整體硬質合金多刃鑽孔刀具的製作方法

2023-05-14 02:02:56 1

專利名稱：整體硬質合金多刃鑽孔刀具的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種按照權利要求1前序部分所述的優選為多刃的整體硬質合金(VHM)鑽孔刀具，該鑽孔刀具用於切削高強度多層結構材料，特別是用於在由這種材料 構成的實心體中鑽孔。
背景技術：
為了在特別是由複合材料構成的多層結構材料(在這些多層結構材料中，主要 包含CFK和/或鋁的材料層與鈦層或含鈦層交替布置)中加工出高精度孔，需要特別耐 用且穩定的刀具，這些刀具此外還必須具有這樣的特點，即，刀刃能夠持久地以良好的 表面質量來切削複合材料，同時在刀具的整個耐用度內應當防止複合層脫層。為此目的，人們迄今為止已經開發出特殊刀具，例如一種如在德國實用新型公 開文獻20211592中所述的刀具。人們也已經嘗試了利用按照權利要求1前序部分所述 的整體硬質合金鑽孔刀具來進行切削，以確保刀刃耐用度的提高以及特別是在深孔的情 況下孔的位置精度提高。孔的這種位置精度和表面質量特別是在切削複合材料時是必需 的，這些複合材料以更大程度應用在現代飛機製造業中。可按照各種各樣的次序布置的 各個材料層在重量很輕的同時賦予材料很高的穩定性。經常需要在這種材料中加工出 孔，以便將這種部件相互鉚接。由於在此經常使用通過傳感器控制的機器人，因此這特 別依賴於這種孔的位置精度。已經表明，利用符合這種類型的整體硬質合金鑽孔刀具，雖然可提供具有足夠 穩定性的刀具以及也可提供高質量的刀刃。但是在另一方面已經證實，常用結構形式的 即使是整體硬質合金刀具也常常不能實現要求的耐用度，特別是在必須在具有交替布置 的鋁層、纖維強化或者說碳纖維強化塑料層以及鈦層的複合材料中加工比較深的孔的情 況下不能達到要求的耐用度。

發明內容
因此，本發明的目的在於，通過如下方式對開頭所述類型的鑽孔刀具進行改 進所述鑽孔刀具在耐用度提高的同時能夠在開頭所述的關鍵材料中毫無困難地加工出 深度甚至更深的位置精確的孔。本發明的另一方面在於提供用於製造這樣的刀具的一種 經濟的方法。該任務在刀具方面是通過權利要求1的特徵得以解決，而在方法方面是通過權 利要求9得以解決。根據本發明，已認識到，如果對於在實心體中鑽孔的情況下形成的切屑在槽底 中發生特別強烈的彎曲，則可非常明顯地提高刀具的耐用度。在費時的試驗中已經表 明，在切削開頭所述類型的複合材料時的這種強烈的切屑彎曲導致切屑提早折斷，從而 在切屑形成區的出口處出現的主要是碎片狀切屑，碎片狀切屑即使對於在材料中加工深 度大、例如為深於IOXD的孔的情況也可容易從排屑槽中去除。根據本發明可以有效地避免如使用常規刀具在切屑這種難加工的材料時可觀察到的切屑堵塞，從而也可靠地排 除了刀具突然斷裂的可能性。此外還產生了額外的優點，即，大體上呈波狀的位於第一 和第二排屑槽部分之間的排屑槽脊部擴大了鑽頭橫截面的平面慣性矩，進而可以用於提 高刀具的穩定性。而這同時也意味著，可以進一步減小鑽孔刀具在切屑形成區中的鑽芯 橫截面，從而儘管設有排屑槽脊部但仍可以提供大的容屑空間。切屑的排出可以通過縮 短切屑長度特別是在刀具有位於內部的冷卻/潤滑劑通道的情況下得到進一步改善。對 於具有直槽以及螺旋槽的刀具來說，同樣改善了切削特性。在這裡，按照權利要求9仍可以經濟地，也就是以合理的時間消耗，製造所述 的整體硬質合金鑽孔刀具。在這裡，第一和第二排屑槽部分連同位於它們之間的排屑槽 脊部可以要麼在利用兩個或更多的不同成型磨削砂輪的批量加工過程中按照最終尺寸在 硬質合金坯件中磨削出，要麼通過唯一的成型磨削砂輪進行製造(這是權利要求10的對 象)。在這一點上也可行的是，擠壓出已經具有這樣一種形狀的硬質合金燒結坯件 ，該形 狀在考慮到在微米範圍內變動的確定的加工尺寸的情況下與在使用狀態下的切削部分的 橫截面形狀基本相符。本發明方法的一種有利改進方案是權利要求11的對象。利用這種方法可以實 現，使鑽孔刀具的容屑空間最優地與刀具的相關應用領域相適應，例如當刀具用作深孔 鑽孔刀具時，擴大在鑽孔刀具插入工件以及由導向套包圍的位置處的容屑空間。本發明的有利設計方案是從屬權利要求的對象。如果刀具具有刀尖修磨部，則將切屑朝鑽頭中心延長，從而上述的由於按照本 發明的排屑槽設計而產生的有利的切屑形成過程可以擴展到更大的切削量。因此，有利 且可靠地避免了在鑽孔刀具中心附近形成較長的切屑，這些較長的切屑可能會導致切屑 堵塞並最後導致鑽孔刀具強制斷裂。已經表明，通過改變鑽頭輪廓，也就是說通過在切屑形成區的區域內的排屑槽 的新設計，也使至少在該區域內縮小鑽孔刀具的鑽芯橫截面成為可能。橫截面的這種縮 小特別是因為刀具由硬質合金構成而成為可能。排屑槽在第一排屑槽部分區域內的在縮 小鑽芯橫截面時必然產生的小的曲率半徑即使是在加工極其硬且韌的材料，例如在加工 鈦時也可以被接受，因為硬質合金能夠沒有困難地對付由於切屑彎曲而提高的磨損力。 通過使鑽尖具有合適的塗層，例如硬質材料塗層、軟質材料塗層或者相結合的硬質和軟 質塗層，當然可以提高耐用度。在第一排屑槽部分具有如權利要求4所述的最小曲率半徑時可達到特別好的結 果，其中，相關的最優的最小曲率半徑是根據待切削的材料，以及根據用於刀具的整體 硬質合金所使用的品質也就是說整體硬質合金的物理參數進行選擇。如開頭已提到，根據本發明的鑽孔刀具設計使切屑極度彎曲並由此提早折斷， 即使在加工不易折斷且韌的材料(例如鈦，或包含鈦層的複合材料)也是如此。原則上， 可以在切削部分的整個長度內保持橫截面形狀或者說排屑槽形狀。當然，通過權利要求 4的改進方案可以進一步改善切屑排出。如果至少在切屑形成區中遵循特殊的鑽頭橫截面設計，則可達到根據本發明的 效果。但是，根據待切削的材料的物理特性，會有意義的是，在切屑形成區之外在一個 預定的軸向長度內，也就是直到距鑽尖預定的最小距離處也保持這種特殊的鑽孔刀具設計，並且之後才使排屑槽脊部終止於連續的排屑槽。已經表明，對於高強度的多層結構 材料，這個最小距離設定在2至5XD的範圍內，優選設定在2至3XD的範圍內。如果使刀具具有位於內部的冷卻/潤滑劑供給系統以及如果必要時利用最小量 潤滑技術(MMS技術)進行切削，則根據本發明的鑽孔刀具設計具有特別的優點。在這 種情況下，冷卻劑流可以有效地用於改善切屑排出。在開頭所述類型的工件中常常必須加工出孔深大於IOXD(其中D為孔的標稱直 徑)的比較深的孔。在這種情況下，鑽孔刀具常常藉助導向套附加定位在工件上。特別 是如果力求刀具的這種應用領域，則有利的是按照權利要求7布置鑽孔刀具的鑽芯橫截 面。在這種情況下，切屑在這些決定性的區域中獲得額外的自由空間，通過這些自由空 間，切屑可以有效且快速地尤其是在沒有切屑堵塞危險的情況下從鑽孔中排出(必要時 在冷卻/潤滑劑流的輔助下，這些冷卻/潤滑劑流在排屑槽中具有比較高的流動速度)。有利的改進方案是其它從屬權利要求的對象。


下面藉助於示意性附圖詳細說明本發明的實施例。附圖中圖1示出了本發明的鑽孔刀具的示意側視圖；圖IA示出了從如圖1的「IA」方向看的如圖1的鑽孔刀具的略微放大的俯視 圖；圖2示出了如圖1的鑽孔刀具的鑽尖的放大的立體斜視圖；圖3用與圖2相應的視圖示出了在如圖1和圖2的鑽孔刀具切入工件時的切屑形 成圖；圖4以非常大的放大比例示出了在切屑形成區的區域內，也就是說在靠近鑽尖 位置的橫截面範圍內，例如沿在圖1中的剖切方向IV-IV的鑽孔刀具橫截面；圖5示出了在利用常規刀具在很難切削的工件中鑽孔時產生的切屑示意圖；以 及圖6示出了在利用本發明的鑽孔刀具設計能夠實現的鑽屑的示意圖。
具體實施例方式附圖所示的刀具由整體硬質合金構成，優選由細粒度的硬質合金構成。這種類 型的硬質合金種類很久以來就是已知的，因此對材料的詳細描述可以省去。決定性的 是，硬質合金在燒結狀態下應當具有高的韌性並且由於細粒度應當提供形成穩定且精密 的切削刃的可能性。所述刀具特別是用於切削高強度多層結構材料，更具體地說是特別是用於在這 類材料的實心體中鑽孔，這類材料通常具有包括交替布置的碳纖維強化塑料層、鋁層和 鈦層的複合結構，其中，這些層的次序根據應用目的可以不同。在加工孔，特別是加 工孔深為待製造的鑽孔的標稱直徑的多倍的深孔時，這些層一方面要求極其鋒利的切削 刃，但也要求可靠地排出形成的切屑。特別是對於開頭所述的包括含鈦的材料層的高強 度多層結構複合材料，在使用通常的整體硬質合金刀具時已經證實了，切屑在排屑槽中 堵塞並且形成所謂的「手風琴狀切屑」，正如例如在圖5中所示。即使正如在所謂的最小量或者較少量潤滑技術(MMS技術)中使用的那樣，利用位於內部的冷卻/潤滑劑供 給系統的非常高的冷卻/潤滑劑壓力進行工作，這類切屑也可能不再能有效且完全地從 排屑槽中排出。最終，這樣的切屑堵塞導致鑽孔刀具提早強制斷裂，這產生了明顯的經 濟後果。與此相比，本發明的鑽孔刀具具有下面要描述的新型結構。用附圖標記10表示的帶有位於內部的冷卻通道40的刀具具有柄部12和與之相 連的切削部分14，在該切削部分中加工出數量與主切削刃16數量相同的排屑槽18。由 於所述刀具由整體硬質合金構成，這些排屑槽18通常是在圓柱形的整體硬質合金坯件中 磨出，該坯件常常具有位於內部的冷卻通道。在圖2中以放大的比例立體地示出的鑽尖 具有常規的鑽尖刃磨部，該鑽尖刃磨部包括主後刀面20和橫刃22。鑽尖刃磨部本身，也 就是說主後刀面的構造，可以按照任何常用的方法設置並形成，因此在這裡不需要對這 些表面的幾何構造進行詳細描述。在刀具的所示實施方式中，橫刃22是通過研磨出鑽尖修磨部24而被縮短。在 按照圖2的所示實施方式中，按照DIN 1412形狀A示出鑽尖修磨部。但是同樣可以設置 其它鑽尖修磨部，例如同時校正主切削刃16的鑽尖修磨部。在附圖中所示的刀具的特點在於，在圖2中所示的切屑形成區的區域內，也就 是說在相連的切屑在主切削刃上形成並且在排屑槽上排出的區域內，提供特殊的鑽頭橫 截面設計。根據待切削材料以及根據主切削刃的走向，特別是根據所選擇的由鑽孔刀具 的主切削刃16包圍的頂角WSP(見圖1)，切屑形成區可以改變。通常，切屑形成是在 距鑽尖26的一定距離AM處結束，其中，尺寸AM位於2至5XD之間，D表示鑽孔刀 具的標稱直徑。在這個切屑形成區中，鑽孔刀具具有如在圖4中用放大比例所示的橫截面。可 看出，鑽孔刀具在這個區域內具有劃分成兩個部分的排屑槽。橫截面大體上為波狀的排 屑槽脊部28從要不然為連續的在圖4上方用點劃線示出的排屑槽表面中突起。該排屑槽 脊部因此在這個區域內將排屑槽劃分成兩個部分，即，構成前刀面的第一排屑槽部分30 和構成排屑槽出口的第二排屑槽部分32。用H表示的排屑槽脊部28的高度取決於第一排 屑槽部分30的曲率，該高度優選位於0.05至0.15XD的範圍內，其中，鑽孔刀具在切屑 形成區的區域內的鑽芯橫截面作為用於選擇尺寸H的附加參數。該直徑在圖4中用附圖 標記DK表示，並且位於0.15至0.25XD的範圍內，優選位於0.16至0.2XD的範圍內。從圖4的圖示中可看出，從橫截面看，第一排屑槽部分30的曲率半徑R隨著與 切削角部34的距離增加而不斷減小，直到該曲率半徑在槽底中形成在排屑槽脊部28之前 的最小曲率半徑。該最小曲率半徑r優選位於0.15至0.25 XD的範圍內，優選位於0.18 至0.22XD的範圍內，其中，尺寸D又是表示鑽孔刀具的標稱直徑。利用整體硬質合金多刃鑽孔刀具的上述結構，在切削時產生要藉助圖3詳細描 述的以下效果。在圖3中，用附圖標記36表示在主切削刃16上形成的切屑。在如圖3的示意圖中，切屑的寬度相當於主切削刃16的長度。 但是要強調的 是，根據鑽尖修磨部24的設計，切屑也可以延伸至縮短的橫刃22。決定性的是，通過 第一排屑槽部分30的特殊設計，也就是說通過設置波狀的排屑槽脊部28，形成的切屑36 發生程度明顯更大的彎曲，這樣的彎曲使切屑提早折斷，也就是說產生所謂的碎片狀切屑，圖6示意示出了碎片狀切屑。即使在切屑極其韌且硬的材料例如鈦時也可發生這種 斷屑，鈦例如出現在飛機的多層結構材料的複合結構中。當然，在根據本發明的鑽孔刀具設計中，由切屑36作用於排屑槽脊部28上的 切屑壓力更大。通過材料選擇，也就是說通過使刀具由整體硬質合金製成，這種增加的 材料應力可以毫無困難地被吸收。必要時，鑽孔刀具在這個區域內具有適合的塗層，如 在現有技術中眾所周知的那樣。在這一點上，例如可參考例如在申請人的刀具產品目錄 (Guhring-Wer Bietet Mehr ？ 「 The Tool Company 「,版本德語 2006，價目表 Nr.40) 中詳細描述的塗層。這類塗層用於減小摩擦和/或用於減小磨損。可以使用硬質材料塗 層，例如金剛石塗層優選是納米金剛石塗層、TiN塗層、(Ti，A1)N塗層，或者也可以使 用多層式塗層。根據需要以及根據待切削的材料，也可以使用由硬質材料塗層和軟質材 料塗層的結合。塗層也取決於所使用的硬質金屬種類並且可以由普通技術人員在考慮到 出版的產品目錄的情況下進行選擇。在距鑽尖26的最小距離AM之後不再需要排屑槽脊部28。在這個區域內(參 見圖1和圖2)，排屑槽脊部逐漸地終止於槽底38，該槽底在圖4中已用點劃線示出。在 排屑槽位於切屑形成區之外的區域內的鑽芯橫截面可以保持不變，或者甚至可以 變得更 小，以改善切屑36的排出，這特別可以特別是在應用MMS技術中，通過在由位於內部 的冷卻通道供給的冷卻/潤滑劑而得到輔助。特別是如果刀具用於加工孔深大於IOXD 的深孔，則會有利的是，擴大在刀具插入材料的區域中的排屑槽深度。排屑槽深度的擴 大可以擴展到在將刀具用作深孔鑽孔刀具時在工件之外且在導向套中保持被導向的區域 中。為了提高刀具的穩定性，排屑槽深度在這些被空間包圍的區域之外逐漸地或跳躍地 增加。在製造前述的鑽孔刀具時，有利地採取這樣的措施，即，要麼通過唯一的成型 磨削砂輪連續地磨出在圖4中所示的排屑槽輪廓，要麼使用多個成型磨削砂輪，這些成 型磨削砂輪依次地用於形成在圖4中所示的輪廓。接著，可以磨去在位於圖1中用尺寸 AM標出的區域之外的區域中的排屑槽脊部28。也可想到的是，帶有尺寸餘量的如圖4 的排屑槽輪廓已經與整體硬質合金坯件一起擠壓出，以節省材料並減小切削量。當然，可想到對所述的實施例進行的多種改變，而不會背離本發明的範圍。因此，例如整體硬質合金鑽孔刀具可以構造成由多個部分組成，其中，具有上 述結構的形成鑽尖的硬質合金部分安裝在另一個部分上，該另一個部分由另一種材料制 成。鑽孔刀具也可以具有位於內部的冷卻通道。也可以使用直線形排屑槽，代替在 實施例中示出的螺旋形排屑槽。刀具也可以被設計成具有多於兩個刃，其中，每個排屑槽在切屑形成區的區域 內具有一個上述的排屑槽脊部。因此，本發明提出了一種整體硬質合金(VHM)鑽孔刀具，該鑽孔刀具用於切削 高強度的多層結構材料。該刀具具有柄部和與之相連的切削部分，在該切削部分中加工 出數量與主切削刃數量相同的排屑槽。為了增大形成的切屑的彎曲程度，所述鑽孔刀具 的排屑槽在切屑形成區的區域內具有從排屑槽表面突起且橫截面大體上呈波狀的排屑槽 脊部，該排屑槽脊部將排屑槽劃分成兩個部分，即，構成前刀面的第一排屑槽部分和構成排屑槽出口的第二 排屑槽部分。
權利要求
1.一種整體硬質合金(VHM)鑽孔刀具，特別是整體硬質合金多刃鑽孔刀具，該鑽孔 刀具用於切削高強度的多層結構材料，特別是用於在由具有複合結構的這種材料構成的 實心體中進行鑽孔，在所述複合結構中，主要含有CFK和/或鋁的材料層與鈦層交替布 置，所述鑽孔刀具具有柄部(1 和與之相連的切削部分(14)，在所述切削部分中加工出 數量與主切削刃數量相同的排屑槽(18)，並且所述切削部分具有包括鑽尖刃磨部00、 24)的鑽尖，其特徵在於，為了增大形成的切屑(36)的彎曲程度，所述鑽孔刀具的相應 排屑槽(18)在切屑形成區(ZSB)的區域內具有從排屑槽表面(38)突起且橫截面大體上 呈波狀的排屑槽脊部08)，通過該排屑槽脊部，排屑槽被劃分成兩個部分，即，構成前 刀面的第一排屑槽部分(30)和構成排屑槽出口的第二排屑槽部分(32)。
2.如權利要求1所述的鑽孔刀具，其特徵在於，所述鑽尖具有修磨部04)。
3.如權利要求1或2所述的鑽孔刀具，其特徵在於，所述鑽孔刀具的鑽芯橫截面 (DK)至少在所述切屑形成區(ZSB)中位於0.15至0.25XD的範圍內，優選位於0.16至 0.20XD的範圍內，其中，D為所述鑽孔刀具(10)的標稱直徑。
4.如權利要求1至3中任一項所述的鑽孔刀具，其特徵在於，從橫截面看，所述第 一排屑槽部分(30)在所述排屑槽脊部08)之前的最小曲率半徑(r)位於0.15至0.25XD 的範圍內，優選位於0.18至0.22XD的範圍內，其中，D為所述鑽孔刀具(10)的標稱直 徑。
5.如權利要求1至4中任一項所述的鑽孔刀具，其特徵在於，所述排屑槽脊部08) 在與所述鑽尖06)相距預定的最小距離(AM)處逐漸地終止於槽底(38)。
6.如權利要求5所述的鑽孔刀具，其特徵在於，所述最小距離(AM)位於2至5XD 的範圍內，優選位於2至3XD的範圍內，其中，D為所述鑽孔刀具(10)的標稱直徑。
7.如權利要求1至6中任一項所述的鑽孔刀具，其特徵在於，在將所述鑽孔刀具用於 鑽深孔時，所述鑽孔刀具(10)的鑽芯橫截面(DK)在與所述切屑形成區(ZSB)相連的部 分中在鑽孔時保持要麼由孔壁要麼由導向套遮蓋的區域中被進一步縮小。
8.如權利要求1至7中任一項所述的鑽孔刀具，其特徵在於，從橫截面看，所述第一 排屑槽部分(30)的曲率半徑(R)隨著與切削角部(34)的距離增加而不斷減小。
9.一種用於製造如權利要求1至8中任一項所述的鑽孔刀具的方法，在該方法中，通 過成型磨削砂輪在整體硬質合金(VHM)坯件中磨出排屑槽，其特徵在於，首先在整個切 削部分(14)中加工出包括第一排屑槽部分(30)、第二排屑槽部分(3 以及位於它們之間 的排屑槽脊部08)的排屑槽，必要時排屑槽具有沿軸向變化的排屑槽深度；接著，磨去 位於切屑形成區(ZSB)之外的排屑槽脊部08)，以將兩個排屑槽部分(30、32)聯合成連 續的排屑槽(18)。
10.如權利要求9所述的方法，其特徵在於，所述第一排屑槽部分(30)和所述第二排 屑槽部分(32)以及位於它們之間的所述排屑槽脊部08)通過唯一的成型磨削砂輪進行磨 削。
11.如權利要求9或10所述的方法，其特徵在於，在所述鑽孔刀具(10)的軸向長度 內改變用於製造排屑槽的成型磨削砂輪的切入深度。
全文摘要
本發明描述一種整體硬質合金(VHM)多刃鑽孔刀具，該鑽孔刀具用於切削高強度的多層結構材料。所述鑽孔刀具具有柄部和與之相連的切削部分，在該切削部分中加工出數量與主切削刃數量相同的排屑槽。為了增大形成的切屑的彎曲程度，所述鑽孔刀具的排屑槽在切屑形成區的區域內具有從排屑槽表面突起且橫截面大體上呈波狀的排屑槽脊部(28)，該排屑槽脊部將排屑槽劃分成兩個部分，即，構成前刀面的第一排屑槽部分(30)和構成排屑槽出口的第二排屑槽部分(32)。
文檔編號B24B19/04GK102026756SQ200980117712
公開日2011年4月20日 申請日期2009年5月12日 優先權日2008年5月16日
發明者A·黑爾比希, I·馮普特卡默, K·特勞納 申請人:鈷領無限公司