切削工具的制作方法

本公开涉及一种切削工具，并且具体但非排他地，涉及一种用于与陶瓷基体复合材料（ceramicmatrixcompositematerials）一起使用的切削工具。

背景技术

陶瓷基体复合（cmc）材料是如下的一类复合材料，即：其中，陶瓷基体材料用定向陶瓷纤维来增强。cmc材料具有优异的高温性能，并且经常被认为是高温应用中的例如镍基超合金之类的金属合金的替代品。

cmc材料通常需要加工过程，例如钻孔或铣削，以便实现工件的最终形状。由于cmc材料的非均质和各向异性的性质以及它们的高硬度，当用常规工具执行时，这样的加工操作是耗时的并且导致高的工具磨损率，这能够对加工的部件的质量产生不利影响。

技术实现要素：

根据本公开的第一方面，提供了一种带槽钻，其按照轴向顺序包括主体部分和切削部分，所述切削部分包括两个或更多个切削边缘，每个切削边缘从所述切削部分的远端并且沿所述切削部分朝向所述主体部分延伸，

其中，每个切削边缘具有处于所述切削部分的所述远端处的第一前角，所述第一前角逐渐增加至处于所述切削部分的近端处的第三前角，并且每个切削边缘具有处于所述切削部分的所述远端处的第一未切切屑厚度，所述第一未切切屑厚度逐渐减小至处于所述切削部分的所述近端处的第三未切切屑厚度。

对于常规的钻，前角或者沿切削边缘不受控制，或者沿切削边缘具有恒定的值。当切削异质和各向异性的材料（其属于通俗称为“难以切削”的材料的群组）时，沿切削边缘增加的前角可增加工具寿命，并可改善加工表面的表面质量。

cmc材料的性质对切削过程提出了不同的需求。在切削复合纤维的过程期间，需要正的前角（即，尖锐边缘），以便实现高的表面质量。此外，cmc材料的陶瓷基体的高硬度需要负的前角，来实现更长的工具寿命。

因此，在切削边缘的径向内部中具有负值并且在径向内部处增加到正值的切削边缘的前角的受控的渐进变化将满足两个需求。

常规的钻没有公开未切切屑厚度在前角的变化期间的渐进变化。术语“未切切屑厚度”有时俗称为“切削深度”。

切削cmc材料的特定需求还需要未切切屑厚度的受控的渐进变化。这是因为cmc材料经历脆性到韧性（brittle-to-ductile）的转变，这取决于所使用的未切切屑厚度。

为了实现高的表面质量，切削过程结束时的未切切屑厚度应尽可能小，以便切削韧性域（ductiledomain）中的材料（以改善表面完整性并降低表面粗糙度）。

为了提高切削过程的效率，利用负前角的切削将使得能够使用更高的未切切屑厚度。然而，当使用正的前角时，将需要较小的未切切屑厚度，以实现更“韧性”的行为并提供更长的工具寿命。较小的未切切屑厚度意味着切削工具将具有比现有技术的切削工具要长的工具寿命。

这些需求可以通过沿切削边缘的长度逐渐增加的未切切屑厚度的受控的渐进变化来满足。

所述槽提供了空间路径，用于去除在切削过程期间通过钻从母材去除的cmc切屑。

可选地，所述切削部分包括两个切削边缘。

使用两个切削边缘简化了工具的几何构型，同时仍满足如上所述的切削cmc材料的需求。

可选地，每个槽都是直槽。

当与扭曲槽的几何构型相比，使用直槽的几何构型可以简化钻的制造过程，这又使直槽钻更便宜。

在替代实施例中，每个槽都可以是扭曲的槽。

可选地，所述两个或更多个槽围绕所述主体部分均匀地周向隔开。

通过使槽围绕旋转轴线均匀地隔开，可以均衡切削力，并且材料切屑的产生变得更均匀地分布。

可选地，所述切削部分包括从所述切削部分的近端延伸的直的切削边缘。

这意味着麻花钻的直的切削部分从它与切削部分在主体部分的方向上相遇的点逐渐变细。这确保了当麻花钻切入到母材中时，麻花钻不会结合或粘在孔中。

可选地，所述主体部分具有半径r，所述切削部分包括处于所述切削部分的远端和近端之间的肩点，所述肩点位于预定的半径处，每个切削边缘在所述肩点处具有第二前角，并且每个切削边缘在所述肩点处具有第二未切切屑厚度。

为了限定切削部分的前角和未切切屑厚度，所述肩点提供了沿切削边缘的参考点，以更好地限定切削部分沿其长度的轮廓和参数。

由于利用第二和第三前角之间的正前角与第二和第三切屑厚度值之间的小切屑厚度相结合所实现的精切削，切削边缘几何构型的这种布置结构提供了改善的切削条件，从而确保了优越的表面质量。这对于实现加工的cmc部件的质量（无纤维损坏、纤维拉出、开裂及其他加工引起的缺陷）而言是关键的。

此外，由于切削条件（前角和切屑厚度）上的这种转变，对于钻头可以设想更长的工具寿命，从而实现每个孔更低的成本，因此使得能够实现cmc部件的高成本效益的加工。

可选地，所述肩点位于大约0.6*r的半径处。

在另一实施例中，肩点可以位于大约0.5*r和大约0.7*r之间的半径处。在又一实施例中，肩点可以位于大约0.3*r和大约0.9*r之间的半径处。

可选地，所述第一前角为-10°，所述第二前角为10°，所述第三前角为30°，所述第一未切切屑厚度为4μm，所述第二未切切屑厚度为1μm，并且所述第三未切切屑厚度为0.1μm。

这些特定的前角和未切切屑厚度的参数被发现在切削cmc材料方面是有效的。

可选地，所述钻由选自如下组的材料形成，即：所述组由整体式多晶金刚石（pcd）以及金刚石涂覆的hss、碳化物、陶瓷和立方氮化硼组成。

材料的选择由切削部分在其末端或远端处具有负的前角和大的未切切屑厚度的需求决定，而这些参数逐渐混合成切削部分的近端处的正的前角和小的未切切屑厚度。

可选地，所述切削部分包括钎焊的或可替换的一次性硬质合金插入件。

所述插入件可以由单一材料或由不同材料的组合形成，所述不同材料例如整体式多晶金刚石（pcd）或者金刚石涂覆的hss、碳化物、陶瓷和立方氮化硼等。

对于本文上面所述的所有的设计和材料选择，切削部分的基材可以是未涂覆的，或者可以用硬的、化学惰性的、抗摩擦和热绝缘的涂层的薄层来保护。这样的涂层提供对化学亲和力、摩擦以及机械和热负荷的增加的抗性，这又增加了钻的耐磨性。

切削部分可以与钻的直的切削部分和主体部分分开形成。替代性地，它可以与其一体地形成。

根据本公开的第二方面，提供了一种制造带槽钻的方法，所述方法包括以下步骤：

（i）提供钻坯件；

（ii）沿所述钻坯件的径向外表面的至少一部分形成至少两个槽，所述至少两个槽从所述钻坯件的远端沿所述钻坯件延伸至至少中途；以及

（iii）在所述钻坯件的所述远端处形成切削部分，所述钻坯件的所述远端对应于所述切削部分的远端，所述切削部分具有两个或更多个切削边缘，每个切削边缘对应于所述槽中相应的一个，每个切削边缘从所述钻坯件的所述远端并且沿所述切削部分延伸，每个切削边缘具有处于所述切削部分的所述远端处的第一前角，所述第一前角逐渐增加至处于所述切削部分的近端处的第三前角，并且每个切削边缘具有处于所述切削部分的所述远端处的第一未切切屑厚度，所述第一未切切屑厚度逐渐减小至处于所述切削部分的所述近端处的第三未切切屑厚度。

对于常规的钻，前角或者沿切削边缘不受控制，或者沿切削边缘具有恒定的值。当切削异质、各向异性和硬质的材料（俗称为“难以切削”的材料）时，沿切削边缘增加的前角可增加工具寿命，并可改善加工表面的表面质量。

cmc材料的性质对切削过程提出了不同的需求。在切削复合纤维的过程期间，需要正的前角（即，尖锐边缘），以便实现高的表面质量。此外，cmc材料的陶瓷基体的高硬度需要负的前角，来实现更长的工具寿命。

因此，在切削边缘的径向内部中具有负值并且在径向内部处增加到正值的切削边缘的前角的受控的渐进变化将满足两个需求。

常规的钻没有公开未切切屑厚度在前角的变化期间的渐进变化。切削cmc材料的特定需求还需要未切切屑厚度的受控的渐进变化。这是因为cmc材料经历脆性到韧性（brittle-to-ductile）的转变，这取决于所使用的未切切屑厚度。

为了实现高的表面质量，切削过程结束时的未切切屑厚度应尽可能小，以便切削韧性域中的材料（以改善表面完整性并降低表面粗糙度）。

为了提高切削过程的效率，利用负前角的切削将使得能够使用更高的未切切屑厚度。然而，当使用正的前角时，将需要较小的未切切屑厚度，以实现更“韧性”的行为并提供更长的工具寿命。

这些需求可以通过沿切削边缘的长度逐渐增加的未切切屑厚度的受控的渐进变化来满足。

所述槽提供了空间路径，用于去除在切削过程期间通过钻从母材去除的cmc切屑。

可选地，在所述钻坯件的所述远端处形成切削边缘的步骤（iii）包括以下步骤：

（iii'）定位肩点，肩部位于预定的半径处，其中，r是所述钻坯件的半径；以及

（iii''）在所述钻坯件的所述远端处形成切削部分，所述切削部分具有两个或更多个切削边缘，每个切削边缘对应于所述槽中相应的一个，每个切削边缘从所述钻坯件的所述远端并且沿所述切削部分延伸，每个切削边缘具有处于所述切削部分的远端处的第一前角，所述第一前角逐渐增加至处于所述肩点处的第二前角，并且进一步逐渐增加至处于所述切削部分的近端处的所述第三前角，并且每个切削边缘具有处于所述切削部分的所述远端处的第一未切切屑厚度，所述第一未切切屑厚度逐渐减小至处于所述肩点处的第二未切切屑厚度，并且进一步逐渐减小至处于所述切削部分的所述近端处的第三未切切屑厚度。

为了限定切削部分的前角和未切切屑厚度，所述肩点提供了沿切削边缘的参考点，以更好地限定切削部分沿其长度的轮廓和参数。

可选地，所述肩点位于大约0.6*r的半径处。

在另一实施例中，肩点可以位于大约0.5*r和大约0.7*r之间的半径处。在又一实施例中，肩点可以位于大约0.3*r和大约0.9*r之间的半径处。

本公开的其他方面提供了包括和/或实现本文所述的一些或全部动作的装置、方法和系统。本公开的说明性方面被设计成解决本文所描述的一个或多个问题和/或未论述的一个或多个其他问题。

附图说明

现在参照附图借助于非限制性示例来描述本公开的实施例，附图中：

图1a示出了根据本公开的第一实施例的直槽钻的透视图；

图1b示出了图1a的钻的切削端的局部垂直投影图；

图1c示出了图1a的钻的端视图；

图2a示出了图1的钻的切削边缘在x-y平面中的轮廓；

图2b示出了图1a的钻的切削边缘在x-z平面中的轮廓；

图3a示出了根据本公开的第二实施例的扭曲槽钻（twistedflutedrill）的透视图；

图3b示出了图3a的钻的切削端的局部垂直投影图；

图3c示出了图3a的钻的端视图；

图4a示出了图3a的钻的切削边缘在x-y平面中的轮廓；

图4b示出了图3a的钻的切削边缘在x-z平面中的轮廓；

图5示出了图3的钻的x-z平面轮廓的示意图；

图6示出了详细描述设计图1的钻的方法的流程图；

图7a示出了根据本公开的一个实施例的麻花钻的剖面端视图，该图图示了图6的流程图中所使用的名称；

图7b示出了图7a的钻切削部分的端部的示意性局部垂直投影图；

图8示出了图6的流程图的非最优和非现实的解的两个示例。

要注意的是，这些附图可能不是按比例绘制的。这些附图意在仅描绘本公开的典型方面，并且因此，不应被视为限制本公开的范围。在附图中，相同的编号在附图之间表示相同的元件。

具体实施方式

参照图1a、图1b、图1c、图2a和图2b，根据本公开的第一实施例的钻总体上通过附图标记100来标示。

钻100按照轴向顺序具有柄部分106、主体部分110和切削部分130，如图1a和图1b中所示。在该实施例中，柄部分106被用于将钻100定位并固定在钻设备（未示出）中。在其他布置结构中，钻100可以仅包括主体部分110和切削部分130。

切削部分130具有远端132和近端134。远端132处于钻100的一端处，并且近端134沿主体部分110处于中途。换句话说，切削部分130从钻100的一端延伸到沿主体部分110处于中途的一点。

主体部分110具有半径r，在图1c中示出为112。

在本实施例中，钻100由具有多晶金刚石（pcd）涂层的硬质合金材料形成。在替代性布置结构中，麻花钻100可完全由pcd或由替代性碳化物材料或陶瓷材料或由高速钢形成，上述材料全都具有金刚石涂层。

在本实施例中，钻100形成为整体式部件。换句话说，钻100形成为一件式部件。在替代实施例中，钻100可形成有可移除的碳化物插入件（未示出），其中切削部分130形成在可移除的插入件上。

切削部分130包括肩点136。肩点136位于0.6*r的半径处。

切削部分130包括两个切削边缘140。在其他布置结构中，切削部分130可以包括多于两个切削边缘140。

这两个切削边缘140中的每一个沿主体部分110延伸为槽160。

两个切削部分130中的每一个延伸到该槽的直的切削边缘120中。每个直的槽边缘120沿主体部分110从切削部分130往回延伸。

切削边缘140中的每一个在切削部分130的远端132处具有第一前角142，在肩点136处具有第二前角144，并且在切削部分130的近端134处具有第三前角146。第一前角142逐渐增加到第二前角144，并且沿切削部分130进一步逐渐增加到第三前角146。

本文中对前角的引用是指在法平面（normalplane）中的工作前角（workingrakeangle）。

图2a中示出了切削边缘140在x-z平面（在图1a中限定）中的示例性轮廓。此外，对于相同的示例性实施例，图2b示出了切削边缘140在x-y平面（也在图1a中限定）中的轮廓。

切削边缘140中的每一个在切削部分130的远端132处具有第一未切切屑厚度（uncutchipthickness）150，在肩点136处具有第二未切切屑厚度152，并且在切削部分130的近端134处具有第三未切切屑厚度154。第一未切切屑厚度150逐渐减小至第二未切切屑厚度152，并且沿切削部分130进一步逐渐减小至第三未切切屑厚度154。

在本实施例中，第一前角142为-10°，第二前角144为10°，并且第三前角146为30°。在本实施例中，第一未切切屑厚度150为4μm，第二未切切屑厚度152为1μm，并且第三未切切屑厚度154为0.1μm。

参照图3a、图3b、图3c、图4a和图4b，根据本公开的第二实施例的钻总体上通过附图标记200来标示。为了便于引用，对应于钻100的那些特征的钻200的特征已被给予了相对应的附图标记。

钻200按照轴向顺序具有柄部分206、主体部分210和切削部分230，如图3a和图3b中所示。在该实施例中，柄部分206被用于将钻200定位并固定在钻设备（未示出）中。在其他布置结构中，钻200可以仅包括主体部分210和切削部分230。

切削部分230具有远端232和近端234。远端232处于钻200的一端处，并且近端234沿主体部分210处于中途。换句话说，切削部分230从钻200的一端延伸到沿主体部分210处于中途的一点。

主体部分210具有半径r，在图3c中示出为212。

在本实施例中，钻200如上面针对钻100所描述的来形成。钻200还可以包括如上面关于第一实施例所提及的可移除的插入件。

切削部分230包括肩点236。肩点236位于0.6*r的半径处。

切削部分230包括两个切削边缘240。在其他布置结构中，切削部分230可以包括多于两个切削边缘240。

这两个切削边缘240中的每一个沿主体部分210延伸为槽260。在该实施例中，每个槽260都是扭曲的槽。换句话说，槽边缘260相对于钻的纵向轴线以称为螺旋角的角度扭转。

切削边缘240中的每一个在切削部分230的远端232处具有第一前角242，在肩点236处具有第二前角244，并且在切削部分230的近端134处具有第三前角246。第一前角242逐渐增加到第二前角244，并且沿切削部分230进一步逐渐增加到第三前角246。

图4a中示出了切削边缘240在x-z平面（在图3a中限定）中的示例性轮廓。此外，对于相同的示例性实施例，图4b示出了切削边缘240在x-y平面（也在图3a中限定）中的轮廓。

切削边缘240中的每一个在切削部分230的远端232处具有第一未切切屑厚度250，在肩点236处具有第二未切切屑厚度252，并且在切削部分230的近端234处具有第三未切切屑厚度254。第一未切切屑厚度250逐渐减小至第二未切切屑厚度252，并且沿切削部分230进一步逐渐减小至第三未切切屑厚度254。

在本实施例中，第一前角242为-10°，第二前角244为10°，第三前角246为30°。在本实施例中，第一未切切屑厚度250为4μm，第二未切切屑厚度252为1μm，并且第三未切切屑厚度254为0.1μm。

图5示意性地图示了，本公开的切削边缘120:220提供两个切削区域；第一区域124:224从远端132:232延伸到肩点136:236，并且第二区域126:226从肩点136:236延伸到近端134:234。

在第一区域124:224中，第一前角142:242是负的，并且第一未切切屑厚度150:250高。这种组合适于硬质基体材料的切削和去除。

相比之下，在第二区域126:226中，第三前角146:246是正的，并且第三未切切屑厚度154:254小。这种组合适于陶瓷纤维的切削和到基体材料表面的切口的精整加工。

第一和第二区域124、224:126、226的钻参数之间的渐进过渡使得本公开的钻能够有效地切削陶瓷基体复合材料中的孔。

图6图示了根据本公开的一个实施例的设计钻100:200的方法的流程图。

该方法在步骤1处开始于对远端132:232（在图5中示出为点1）、肩点136:236（在图5中示出为点2）及近端134:234（在图5中示出为点3）中的每一者的前角和未切切屑厚度的参数的数值范围的定义。

在步骤2处，在步骤1中设置的范围的约束内创建n组前角和未切切屑厚度的值的量。

在步骤3处，对于在步骤2中创建的解中的每一个，产生每个参数（前角和未切切屑厚度）的若干个离散值，以便为点1、2和3之间的前角和未切切屑厚度的值提供平滑和渐进的过渡。

在步骤4处，将一组标准方程应用于沿切削边缘的每个点，以确定这些标准方程的大量解，以在步骤1处设置的界限内提供多组前角和未切切屑厚度的值。

所用的标准方程在下面被示出为方程1和方程2。在钻100:200是直槽钻的情况下，则方程3代替方程1。

方程1：对于切削边缘的每个点，钻的法平面中的前角（摘自astakhov¹，注astakhov¹：viktorp.astakhov,chapter4:twistandstraight-flutedrills.indrills（manufacturingdesignandtechnologycrcpress））。

其中：γne,i=法平面中的工作前角（rad）

ri=对于每个'i'点，与钻的中心的距离（mm）（参见图7a）

rdr=工具的半径（mm）

wd=钻的扭转角（rad）

φi=每个'i'点的半点角（rad）（参见图7b）

μi=vi和切削边缘的法向矢量之间的角度（rad）（参见图7a）

fz=供给速率（mm/rev）。

方程2：切削边缘的每个点的未切切屑厚度（摘自astakhov¹（参见上文注释））。

其中：hd,i=未切切屑厚度。

方程3：对于切削边缘的每个点，直槽钻的法平面中的前角（摘自astakhov²，注astakhov²：viktorp.astakhov,chapter4:twistandstraight-flutedrills.indrills（manufacturingdesignandtechnologycrcpress））。

。

图7a和图7b图示了在分析步骤4期间所使用的术语。

其中：φi=每个'i'点的半点角（rad）（参见图7b）；

l=x-z平面中的切削区域的长度（参见图7b）；

vi=每个'i'点的切削速度方向（参见图7a）；

μi=vi和切削边缘的法向矢量之间的角度（rad）（参见图7a）；

ri=对于每个'i'点，与钻的中心的距离（mm）（参见图7a）；

rp,i=对于每个'i'点，与钻的中心的笛卡尔水平距离（参见图7a）；

ai=对于每个'i'点，到钻的中心的笛卡尔竖直距离；以及

n=为了找到最佳解而创建的个体的数量。

这些组前角和未切切屑厚度的值中的一些将产生无法物理地制造或者可能是次优的布置结构。在步骤5处，使用加权函数来对每个解集进行加权，以使物理上不可能和次优的值集合能够被丢弃。

图8图示了这种物理上不可能和非最优的解的示例。

本文描述了本公开的各种示例性实施例。在非限制性的意义上参考这些示例。它们被提供来说明本公开的更广泛适用的方面。在不脱离本发明的范围的情况下，可以对所描述的公开内容进行各种改变并且可以替代等同物。此外，可以做出许多修改，以使特定的情况、材料、物质组成、过程、过程动作或步骤适应于本公开的目标或范围。此外，如本领域技术人员将会理解的，本文中描述和图示的每种个体变型具有离散的部件和特征，这些部件和特征可以容易地与其他若干个实施例中的任何实施例的特征分离或组合，而不脱离本公开的范围。所有这样的修改都意在属于与本公开相关联的权利要求的范围内。

本公开包括可以使用主题装置来执行的方法。这些方法可以包括提供这样的合适装置的动作。这样的提供可以由最终用户来执行。换句话说，该“提供”的动作仅需要最终用户获得、访问、接近、定位、设置、激活、加电或以其他方式行动以提供主题方法中的必要装置。本文所述的方法可以按照逻辑上可能的所述事件的任何顺序以及按照事件的所述顺序来执行。

在提供值的范围的情况下，应当理解的是，在该范围的上限和下限之间的每个中间值以及处于该所述范围中的任何其他陈述的值或中间值也包含在本公开内。

除非相互排斥，否则任何特征都可以单独使用或与任何其他特征结合使用，并且本公开延伸到并且包括本文所描述的一个或多个特征的所有组合及子组合。

已经出于说明和描述的目的而呈现了本公开的各个方面的上述描述。这并不意在是穷尽性的或者将本公开限于所公开的确切形式，并且显然，许多修改和变型是可能的。对于本领域技术人员而言可能是显而易见的这些修改和变型被包括在由所附权利要求限定的本公开的范围内。