复合旋转刀具和刀具制作方法

专利名称：复合旋转刀具和刀具制作方法
技术领域：
本发明一般地目的指向刀具和刀具坯料，后者具有一种复合结构，包含不同组分和/或微观结构的各区域。本发明更为具体地目的指向用于具有一种复合结构的旋转刀具的胶结硬质合金刀具和刀具坯料。此外，本发明目的指向一种用于制作具有复合结构的旋转刀具和旋转刀具坯料的方法。本发明的方法在制作旋转刀具方面获得普遍应用，并可以比如应用在制作胶结硬质合金旋转刀具方面，这些刀具用在材料切除作业之中，诸如钻削、锪钻、锥形扩孔、平底扩孔和端铣。
胶结硬质合金旋转刀具(即被驱动而转动的刀具)通常应用在各种机加工作业之中，比方诸如钻削、锪钻、锥形扩孔、平底扩孔、端铣和攻丝。这些刀具通常具有密实的单体结构。这些刀具的制造工艺过程涉及固结冶金粉末(由粒状陶瓷和粘结金属组成)以制成一坯块。坯块然后受到烧结以制成具有密实单体结构的一根圆柱形刀具坯料。一如此处所用，单体结构指的是，刀具是由一种材料组成的，比方诸如一种胶结硬质合金材料，在刀具内部任一工作容积处基本上具有同样的特性。随在烧结之后，刀具坯料经过适当的机加工以制成切削刀刃和旋转刀具的其他特定的几何特点。旋转刀具包括比如钻头，端铣刀、锪孔器和丝攻。
由胶结硬质合金组成的旋转刀具适于许多工业应用场合，包括诸如金属、木料和塑料等结构材料的切削和成形。胶结硬质合金刀具在工业上是很重要的，由于这种材料综合了拉伸强度、磨损抗力和韧性等特性。胶质硬质合金材料包括至少两相至少一种坚硬的陶瓷成分和一种较软的金属粘结剂基体。坚硬的陶瓷成分可以比如是周期表中IVB到VIB各族之内的元素的各种碳化物。普通的一例是碳化钨。粘结剂可以是一种金属或金属合金，一般是钴、镍、铁或这些金属的各种合金。粘结剂“胶结”陶瓷成分在一种在三个尺度上互联的基体之内。胶结硬质合金可以通过固结具有至少一种粉末状陶瓷成分和至少一种粉末状粘结剂的冶金粉末混合物而制作出来。
胶结硬质合金材料的物理和化学性质部分取决于用以制作材料的各种冶金粉末的各个成分。胶结硬质合金材料的性质是由比如陶瓷成分的化学组成、陶瓷成分的颗粒尺寸、粘结剂的化学组成和粘结剂对陶瓷成分的比值来确定的。改变冶金粉末的各种成分，诸如钻头和端铣刀这样的旋转刀具可以制作出来而带有符合各种具体应用场合的独特性质。
旋转刀具的单体结构固有地限制了刀具的功能和应用范围。作为一项范例，

图1画出了一根麻花钻头10的侧视和端视图，此钻头具有用于在诸如木材、金属和塑料中造成和精修孔眼的典型设计。麻花钻头10包括一凿刃11，实现最初的切入工件。钻头10的切削尖端14随在凿刃11之后并随着孔眼的钻进而切除大部分材料。切削尖端14的外围16可精修孔眼。在切削过程期间，从钻头中心到钻头外围，钻头速度显著变化。这一现象示于图2之中，此图以图形方式比较了一典型麻花钻头切削尖端上在内径(D1)、外径(D3)和中间直径(D2)处的切削速度。在图2(b)中，外径(D3)是1.00英寸和直径D1和D2分别是0.25和0.50英寸。图2(a)表明当麻花钻头以每分钟200转操作时在三个不同的直径处的切削速度。一如图2(a)和(b)中所示，在旋转刀具切削刀刃上不同点处测定的切削速度将随着离开刀具旋转轴线的距离而增大。
由于切削速度上的这些变易，具有单体结构的钻头和其他旋转刀具将在从刀具切削表面的中心到外刃的范围内的不同各点处不经受刀具切削刀刃的均匀磨损和/或破碎和开裂。另外，在钻切表面硬化的材料时，凿刃一般用以穿透表层，而钻头主体的其余部分从表面硬化材料的较软芯部上切除材料。因此，用在如此场合的单体结构的通常钻头的凿刃的磨损速率将比切削刀刃的其余部分快得多，导致这种钻头的工作寿命较短。在两种情况下，由于通常胶结硬质合金钻头的单体结构，必须经常重新研磨切削刀刃，这样就对钻头的工作寿命施加了限制。经常重新研磨和刀具更换还会导致正在使用的机床过多的停车时间。
其他类型的单体结构旋转刀具也遭受类似的一些缺陷。比如，专门设计的一些钻头用于同时完成多种作业。这种钻头的实例包括台阶钻头和多刃阶梯钻头。台阶钻头是通过在钻头直径上磨出一或多个台阶而制成的。这种钻头用于钻出多直径孔眼。多刃阶梯钻头可以用以完成诸如钻削、锥底护孔和/或平底护孔等多种作业。一如普通的麻花钻头，具有通常的单体结构的台阶和多刃阶梯钻头可能由于在钻头不同直径处所经受的切削速度的巨大差别而受到重大局限。
单体旋转刀具的局限性也可以在端铣刀方面举例说明。一般，由于切削刀具的端部不受支承，而且端铣刀的长度一直径比通常较大(通常大于2∶1)，所以，端铣被认为是一种无益的金属切除技术。这会造成端铣刀的过度弯曲并对于可能采用的切削深度和进给速率施加重大的局限。
为了处理与单体结构旋转刀具相关的各种问题，一直企图制作在不同部位处具有不同性质的旋转刀具。比如，具有脱碳表面的胶结硬质合金钻头在美国专利第5609447号和第5628837号中予以阐述。在披露于这些专利之中的方法中，单体胶结硬质合金结构的硬质合金钻头在保护性环境中被加热到600-1100℃之间。这种制作硬化钻头的方法具有很大的局限性。首先，钻头的硬化表面层极薄并可能相当块地被磨掉而露下面的较软胶结硬质合金。其次，一当钻头被重新修整，硬化表面层就完全丧失了。第三，脱碳工序，一附加处理工序，大大地增加了成品钻头的成本。
因而，需要钻头和其他旋转刀具在刀具的不同区域处具有不同的特性。例如，对于胶结硬质合金钻头和其他旋转刀具，需要经受基本上均匀的磨损，无论相对于刀具旋转轴线刀具端面上位置如何。另外例如，需要较为刚硬的端铣刀，其中刚硬程度的增大并不是由于牺牲拉伸强度和韧性而实现的。
本发明通过提供一种包括至少一第一区域和一第二区域的复合旋转刀具来应对上述需要。刀具可以用比如胶结硬质合金制作，在此情况下，复合旋转刀具的第一区域包括一第一胶结硬质合金材料，以自焊方式粘结于一第二区域，后者包括一第二胶结硬质合金材料。一如在此所用，一种“自焊粘结”指的是一种产生在胶结硬质合金或其他材料的各区域之间而不添加填充金属或其他熔合剂的粘结。第一胶结硬质合金材料和第二胶结硬质合金材料在至少一项特性方面有所不同。此特性可以是比如弹性模量、硬度、磨损抗力、断裂韧性、拉抻强度、腐蚀抗力、热胀系数和导热系数。刀具之内胶结硬质合金的各区域可以是共轴线设置和或另外配置的以便有利地定位各区域而利用它们的特殊性质。本发明复合旋转刀具的备最佳实施例包括具有在此所述的一种复合胶结硬质合金结构的各种钻头、端铣刀、台阶钻头、多刃阶梯钻头和丝攻。
胶结硬质合金材料一般包括一种粘结剂和至少一种某一元素的碳化物，此元素选自比如IVB族、VB族和VIB族的各元素。用在本发明之中的胶结硬质合金材料最好是包含60至98重量百分比的碳化物成分。胶结硬质合金材料一般是一种金属，选自由钴、镍、铁或这些金属的各种合金组成的一族。用在本发明之中的胶结硬质合金材料最好是包含2至40重量百分比的粘结剂。(除非另行指出，在此提供的所有重量百分比范围是连同申明的上和下极值在内的)。用在本发明之中的胶结硬质合金材料的性质可以通过改变陶瓷成分的化学组成、陶瓷成分的颗粒尺寸、粘结剂的化学组成或粘结剂含量对陶瓷成分含量的比值之中一种或任一组合而使之满足各种具体应用场合的要求。
在本发明中，在至少两个胶结硬质合金材料之间，陶瓷成分或粘结剂化学组成、陶瓷成分颗粒尺寸和粘结剂含量对陶瓷成分含量的比值之中的一或多项有所不同，以便有利地选定两或多个胶结硬质合金材料区域的相对性质。例如，按照本发明设计出的一种旋转刀具的一个区域，其硬度和磨损抗力可以相对于另一个胶结硬质合金区域予以增强。这样，刀具可以设计得以致经受较高切削速度的切削刀刃各区域将以类似于经受较低切削速度的各区域的速率磨损和破碎。虽然本发明是就具有有限个数的胶结硬质合金材料区域的旋转刀具而提出的，但将会理解，本发明可以用以提供具有任何个数胶结硬质合金材料区域的旋转刀具，各自具有所选定的性质。
本发明还包括一种制作本发明复合旋转刀具的方法。此方法包括置放一种第一冶金粉末到一模具空腔的第一区域之中。一种第二冶金粉末被置放到模具空腔的第二区域之中。模具可以通过比如在模具空腔中安放一实际隔板以隔开各区域而被隔离成两(或多)个区域。可以选择各种冶金粉末以在固结时形成具有一如上述的所需性质的各种胶结硬质合金材料。至少第一冶金粉末和第二冶金粉末的各自一部分在模具中安放得彼此接触。模具然后受到均匀压缩以固结冶金粉末而形成一坯块。坯块随之受到烧结以进一步致密坯块并在各区域之间形成自焊粘结。最好是，坯块在300-2000psi的压力下和在1350-1500℃的温度下受到超压烧结。随后，可以从烧结的坯块上切除材料以制成旋转刀具的各出屑槽或另外制成切削刀刃或其他细节。
读者在考查本发明以下各项实施例的详细说明时将会理解本发明的前述细节和优点，以及其他等等。读者在应用本发明时还可能领悟本发明的这些附加的细节和优点。
本发明的特点和优点参照附图可以得到更好的了解，附图中
图1(a)和1(b)分别是一通常的麻花钻头的平面和端视图；图2(a)是一图线，表明在示于图2之中的、一通常的麻花钻头的三个直径D1、D2和D3下的切削速度；图3(a)-(d)是一些新型坯料的剖面视图，用于制作按照本发明设计出的各种复合旋转刀具，而其中图3(b)是以透视图示于图3(a)之中的坯料的剖面端视图；图4是按照本发明设计出的一种台阶式钻头的一项实施例的局部切除平面视图；图5是按照本发明设计出的一种多刃阶梯式钻头的一项实施例的局部切除平面视图；图6是用于范例1之中以制作本发明之中一种复合端铣刀的干包式(dry-bag)等静压设备的图像；图7是一显微放大照片，是在范例1之中制作的本发明端铣刀中硬质合金材料第一与第二区域之间界面的区域的放大2000倍的情况下拍摄的；图8是一显微放大照片，是在范例2之中制作的本发明一种制品中硬质合金材料第一与第二区域之间界面的区域的放大1600倍的情况下拍摄的；以及图9是一显微放大照片，是在范例3之中根据本发明制作的一种复合圆棒中硬质合金材料第一与第二区域之间界面的区域的放大1000倍的情况下拍摄的。
本发明提供具有一种复合结构而不是通常旋转刀具的单一结构的旋转切削刀具和切削刀具坯料。一如此处所用，旋转刀具是一种刀具，具有至少一个切削刀刃，受驱动而转动并接触于一工件以便从工件上切除材料。一如此处所用，具有一“复合”结构的旋转刀具指的是一种具有在化学组成和/或微观结构方面不同的各个区域的旋转刀具。这些不同导致在至少一种特性方面有所不同的各个区域。这种特性可以选自比如硬度、抗拉强度、耐磨性、断裂韧度、弹性模量、抗腐蚀性、热膨胀系数和传热系数。可以设计成一如本发明中所提供的各种复合旋转刀具包括钻头和端铣刀，以及其他可以用于比如材料的钻削、铰孔、扩孔、平底扩孔、端铣和攻丝等各种刀具。
本发明更为具体地提供一种复合旋转刀具，具有至少一个切削刀刃，诸如一个螺旋走向的切削刀刃，并包括至少两个硬质合金材料的区域，以自焊方式粘结在一起并在至少一种特性方面有所不同。不同的特性可以是在硬质合金材料的两个区域之间改变化学组成和微观结构二者之中至少一项而形成的。某一区域的化学组成取决于比如此区域的陶瓷成分和/或粘结剂的化学组成和此区域的硬质合金-粘结剂比值。比如，旋转刀具的两个以自焊方式粘结的硬质合金材料区域之一可以表现出比两个区域的另一具有较大的耐磨性、较高的硬度和/或较大的弹性模量。
本发明的各方面可以针对以分别通过坯料中心轴线和横交于此轴线的剖面视图示于图3(a)和(b)之中的刀具坯料30来予以说明。刀具坯料30是一大体上圆柱形的烧结坯块，带有两个共轴线设置的硬质合金区域。不过，对于本技术领域中的熟练人员来说，显然的是，本发明的以下说明也可以适合于制作具有比较复杂几何关系和/或多于两个区域的各种复合旋转刀具和刀具坯料。因而，以下说明不是意在限制本发明，而只是例示其各项实施例。
再次参见图3(a)和(b)，圆柱形旋转刀具坯料30包括两层不同的硬质合金，一芯部区域31和一外部区域32。芯部区域31和外部区域32都具有一种硬质合金材料，在一连续的粘结剂基体(matrix of binder)中包含许多陶瓷颗粒。最好是，芯部区域31和外部区域32之中的硬质合金材料包含一种陶瓷成分，由属于周期表的IVB到VIB族的一或多种元素的碳化物组成。此陶瓷成分最好是在每一区域中包括硬质合金材料全部重量的大约60到大约98的重量百分比。硬质合金颗粒埋置在一种粘结材料的基体之内，后者最好是在每一区域构成中全部材料的大约2到40的重量百分比。粘结剂最好是Co、Ni、Fe和这些元素的合金中的一或多样。粘结剂还可以含有比如诸如W、Cr、Ti、Ta、V、Mo、Nb、Zr、Hf和C这些元素，高达这些元素在粘结剂中的溶解极限。此外，粘结剂可以含有高达5重量百分比的诸如Cu、Mn、Ag、Al和Ru这些元素。本技术领域中的熟练人员会认识到，硬质合金材料的任何和所有组分可以以基本形式，作为化合物，以及/或者主合金掺入。
再次参见图3(a)和(b)，刀具坯料30的芯部区域31在一界面33处以自焊方式粘结于(autogenously bonded to)外部区域32。界面33在图3(a)和(b)画成是圆筒形的，但将会理解，本发明的各种复合旋转刀具的硬质合金材料各区域的界面形状并不局限于圆筒形形态。在界面33处各区域之间的自焊式粘结可以是由比如从芯部区域31到外部区域32-反之亦然-伸展在三个方向的一粘结剂基体形成的。两个区域中粘结剂对陶瓷成分的比值可以是相同或不同的并可以在两个区域之间变动以改变各区域的相对特性。只作为范例来看，复合刀具坯料30相邻两个区域之中粘结剂对陶瓷成分的比值可以有1至10重量百分比的差别。本发明各种复合旋转刀具不同区域中硬质合金材料的特性，可以使之满足各种特定应用场合的需要。
本技术领域中的熟练人员，在考查了本发明的说明之后将会理解，本发明经过改进的旋转刀具可以设计得带有几层不同的硬质合金材料以便从刀具的中心区域到其周边形成一或多种特性的大小的渐变。因而，比如，一麻花钻头可以配有硬质合金材料的多个共轴线设置的区域，而其中每一这样的区域具有比相邻的更加接近中心设置的区域依次增大的硬度和/或耐磨性。另外，本发明的各种旋转刀具可以以其他一些复合形态制成，其中一特定特性的差别出现在刀具的不同区域处。另外一些形态的范例示于图3(c)和(d)之中图3(c)表明本发明的一项实施例，特别用作一种圆柱形坯料，可以用来制成用于钻削表面硬化材料的钻头。为了钻削表面硬化材料，钻头尖端一般用以钻穿渗碳层，而钻头主体则从柔软芯部切除材料。在此实施例中，第一区域34和第二区域35设置在坯料的第一和第二端部处。第一端部将变成钻头的一个尖端，而第二端部将变成会被固紧在机床卡盘之中的端部。第一区域34可以由一种坚硬和抗磨的材料构成，诸如，比方，在钴合金粘结剂中的碳化钨颗粒(平均颗粒大小0.3至1.5微米)硬质合金，钴合金粘结剂包括第一区域34中材料的大约6至15重量百分比。第二区域35可以由比如在一种钴合金粘结剂中的碳化钨颗粒(平均颗粒尺寸1.0至10微米)构成，钴合金粘结剂包括第二区域35中材料的大约2至6重量百分比。第一区域34以自焊方式粘结于第二区域35。第二区域35相对于第一区域34具有增大的弹性模量，以致当压力施加于钻头时阻抗挠曲。
示于图3(d)之中的实施例结合了图3(a)和3(c)的两项实施例的特点。切削尖端36包括不同品级硬质合金材料的两个区域，一个芯部区域37和一个外部区域38。芯部和外部区域37和38共轴线地设置并以自焊方式粘结于一第三区域39。区域37和38可以在组成上类似于图3(a)和(b)实施例的区域31和32，或者可以是其他各品级的硬质合金，以致外部区域38相对于芯部区域37具有增大的硬度和耐磨性。
本发明的各种复合硬质合金旋转刀具的一个主要优点是适于使刀具各区域特性满足不同应用场合的灵活性。比如，本发明的一特定复合坯料各个硬质合金材料区域的厚度、几何关系和/或各种物理性能可以加以选定以适应由坯料制成的旋转刀具的具体应用场合。因而，比如，在使用期间经受显著弯曲的旋转刀具的一或多个硬质合金区域的刚度可以属于一种具有加大弹性模量的硬质合金材料；具有切削表面并承受大于其他各区域的切削速度的一或多个硬质合金区域的硬度和/或耐磨性可予以增大；以及/或者在使用期间受到化学接触剂的硬质合金材料各区域的腐蚀抗力可予以加强。
本发明的各种复合旋转刀具可以通过本技术领域中已知的适当工艺方法制成，但最好是采用一如以下另外所述的一种干包式等压方法(dry bagisostatic method)。干包式方法特别适宜，因为它允许以其各范例已经提供于图3(a)-(d)之中的许多不同形态来制作各种复合旋转刀具和刀具坯料。示于图3(c)和(d)之中的一些形态可能非常难以(若并非不可能)，采用其他各种粉末固结技术，诸如模具压塑、挤压成形和湿包式等静压技术，予以制作。
只是作为范例来看，本发明旋转刀具的其他一些实施例示于图4和5之中。图4画出一种按照本发明设计出的阶梯钻头110。钻头110包括一切削部分112，包含几条螺旋走向的切削刀刃114。钻头110还包括一装配部分116，由一卡盘支持以便把钻头装于一机床(未画出)。钻头110以局部剖面表明以露出三个硬质合金材料区域，彼此在至少一种特性方面有所不同。一第一区域118设置在钻头110的切削尖端处。区域118赖以构成的硬质合金材料相对于构成钻头110芯部的一中心区域120表现出增大的耐磨性和硬度。芯部区域属于一种硬质合金材料，它相对于其余两个区域表现出增大的弹性模量。增大的弹性模量可减小钻头110在它被迫接触一工件时发生弯曲的倾向。此钻头还包括一外部区域122，形成了几条螺旋走向的切削刀刃114。外部区域围绕芯部区域120并相对于它共轴线地设置。外部区域122由一种硬质合金材料组成，它相对于芯部区域120和尖端区域118表现出增大的硬度和耐磨性。由外部区域122形成的各切削表面114比起接近钻头中心轴线的各切削区域来经受较快的切削速度。因而，外部区域122增大的耐磨性和硬度可以选定得以致可以达到各切削表面的均匀磨损。
只是作为范例来看，图5图示一种按照本发明设计出的多刃阶梯钻头210。就像图4那样，图5以通过钻头中心轴线的局部剖面画出多刃阶梯钻头210以露出三个不同的硬质合金材料区域。一如上述，不同区域的硬质合金材料可以在比如硬质合金成分或粘结剂成分的化学组成、硬质合金成分的颗粒大小或材料中硬质合金成分对粘结剂的比值之中的一或多个面有所不同。多刃阶梯钻头210包括一切削部分212，包含许多螺旋走向的切削刀刃214。钻头210还包括一装配部分216。钻头210的一芯部区域218由一种硬质合金材料组成，该硬质合金材料相对于在剖面中露出的钻头210其余两个区域具有增大的弹性模量。就像台阶式钻头110那样，多刃阶梯钻头210的芯部区域218在钻削作业期间在施加压力时可防止钻头210的弯曲。一尖端区域220由一种硬质合金材料组成，它相对于芯部区域218具有增大的耐磨性和硬度。借此可以获得关于钻头110所说明的各项优点。不过，图5实施例不同于图4实施例之处在于，芯部区域218伸展到钻头210的末端224并设置得与尖端区域220共轴线而由尖端区域220围住。芯部和尖端区域218和220的相应共轴线关系可防止钻头210在切削尖端212的邻近末端224的那部分中弯曲。
本发明还包括制作本发明各种复合旋转刀具和用以制作这些刀具的各种复合坯料的方法。一种这样的方法包括把一第一冶金粉末装入到一模具的一第一区域的空腔之中。最好是，模具是一干包式橡胶模具。一第二冶金粉末装入到模具空腔的一第二区域之中。取决于旋转刀具上所需不同硬质合金材料区域的数量，模具可以分隔成为另外一些其中设置特定冶金粉末的区域。模具可以通过在模具空腔中安放一实际隔板以分隔成若干区域以限定在若干区域。各种冶金粉末选择得可以达到如上所述旋转刀具相应各区域所需的特性。至少第一区域和第二区域的一部分彼此接触，而模具随后进行等静压以使各种冶金粉末致密而形成固结粉末的一种坯块。此坯块然后予以烧结以使其进一步致密并在第一与第二，以及如果存在，其他各区域之间形成一种自焊粘结。烧结坯块形成一坯料，可予以机加工以包括一特定旋转刀具的切削刀刃和/或其他实际几何特性。本技术领域中的一般熟练人员都熟知这种特性，在此不予专门说明了。
以下是应用前述方法以形成符合本发明的各种复合旋转刀具的一些实施范例。
例1本范例应用本发明的方法来制作一种新型复合硬质合金端铣刀，改进了单体结构的各种通常端铣刀的性能。一如所知，通常的端铣是一种相对说来不甚有效的金属切除技术，因为刀具端部不受支承，而刀具的长度直径比一般很大。这样可能导致端铣刀的过分弯曲并因而通常采用较低的切削深度、进给速率和切削速度。按照本发明设计出的一种复合端铣刀可以包括一比较刚硬的内芯部区域，具有高的弹性模量以阻抗弯曲，以及一比较强韧的外部区域，适合于各种端铣应用场合。
在本范例中，端铣刀配有两个共轴线设置的区域。内芯区域表现在大的弹性模量，并因此选择Teledyne(Lavergne，Tennessee)HCA级硬质合金材料作为芯部区域由以构成的材料。一般，一种具有较低粘结剂含量的硬质合金会具有大的弹性模量。Teledyne HCA级包含5.5重量百分比的钴粘结剂、碳化钨作为陶瓷成分、中等颗粒结构、92.4HRA的硬度和大约91×106psi(635KN/mm2)的弹性模量。Teledyne H-91级选为外部区域(工作表面)的材料。一般，适合于铣切的各品级必须拥有抗拉强度和韧性以承受间断切削期间遇到的力。已经发现Teledyne H-91级特别适合于许多铣切应用场合。H-91级包含11.0重量百分比的钴粘结剂、碳化钨作为陶瓷成分、中等颗粒结构、89.7HRA的硬度和大约82×106psi(575KN/mm2)的弹性模量。
本范例的端铣刀是利用以示意方式画在图6之中的一种干包式等静压设备用冶金粉末制成的。干包式等静压机的结构和操作方式为本技术领域中一般熟练人员所知，因而在此不作详细说明。一如图6之中所示，薄壁不锈钢管61形式的一圆柱套筒插入一干包式等压模具62之中。钢管61的内部区域63充填第一冶金粉末以构成端铣刀的内芯区域(HCA级硬质合金材料)。钢管61外面的区域64充填第二冶金粉末以构成端铣刀的外部区域(H-91级硬质合金材料)。钢管61随后从模具62中取掉，以致第一冶金粉末和第二冶金粉末相接触。两种粉末在大约30000psi的压力下在模具中受到压挤以形成一根大约14英寸长的两种不同硬质合金品级的复合坯块。此坯块然后在1400℃和大约800psi的压力下在一烧结-HIP真空炉(马萨诸塞州Ayer市AVS公司制造)中进行过压烧结。在过压烧结(over-pressure sintering)，也称作烧结-HIP过程中，装有坯块的腔室首先加热至烧结温度，而后加压。与通常的HIP相比，烧结-HIP(Sinter-HIP)采用较低压力和较高温度，具有较大的成本效果，以及生成更为均匀的微观结构，完全不牺牲最终所得零件的可靠性。烧结-HIP真空炉的结构和操作方式为本技术领域中一般熟练人员所知，因而在此不作详细说明。随着完成过压烧结，致密的坯块以适当方式作机加工以制成端铣刀的切削刀刃和其他表面特征。
图7是一显微放大照片，是在范例中所述而制成的旋转刀具的在硬质合金材料(HCA级)的第一区域71与硬质合金材料(H-91级)的第二区域72之间的界面73附近的一个区域放大2000倍的情况下拍摄的。界面73处的自焊粘结在显微放大照片中可以看作是第一区域71与第二区域72之间的一个过渡段，第一区域相对于第二区域72具有高的粘结剂对陶瓷成分的比值。
例2本范例应用本发明的方法来制作一种新型复合硬质合金钻头，改进了单体结构的各种通常钻头的性能。一如图1之中所示，最初切进工件是由钻头切削刀刃上较小直径处的钻头横刃实现的。另外，一如图2(a)和(b)之中所示，切削速度在切削刀刃上较小直径处要慢得多。因而预期钻头的内芯以低速切除大量材料(粗切)，而切削刀刃的外径实现精切。这样会导致钻头中心处热量的过分积累，造成过早的热裂。此外，可以预料芯部区域与外部区域相比以较快的速率破碎和断裂。为了获得均匀的破碎和磨损，因而最好是具有稍微柔韧(并因此阻抗破碎和热裂的)芯部。因而，按照本发明设计出的一种复合钻头可以包括一较为柔韧的内部区域和一较为坚硬与耐磨的外部区域。
在本范例中，钻头包括两个共轴线设置的区域。内芯区域表现出大的韧性并因此选择Teledyne FR-15级硬质合金材料作为内芯区域的材料。一般，一种具有高粘结剂含量的硬质合金将具有高韧性和对于破碎和热裂的高抗力。已经发现Teledyne FR-15级特别适合于粗钻应用场合。FR-15级包含15重量百分比的钴粘结剂、碳化钨陶瓷成分、细粒结构(平均颗粒尺寸大约0.8微米)和90.2HRA的硬度。Teledyne FR-10级被选作外部区域的材料。FR-10级已经发现特别适合于高速钻削应用场合。它包含10重量百分比的钴粘结剂、碳化钨陶瓷成分、细粒结构(平均颗粒尺寸0.8微米)和91.9HRA的硬度。
一如例1之中那样，例2的钻头利用以示意方式画在图6之中的一干包式等静压设备用冶金粉末制成。状为一不锈钢管61的一分隔件插进干包式等压模具62。钢管61的内部区域充填FR-15级粉末以制是成钻头的内芯区域。钢管61外面的区域64充填FR-10级粉末以制成钻头的外部区域。钢管61然后从模具62中取出，以致两种品级的粉末彼此接触。这些粉末在大约30000psi的压力下受到压挤以制成一根大约14英寸长的复合坯块。此坯块然后一如例1之中那样受到过压烧结，接着经过机加工以制成钻头的切削刀刃和其他一些表面特征。
图8是一显微放大照片，是在一如此范例中所述而制成的钻头的在硬质合金材料(FR-15级)的第一区域81与硬质合金材料(FR-10级)的第二区域82之间的界面83附近的一个区域放大2000倍的情况下拍摄的。界面83处的自焊粘结在显微放大照片中可以看作是第一区域81之间的一个过渡段，第一区域相对于第二区域具有高的粘结剂对陶瓷成分的比值。显微放大照片表明，画出的界面区域没有空腔和杂质。
例3例1和2的两种旋转刀具包含钴粘结剂含量有所不同的各品级硬质合金的区域。不过，各区域中的碳化钨颗粒尺寸大致上是相同的。在本范例中，通过使粘结剂含量与平均碳化钨颗粒尺寸有所不同的各品级硬质合金相结合而制成状为一复合圆棒的一种旋转刀具坯料。复合圆棒的一第一区域由Teledyne H-17级组成，具有一种细的硬质合金颗粒结构。(H-17级具有大约0.8微米的平均颗粒尺寸，10.0重量百分比的钴含量和91.7HRA的硬度)。复合圆棒的一第二区域由Teledyne R-61级组成，具有粗疏的硬质合金颗粒结构。(R-61级具有大约4.0微米的平均颗粒尺寸，15.0重量百分比的钴含量和86.0HRA的硬度)。复合圆棒是通过与例1和2中所用基本上相同的方法制造出来的。
图9是一显微放大照片，是在此范例的复合圆棒的在第一区域91(H-17级)与第二区域92(R-61级)之间的界面93附近的一个区域放大1000倍的情况下拍摄的。界面93处的自焊粘结在图9中可以看作是两个区域之间的一个过渡段。此范例进一步例示了采用本发明的工艺方法来设计本发明各种旋转刀具的不同区域的特性以符合各种具体用途的可供利用的巨大灵活性。
虽然本发明已经结合某些实施例作了说明，但是本技术领域中的一般熟练人员将在考查前述说明之前认识到可以采用本发明的许多修改和变更。本发明的所有这些修改和变更都意欲为前述说明和后随的各项权利要求所包含。
权利要求
1.一种复合旋转刀具，包括一细长部分，包括至少一第一区域和一第二区域，所述细长部分形成一切削刃；所述第一区域包括一第一硬质合金材料；所述第二区域包括一第二硬质合金材料，第二硬质合金材料在至少一种特性方面不同于所述第一硬质合金材料；所述第一区域以自焊方式粘结于所述第二区域。
2.按照权利要求1所述的复合旋转刀具，其中所述特性是选自弹性模量、硬度、耐磨性、断裂韧度、抗拉强度、耐腐蚀性、热膨胀系数和导热系数的至少一种。
3.按照权利要求1所述的复合旋转刀具，其中所述切削刃是螺旋走向的。
4.按照权利要求1所述的复合旋转刀具，其中所述第一区域和所述第二区域是共轴线设置的。
5.按照权利要求1所述的复合旋转刀具，其中所述第一硬质合金材料和所述第二硬质合金材料各自包括一种粘结剂和一种金属碳化物。
6.按照权利要求5所述的复合旋转刀具，其中所述第一硬质合金材料的所述金属碳化物的所述金属和第二硬质合金材料的所述金属碳化物的所述金属各自选自IVB族、VB族和VIB族元素。
7.按照权利要求5所述的复合旋转刀具，其中所述第一区域通过所述第一硬质合金材料和所述第二硬质合金材料至少之一的所述粘结剂基体以自焊方式粘结于所述第二区域。
8.按照权利要求5所述的复合旋转刀具，其中所述第一硬质合金材料的所述粘结剂和所述第二硬质合金材料的所述粘结剂各自包括一种选自钴、钴合金、镍、镍合金、铁和铁合金的金属。
9.按照权利要求5所述的复合旋转刀具，其中所述第一硬质合金材料的所述粘结剂和所述第二硬质合金材料的所述粘结剂在化学组成上有所不同。
10.按照权利要求5所述的复合旋转刀具，其中所述第一硬质合金材料的所述粘结剂的重量百分比不同于所述第二硬质合金材料的粘结剂的重量百分比。
11.按照权利要求5所述的复合旋转刀具，其中所述第一硬质合金材料的所述金属碳化物在化学组成和平均颗粒尺寸的至少一个方面不同于所述第二硬质合金材料的所述金属碳化物。
12.按照权利要求5所述的复合旋转刀具，其中所述第一硬质合金材料和所述第二硬质合金材料各自包括2至40重量百分比的所述粘结剂和60至98重量百分比的所述金属碳化物。
13.按照权利要求1所述的复合旋转刀具，其中所述第一硬质合金材料和所述第二硬质合金材料至少之一包括具有0.3至10微米平均颗粒尺寸的碳化钨颗粒。
14.按照权利要求1所述的复合旋转刀具，其中所述第一硬质合金材料和所述第二硬质合金材料至少之一包括具有0.5至10微米平均颗粒尺寸的碳化钨颗粒，而所述第一硬质合金材料和所述第二硬质合金材料中的另一个包括具有0.3至1.5微米平均颗粒尺寸的碳化钨颗粒。
15.按照权利要求1所述的复合旋转刀具，其中复合旋转刀具是钻头、端铣刀和丝锥之中的一种。
16.按照权利要求5所述的复合旋转刀具，其中所述第一硬质合金材料和所述第二硬质合金材料之一比所述第一硬质合金材料和所述第二硬质合金材料中的另一个包含的所述粘结剂要多出1至10重量百分比。
17.按照权利要求1所述的复合旋转刀具，其中所述第一区域内的所述第一硬质合金材料的弹性模量不同于所述第二区域内的所述第二硬质合金材料的弹性模量。
18.按照权利要求1所述的复合旋转刀具，其中所述第一区域内的所述第一硬质合金材料的弹性模量是90×106至95×106psi，而所述第二区域内的所述第二硬质合金材料的弹性模量是69×106至92×106psi。
19.按照权利要求1所述的复合旋转刀具，其中所述第一区域内的所述第一硬质合金材料的硬度和耐磨性中的至少一项不同于所述第二区域内的所述第二硬质合金材料。
20.按照权利要求1所述的复合旋转刀具，其中所述第一硬质合金材料包括6至15重量百分比的钴合金，而所述第二胶结硬质合金材料包括10至15重量百分比的钴合金。
21.一种制作具有复合结构的旋转刀具的方法，此方法包括将一第一冶金粉末放入一模具空腔的第一区域之中；将一第二冶金粉末放入空腔的第二区域之中，第一冶金粉末不同于第二冶金粉末；使第一冶金粉末的至少一部分与第二冶金粉末接触；压缩模具以固结第一冶金粉末和第二冶金粉末以制成一坯块；以及过压烧结坯块。
22.按照权利要求21所述的方法，还包括从坯块上切除材料以形成至少一切削刃。
23.按照权利要求21所述的方法，其中模具是一干包式橡胶模具，而且其中压缩模具包括以等静压缩所述干包式橡胶模具以制成坯块。
25.按照权利要求22所述的方法，其中从坯块上切除材料包括机加工坯块以制成至少一条形成至少一条螺旋走向的切削刃的螺旋走向的沟槽。
26.按照权利要求21所述的方法，还包括将干包式等压橡胶模具的空腔物理上分隔为至少第一区域和第二区域。
27.按照权利要求26所述的方法，其中物理上分隔空腔包括插进空腔一套筒以划分第一区域和第二区域。
28.按照权利要求27所述的方法，其中套筒是由选自塑料、金属和纸材的材料构成的。
29.按照权利要求27所述的方法，其使第一冶金粉末的至少一部分接触于第二冶金粉末包括在将第一冶金粉末和第二冶金粉末放入模具中以后从空腔中取出套筒。
30.按照权利要求21所述的方法，其中第一冶金粉末和第二冶金粉末各自包括一种粉末状粘结剂和至少一种元素的碳化物的颗粒，此元素选自IVB族、VB族和VIB族元素。
31.按照权利要求30所述的方法，其中第一冶金粉末和第二冶金粉末的粘结剂各自包括至少一种选自钴、钴合金、镍、镍合金、铁和铁合金的金属。
32.按照权利要求21所述的方法，其中第一冶金粉末和第二冶金粉末各自包括2至40重量百分比的粉末状粘结剂和60至98重量百分比的碳化物颗粒。
33.按照权利要求21所述的方法，其中，所述第一冶金粉末和第二冶金粉末至少之一包括具有0.3至10微米的平均颗粒尺寸的碳化钨颗粒。
34.按照权利要求21所述的方法，其中过压烧结坯块包括在300-2000psi压力下以1350℃至1500℃的温度加热坯块。
35.按照权利要求21所述的方法，其中使至少第一冶金粉末的至少一部分接触第二冶金粉末包括将第一冶金粉末和第二冶金粉末之一放入空腔之中以便沿着一界面与第一冶金粉末和第二冶金粉末中的另一个接触。
36.按照权利要求21所述的方法，其中压缩模具包括在5000至50000psi压力下等静压缩模具。
37.按照权利要求21所述的方法，其中通过压缩模具所制成的坯块包括一第一区域，包括通过固结第一冶金粉末所形成的一第一胶结硬质合金材料；以及一第二区域，包括通过固结第二冶金粉末所形成的一第二胶结硬质合金材料，第一区域和第二区域在至少一种特性方面有所不同。
38.按照权利要求37所述的方法，其中所述特性是选自弹性模量、硬度、耐磨性、断裂韧度、抗拉强度、耐腐蚀性、热膨胀系数和导热系数的至少一种。
39.一种制作具有复合结构的旋转刀具的方法，此方法包括将一第一冶金粉末放入一干包式橡胶模具空腔的第一区域之中；将一第二冶金粉末放入空腔的第二区域之中，第一冶金粉末不同于第二冶金粉末；使第一冶金粉末的至少一部分与第二冶金粉末接触；在5000至50000psi压力下等压压缩干包式橡胶模具以固结第一冶金粉末和第二冶金粉末而制成一坯块；在300psi至2000psi压力和1350℃至1500℃温度下烧结坯块；以及机加工坯块以制成至少一条切削刃。
40.一种复合旋转刀具，包括一细长部分，包括至少一第一区域和一第二区域，所述细长部分形成至少一条螺旋走向的切削刃。所述第一区域包括一第一硬质合金材料；所述第二区域包括一第二硬质合金材料，后者在弹性模量、硬度、耐磨性、断裂韧度、抗拉强度、耐腐蚀性、热膨胀系数和导热系数中的至少一项方面不同于所述第一区域；所述第一区域以自焊方式粘结于所述第二区域；以及所述第一区域和所述第二区域共轴线地设置，而所述第二区域围绕至少一部分所述第一区域，所述螺旋走向的切削刃由所述第二区域形成。
41.按照权利要求40所述的复合旋转刀具，其中刀具是钻头、端铣刀和丝锥之中的一种。
全文摘要
一种复合旋转刀具(10)包含至少分别包括第一和第二材料的第一和第二区域。第一和第二区域是以自焊方式粘结的并在至少一种特性方面有所不同,这种特性比方是诸如弹性模量、硬度、磨损抗力、断裂韧性、拉伸强度、腐蚀抗力、热胀系数或导热系数。一种用于制作复合旋转刀具的方法包含置放一种第一冶金粉末到一模具空腔的第一区域之中,并置放一种第二冶金粉末到空腔的第二区域之中。第一冶金粉末不同于第二冶金粉末,而至少一部分第一冶金粉末接触于第二冶金粉末。模具受到压缩以固结第一和第二冶金粉末而制成一坯块,而此坯块接着予以烧结。
文档编号B23B51/00GK1423586SQ00818465
公开日2003年6月11日 申请日期2000年12月11日 优先权日1999年12月14日
发明者普拉卡什·K·默钱达尼, 布鲁斯·A·凯勒 申请人:Tdy工业公司