专利名称：加工零件表面的工具及用于这种工具的载体材料的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于零件表面加工的工具和此工具的载体材料。迄今为止，表面精加工采用镗磨工具。镗磨工具的结构是比较复杂的。它在工具表面有一个带磨料的工作层，这种磨料是经特殊熔合的氧化铝或碳化硅。在所谓镗磨油石的内部，是扩张的锥体，借助于此锥体，通过镗磨油石在孔壁上作用必要的压力。
按照本发明的工具以及具体到此工具的载体材料而言，其是一种高度均质、颗粒极细并比较容易成合金的结构。它可用作金属镀层的载体，而此金属镀层本身通过局部粘结的形式载有一种非金属硬质层。这种材料可通过切削工艺用简单的方法制备，以便获得粗糙度适当并可调整的半成品。工具表面没有杂质。所镀的非金属硬质层形成了一种长寿命的耐磨层。由于它没有孔隙、裂纹或其它缺陷，所以这种材料不生锈或不腐蚀。
与迄今使用的镗磨工具相比，生产这种工具比较便宜，特别是非常简单和成本效果好。这种工具实际上可以制成无间隙的。其结果是误差范围很小。即使是细和长的工具也能制造。金属层通过活化层在载体工具上高度弹性地连接，避免了因固有应力和在使用过程中发生的不规则外部应力造成的微裂纹。
对于所指出的工具或有关载体材料有益的进一步发展以及相应措施带来的效果，可从本发明的下列描述中了解到。
本发明提供一种用于表面加工工具的载体材料，其是由均质细颗粒结构的金属合金构成，这是一种高压烧结材料，也可是一种热拉的优质高速钢(HSS)，在载体材料上可施加一种非金属硬质层;优质高速钢沿整个直径的最小硬度为68-70HRC(洛氏硬度);在载体上面有一个活化层，一个纯金属层，一个通过碳和/或氮和/或氧加上另外还同时提供的纯金属的扩散获得的过渡层，以及一个非金属硬质层;碳和/或氮和/或氧以及纯金属的扩散，是借助于PVD方法(物理汽相蒸镀)进行的;至少在表面上所设的非金属硬质层具有92-98%的不渗透性，具硬度至少为被加工工件表面的300%。
本发明的最佳实施例表示在附图中，现通过下文并配合有关附图将予以详细说明。其中
图1表示本发明的工具沿纵向剖开的轮廓图，为表示清楚起见，各部分没有按真实的尺寸表示;
图2和3表示图1所示最佳实施例的改型;和图4表示工具母材上硬质层的分层结构。
图1中，标号10表示用于同时使表面光滑和硬化的工具。按图1中箭头11表示的加工方向看，工具10的开头是一个定心区12。此定心区12有一个锥形导引段13，例如它有斜度约7°。导引段13用于将工具无损伤地引入例如一个孔中。所以，在下面的叙述中将总是针对孔。从导引段13到定心区12的过渡有一个很小的圆弧。这样做是必要的，是为了防止损伤被加工表面。定心区12本身为圆柱形。但重要之点在于，工具10的轴线和孔的轴线应当重合，从而使工具10在孔中不会倾斜。
具有斜度的入口区15与定心区12相连，其斜度在0.7°至2.3°之间，这取决于工具的材料，还取决于被加工零件的材料。在这里的被加工零件例如是指一个制有孔的阀。斜度值目前仍通过实验确定。入口区15是为了防止孔的入口被与之相邻的工作区17不小心刮伤。切向段18从入口区15导引至加工区17。切向段18的轮廓形状实际上是一个大的圆弧，所以相当于一条切线。该切向段18是必须的，以避免从入口区15到加工区17成棱角状过渡。切向段18圆弧状的设计就已经使被加工零件的材料受压。与不合要求的棱角状过渡相反，如上所述，采用切向段18为圆弧的做法，其结果是使沿工具10运动方向11材料的物质在小区内没有位错，但是材料沿径向向外，亦即垂直于或与运动方向11成小于90°的方向，有巨大的位移。切向段18的圆弧半径取决于零件材料和工具10的长度与直径之比。
毗邻的实际有效的加工区17由圆柱段构成，其直径可大于被加工孔所要求直径最多约0.2%。这一余量取决于零件材料和孔的长度。工具10上的加工区的宽度约等于孔加工直径的0.4%。制成曲线状的恢复区20与加工区17相连。它用于恢复被加工区17加工后的零件材料。恢复过程发生在零件孔表面的小范围内。零件材料可以少量地再次分布在恢复区20内。
在恢复区20之后，有一个异物收集槽22，这些异物是在这之前的粗加工工序中留在孔中的。这些例如可能是磨料颗粒或其它杂质或废液成分，下面还要谈到，这种液体用于在工具10加工孔时提高孔的表面光度。收集槽22制成圆弧状，圆弧半径取决于工具的直径和长度。从恢复区20到收集槽22的连续过渡，对于无损伤地从孔中取出工具的逆向运动是重要的，从数学的观点看，这是一条复合曲线。连接段24在形状、作用和功能等方面，与恢复区20是一致的。若有一面想象的镜子，其轴线则通过最低点，亦即通过收集槽22的最低点，从收集槽22到连接段24的过渡，以及连接段24本身，构成了恢复区20和从恢复区20到收集槽22过渡的镜面对称的重复。这也这意味着，收集槽22连续地汇合并入第二个加工区26中是按如加工区17汇入恢复区20中同样的形式。加工区26大约只有加工区17长度的60%，但其直径与加工区17的直径完全一样。除了加工区26和17的长度互不相同之外，从收集槽22到连接段24的过渡、连接段24本身以及加工区26，构成了区段17、20和22的镜面对称的重复。在加工区17和26之间有一个或多个加工区26，按必须达到的被加工零件的长度同样地重复。所有重复的加工区26，其长度也都是第一个加工区17长度的60%。出口区30与最后一个加工区26相连，它的斜度略大于入口区15的斜度。其斜角在3°至7°之间。它还是作为刚被加工的零件材料的膨胀区。
从出口区30到出口圆柱32的过渡是圆弧状的，以避免工具出现断裂的危险。
出口圆柱32的长度大约等于定心区12的60%。出口圆柱32的直径大约比加工区17或26的直径小0.5%至1%。这也意味着出口圆柱32的直径小于定心区12的直径。但在特殊情况下它们也可以是相等的。
工具10的末端制成圆顶34，它用于迫使工具10沿箭头11的方向输入运动的强迫引入和强迫传递。圆顶34设计成例如借助于自动压力机使强制引入可以在一个特定点。圆弧半径按实验确定，它取决于工具10的长度和直径。从数学的观点看，若工具10直径较小，则圆顶34具有三心曲线的形状，这意味着，与假设它被设计成圆弧状的形式相比，圆顶34的侧面较为陡峭。这样做尤其在工具具有较大长度和较小直径的情况下是必要的。此外，圆顶34制成相对于通过圆顶34顶端想象的镜面轴线是成镜面对称的。
工具的上述这些区段构成了与工具的使用无关的总是存在的基本部分。一旦工具用于加工一个连续孔，如上文所述的那样，定心区12直接在工具上形成。或者，一个定心区可附属于被加工的零件。工具的一个或多个加工部分仍与定心区12连接。加工部分由加工区17至加工区26组成，这一加工部分重复若干次。如上述已阐明的，第一次重复后，加工区26的长度始终是相同的，但在各种情况下，只有与入口区15相连的第一个加工区17长度的60%。加工部分由多个台阶组成，各台阶的加工区17和26，它们每一个均具有较大的直径。该直径不是从一个台阶到另一个台阶成线性增加的，加工区17、26或17a、26a直径的增加沿工具全长成曲线状，例如，具有对数曲线或位函数曲线的形状。工具的精确形状由实验确定。最后一个台阶，亦即指加工区26，它与被加工孔的直径再加上必要的总余量(余量同样也应逐个台阶增加)相匹配。在这个加工区26后面接着的是出口区30、出口圆柱32和圆顶34。
该工具的一种改型还可用于加工盲孔。在这种情况下，必须将工具再次从盲孔拉出，因此需要一个区段能适合于夹住此专用工具。为此目的，在出口圆柱32和圆顶34之间设置一提升段36。此提升段36设计成例如两面体或四面体。为了完全可靠地拉出工具10，提升段36的表面设计成具有特定的粗糙度。
在另一种改型中，利用工具还可在孔中制出阀座和凸肩。为此目的，此工具在加工区26之后设置支座38，它的尺寸与孔中所要求的阀座尺寸相对应。支座38的斜度取决于零件材料，约大于所加工阀座斜度的0.5%。这是必须的，因为零件和材料有回弹。出口圆柱32与支座38相连。
当然，还可以将支座设置在导引段13的前面以及定心区12的前面，以便制造注射阀的阀座。在支座40前置的情况下，两个区段12和13在长度上很短，所以如图3所示可以将它们略去。加工区17和如上所述的后续的区段接在它后面。此外，还可以采用用于制造阀座的带支座阶梯形加工区。上述加工区以及必要时还有支座可以任何方式互相组合在一个工具中。
用以上所介绍的工具要能硬化和光滑孔的表面，所以此工具10必须用特殊材料制造，并要有通过特殊方法施加上的边缘层。工具10的母体50必须由金属制成，这种金属是均质细颗粒结构。如果要制造细的工具，例如直径2至12毫米，可采用高压烧结的半成品，也就是说，是一种用高压烧结方法制成的载体。优质高速钢(HSS)可用于制造粗的工具。但在所有的情况下，工具的直径都大约要大于以后将制成的加工区17、26所要求直径的40%。在这些区段中超过所要求直径的部分，往往在处于制造粗或细的工具半成品过程中产生的杂质和脱碳的留量区内。这一超过直径40%的部分用机械加工除去，亦即例如通过磨削。那么，所得到的表面应尽可能光滑。磨削以后所获得的在中心部分的载体材料或母材50比较均匀。此外，这一机械加工的结果是使留下来成为工具的材料是致密的。这意味着，颗粒互相熔合得更好，其结果是结构更致密。以此方法生产的工具半成品用作制造成外加一个非金属硬质层51的原始材料。主要通过这一硬质层，并与上述工具10的几何形状一起，保证加工表面的硬度和光度的质量。
在加工过程末尾，在外壁上设有非金属硬质层的目的是，在壁上构成所谓的工具加工面。如上所述，此非金属硬质层51是应用在金属的载体材料50上的。工具10相应的结构如图4所示。在图中，标号50表示载体材料，它是按上文所介绍方法制成的，具有均质细颗粒的结构。重要的是，载体材料的表面50要沿全长尽可能光滑和具有精确的尺寸。将一层厚度大约0.2-0.3微米的薄活化层52施加在载体材料50上。这一活化层52例如为铂(Pt)、钯(Pd)、锡(Sn)、镍(Ni)、银(Ag)或金(Au)构成。当然，也可能是这些物质的互相组合。此活化层52以网状的形式设置在载体材料50的全部外表面上，这意味着此活化层不可能是致密的，亦即它并不企图在载体材料50上构成完全致密的表面。此活化层52是通过电解作用，用化学方法镀上去的。与电解法(物理方法)相比，此电解液附加地起净化作用。
活化层52是有结合力的，并由一种软的材料构成。它有结合力地粘结到载体材料50上，并同样也有结合力地粘结在后来的纯金属层53上。活化层52的离子扩散到载体材料50中。其结果是形成一个弹性的中间层，它以网状将活化层52粘结在载体材料50上。纯金属层53，例如钛、铬、硼或钨，在这之后镀在活化层52上。此纯金属层通过离子交换和阴极溅镀(PVD方法，亦即物理汽相蒸镀)镀上。最后所得到的这一层是通过电弧熔合并同时被粘结而成。实施这一工序，直至在活化层52上呈现有0.3至0.5微米的最小层。此纯金属层53因而通过活化层52有结合力地粘结在载体材料50上，并也部分地有结合力地粘结在下文将说明的所构成的非金属硬质层51上。
当此纯金属层53达到它的最小层厚时，用特殊方法将碳和/或氮离子加在它上面，所以可通过一个过渡层54，构成非金属硬质层51。碳或氮离子在真空状态下，通过PVD法(物理汽相蒸镀)镀上，例如至少为10-3bar(巴)或高真空度情况下。氮和碳成分的比例径向地向外，亦即朝非金属硬质层51的方向，越来越大。于是，过渡层54的末端是均质的非金属硬质层51，它具有大约95%至98%的不渗透性。因此，此非金属硬质层51由金属/碳/氮或金属/碳或金属/氮(氮化物合金)化合物组成。以钛为例，此硬质层51由TiN或Ti(CN)组成。
要能用上述工具10加工表面，还必须使用下面所介绍的一种离子润滑液。此液体具有润滑、冷却和为加工表面加合金元素的功能。迄今针对这三种效果的每一种，采用不同的具有特定功能的专用的液体。现在，这三种功能只要用一种液体便能完成。考虑到它们的组成和功能，这种液体称之为离子润滑液。这种离子润滑液有一个母液，它主要由有机的低酸度油组成，例如菜子油。其余的组成部分是合成矿物油，例如低酸度不含氯的油。由于是上述两种成分的组合，此离子润滑液的粘度降低，亦即在9至12厘沲(centistokes)范围内。精确的成分取决于要加工工件的材料，亦即，也可以用无机油来代替有机油。将至少体积15%的细碳黑和至少体积17%的细石墨，掺入按此方法制备的离子润滑液中。接着过滤此混合物(颗粒最大尺寸为0.3微米)，以获得一种具有尽可能低的粘度的离子润滑液。此外，必须保证上述两种成分细的和均匀地分布，亦即细的碳黑和细的石墨。
离子润滑液随后用于工件的加工中，并具有为工件加合金元素的作用。这意味着，容易成合金的各种金属离子，如锡(Sn)、金(Au)、银(Ag)、钯(Pl)和镍(Ni)，被加在要加工的工件上。如此生产的液体被搅拌，然后将小量涂复在工具10上。对此，一滴离子润滑液已经足够。借助于具有上述几何形状和成分的工具10以及离子润滑液，现在可通过下列方法加工表面。将小量离子润滑液涂在工具10上。接着，将工具10的导引段13和定心区12插入孔中。借助于一台自动压力机，在非常良好地定心的情况下，将工具10推入孔中，并穿过此孔。有必要规定一个特定的最低速度，以便达到在孔的表面结构中发热。这种发热对硬质层51是必要的。在冷态下，当工具推过时，硬质材料会断裂。相反，在发热时，当工具推过时材料得到补偿，也就是说填充了加工沟纹。由于采用离子润滑液，当工具10的硬质层51通过孔中不规则地区时，只产生小的摩擦。所释放的离子粘结在工件材料上。借助于离子润滑液，可达到有结合力的粘结，所以工件表面的结构可以“不再脱落”。
在制有支座的另一种型式中，工具10插入孔中，直至工具10的支座压靠在被加工的凸肩上为止。旋转工具10若干次，然后再次将工具10从孔中拔出。
上述具有多个台阶的工具特别适用于不圆的孔或工件孔表面过分粗糙的情况。不同的台阶必须按与孔直径有关的各段被加工孔的长度来设计。
权利要求
1.一种用于表面加工具的载体材料(50)，其特征在于，其由均质细颗粒结构的金属合金构成，这是一种高压烧结材料，在载体材料上可镀以一种非金属硬质层(51)。
2.一种用于表面加工工具的载体材料(50)，其特征在于，其由均质细颗粒结构的金属合金构成，这是一种热拉的优质高速钢(HSS)，在载体材料上可镀以一种非金属硬质层(51)。
3.按照权利要求2所述的载体材料，其特征在于，优质高速钢沿整个直径的最小硬度为68至70HRC(洛氏硬度)。
4.按照权利要求1至3之一所述的由载体材料(50)构成的加工零件表面的工具，在它上面有一个活化层(52)，一个纯金属层(53)，一个通过碳和/或氮和/或氧加上另外还同时提供的纯金属的扩散获得的过渡层(54)，以及一个非金属硬质层(51)。
5.按照权利要求4所述的工具，其特征在于，碳和/或氮和/或氧以及纯金属的扩散，是借助于PVD方法(物理汽相蒸镀)进行的。
6.按照权利要求1至5之一所述的工具，其特征在于，至少在表面上所设的非金属硬质层(51)具有92-98%的不渗透性，且硬度至少为被加工工件表面的300%。
全文摘要
一种由均质细颗粒结构的金属合金构成的用于表面加工工具的载体材料(50)。这种载体材料(50)通过切削加工以获得预定的尺寸和粗糙度。接着，在多个工序中，镀以活化层(52)、纯金属层(53)和例如由氮组成的过渡层(54)，以便在最外面获得一个非金属硬质层(51)。此非金属硬质层(51)有高硬度和弹性，因此，此工具特别适用于零件表面的加工。
文档编号C23C14/06GK1087852SQ93118630
公开日1994年6月15日 申请日期1993年9月28日 优先权日1992年9月28日
发明者L·芬克拜纳 申请人:罗伯特-博希股份公司