專利名稱：刀具及其制造方法
技術領域：
在第一個方面，本發明涉及一種制造去屑加工刀具的方法，這種刀具包括兩個通過交界面永久結合在一起的金屬部件。在第二個方面，本發明還涉及一種用于對粗金屬進行切削或去屑加工的刀具，該刀具的類型為包括一個金屬聯結部件以及一個通過交界面永久結合至該金屬聯結部件的第二部件，該第二部件同樣由金屬構成。
背景技術：
上述大致提及種類的刀具用于切削加工領域的三個主要領域，也就是，鉆削、銑削和車削。在所提及的前兩個領域，刀具具有旋轉的特點并且對于固定或可動工件的機械加工是很有用處的，而用于車削的刀具是固定的，并且其具有對旋轉工件進行機械加工的用途。本發明的基礎是在旋轉刀具范圍內發現的問題，尤其是鉆頭。然而，這并不是排除將以下所描述的解決方案應用于車刀。
由于諸多原因，現有的鉆頭通過裝配一個聯結部件由一個更加復雜的類型所構成，該聯結部件與一定類型的刀具或夾具相匹配，也就是說，其形狀與夾具以及插入承載加工部件的形狀相對應，該加工部件的形式為形成有碎屑和冷卻液通道的刀柄，在其自由端可以可松開地安裝上鑲入式截坯刀或所謂的松散頂端。刀柄和聯結部件通過刀柄后端和聯結部件前端之間的一個交界面彼此永久地接合在一起。作為刀柄和聯結部件之間的唯一的固定接頭，以前只是一個具有壓配合的凸凹接頭，而沒有使用其它的接頭。更準確地，在刀柄的后端形成有一個插頭形式的凸狀元件，其插入形成于聯結部件前端的底座中，通常是隨著利用加熱聯結部件擴寬底座然后再冷卻收縮的同時而進行。為了能在足夠安全限度內在聯結部件和刀柄之間傳遞所需的扭矩，凸狀插頭和底座必須具有相當長的軸向伸長以在兩者之間形成一個足夠大的接觸面。因此，在大多情況下，凸狀插頭的軸向長度至少比鉆柄的直徑大1.5倍。凸狀插頭具有相當長的長度的事實自然會導致所述鉆具的整體總長度更大；這在實際使用中就隱含著很多不便。除了大的靜負荷、在制造中材料的大量消耗以及與存放和運輸相關的額外大的空間需求之外，鉆具的巨大長度會引起安裝的刀具晃動，因為鉆具越長越細這個現象就越易于出現。
針對上述背景，最近已經尋找出在保持扭矩傳遞性能的同時分別縮短凸凹接頭的插頭和底座的有關最大可能地減小鉆具總長度的方法。在這一點上，除了凸凹接頭之外，已經考慮到在刀柄和聯結部件之間還可以提供一個焊接接頭的可能性。因此，已經進行了很多利用常規的焊接技術將所述部件焊接在一起的實驗，其在供應熱量的同時利用所供應的材料。然而，利用MIG焊接以及TIG焊接的試驗證明是無效的，尤其，由于元件之間交界面上的氫脆以及一般的或不合格的精度，這樣的精度使得鑲入式截坯刀相對于聯結部件不能準確定位。
本發明的目的和特點在第一個方面，本發明旨在避免已知的旋轉型刀具(例如鉆頭和銑刀)的上述缺點，并提供一種改進的刀具以及制造這種刀具的改進方法。因此，本發明的一個主要目的是創建將包括在刀具中的兩個金屬部件(尤其是鋼制部件)焊接在一起的條件，并具有較高的精度以致于使在焊接操作中不可避免的熱釋放不會引起會導致兩個部件從一個準確的預定的彼此相對位置產生移動的任何變形或材料變化。另一個目的是使得可以實現焊接接頭，由于其在刀具中的位置，可以以優化其在兩個刀具部件之間傳遞力的能力的方式使用。再一個目的，與可旋轉的切削刀具(例如鉆頭和銑刀)有關，是提供一種具有最小長度并且同時保持甚至提高強度和硬度的刀具，其最主要的意圖是在操作期間刀具應當能提供改進的加工精度。
根據本發明，通過在獨立權利要求1中所定義的方法至少可以實現其主要目的。實現該方法的優選方式在從屬權利要求2-5中進一步限定。
在另一個方面，本發明還涉及一種通過應用根據本發明的方法而得到的改進的刀具。這種根據本發明的新刀具的特點定義在獨立權利要求6的特征語句中。根據本發明的刀具的優選實施例在從屬權利要求7-12中進一步限定。
本發明總體思想的概述本發明基于在兩個應當焊接在一起的刀具部件之間的一個縫隙中放置一個墊片的想法，這個墊片具有與縫隙的形狀相對應的基本上不變的預定形狀，并且利用至少一個激光束在冷卻狀態下沿著其外周進行焊接，該激光束以一個相當高的速度沿著墊片移動，在相對于墊片和刀具部件的周圍部分移動期間，激光束分別熔化墊片和刀具部件的金屬上非常有限的幾乎點狀的區域，其尺寸由激光束的直徑(點尺寸)所決定。通過這種方式，焊接和隨后的熱釋放非常局部地在一個點區域發生，這個點區域沿著墊片很快地移動；這保證了在墊片和刀具部件的交界面或接觸面上不會出現熱變形、熱脆等現象。在構成本發明基礎的實驗中，于是就可能觀察到在最終焊接之后刀具立即會很冷以致于完全可以用手觸摸焊縫。對于旋轉式刀具，可以以一個有利的方式使用本發明以減小刀具長度，與此同時刀具的有關兩個構成部件(例如聯結部件和鉆柄)之間交界面上傳遞力或扭矩的能力不僅能得到保持，甚至還會提高。
現有技術的附加說明一般來說，利用激光焊接將金屬部件焊接在一起的技術本身在例如GB 2344549、U秒5343014、FR 2656556、EP 0491959和JP 58090389中是已知的。然而，上述出版物中說明的焊接工藝中沒有一個利用了本發明的原理將一個間隔的具有不變的預定形狀的金屬墊片放置于一個外周開口的縫隙中，并且隨后利用一個快速可移動激光束對這個墊片暴露在外面的周邊進行焊接。
在附圖中圖1是從一個其形式為根據本發明制造的鉆頭的刀具的斜后方看過去的視圖，圖2是從斜前方看過去的同一鉆頭的分解圖，圖3是從同一鉆頭的側面垂直地看過去的分解圖，圖4是一個介于一個聯結部件和一個包括在鉆頭內的柄部之間的放大交界面的示意性局部側視圖，圖示交界面中沒有任何墊片，圖5是在一個第一焊接操作期間同一交界面的側視圖，圖6是在一個第二焊接操作期間的相似側視圖，圖7是一個處于裝配狀態的車刀(更準確地說是插刀)的視圖，該刀具包括一個聯結部件和一個其形式為一個所謂鋸齒板的第二部件，該第二部件利用本發明的方法與該聯結部件焊接在一起，圖8是根據圖6的刀具的分解圖，圖9是只有聯結部件和鋸齒板以及介于其兩者之間的一個墊片的分解圖，以及圖10是鋸齒板的背部視圖。
具體實施例方式
如作為前言所提及的，形成本發明基礎的問題主要與旋轉刀具有關，圖1-5示出了其中的一種，也就是鉆頭。所述鉆頭包括一個聯結部件1，還有一個通過交界面與聯結部件1永久結合在一起的一個第二部件，其形式為刀柄2。在圖1中，所述交界面以標記3指示。刀柄2具有圓柱形、長而窄的基本形狀，并且在其自由前端形成有多個可松開的、可更換的鑲入式截坯刀4的底座或所謂的插入槽。在刀柄的包絡面上，形成有多個用于排出由鑲入式截坯刀4分離的碎屑的碎屑通道5。在刀柄的內部還有多個冷卻液通道6，它們在刀柄的端部開口并用于刀具的冷卻。在其后部，刀柄通過一個逐漸變厚的過渡部分7轉變為套環8，其包絡面為圓柱形。從這個套環8向后，一個凸狀元件9以插頭的形式伸出，其同樣也具有圓柱形的包絡面。盡管所述凸狀元件9一般稱為插頭，其可以包括一個內腔，其中容納有將要傳送至冷卻液通道6并通過聯結部件供給的冷卻液。
聯結部件12的一個前端部件10具有圓柱形的基本形狀并且包括一個內部凹狀底座11，其由一個圓柱形表面所界定，該圓柱形表面的內徑基本與凸狀插頭9的外周直徑相同。在后部，圓柱部件或套筒10轉變為一個聯結部件12，其形狀，更準確地說，其橫截面形狀與用于固定鉆頭的夾具的形狀相適應。通常出現在市場上的聯結部件的名稱為COROMANT CAPTO。然而，根據使用者的機器設備，還有很多其它類型的聯結部件。應當能注意到，聯結部件2是中空貫通的，以便冷卻液可以從夾具中通過一個后端孔13供給進來。
上述插頭9和底座11一起形成了一個凸凹接頭，其通過壓配合和/或冷縮配合以前述已知的方式永久地將刀柄結合至聯結部件。這種接頭可以這樣形成通過加熱聯結部件，然后在將插頭9壓入底座11之后，再將其冷卻，以使底座收縮。為了在一定的安全限度內在聯結部件和刀柄之間傳遞為各個鉆頭所規定的扭矩，以前凸狀插頭9和底座11必須具有一個相當長的長度或軸向伸展，從而以這樣的方式提供一個足夠大的力傳遞接觸表面。在實際中，凸狀插頭的長度相應地要達到鉆頭直徑的至少1.5倍。
而且，應當提及的是聯結部件和刀柄一般由鋼制成。因此，對于刀柄2，優選地是使用一種型號為秒秒142225的鋼，這種鋼是一種具有良好可焊接性能的低合金熱處理鋼，并且除了例如秒i、Mn、秒、Cr和Mo等合金成分之外，其還含有0.22-0.29％的碳(C)。然而，對于聯結部件1，使用的是一種型號為THG 2000的鋼，這種鋼是一種尤其為鉆頭和銑削體所開發的鉻-鉬-釩合金鋼，其碳含量在0.35-0.42％范圍內。用常規的焊接方法，例如MIG焊接或TIG焊接等將兩個這樣鋼種的鉆頭部件1、2焊接起來的試驗失敗了。
至此已經對如圖1-3所示的鉆頭進行了描述，其實質上與以前已知的相同。
根據本發明的刀具的創新點以及特點在于，刀柄和聯結部件除了通過所述凸凹接頭9、11結合之外，還通過一個焊接接頭彼此結合，其一般通過激光焊接利用一個預形成的環形墊片14所形成。如圖3-5所示，所述間隔環14與一個毗鄰刀柄2的套環8形成的臺肩15相配合，該臺肩15由一個平端面16和一個圓柱狀包絡面17所界定，并且其直徑一方面比套環8的外徑小，另一方面又比圓柱狀插頭9的外徑大。在裝配刀柄和聯結部件后，臺肩15的平端面16壓在聯結部件1上一個同樣是平面的前端或接觸面18上。在臺肩15的外面，套環8具有一個環形的平面接觸面19，其與端面16以及接觸面18一樣垂直于鉆孔刀具的幾何中心軸C延伸。因此，當這兩個刀具部件安裝在一起時，在接觸面19和18之間形成有一個環形圓周縫隙，在圖4中標記為20。
間隔環14具有一個扁平的基本形狀以使得除了兩個圓柱狀內和外邊緣面之外其由兩個相對的相互平行的平面所限定。臺肩15的外徑基本上與環14的內徑一樣大，同時環的外徑基本上對應于套環8的外徑。也就是說，間隔環的形狀與縫隙20的形狀相對應。實際上，間隔環應當具有0.5-1.0毫米的厚度(＝接觸面18、19之間的距離)，例如0.7毫米。在這一點上，應當指出的是，環的厚度無需與縫隙的寬度(＝接觸面18、19之間的距離)精確相等。因此，環的厚度可以比縫隙的寬度小百分之幾個毫米。這樣，就保證了間隔環不會受到與凸凹接頭9、11的形成相關的任何變形壓力。
至于間隔環的材料，通常使用的是鋼。形成本發明基礎的試驗已經表明奧氏體鋼，尤其是奧氏體不銹鋼，也就是合金化有適量的鉻和鎳的鋼，特別適用于此。
根據本發明的刀具的制造在將鉆頭的刀柄和聯結部件彼此結合時，在第一步，將環14放置于凸狀插頭9的外面，此后例如在利用加熱聯結部件而使底座11變寬的狀態下將凸狀插頭9壓入底座11中，這就在所述部件之間提供了一個第一常規固定接頭。下一步，在聯結部件和刀柄之間提供了一個第二固定接頭，也就是，焊接接頭，更準確地說是以在圖5和6中示意性表示出的方式。焊接是通過一個示意性表示出的激光焊接設備21進行，其發出一個具有可變直徑或點尺寸的激光束22。為了避免由于空氣中的氧氣沖擊所引起的氧化，焊接可以在具有一個周圍保護氣體23的條件下進行。在焊接期間，激光束和鉆孔刀具相對于彼此是可動的。實際上，所述可動性可以以激光焊接設備21保持不動而刀具在一個適當夾具(未示出)中可轉動的方式實現。焊接分兩個操作階段進行，其中第一個階段在圖5中示出。從這個附圖中可以看到，激光束22保持為徑向地朝向位于環14的一個面(底面)和聯結部件1的環形平接觸面18之間的徑向接觸平面。實際上，激光束22可以具有0.3毫米的直徑，其幾何中心軸位于垂直于中心軸C的與環14和聯結部件1之間的接觸面所在平面相同的徑向平面上。在已經將激光束朝向沿著環形周邊的一個任意點之后，讓刀具轉動，更準確地說以至少100毫米/秒的圓周速度。當激光束碰上并進入環和聯結部件之間的接觸面時，激光束區域的材料局部熔化并焊接在一起。熱釋放自身在激光束的緊鄰區域很強烈，但是因為激光束以相對高的速度沿著環的周邊移動，總的熱釋放限制在一個最小值，這不會給刀柄和聯結部件之間的交界面帶來任何變形或材料遷移。當刀具已經轉動一周(360°)時，中斷激光照射。這樣就完成了間隔環14與聯結部件1的焊接。
在下一個操作中，環14同樣焊接到刀柄上。從圖6中可以看出，激光束和刀具隨后相對于彼此軸向移動，以便激光束定位于與環和刀柄的套環8之間接觸面相同的徑向平面上。此后，以同樣的方式進行焊接，也就是，刀具轉動一個周期以讓激光束以一個圓周的環形焊道將材料熔化在一起，焊道的平面垂直于中心軸C。
舉例來說，應當提及的是一個39毫米鉆頭的焊接，其以一個112毫米/秒的圓周速度相對于激光束轉動，可以在0.7秒內完成。緊接著最終焊接之后，所得到的焊縫基本上為室溫。
在圖5和圖6的左邊，用虛線示出了一個第二激光束設備21`。這個設備可以與設備21徑向相對著放置。這樣，可以只旋轉刀具半個周期就能提供了外周環形焊縫，也就是只用一半的時間。
現在參考圖7-10，其中示出了一種固定類型的刀具，也就是，一種用于切削或開槽操作的車刀。在這種情況下，應當永久連接至一個聯結部件1`的第二部件由一個板2`構成，該板形成有鋸齒面24，鋸齒面24用于與一個位于可分離夾具部件25上的相似鋸齒面(在圖中不可見)相配合，在可分離夾具部件25中包括一個可松開的所謂插刀26。以與上述鉆頭的情況相同的方式，將鋸齒板2`以允許在部件之間傳遞很大的力以及保證鋸齒板相對于聯結部件小心放置(目的是將插刀26相對于聯結部件的聯結件12`置于正確的位置)的方式聯結至聯結部件或適配器1`。此時，板2`(參見圖9)具有一個部分圓周和部分三角形的形狀從而其由一個轉變為兩個平直的邊緣面27`的部分圓柱狀邊緣面27所界定。兩個邊緣面27`呈銳角延伸并且終止于一個共同的后部邊緣面28，后部邊緣面28是平直的并且形成了一個虛擬三角形的底邊。在板2`的后面，形成有一個形式為圓柱狀插頭的凸狀元件9`，其可以以壓配合的方式插入對應的聯結部件中的圓柱狀底座11`中。這樣，插頭9`和底座11`形成了一個凸凹接頭，還應當給這個接頭增加一個上述類型的焊接接頭。為此，在板2`的內側和聯結部件上的一個平接觸面19`之間布置一個墊片14`，其輪廓形狀與板2`的輪廓形狀相對應。在墊片中有一個圓柱狀孔，其內徑對應于形成于板內側上的一個圓柱狀臺肩15`(參見圖10)的外徑。
當插頭9`在鋸齒板2`的安裝和固定期間插入底座11`時，板的后緣28置于(以非常精細的配合)緊靠著形成于聯結部件上的一個第二接觸面18``的位置，第二接觸面18``垂直于接觸面18`延伸。可能地，但不是必然地，插頭9`可以利用加熱和收縮進行固定。然而，這樣的固定方式是由于邊緣面28緊靠著接觸面18``而附帶形成從而使得相對于聯結部件轉動板是不可能的。在將插頭9`插入時，先將墊片14`放置于板的內側，并使得墊片與接觸面18`以及板2`的內側平面緊密接觸，如圖8所示。在這種狀況下，以前述的方式進行激光焊接，也就是，在兩個連續操作中，在兩個軸向間隔平面上沿著墊片的外周移動激光束。在該情況下，每個單獨的操作還可以分成若干步驟。這樣，在第一個步驟中，在聯結部件相對于激光束線性或直線移動期間，只是沿著線性邊緣部分27`進行焊接。在第二個步驟中，轉動刀具以沿著板2`的圓柱狀邊緣部分形成一個焊縫，然后再次相對于激光束線性地移動聯結部件從而沿著第二邊緣部分27`形成第三個線性焊縫。
本發明的優點根據本發明的方法的一個基本優點是，在利用最小熱釋放總量對材料進行必須的焊接或熔融過程期間，包括在一個刀具中的兩個金屬部件可以通過一個牢固可靠的焊接接頭焊接在一起。這就意味著部件彼此之間的預定位置不會受到焊接操作的影響，從而，例如，可以以一個可靠的方式保持插入承載加工部件相對于聯結部件的準確位置。在應用于鉆頭或銑刀類型的可轉動刀具時，上述焊接技術還可以應用于縮短刀具的作用。因此，如圖3中最佳示出，在刀具的套筒接合中凸狀元件的長度或軸向伸展可以減小至刀柄直徑的一半以下。這樣，在所述鉆頭中，鉆頭的總長度可以減小至少與鉆頭直徑相同的數值。在這一點上，應當注意到這個事實所形成的焊縫是周邊的，也就是，位于其中鉆頭和銑刀具有最大直徑的位置。這意味著焊縫的力傳遞能力達到了最佳。
本發明可行的改進本發明并不是唯一地限于上述以及附圖中所示的實施例。例如，所得到的焊縫并不是必須要沿著墊片的整個外周或暴露在外面的邊緣連續。因此，在焊接過程中，在刀具相對于焊接設備連續地轉動或直線移動期間可以間歇地關閉激光束。這樣就形成了一個由多個間隔的點或塊狀焊點所構成的周邊焊縫。還應當提及的是，間隔環并不是必須是平的。因此，可以用與周圍部件相同的形狀，例如，一個圓錐形狀(杯狀彈簧墊片)，從而使縫隙為相似的形狀。而且，根據本發明的方法還可以應用于將任何刀具中除了附圖中所示之外的其它部件整體焊接在一起。盡管所述實施例中示出的是外部焊接，但是內部焊接也是可行的。
附圖標記列表1＝聯結部件2＝鉆柄3＝交界面4＝鑲入式截坯刀5＝碎屑通道6＝冷卻液通道7＝過渡部分8＝套環9＝凸狀插頭10＝套筒11＝底座12＝聯結件13＝端孔14＝墊片
15＝臺肩16＝接觸面17＝包絡面18＝接觸面19＝接觸面20＝縫隙21＝焊接設備22＝激光束23＝保護氣體24＝鋸齒面25＝插入夾具26＝插刀27＝邊緣面28＝邊緣面
權利要求
1.一種制造去屑加工刀具的方法，該刀具包括兩個通過交界面(3)永久地結合在一起的金屬部件，其特征在于，下列步驟在所述兩個部件(1，2，2`)的至少一個中形成周邊開口縫隙(20)，在所述縫隙中放置由金屬制成的間隔墊片(14，14`)，以及通過激光束(22)將墊片的暴露周邊焊接在所述兩個部件(1，2，2`)上。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，焊接分為至少兩個操作進行，也就是第一操作和第二操作，在第一操作過程中將激光束(22)保持為朝向墊片(14)和兩個部件之一(1)之間的第一接觸平面，在第二操作過程中移動激光束(22)并將其保持為朝向墊片(14)和第二個部件(2，2`)之間的接觸平面。
3.如權利要求2所述的方法，其特征在于，在各個焊接操作期間形成連續的環形焊縫。
4.如權利要求2或3所述的方法，其特征在于，各個焊接操作以兩個或更多的分操作進行，在分操作期間激光束(22)和墊片(14，14`)之間的相對運動不同。
5.如前述權利要求中任一項所述的方法，其特征在于，激光束(22)和墊片(14，14`)之間的相對運動至少以100毫米/秒的速度進行。
6.一種用于去屑加工的刀具，其包括由金屬制成的聯結部件(1，1`)和通過交界面(3)與之永久接合的第二部件(2，2`)，該第二部件同樣由金屬制成，其特征在于，在兩個部件的至少一個中緊鄰著所述交界面(3)形成有一個周邊開口縫隙(20)，在該縫隙中放置有一個間隔的金屬墊片(14，14`)，其形狀是預定的并且對應于縫隙的形狀，并且沿著其暴露在外面的周邊激光焊接在聯結部件(1，1`)以及第二部件(2，2`)上。
7.如權利要求6所述的刀具，其特征在于，所述部件(1，1`；2，2`)中的至少一個是由碳鋼制成，并且墊片(14，14`)由奧氏體鋼構成。
8.如權利要求6或7所述的刀具，其形式為旋轉式刀具例如鉆頭，其類型為除聯結部件(1)之外，還包括通過凸凹接頭與該聯結部件永久接合的插入承載加工部件(2)，該凸凹接頭的類型為具有包括在加工部件(2)中的凸狀元件(9)，該凸狀元件(9)以壓配合的方式插入聯結部件(1)的凹狀底座(11)中，其特征在于，墊片為一個環(14)的形狀，其分別焊接在位于聯結部件(1)和加工部件(2)上的兩個相對的環形接觸面(18，19)上。
9.如權利要求8所述的刀具，其特征在于，所述接觸面(18，19)是平的并且在垂直于刀具的幾何中心軸(C)的徑向平面上延伸，且環(14)是平的并且具有兩個焊接在所述接觸面(18，19)上的相互平行的平表面。
10.如權利要求8或9所述的刀具，其特征在于，間隔環(14)的縫隙(20)由臺肩(15)形成，該臺肩(15)與凸狀元件(9)一起從加工部件(2)的接觸面(19)向后凸出，并且其直徑，在一方面小于接觸面(19)的外徑，在另一方面大于凸狀元件(9)的直徑，臺肩的厚度決定了縫隙(20)的寬度。
11.如權利要求10所述的刀具，其特征在于，間隔環(14)的厚度稍小于縫隙的寬度，以消除由于凸凹接頭的壓配合的建立而在環上形成壓應力的危險。
全文摘要
在第一個方面，本發明涉及一種用于在包括在一個刀具中的兩個部件之間獲得焊接接頭的方法，比如一個聯結部件(1)和一個鉆柄(2)。本發明的特征是在部件之間的一個周邊開口縫隙中放置一個墊片(14)，該墊片具有一個對應于縫隙形狀的預定形狀，然后利用一個朝向墊片周邊的激光束(22)在墊片的接觸面和兩個部件的相似接觸面之間的邊界區域將材料熔化并焊接在一起。在第二個方面，本發明還涉及一種這樣的刀具。
文檔編號B23K101/20GK1607060SQ200410086148
公開日2005年4月20日 申請日期2004年10月18日 優先權日2003年10月16日
發明者萊夫·尼斯特倫, 拉爾斯·馬提亞松, 根·埃里克松 申請人:山特維克公司