专利名称：包括刀杆和刀头的机床刀具的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种机床刀具，包括不同材料制的刀杆和刀头，它们在互相面对的接合面通过一个用延性焊料构成的接合层互相材料封闭地连接。本发明还涉及一种制造此类机床刀具的方法以及一种适用于制造这种机床刀具的焊片。
在制造钻杆时已知，不同材料的刀杆和刀头分开，例如通过切削加工或无切屑加工制造，以及在互相面对的接合面互相钎焊(DE-A-19856986)。在制成钎焊连接时存在的一个突出的问题是，要连接的材料有不同的热膨胀系数。这意味着在冷却过程中可能在焊接区内产生应力，这些应力降低刀具承载能力以及会导致形成裂纹。
因此本发明的目的是对前言所述类型的已知机床刀具作如下改进，亦即能减小或消除在钎焊过程后冷却时接合区内产生的内应力。
为达到此目的建议了在权利要求1、18和25中说明的特征组合。由从属权利要求给出本发明有利的设计及进一步发展。
按本发明的方案首先基于此构思，即，接合层沿其层厚有一些与使用的焊料相比减小的热膨胀系数，其目的是在接合层内在刀杆侧和刀头侧获得与相邻的材料接近的热膨胀系数。为达到此目的，按本发明建议，在接合层内埋入粉末颗粒，这些粉末颗粒用热膨胀系数比焊料小的耐热材料构成。为了能得到变化的热膨胀系数，沿接合层的厚度改变粉末颗粒的密度。
本发明优选的设计规定，刀杆用钢，优选地用工具钢制造，而刀头用一组包括硬质合金、金属陶瓷、陶瓷、PKD或氮化硼的材料之一制造。接合层恰当地含有一组包括铜、银、钴或他们的合金组成的焊料之一，而埋入接合层焊料内的粉末颗粒由一组包括钨、钼、铁、钴、镍或它们的碳化物的材料之一制造。接合层的厚度应等于粉末颗粒直径的许多倍，以及优选地相当于粉末颗粒直径的10至1000倍。接合层本身的厚度宜为0.2至1mm。
对于上述特征组合有利的是，粉末颗粒的密度在刀头的一侧比在刀杆那一侧大。
刀头和刀杆互相面对的接合面优选地设计为互相平面平行。但业已证明，对于降低接合应力可有利的是，刀头和刀杆互相面对的接合面优选地是彼此互补地弯曲。业已证实特别有利的是，刀头的接合面是凸弯的以及刀杆接合面是凹弯的。以此方式可以减小在硬质合金与焊料之间的接合层内产生的、在平面平行的接合面的情况下可能导致形成裂纹的应力。与之不同，接合面也可以有形式上为沟、凸起、凹陷、隆凸的结构。采用这种结构在接合状态得到形封闭连接以及导致降低应力和改善扭矩传递的机械区。
本发明另一项有利的设计规定，刀杆有至少一个优选的螺旋状卷绕的出屑槽，它朝刀头方向穿过接合层。按本发明还建议，刀杆有至少一个优选地螺旋状卷绕的功能通道，它朝刀头方向穿过接合层。功能通道主要规定用于将冷却剂通过刀杆导向刀头的刀刃。为了其他应用目的原则上也可以令粉末颗粒的密度沿接合层的半径方向改变。这首先在下列情况下是有利的，即焊片含有结构引起的不均匀性，例如含有未熔化的作为定心装置的芯体。
在制造机床刀具时，按本发明将预成形的刀杆与优选地作为坯件预成形的刀头在接合间隙区域内通过熔化和接着冷却焊料构成接合层互相材料封闭地连接。在这种情况下本发明规定，形式上为至少一个焊片的焊料置入接合间隙内，焊片由包括埋入的耐热粉末颗粒的焊料构成，粉末颗粒优选地有沿片厚改变的密度。在这里原则上焊片可以事先固定例如烧结在接合对上。在接合层内密度的变化过程可以采取措施达到，即，将多个有不同颗粒密度的焊片置入接合间隙内并在那里互相熔合。
在制造按本发明的钎焊连接时的工艺过程恰当地包括下列步骤a)由刀头和刀杆组成的接合对至少加热到所使用的焊料的熔化温度；
b)至少一个焊片在加热前、加热期间或加热后置入接合对之间的接合间隙内；c)在达到接合温度时，接合对互相面对的接触面用熔化的焊料润湿；d)此后，接合对优选地冷却到室温以构成一个复合件；e)接着，此复合件优选地在室温下切削加工，以及在接合区内例如通过磨削加工到相同的直径；f)经如此预加工的复合体重新加热到一个低于接合温度的涂层温度，并在此温度保持一段时间以及在此期间退火和优选地用一种涂覆材料涂层；g)此后，复合件冷却到室温以构成成品件。
在焊料内粉末颗粒的轴向密度变化过程选择为，使得在成品件内形成一个基本上无应力的接合区。优选地用表面渗碳的表面硬化钢制的刀杆，在接合对骤冷时硬化，以及在接着的涂层过程中退火和消除应力。优选地，焊片在接合对加热前的固体状态与接合对之一复合，优选地插在或烧结在它上面。
用于制造接缝连接的焊片按本发明由一种延性焊料组成，在焊料内埋入耐热材料的粉末颗粒，这种材料有比焊料小的热膨胀系数。有利地，粉末颗粒的密度沿片厚改变，在这里，这种密度改变可以由多个具有不同颗粒密度的焊片造成。在某些应用情况下也可以采用其颗粒密度沿焊片的半径方向改变的焊片。
焊片恰当地含有一组包括铜、银、钴或它们的合金构成的焊料之一，而埋入焊料内的粉末颗粒有利地由一组包括钨、钼、铁、钴、镍或它们的碳化物的材料之一制成。
按本发明另一项有利的设计，焊片有与接合对接触部位适配的凸的边缘轮廓，它被至少一个用于穿透排屑槽的边缘凹槽中断。有利地设两个处于彼此相对侧上的边缘凹槽。此外，焊片可设有至少一个孔，它与接合对内的一个功能通道对齐。为了连接具有非平的接触面的接合对，焊片也可以设计为三维成型件，它有相应的外轮廓以及必要时横向通道或通孔。
下面借助附图中示意表示的实施例详细说明本发明。其中
图1a和b用两个不同的透视图表示钻孔刀具各部分的分解图；图1c处于成品状态的钻孔刀具透视图；图2a和b处于分解状态和成品状态的铰孔刀具透视图；图3通过按图1和2的刀具的焊片的局部剖面放大图；图4a至g表示在钎焊和涂层过程不同的工艺阶段机床刀具接合对的热膨胀；图5a和b在钎焊过程前两个互补的焊片经修改的实施例；图5c在钎焊过程后两个已互相连接的焊片；图6透视表示设计为成型件的焊片；以及图7有弯曲的接合面的机床刀具各部分示意的透视分解图。
图1和2表示的机床刀具基本上由刀杆10和刀头12组成，它们在其互相面对的接合面14、16借助一个延性焊料制的焊片18材料封闭地互相连接(钎焊)。在图1a至c中表示的实施例设计为钻孔刀具，而按图2a和b的实施例设计为铰孔刀具。
在图1a至c的情况下，刀杆10有两个出屑槽20，它们在其侧面以两个螺旋形弯曲的脊22为界。此外，在刀杆内设两个横截面三角形的功能通道24，它们以与脊22相同的螺距螺旋形弯曲以及沿刀杆10的脊22延伸。优选地用渗碳的表面硬化钢制成的刀杆10构成半成品，它们的出屑槽20和功能通道24在一管形坯件内通过旋锻造型(参见DE-A-19856986)。坯件恰当地用表面硬化钢制成，它的相变点在480与650℃的范围内。为此，有利的是采用一种含碳量小于2％的表面硬化钢，优选16MnCr5钢。基于其延展性，这种材料可以通过锻造工艺无裂纹地变形。接着，材料通过渗碳仅外表面硬化，或外和内表面均硬化。由此获得沿壁横截面确定的硬度变化过程，所以处于硬化状态的钻杆有硬的表面和坚韧的内部区，它们保证在硬化区可能形成的裂纹不延续到钻头内部。由此降低断裂的危险和提高钻头的承载能力。按选择钻头也可以通过渗氮硬化。高的相变点对于以后的钎焊过程也是有利的，因为在冷却时的相变伴随着体积增大，这导致减小在与焊料的接合部位可能的应力，从而避免在所述接合部位形成裂纹。对于这种特性关键在于在表面硬化钢内比较低的含铬量。
刀头12设计为成型件，优选地用硬质合金、金属陶瓷、陶瓷或多晶金刚石制造。它也含有出屑槽26和功能通道28，它们与刀杆10的出屑槽20或功能通道24连通。
在按图2的铰刀的情况下，刀杆10与一个设计为铰刀头的刀头12借助焊片18材料封闭地连接(钎焊)。在这里，功能通道24、28设在刀杆10和刀头12中心。
因为刀杆10和刀头12用不同的材料制造，所以它们有不同的热膨胀系数。在钎焊过程中可能在接合层18′内和接合面14、16的邻接区内导致内应力，它们降低刀具的承载能力和可能形成裂纹。为了避免这种情况，焊片用一种铜或银组成的延性焊料30构成，在焊料30内埋入粉末颗粒31，粉末颗粒用一种耐热的，亦即在接合温度不熔化的材料制成，这种材料有比焊料30小的热膨胀系数。粉末颗粒31完全被焊料30包围并在熔化时用焊料润湿。它们的任务是使焊料的热膨胀系数与两个接合伙伴(刀杆10和刀头12)相适配。在这里，粉末颗粒的密度沿焊片18或接合层18′的厚度改变。在图示的实施例中，粉末颗粒的密度在刀头12一侧32比在刀杆10那一侧34的大。埋入焊料内的粉末颗粒可用一组包括钨、钼、铁、钴、镍或它们的碳化物的材料之一制成。
在图1a至c所示实施例中，焊片18与接合面14、16的轮廓形状相配有凸的外轮廓36，它被两个边缘凹槽38中断。边缘凹槽与相邻接合对10、12中的出屑槽20相对应。此外，焊片18含有两个基本上三角形的通孔40，它们的布局和形状与刀杆10内的功能通道24一致。在按图2的实施例中，在焊片18内设一中心通孔14，在刀杆10和在刀头12中的功能通道24、28在接合过程结束后通过此中心通孔互相连通。
在钎焊过程中，焊片18置入刀杆10和刀头12的接合面14、16之间。接着将涉及的零件加热到焊料的熔点以及互相连接形成接合层18′。
在钎焊过程以及在接着的涂层过程中基于不同的热膨胀系数在两个接合伙伴10、12内产生的尺寸改变示意地表示在按图4的过程图解中。在那里左边分别表示钢制的刀杆10以及右边分别表示硬质合金制的刀头12的侧视图，最右部则表示从刀杆那里看的俯视图。在两个接合伙伴10、12之间的接合区18″为了简单起见通过一个间隙18″表示，间隙18″含有焊片18(图4a)或接合层18′(图4b至g)。为了看得清楚起见，图4中夸大表示了尺寸变化(长度及直径)。
在图4a中的起始点，接合对10、12表示为尺寸相同的圆柱形构件。当加热到接合温度为1100℃(铜焊料)时，这些圆柱体由于不同的热膨胀系数发生不同的膨胀。构件10(钢)比构件12(硬质合金)有更大的膨胀量。因为在构件之间尚未形成连接，所以在加热过程中在接合区内不产生内应力。在达到接合温度为1100℃后(图4c)焊料熔融。已增大的圆柱体在此温度下形成一种材料封闭和仍无应力的连接。当冷却到室温时(图4d)焊料凝固，而与此同时在构件10和12中产生直径减小。此外，在钢内快速冷却区中形成一新的硬化区10′，它伴随着产生增大的晶格应力和体积增大。在冷却状态，构件经切削加工完成加工(图4e)。在这种情况下构件磨削到相同直径。对于刀具和刀刃材料而言必不可少的是，这些部分在连接后用高硬度的材料涂层，如钛、氮化钛、氧化硼或氮化铝。为此将刀具加热到涂层温度约500℃(图4f)。涂层材料在涂层温度下在真空环境内蒸汽沉积在刀具上。在此过程中将温度在一定时间内保持恒定。当提高温度时在钢内发生组织变化，基于此使得在新的硬化区10′内的硬化减弱。与此同时导致钢内体积缩小(图4g)。在接着的冷却时，这导致构件10在区域10′的范围内得到的外径比直接在钎焊过程后的直径小。在这种情况下有在接合区内产生内应力的危险。这些应力按本发明通过在图3中示意表示的在接合层18′内粉末密度的变化加以避免。焊片18在其延展性和热膨胀方面因而必须设计为，在涂层后的工作状态(图4g)在接合层18′和接合面14、16相邻的区域内基本上不形成应力。在中间状态，焊料必须基于其延展性和局部变化的热膨胀承受可能产生的应力。
如图5a至c和6所示，焊片18也可以设计为成型件，其中成形有构成通道的槽42或孔44。在图5a和b的情况下采用两个互补的焊片18，它们边缘开口的槽42在钎焊过程结束后互补成闭合的径向通道42′。
在图6的情况下，焊片18设计为三维成型件，它有锥形的中心段46和斜孔44。为此，接合对10、12的接合面14、16必须与焊片18相邻的外或内锥46、46′相匹配。在这里，锥形中心段46、46′除定心功能外还有定向功能，这一功能保证具有其变化的热膨胀的焊片被安放在正确定向的位置。
在图1和2所示的实施例中，接合对10、12的接合面14、16设计为互相平行的平面。试验证明，尤其在作为接合伙伴的硬质合金体内可能产生源于接合应力的裂纹。这些不允许的接合应力可采取措施减小或避免，即，使互相面对的接合面成为凹和/或凸的弯曲形。在按图7的实施例的情况下，优选地用硬质合金制的刀头的接合面16是凸弯形，而刀杆10的接合面是凹弯形，其中，焊片18在其面朝接合对的侧面32、34有与之互补的弯曲。为了看得清楚起见，在图7中涉及的弯曲均夸大表示。
总之可以确定如下本发明涉及一种机床刀具，包括不同材料的刀杆10和刀头12，它们在互相面对的接合面14、16通过一个用延性焊料构成的接合层18′互相材料封闭地连接。为了达到基本上无应力地焊接，按本发明建议，在接合层18′内埋入一种耐热材料的粉末颗粒31，这种材料的热膨胀系数比焊料30的小，其中，粉末颗粒31的密度沿接合层18′的厚度改变。
权利要求
1.机床刀具，包括不同材料制的刀杆(10)和刀头(12)，它们在互相面对的接合面(14、16)通过一个用延性焊料构成的接合层(18′)互相材料封闭地连接，其特征为在接合层(18′)内埋入一种耐热材料的粉末颗粒(31)，这种材料的热膨胀系数比焊料(30)的小。
2.按照权利要求1所述的机床刀具，其特征为粉末颗粒(31)的密度沿接合层(18′)的厚度改变。
3.按照权利要求1或2所述的机床刀具，其特征为接合层(18′)沿其层厚有变化的热膨胀系数。
4.按照权利要求1至3之一所述的机床刀具，其特征为刀杆(10)用钢，优选地用工具钢制造。
5.按照权利要求4所述的机床刀具，其特征为刀杆用一种相变点在480至650℃范围内的表面硬化钢制造。
6.机床刀具，包括不同材料制的刀杆(10)和刀头(12)，它们在互相面对的接合面(14、16)通过一个用延性焊料构成的接合层(18′)互相材料封闭地连接，其特征为刀杆用一种相变点在480至650℃范围内的表面硬化钢制造。
7.按照权利要求5或6所述的机床刀具，其特征为刀杆用一种铬含量小于2％的表面硬化钢制造。
8.按照权利要求5至7之一所述的机床刀具，其特征为刀杆用16MnCr5钢制造。
9.按照权利要求5至8之一所述的机床刀具，其特征为表面硬化钢至少在刀杆外表面渗碳或渗氮。
10.按照权利要求1至9之一所述的机床刀具，其特征为刀头用一组包括硬质合金、金属陶瓷、陶瓷或PKD的材料之一制造。
11.按照权利要求1至10之一所述的机床刀具，其特征为粉末颗粒(31)在接合层(18′)内部的密度，在刀头(12)的一侧(32)比在刀杆(10)那一侧(34)大。
12.按照权利要求1至11之一所述的机床刀具，其特征为接合层(18′)在刀头(12)一侧(32)有比在刀杆(10)那一侧(34)小的热膨胀系数。
13.按照权利要求1至12之一所述的机床刀具，其特征为粉末颗粒(31)的密度沿接合层(18′)的半径改变。
14.按照权利要求1至13之一所述的机床刀具，其特征为刀杆(10)与刀头(12)互相面对的接合面(14、16)优选地互补地弯曲。
15.按照权利要求1至13之一所述的机床刀具，其特征为刀头(12)的接合面(14)是凸弯状的。
16.按照权利要求1至15之一所述的机床刀具，其特生为刀杆(10)的接合面(14)是凹弯状的。
17.按照权利要求1至16之一所述的机床刀具，其特征为刀杆(10)有至少一个优选地螺旋状卷绕的排屑槽(26)，它朝刀头(12)方向穿过接合层(18′)。
18.按照权利要求1至17之一所述的机床刀具，其特征为刀杆(10)有至少一个优选地螺旋状卷绕的功能通道(28)，它朝刀头(12)方向穿过接合层(18′)。
19.按照权利要求1至18之一所述的机床刀具，其特征为接合层(18′)含有一组包括铜、银、钴或他们的合金组成的焊料之一。
20.按照权利要求1至19之一所述的机床刀具，其特征为埋入接合层(18′)焊料(30)内的粉末颗粒(31)由一组包括钨、钼、铁、钴、镍或它们的碳化物的材料之一制造。
21.按照权利要求1至20之一所述的机床刀具，其特征为接合层(18′)的厚度相当于粉末颗粒(31)直径的10至1000倍。
22.按照权利要求1至21之一所述的机床刀具，其特征为接合层(18′)的厚度为0.1至2mm。
23.制造机床刀具的方法，按此方法，预成形的刀杆(10)与优选地作为坯件预成形的刀头(12)在接合间隙区域内通过熔化和接着冷却焊料(18)互相材料封闭地连接，同时构成一接合层(18′)，其特征为形式上为至少一个焊片(18)的焊料置入接合间隙内，焊片(18)由包括埋入的耐热粉末颗粒(31)的焊料(30)构成。
24.按照权利要求23所述的方法，其特征为在接合间隙内置入一个焊片，它的粉末颗粒有沿片厚改变的密度。
25.按照权利要求23或24所述的方法，其特征为在接合间隙内置入有不同颗粒密度的多个焊片并在那里互相熔合。
26.按照权利要求23至25之一所述的方法，其特征在于下列工艺步骤a)由刀杆(10)和刀头(12)组成的接合对加热到接合温度，b)至少一个焊片(18)在加热前、加热期间或加热后置入接合对(10、12)之间的接合间隙内；c)在达到接合温度时，接合对(10、12)互相面对的接合面(14、16)用熔化的焊料(30)润湿；d)此后，接合对冷却到室温以构成一个复合件；e)接着，此复合件在室温下切削加工，以及在接合区内例如通过磨削加工到相同的直径；f)经如此预加工的复合件重新加热到一个低于接合温度的涂层温度，在此温度保持一段时间并在此期间优选地用一种涂覆材料涂层；g)此后，复合件冷却到室温以构成成品件。
27.按照权利要求26所述的方法，其特征为在焊料内粉末颗粒(31)的轴向密度变化过程选择为，使得在成品件内形成一个基本上无应力的接合区。
28.按照权利要求23至27所述的方法，其特征为由碳钢或表面渗碳的表面硬化钢制的刀杆(10)的组织在接合对快速冷却时硬化，以及在接着的回火和/或涂层的过程中退火和消除应力。
29.按照权利要求23至28之一所述的方法，其特征为焊片(18)在接合对(10、12)加热前的固体状态与接合对之一复合，优选地插在或烧结在它上面。
30.由延性焊料组成的焊片，在焊料内埋入耐热材料的粉末颗粒，它有比焊料小的热膨胀系数。
31.按照权利要求30所述的焊片，其特征为粉末颗粒(31)的密度沿片厚改变。
32.按照权利要求30或31所述的焊片，其特征为粉末颗粒的密度沿焊片的半径改变。
33.按照权利要求30至32之一所述的焊片，其特征为它包含一组包括铜、银、钴或它们的合金组成的焊料之一。
34.按照权利要求30至33之一所述的焊片，其特征为埋入焊料(30)内的粉末颗粒(31)由一组包括钨、钼、铁、钴、镍或它们的碳化物的材料之一制成。
35.按照权利要求30至34之一所述的焊片，其特征为它有凸的轮廓形状(36)，这一轮廓形状被至少一个边缘凹槽(38)中断。
36.按照权利要求35所述的焊片，其特征为设两个处于彼此相对侧上的边缘凹槽(38)。
37.按照权利要求30至36之一所述的焊片，其特征为它有至少一个孔(44)。
38.按照权利要求30至37之一所述的焊片，其特征为它设计为三维成型件。
39.按照权利要求38所述的焊片，其特征为成型件有一种通过孔(42′、44)、槽(42)、沟形成的功能结构。
40.按照权利要求30至39之一所述的焊片，其特征为它有两个互相平面平行的接合面(32、34)。
41.按照权利要求30至40之一所述的焊片，其特征为它的彼此背对的接合面(32、34)是凸和/或凹弯的。
42.按照权利要求30至41之一所述的焊片，其特征为它的接合面(32、34)有一种由隆凸和/或凹陷形成的表面结构。
全文摘要
本发明涉及一种机床刀具，包括不同材料制的刀杆(10)和刀头(12)，它们在互相面对的接合面(14、16)通过一个用延性焊料构成的接合层(18′)互相材料封闭地连接。为了达到基本上无应力地焊接，按本发明建议，在接合层(18′)内埋入一种耐热材料的粉末颗粒(31)，这种材料的热膨胀系数比焊料(30)的小，其中，粉末颗粒(31)的密度沿接合层(18′)的厚度改变。
文档编号B23K35/02GK1668417SQ03816949
公开日2005年9月14日 申请日期2003年7月23日 优先权日2002年7月23日
发明者米夏埃尔·克歇尔 申请人:彗星集团控股有限公司