專利名稱：用于金屬加工的切削工具以及生產切削刀具的方法
技術領域：
本發明涉及一種用于金屬加工的切削刀具以及生產切削刀具的方法，例如具有一個或多個用于可轉位刀片的刀片座的刀架體。作為此類刀具的例子，可以是具有多個硬質合金、金屬陶瓷或陶瓷做的切削刀片的鉆頭。
背景技術：
用于例如在金屬材料中進行去屑加工的切削刀具有很多不同的種類，包括用于鉆、磨削和車削的刀具。這些刀具的共同點是它們通常包括刀架體以及容納在刀架體內的刀片座中的一個或多個切削刀片。通常，刀架體由硬化鋼制成并隨后在冷加工中變黑，獲得了黑色表面，切削刀片由硬質合金、金屬陶瓷或陶瓷制成。
作用在用于金屬材料切削加工的刀具上的靜態和動態載荷變得越來越高。從更有效的切削刀片產生出增大的載荷，且刀架體在其幾何設計上變得更加優化。刀架體特別受到載荷的區域為刀片座中及刀片座附近的區域。這自然是由于在加工過程中由安裝在刀片座中的切削刀片帶來了載荷的原因。因此，存在增大此類刀架體、且特別是刀片座中和刀片座附近的疲勞強度的需求。
增加材料疲勞強度的一種方法是在表面區內引入壓縮應力。例如，通過材料的表面硬化，在材料的表面區內引入壓縮應力，例如通過氮化，其中氮主要在510-550℃的溫度下，以氣態供給到通常為鋼做的刀架體的表面。另一種方法是對材料進行氮滲碳，其中碳和氮通常在約570℃的溫度下，以氣態供給到該表面。還有一種方法是對材料進行離子硝化，其中氮主要在真空條件下、在約450-650℃的溫度下以離子氣態供給到該表面。
通過在表面區內引入壓縮應力來增加材料的疲勞強度的另一種方法是噴丸硬化。該方法的想法為在精確控制的條件下，利用諸如鋼、玻璃或陶瓷的小顆粒來轟擊該表面。
US 2005/0002744中公開了一種用于金屬加工的切削刀具以及生產切削刀具的方法，其特征在于，該刀具的刀架體首先受到表面硬化，該表面硬化造成表面上壓縮應力的形成，然后進行表面處理，該表面處理為表面上提供了附加的壓縮應力。這樣，一方面能夠改變/加工或移除表面硬化中得到的整個相位過渡層或其中的一些部分，同時在該表面上形成附加的壓縮應力。但是，已證明該方法在特別高的載荷的情況下，例如在材料超過拉伸(tension)下60％的屈服點的情況下，無法帶來刀架體的令人滿意的疲勞強度。
發明內容
本發明的主要目的是提供一種在高載荷下具有提高的疲勞強度的刀架體。
本發明的另一目的是提供一種降低裂紋形成的風險的刀架體。
本發明的另一目的是提供一種易于制造且成本低的刀架體。
本發明的另一目的是提供一種在高載荷下具有長的使用壽命的刀架體。
通過具有所附的獨立權利要求限定的特征的方法和切削刀具可至少實現本發明的主要目的。本發明的優選實施方式由從屬權利要求限定。
以下，參考附圖對隨后的作為示例的本發明的實施方式進行具體說明，其中圖1-2示出了根據本發明的典型刀具體的鉆頭柄的兩個側視圖，更精確的，呈用于所謂的短孔鉆頭的刀架體的形式。
圖3示出了從設置有切削刀片的鉆頭的前部傾斜地看到的視圖。
在圖中使用了以下的附圖標記11鉆頭柄；12、13刀片座；14、15切屑通道；16切向支撐面；17軸向支撐面；18徑向支撐面；19附加空間；20相對表面；21截面過渡部分。
具體實施例方式
圖1-3示出了圓柱形鉆頭柄11，在其前部設置有位于鉆頭的中心線CL兩側的兩個刀片座12和13。形成為用于切屑傳遞的軸向凹槽或通道由14和15表示。在兩個刀片座12、13的中心處設置有用來容納鎖緊螺釘(未示出)的孔，該鎖緊螺釘用于將切削刀片鎖緊到刀片座中。每個刀片座包括切向支撐面16，軸向支撐面17以及徑向支撐面18。這些支撐面設置有附加空間19，用來容納切削刀片的邊角部，從而避免其損壞。切向支撐面16基本上平行于穿過中心線CL的徑向平面。每個軸向支撐面17為凹凸不平的，從而形成大致為V形的輪廓，其頂部導向為朝鉆頭柄的固定部分軸向向后。位于中心座12內且相對徑向支撐面18的表面20沒有支撐切削刀片的功能，其目的只是防止切屑楔入鉆頭柄與中心切削刀片之間。徑向支撐面18和切向支撐面16之間的截面過渡部分由21表示。在該截面過渡部分21處，在完全與工件接合時，刀片座內的最大應力集中增加。因此，可以期望能提高疲勞強度并且盡可能地降低裂紋形成和擴展的風險。
根據本發明，由工具鋼制成的刀具刀架被深度硬化，即，使得鋼的基本結構以馬氏體為主，該結構基本上在整個刀架的截面上具有至少40HRC的硬度。這應用在用于鉆頭的刀架體上。用于磨削或車削操作的刀架體可具有在其表面上測得的至少36HRC的硬度。例如，這可通過加熱刀具并進行現有技術中已知的淬火來實現。根據刀架的材料，淬火可受到諸如空氣、油或水的介質的影響。高硬度意味著由于增加的位錯密度和堆積，與較軟材料的冷加工相比，隨后的冷加工效果提高，從而產生更高的殘余應力。
隨后，通過為了在刀架體的表面區引入壓縮應力而進行的冷加工，進行表面處理，造成表面的應變(strain)硬化。這里的表面區是指表面以下10-160μm。這可通過例如噴丸硬化來實現。優選地，該噴丸硬化至少在刀片座內和刀片座附近進行。為了獲得高的殘余應力值，要求使用正確的強度對刀架體進行噴丸硬化。該強度通過選擇噴丸硬化介質的硬度、密度和尺寸以及選擇噴丸硬化過程的壓力、流量、入射角、旋轉和時間來確定。已發現以下條件是適合的壓力1-7bar流量0.3-1.0kg/min入射角90°deg刀具旋轉25-50rev/m時間15-90s介質硬度45-55HRC密度7-8g/cm3尺寸直徑0.25-0.50mm在正確的強度下，合適的是，其至少為7A，優選地至少為15A，最優選地至少為18A，其中A指的是基本上如US 2350440中所公開的確定的Almen值，在鋼內形成壓縮應力且疲勞強度增加。通過良好平衡的噴丸硬化，表面以兩種附加的方式受到影響。首先，從疲勞強度的角度看，表面結構變得有利，這是由于去除了加工劃痕并獲得了隨機細凹坑(fine-pitted)結構。這意味著裂紋更加難以在某些方向上擴散。其次，表面獲得了良好的拋光。
或者，造成應變硬化的表面處理可通過現有技術中已知的其它冷加工操作來完成，例如壓痕(indentation)或輥拋光，從而實現刀架體表面一定的塑性變形，造成在刀架體的表面區中引入壓縮應力。優選地，以這樣的方式進行冷加工操作，使得還可實現從疲勞強度角度合適的表面結構。
不管已選擇哪種類型表面處理，優選的是，表面處理在露出最多的區域進行，例如在刀片座內或刀片座附近。通常至少一部分刀架體受到造成深度硬化的硬化處理，而后對該部分刀架體的一部分進行表面處理，從而將壓縮應力引入到刀架體的表面區。或者，硬化處理和表面處理兩者在整個刀架體上進行。
根據本發明，在超過拉伸下60％的屈服點的載荷下，例如氮滲碳處理過的刀架體遇到形成裂紋問題的情況下，與現有技術的刀架體相比，可得到具有顯著提高的疲勞強度的刀架體。一方面在刀片座內和刀片座附近，另一方面在沿軸向位于刀架體的刀片座后面的部分，可基本上減小高載荷下的裂紋形成和裂紋擴展的風險。
本發明的可行的修改在上述實施例中，刀架體為可旋轉鉆頭的形式。但是，本發明的概念是通用的，其能用在其它用于去屑加工的種類中，例如車削刀具和磨削刀具。
例1將工具鋼SS2242制備成根據本發明的可轉位短孔鉆頭的最終形狀和尺寸。通過加熱到960℃而后在空氣中淬火來對鉆頭進行深度硬化，使刀具具有1520N/mm2的拉伸下的屈服點并且具有50HRC的硬度。隨后，在以下條件下對刀具的整個刀架體進行噴丸硬化入射角相對鉆頭的縱向軸線成90度噴嘴和刀具刀架體之間的距離100mm
刀架體的旋轉速度30rev/min時間60s介質52HRC的圓鋼球，0.20mm將壓力和流量調節為達到18A的Almen值例2重復例1，且除了硬化還進行如US 2005/0002744中所公開的氮滲碳處理。
例3將具有硬質合金做的切削刀片的例1和例2中的刀具刀架體在短孔鉆削操作60mm深時進行檢測。在材料SS2541300HB中鉆孔，切削數據為200m/min的速度和0.20mm/rev的進刀量。這些切削數據產生材料屈服拉伸85％的力。作為進一步的參考，對可商用的同樣類型的深度硬化和冷加工變黑的鉆頭進行測試。刀具壽命以刀具刀架體的破損為標準。
結果參照 300m例2 50m例1 ＞1000m
權利要求
1.一種生產用于金屬加工的切削刀具的方法，該切削刀具包括具有一個或多個刀片座的刀架體，該刀片座用來容納由諸如硬質合金、金屬陶瓷或陶瓷的硬質材料做的切削刀片，該刀具的刀架體由鋼制成，其特征在于，該方法由以下步驟組成對所述刀架體的至少一部分進行深度硬化，而后對刀架體的該部分中的至少一部分進行表面處理，從而在該刀架體的表面區內引入壓縮應力。
2.根據前述權利要求中任一項的方法，其特征在于，對整個刀架體進行深度硬化。
3.根據前述權利要求中任一項的方法，其特征在于，在所述刀片座內和刀片座附近進行表面處理。
4.根據前述權利要求中任一項的方法，其特征在于，對整個刀架體進行表面處理。
5.根據前述權利要求中任一項的方法，其特征在于，通過噴丸硬化進行表面處理。
6.一種用于金屬加工的切削刀具，包括具有一個或多個刀片座(12，13)的刀架體(11)，該刀片座用來容納由諸如硬質合金、金屬陶瓷或陶瓷的硬質材料做的切削刀片，該刀架體(11)由鋼制成，其特征在于，該刀架體的至少一部分被深度硬化，且該刀架體的一部分中的至少一部分具有應變硬化表面。
7.根據權利要求6的切削刀具，其特征在于，所述刀架體為具有至少40HRC硬度的鉆頭的一部分，優選地在該鉆頭的整個截面上均具有至少40HRC的硬度。
8.根據權利要求6的切削刀具，其特征在于，所述刀架體為用于磨削或車削操作的刀具的一部分，且在該刀具的表面可檢測到，該刀具具有至少36HRC的硬度。
9.根據權利要求6-8中任一項的切削刀具，其特征在于，所述表面具有隨機的細凹坑結構，優選地是噴丸硬化的結果。
10.根據權利要求9的切削刀具，其特征在于，所述表面在整個刀架體上具有隨機的細凹坑結構。
11.根據權利要求9的切削刀具，其特征在于，所述隨機的細凹坑結構位于所述刀片座內或刀片座附近。
全文摘要
根據本發明，提供了一種用于金屬加工的切削刀具以及生產該切削刀具的方法，該方法可使刀架體在超過拉伸下60％的屈服點的載荷下具有提高的疲勞強度。該方法及刀具的特征在于，該刀具的刀架體受到硬化處理，造成深度硬化，而后該刀架體受到表面處理，造成表面的應變硬化，從而在該刀架體的表面區內引入壓縮應力。
文檔編號B23B27/00GK101056996SQ200580038506
公開日2007年10月17日 申請日期2005年11月8日 優先權日2004年11月10日
發明者克拉斯·蒂賓戈, 羅格·隆格倫, 丹·霍格隆德 申請人:山特維克知識產權股份有限公司