸和所需的形狀。模鑄法和模具可從BROCKHAUS NATURWIS-SENSCHAFTEN UND TECHNIK，WIESBADEN 1983，ISBN 3-7653-0357-7，第二卷第204頁和第三卷第84頁得知。澆鑄模具用鑄鐵、鋼製造。用銅和鎢製成的模具也適於製造根據本發明的切削體。
下面結合附圖，詳細介紹幾個典型實施例，使本發明更加明了。其中


圖1是現有技術切削刀具製造設備的詳細側視圖，其中刀具基體按照垂直於重力的方向被驅動；圖2是一張放大比例的剖面圖，畫出按圖1的II-II線剖出的固化的現有技術切削體；圖3是一個切削刀具製造設備的側視圖，所述刀具被一個分區跟著一個分區地描述，刀具的基體根據本發明沿著與重力方向相反的方向被驅動；圖4是一張放大比例的剖面圖，畫出按圖3的IV-IV線剖出的按照本發明生產的切削體；圖5是按照本發明製造的切削體第二實施例側視圖；而圖6是一張局部剖視平面圖，畫出按圖5的箭頭VI方向的切削刀具和用來製造該切削刀具的設備。
圖1所示的切削刀具是一塊磨削金屬表面用的磨石。它大致包括一個立方形的金屬支承長片2以及至少一個切削體3，該切削體由長片2支承並作為磨削體使用。在其初始狀態，把切削體3附著在金屬支承長片2的一個平支承面5上，所述切削體具有含切削材料的金屬物質形式。為此，藉助於一個氣動進料噴嘴6，將含有切削材料的金屬物質4噴射在支承面5上。在此同時，一個雷射器7藉助於它的雷射頭8以及一個聚焦鏡頭系統，發射出一個雷射光束9，其能量使射入或者說吹入雷射光束9和支承面5相互作用區的物質4熔化，從而形成一個熔池，物質4就被餵入該熔池中並在此熔化。在此同時，物質4顆粒附著在同樣被雷射光束9熔化的支承面5上。於是，物質4與支承面5結合在一起並且固化成切削體3的構造。
沿著位移方向10驅動圖1中的磨石1，該位移方向與重力G的方向成直角。沿著與位移方向10平行的切削體縱向11布置的極小的切削體分區，在物質4熔化之後具有一個不變的安置時間。在這個安置時間期內，物質4內含有的切削材料顆粒12逆著重力G的方向浮動。由於位移方向10與重力G方向成直角地延伸，顆粒12沿著切削體3的全部高度並按照與支承面5相對的切削體切削邊緣13方向浮動。這種製造切削工具現有技術會導致在切削邊緣13附近的切削材料顆粒12分離或者集中，而且在此同時，形成金屬基體14的其餘金屬粉末結構所含的切削材料顆粒12數量相當少或者完全沒有顆粒12(圖2)。
在根據本發明的切削刀具製造中，製造設備本身的結構與圖1所示的現有技術相比保持不變(見圖3，圖5和圖6)。本發明製成的磨石1』切削體3』(圖3)以及作為切削刀具另一實施例的鋸片15切削體3」分別藉助於一種變形安排而獲得，與圖1相比較在所述安排中，位移方向10、10』和製造設備方向相對於重力G方向而言是不同的。在圖3中磨石1』的支承長片2和支承面5由一個驅動裝置(未畫出)沿著與重力G方向相反的位移方向10直線地推進。在這種情況下移動方向10被布置成平行於重力G方向，然而，在另一個實施例中，它也可與重力G方向協同，以便包圍成一個最大約30°的銳角。在圖5中，鋸片15的一個金屬支承片16由一個驅動裝置(未畫出)沿著移動方向10』旋轉推動，支承片16具有圓形橫截面並用作一把刀具的基體。在支承長片2的平支承面5』以及支承片16的呈鋼瓶蓋形狀的支承面5」的情況下，含有切削材料的物質4總是被施加到沿著大致平行於重力G方向延伸的一個極小分區17』或17」上，並且在所述分區上固化。分區17』和17」的表面正交線26和重力G方向圍成一個大致為90°的角度W。在一些進一步的實施例中取決於分區17』和17」安排在雷射光束軸線19的上方(相應於-W)或下方(相應於+W)角度W的數值為90°＞W≥60°。被分配到分區17』或17」上的切削材料顆粒12總是大致沿著切削體的縱向11或者11』浮動。這使金屬基體14內部沿著切削體3』或3」全高的顆粒12分布均勻度得到提高。此處切削材料顆粒12最好為金剛石顆粒。
平支承面5』和鋼瓶蓋形狀支承面5」僅僅是作為製造本發明切削體3』或3」的例子。當然，對於製造根據本發明切削刀具而言，也能採用其他橫截面形狀的支承面。重要的是，對於具有一個刀具基體和一個支承面的每種結構來說，當物質4的切削材料伴隨部分處於固化過程之中時，至少所述分區是逆著重力方向G運動的，該固化過程的特徵是伴隨著切削材料顆粒12的浮動。
對於製造切削體3』、3」而言，雷射器7被用作加熱裝置，而供料噴嘴6被用作供應裝置。供料噴嘴6的孔18指向支承面5』或5」。雷射器7的雷射光束9也指向支承面5』或5」。在這種情況下，雷射光束軸線19垂直於重力方向G而且與被照射的支承面分區17』或17」大致垂直。沿著供料噴嘴6縱向延伸的噴嘴軸線20與雷射光束軸線19圍成一個銳角，該銳角的頂點21位於切削體3』或3」體積內部並且離開支承面5』或5」。
在製造切削體3』和3」期間，大致上是與重力方向G平行地延伸的分區17』和17」範圍被雷射光束9照射。含有切削材料的物質4被吹入或者噴射到雷射光束9和分區17』、17」的相互作用區。供給足夠功率密度(例如5×103W/cm2)的雷射光束9，能使附著在分區17』和17」上的任何物質4顆粒在這個相互作用區中熔化，從而形成一個金屬熔池。供給的物質4被引入這個熔池並在該處熔化。在熔池固化過程期間，分區17和17的運動大致平行於重力方向G，因此切削材料顆粒12 是沿著切削體縱向11和11』浮動。
對於一個固化成切削體3』和3」結構的立方體幾何形狀的熔池來說，應保證磨石1』和鋸片15分別被一個橫截面為矩形的模具22或者橫截面為圓形的模具22』包圍。為了簡化，圖3和圖5隻畫出模具22和22』的一半。所述模具位於支承長條2兩個相對橫表面23或者支承片16兩個橫表面23』的兩側，並且朝著側面24方向伸出超過支承面5』和5」，所述側面24用來供應含有切削材料的物質4。模具22和22』確定一個把供應側面24連接到支承面5』和5」的腔，並且在圖6中它被設計成一個灌注腔25。通過這個腔把物質4施加到支承面5』和5」上。
參考編號目錄1，1』 磨石2 支承長片3，3』，3」 切削體4 含有切削材料的物質5，5』，5」 支承面6 進料噴嘴7 雷射器8 雷射頭
9 雷射光束10，10』 位移方向11，11』 切削體縱向12切削材料顆粒13切削邊緣14金屬基體15鋸片16支承片17，17』，17」 分區18噴嘴孔19雷射光束軸線20噴嘴軸線21角頂點22，22』 模具23，23』 橫向表面24供應側面25灌注腔26表面正交線G 重力方向W 角度
權利要求
1.一種製造具有至少一個切削體(3，3』，3」)的切削刀具(1，1』，15)的方法，包括—在製造切削體(3，3』，3」)期間運動切削工具(1，1』，15)的一個基體(2，16)，—在運動基體(2，16)的一個支承面(5，5』，5」)上附著一個含有切削材料顆粒(12)的物質(4)，—物質(4)被熔化在支承面(5，5』，5」)上，並且在固化形成切削體(3，3』，3」)的同時與支承面(5，5』，5」)連成一體。其特徵在於，—所述支承面(5』，5」)能沿著基體(2，16)位移方向(10，10』)劃分成任何數量的分區(17』，17」)；以及—每個所述分區(17』，17」)至少在所述物質(4)附著於其上的安置時間期內，沿著與重力(G)方向相反的方向運動。
2.根據權利要求1的方法，其特徵在於，至少在被附著在各自分區(17』，17」)上的物質(4)的安置時間期內，所述支承面分區(17』，17」)的表面正交線(26)以及重力方向(G)連接包圍成一個角度(±W)，關係式90°≥W≥60°適合於所述角度(±W)。
3.根據權利要求1或2的方法，其特徵在於，所述基體(2)作平移動(10)。
4.根據權利要求1或2的方法，其特徵在於，所述基體(16)作轉動(10』)。
5.根據權利要求1至4的方法，其特徵在於，一個含有金屬粉末(14)和切削材料顆粒(12)的物質(4)被附著在所述支承面(5』，5」)上並在上面熔化。
6.根據權利要求1至5的方法，其特徵在於，所述切削材料顆粒(12)是金剛石顆粒。
7.根據權利要求1至6的方法，其特徵在於，所述物質(4)被噴射在所述支承面(5』，5」)上。
8.根據權利要求1至7的方法，其特徵在於，所述物質(4)用一個雷射光束(9)的能量熔化在所述支承面(5』，5」)上。
9.根據權利要求1至8的方法，其特徵在於，所述切削體(3』，3」)用澆鑄法，尤其是模鑄法生產出。
10.一種用於製造具有至少一個切削體(3，3』，3」)的切削刀具(1，1』，15)的設備，它包括一個驅動裝置，它沿著位移方向(10，10』)驅動基體(2、16)；一個進料裝置(6)，它用來在刀具基體(2，16)的一個支承面(5，5』，5」)上附著一個含有切削材料顆粒(12)的物質(4)；以及一個加熱裝置(7)，它用來熔化在所述支承面(5，5』，5」)上的物質(4)並使它與用來製造切削體(3，3』，3」)的支承面(5，5』，5」)固結在一起，其特徵在於，所述支承面(5』，5」)能沿著基體(2，16)位移方向(10，10』)劃分成任何數量的分區(17』，17」)；以及每個所述分區(17』，17」)至少在上面的所述物質(4)附著於其上的安置時間期內，沿著與重力(G)方向相反的方向運動。
11.根據權利要求10的設備，其特徵在於，至少在被附著在各自分區(17』，17」)上的物質(4)的安置時間期內，所述支承面分區(17』，17」)的表面正交線(26)以及重力方向(G)連接包圍成一個角度(±W)，關係式90°≥W≥60°適合於所述角度(±W)。
12.根據權利要求10或11的設備，其特徵在於，以一個平移驅動裝置(10)作為驅動裝置。
13.根據權利要求10或11的設備，其特徵在於，以一個旋轉驅動裝置(10』)作為驅動裝置。
14.根據權利要求10至13中任何一項的設備，其特徵在於，以一個進料噴嘴(6)作為供應裝置，它的噴嘴孔(18)指向所述支承面(5』，5」)。
15.根據權利要求10至14中任何一項的設備，其特徵在於，所述加熱裝置是一個雷射器(7)，尤其是一個固體雷射器，它的雷射光束(9)指向支承面(5』，5」)。
16.根據權利要求15的設備，其特徵在於，所述雷射光束的軸線(19)大致垂直於重力方向(G)。
17.根據權利要求16的設備，其特徵在於，所述雷射光束軸線(19)大致垂直於被照射的所述支承面分區(17』，17」)。
18.根據權利要求14至17中任何一項的設備，其特徵在於，所述進料噴嘴(6)的軸線(20)和所述雷射器(7)的所述雷射光束軸線(19)圍成一個銳角。
19.根據權利要求18的設備，其特徵在於，由所述噴嘴軸線(20)和所述雷射光束軸線(19)構成的角頂點(21)離開所述支承面(5』，5」)，並位於所述切削體體積內部。
20.根據權利要求10至19中任何一項的設備，其特徵在於，所述支承面(5』，5」)被一個模具(22，22』)包圍，所述模具朝所述物質(4)供應側面(24)方向伸出超過所述支承面(5』，5」)，並且圍繞成一個灌注腔(25)，所述灌注腔把所述供應側面(24)與所述支承面(5』，5」)連結在一起。
全文摘要
本發明披露一種用來製造刀具(l』)的方法和設備(6,7),所述刀具具有至少一個切削體(3』)。該刀具的基體(2)沿著一個確定方向(10)運動,而且在此期間用進料裝置(6)將含有切削材料顆料(12)的物質(4)施加到刀具基體(2)的支承面(5』)上。一個加熱裝置(7)熔化在支承面(5』)上的物質(4),並且物質(4)固結在支承面(5』)上。至少在施加在支承面(5』)每個分區(17』)上的物質(4)的安置時間期內,支承面(5』)沿著刀具基體(2)的位移方向(10)一個分區跟著一個分區地運動,而且所述位移方向與重力方向(G)相反。
文檔編號C23C30/00GK1229444SQ96180459
公開日1999年9月22日 申請日期1996年10月7日 優先權日1995年10月5日
發明者克萊門斯·威廉 申請人:Blz巴伐利亞雷射公益研究有限公司