专利名称：刀具及其制造方法
技术领域：
在第一个方面，本发明涉及一种制造去屑加工刀具的方法，这种刀具包括两个通过交界面永久结合在一起的金属部件。在第二个方面，本发明还涉及一种用于对粗金属进行切削或去屑加工的刀具，该刀具的类型为包括一个金属联结部件以及一个通过交界面永久结合至该金属联结部件的第二部件，该第二部件同样由金属构成。
背景技术：
上述大致提及种类的刀具用于切削加工领域的三个主要领域，也就是，钻削、铣削和车削。在所提及的前两个领域，刀具具有旋转的特点并且对于固定或可动工件的机械加工是很有用处的，而用于车削的刀具是固定的，并且其具有对旋转工件进行机械加工的用途。本发明的基础是在旋转刀具范围内发现的问题，尤其是钻头。然而，这并不是排除将以下所描述的解决方案应用于车刀。
由于诸多原因，现有的钻头通过装配一个联结部件由一个更加复杂的类型所构成，该联结部件与一定类型的刀具或夹具相匹配，也就是说，其形状与夹具以及插入承载加工部件的形状相对应，该加工部件的形式为形成有碎屑和冷却液通道的刀柄，在其自由端可以可松开地安装上镶入式截坯刀或所谓的松散顶端。刀柄和联结部件通过刀柄后端和联结部件前端之间的一个交界面彼此永久地接合在一起。作为刀柄和联结部件之间的唯一的固定接头，以前只是一个具有压配合的凸凹接头，而没有使用其它的接头。更准确地，在刀柄的后端形成有一个插头形式的凸状元件，其插入形成于联结部件前端的底座中，通常是随着利用加热联结部件扩宽底座然后再冷却收缩的同时而进行。为了能在足够安全限度内在联结部件和刀柄之间传递所需的扭矩，凸状插头和底座必须具有相当长的轴向伸长以在两者之间形成一个足够大的接触面。因此，在大多情况下，凸状插头的轴向长度至少比钻柄的直径大1.5倍。凸状插头具有相当长的长度的事实自然会导致所述钻具的整体总长度更大；这在实际使用中就隐含着很多不便。除了大的静负荷、在制造中材料的大量消耗以及与存放和运输相关的额外大的空间需求之外，钻具的巨大长度会引起安装的刀具晃动，因为钻具越长越细这个现象就越易于出现。
针对上述背景，最近已经寻找出在保持扭矩传递性能的同时分别缩短凸凹接头的插头和底座的有关最大可能地减小钻具总长度的方法。在这一点上，除了凸凹接头之外，已经考虑到在刀柄和联结部件之间还可以提供一个焊接接头的可能性。因此，已经进行了很多利用常规的焊接技术将所述部件焊接在一起的实验，其在供应热量的同时利用所供应的材料。然而，利用MIG焊接以及TIG焊接的试验证明是无效的，尤其，由于元件之间交界面上的氢脆以及一般的或不合格的精度，这样的精度使得镶入式截坯刀相对于联结部件不能准确定位。
本发明的目的和特点在第一个方面，本发明旨在避免已知的旋转型刀具(例如钻头和铣刀)的上述缺点，并提供一种改进的刀具以及制造这种刀具的改进方法。因此，本发明的一个主要目的是创建将包括在刀具中的两个金属部件(尤其是钢制部件)焊接在一起的条件，并具有较高的精度以致于使在焊接操作中不可避免的热释放不会引起会导致两个部件从一个准确的预定的彼此相对位置产生移动的任何变形或材料变化。另一个目的是使得可以实现焊接接头，由于其在刀具中的位置，可以以优化其在两个刀具部件之间传递力的能力的方式使用。再一个目的，与可旋转的切削刀具(例如钻头和铣刀)有关，是提供一种具有最小长度并且同时保持甚至提高强度和硬度的刀具，其最主要的意图是在操作期间刀具应当能提供改进的加工精度。
根据本发明，通过在独立权利要求1中所定义的方法至少可以实现其主要目的。实现该方法的优选方式在从属权利要求2-5中进一步限定。
在另一个方面，本发明还涉及一种通过应用根据本发明的方法而得到的改进的刀具。这种根据本发明的新刀具的特点定义在独立权利要求6的特征语句中。根据本发明的刀具的优选实施例在从属权利要求7-12中进一步限定。
本发明总体思想的概述本发明基于在两个应当焊接在一起的刀具部件之间的一个缝隙中放置一个垫片的想法，这个垫片具有与缝隙的形状相对应的基本上不变的预定形状，并且利用至少一个激光束在冷却状态下沿着其外周进行焊接，该激光束以一个相当高的速度沿着垫片移动，在相对于垫片和刀具部件的周围部分移动期间，激光束分别熔化垫片和刀具部件的金属上非常有限的几乎点状的区域，其尺寸由激光束的直径(点尺寸)所决定。通过这种方式，焊接和随后的热释放非常局部地在一个点区域发生，这个点区域沿着垫片很快地移动；这保证了在垫片和刀具部件的交界面或接触面上不会出现热变形、热脆等现象。在构成本发明基础的实验中，于是就可能观察到在最终焊接之后刀具立即会很冷以致于完全可以用手触摸焊缝。对于旋转式刀具，可以以一个有利的方式使用本发明以减小刀具长度，与此同时刀具的有关两个构成部件(例如联结部件和钻柄)之间交界面上传递力或扭矩的能力不仅能得到保持，甚至还会提高。
现有技术的附加说明一般来说，利用激光焊接将金属部件焊接在一起的技术本身在例如GB 2344549、U秒5343014、FR 2656556、EP 0491959和JP 58090389中是已知的。然而，上述出版物中说明的焊接工艺中没有一个利用了本发明的原理将一个间隔的具有不变的预定形状的金属垫片放置于一个外周开口的缝隙中，并且随后利用一个快速可移动激光束对这个垫片暴露在外面的周边进行焊接。
在附图中图1是从一个其形式为根据本发明制造的钻头的刀具的斜后方看过去的视图，图2是从斜前方看过去的同一钻头的分解图，图3是从同一钻头的侧面垂直地看过去的分解图，图4是一个介于一个联结部件和一个包括在钻头内的柄部之间的放大交界面的示意性局部侧视图，图示交界面中没有任何垫片，图5是在一个第一焊接操作期间同一交界面的侧视图，图6是在一个第二焊接操作期间的相似侧视图，图7是一个处于装配状态的车刀(更准确地说是插刀)的视图，该刀具包括一个联结部件和一个其形式为一个所谓锯齿板的第二部件，该第二部件利用本发明的方法与该联结部件焊接在一起，图8是根据图6的刀具的分解图，图9是只有联结部件和锯齿板以及介于其两者之间的一个垫片的分解图，以及图10是锯齿板的背部视图。
具体实施例方式
如作为前言所提及的，形成本发明基础的问题主要与旋转刀具有关，图1-5示出了其中的一种，也就是钻头。所述钻头包括一个联结部件1，还有一个通过交界面与联结部件1永久结合在一起的一个第二部件，其形式为刀柄2。在图1中，所述交界面以标记3指示。刀柄2具有圆柱形、长而窄的基本形状，并且在其自由前端形成有多个可松开的、可更换的镶入式截坯刀4的底座或所谓的插入槽。在刀柄的包络面上，形成有多个用于排出由镶入式截坯刀4分离的碎屑的碎屑通道5。在刀柄的内部还有多个冷却液通道6，它们在刀柄的端部开口并用于刀具的冷却。在其后部，刀柄通过一个逐渐变厚的过渡部分7转变为套环8，其包络面为圆柱形。从这个套环8向后，一个凸状元件9以插头的形式伸出，其同样也具有圆柱形的包络面。尽管所述凸状元件9一般称为插头，其可以包括一个内腔，其中容纳有将要传送至冷却液通道6并通过联结部件供给的冷却液。
联结部件12的一个前端部件10具有圆柱形的基本形状并且包括一个内部凹状底座11，其由一个圆柱形表面所界定，该圆柱形表面的内径基本与凸状插头9的外周直径相同。在后部，圆柱部件或套筒10转变为一个联结部件12，其形状，更准确地说，其横截面形状与用于固定钻头的夹具的形状相适应。通常出现在市场上的联结部件的名称为COROMANT CAPTO。然而，根据使用者的机器设备，还有很多其它类型的联结部件。应当能注意到，联结部件2是中空贯通的，以便冷却液可以从夹具中通过一个后端孔13供给进来。
上述插头9和底座11一起形成了一个凸凹接头，其通过压配合和/或冷缩配合以前述已知的方式永久地将刀柄结合至联结部件。这种接头可以这样形成通过加热联结部件，然后在将插头9压入底座11之后，再将其冷却，以使底座收缩。为了在一定的安全限度内在联结部件和刀柄之间传递为各个钻头所规定的扭矩，以前凸状插头9和底座11必须具有一个相当长的长度或轴向伸展，从而以这样的方式提供一个足够大的力传递接触表面。在实际中，凸状插头的长度相应地要达到钻头直径的至少1.5倍。
而且，应当提及的是联结部件和刀柄一般由钢制成。因此，对于刀柄2，优选地是使用一种型号为秒秒142225的钢，这种钢是一种具有良好可焊接性能的低合金热处理钢，并且除了例如秒i、Mn、秒、Cr和Mo等合金成分之外，其还含有0.22-0.29％的碳(C)。然而，对于联结部件1，使用的是一种型号为THG 2000的钢，这种钢是一种尤其为钻头和铣削体所开发的铬-钼-钒合金钢，其碳含量在0.35-0.42％范围内。用常规的焊接方法，例如MIG焊接或TIG焊接等将两个这样钢种的钻头部件1、2焊接起来的试验失败了。
至此已经对如图1-3所示的钻头进行了描述，其实质上与以前已知的相同。
根据本发明的刀具的创新点以及特点在于，刀柄和联结部件除了通过所述凸凹接头9、11结合之外，还通过一个焊接接头彼此结合，其一般通过激光焊接利用一个预形成的环形垫片14所形成。如图3-5所示，所述间隔环14与一个毗邻刀柄2的套环8形成的台肩15相配合，该台肩15由一个平端面16和一个圆柱状包络面17所界定，并且其直径一方面比套环8的外径小，另一方面又比圆柱状插头9的外径大。在装配刀柄和联结部件后，台肩15的平端面16压在联结部件1上一个同样是平面的前端或接触面18上。在台肩15的外面，套环8具有一个环形的平面接触面19，其与端面16以及接触面18一样垂直于钻孔刀具的几何中心轴C延伸。因此，当这两个刀具部件安装在一起时，在接触面19和18之间形成有一个环形圆周缝隙，在图4中标记为20。
间隔环14具有一个扁平的基本形状以使得除了两个圆柱状内和外边缘面之外其由两个相对的相互平行的平面所限定。台肩15的外径基本上与环14的内径一样大，同时环的外径基本上对应于套环8的外径。也就是说，间隔环的形状与缝隙20的形状相对应。实际上，间隔环应当具有0.5-1.0毫米的厚度(＝接触面18、19之间的距离)，例如0.7毫米。在这一点上，应当指出的是，环的厚度无需与缝隙的宽度(＝接触面18、19之间的距离)精确相等。因此，环的厚度可以比缝隙的宽度小百分之几个毫米。这样，就保证了间隔环不会受到与凸凹接头9、11的形成相关的任何变形压力。
至于间隔环的材料，通常使用的是钢。形成本发明基础的试验已经表明奥氏体钢，尤其是奥氏体不锈钢，也就是合金化有适量的铬和镍的钢，特别适用于此。
根据本发明的刀具的制造在将钻头的刀柄和联结部件彼此结合时，在第一步，将环14放置于凸状插头9的外面，此后例如在利用加热联结部件而使底座11变宽的状态下将凸状插头9压入底座11中，这就在所述部件之间提供了一个第一常规固定接头。下一步，在联结部件和刀柄之间提供了一个第二固定接头，也就是，焊接接头，更准确地说是以在图5和6中示意性表示出的方式。焊接是通过一个示意性表示出的激光焊接设备21进行，其发出一个具有可变直径或点尺寸的激光束22。为了避免由于空气中的氧气冲击所引起的氧化，焊接可以在具有一个周围保护气体23的条件下进行。在焊接期间，激光束和钻孔刀具相对于彼此是可动的。实际上，所述可动性可以以激光焊接设备21保持不动而刀具在一个适当夹具(未示出)中可转动的方式实现。焊接分两个操作阶段进行，其中第一个阶段在图5中示出。从这个附图中可以看到，激光束22保持为径向地朝向位于环14的一个面(底面)和联结部件1的环形平接触面18之间的径向接触平面。实际上，激光束22可以具有0.3毫米的直径，其几何中心轴位于垂直于中心轴C的与环14和联结部件1之间的接触面所在平面相同的径向平面上。在已经将激光束朝向沿着环形周边的一个任意点之后，让刀具转动，更准确地说以至少100毫米/秒的圆周速度。当激光束碰上并进入环和联结部件之间的接触面时，激光束区域的材料局部熔化并焊接在一起。热释放自身在激光束的紧邻区域很强烈，但是因为激光束以相对高的速度沿着环的周边移动，总的热释放限制在一个最小值，这不会给刀柄和联结部件之间的交界面带来任何变形或材料迁移。当刀具已经转动一周(360°)时，中断激光照射。这样就完成了间隔环14与联结部件1的焊接。
在下一个操作中，环14同样焊接到刀柄上。从图6中可以看出，激光束和刀具随后相对于彼此轴向移动，以便激光束定位于与环和刀柄的套环8之间接触面相同的径向平面上。此后，以同样的方式进行焊接，也就是，刀具转动一个周期以让激光束以一个圆周的环形焊道将材料熔化在一起，焊道的平面垂直于中心轴C。
举例来说，应当提及的是一个39毫米钻头的焊接，其以一个112毫米/秒的圆周速度相对于激光束转动，可以在0.7秒内完成。紧接着最终焊接之后，所得到的焊缝基本上为室温。
在图5和图6的左边，用虚线示出了一个第二激光束设备21`。这个设备可以与设备21径向相对着放置。这样，可以只旋转刀具半个周期就能提供了外周环形焊缝，也就是只用一半的时间。
现在参考图7-10，其中示出了一种固定类型的刀具，也就是，一种用于切削或开槽操作的车刀。在这种情况下，应当永久连接至一个联结部件1`的第二部件由一个板2`构成，该板形成有锯齿面24，锯齿面24用于与一个位于可分离夹具部件25上的相似锯齿面(在图中不可见)相配合，在可分离夹具部件25中包括一个可松开的所谓插刀26。以与上述钻头的情况相同的方式，将锯齿板2`以允许在部件之间传递很大的力以及保证锯齿板相对于联结部件小心放置(目的是将插刀26相对于联结部件的联结件12`置于正确的位置)的方式联结至联结部件或适配器1`。此时，板2`(参见图9)具有一个部分圆周和部分三角形的形状从而其由一个转变为两个平直的边缘面27`的部分圆柱状边缘面27所界定。两个边缘面27`呈锐角延伸并且终止于一个共同的后部边缘面28，后部边缘面28是平直的并且形成了一个虚拟三角形的底边。在板2`的后面，形成有一个形式为圆柱状插头的凸状元件9`，其可以以压配合的方式插入对应的联结部件中的圆柱状底座11`中。这样，插头9`和底座11`形成了一个凸凹接头，还应当给这个接头增加一个上述类型的焊接接头。为此，在板2`的内侧和联结部件上的一个平接触面19`之间布置一个垫片14`，其轮廓形状与板2`的轮廓形状相对应。在垫片中有一个圆柱状孔，其内径对应于形成于板内侧上的一个圆柱状台肩15`(参见图10)的外径。
当插头9`在锯齿板2`的安装和固定期间插入底座11`时，板的后缘28置于(以非常精细的配合)紧靠着形成于联结部件上的一个第二接触面18``的位置，第二接触面18``垂直于接触面18`延伸。可能地，但不是必然地，插头9`可以利用加热和收缩进行固定。然而，这样的固定方式是由于边缘面28紧靠着接触面18``而附带形成从而使得相对于联结部件转动板是不可能的。在将插头9`插入时，先将垫片14`放置于板的内侧，并使得垫片与接触面18`以及板2`的内侧平面紧密接触，如图8所示。在这种状况下，以前述的方式进行激光焊接，也就是，在两个连续操作中，在两个轴向间隔平面上沿着垫片的外周移动激光束。在该情况下，每个单独的操作还可以分成若干步骤。这样，在第一个步骤中，在联结部件相对于激光束线性或直线移动期间，只是沿着线性边缘部分27`进行焊接。在第二个步骤中，转动刀具以沿着板2`的圆柱状边缘部分形成一个焊缝，然后再次相对于激光束线性地移动联结部件从而沿着第二边缘部分27`形成第三个线性焊缝。
本发明的优点根据本发明的方法的一个基本优点是，在利用最小热释放总量对材料进行必须的焊接或熔融过程期间，包括在一个刀具中的两个金属部件可以通过一个牢固可靠的焊接接头焊接在一起。这就意味着部件彼此之间的预定位置不会受到焊接操作的影响，从而，例如，可以以一个可靠的方式保持插入承载加工部件相对于联结部件的准确位置。在应用于钻头或铣刀类型的可转动刀具时，上述焊接技术还可以应用于缩短刀具的作用。因此，如图3中最佳示出，在刀具的套筒接合中凸状元件的长度或轴向伸展可以减小至刀柄直径的一半以下。这样，在所述钻头中，钻头的总长度可以减小至少与钻头直径相同的数值。在这一点上，应当注意到这个事实所形成的焊缝是周边的，也就是，位于其中钻头和铣刀具有最大直径的位置。这意味着焊缝的力传递能力达到了最佳。
本发明可行的改进本发明并不是唯一地限于上述以及附图中所示的实施例。例如，所得到的焊缝并不是必须要沿着垫片的整个外周或暴露在外面的边缘连续。因此，在焊接过程中，在刀具相对于焊接设备连续地转动或直线移动期间可以间歇地关闭激光束。这样就形成了一个由多个间隔的点或块状焊点所构成的周边焊缝。还应当提及的是，间隔环并不是必须是平的。因此，可以用与周围部件相同的形状，例如，一个圆锥形状(杯状弹簧垫片)，从而使缝隙为相似的形状。而且，根据本发明的方法还可以应用于将任何刀具中除了附图中所示之外的其它部件整体焊接在一起。尽管所述实施例中示出的是外部焊接，但是内部焊接也是可行的。
附图标记列表1＝联结部件2＝钻柄3＝交界面4＝镶入式截坯刀5＝碎屑通道6＝冷却液通道7＝过渡部分8＝套环9＝凸状插头10＝套筒11＝底座12＝联结件13＝端孔14＝垫片
15＝台肩16＝接触面17＝包络面18＝接触面19＝接触面20＝缝隙21＝焊接设备22＝激光束23＝保护气体24＝锯齿面25＝插入夹具26＝插刀27＝边缘面28＝边缘面
权利要求
1.一种制造去屑加工刀具的方法，该刀具包括两个通过交界面(3)永久地结合在一起的金属部件，其特征在于，下列步骤在所述两个部件(1，2，2`)的至少一个中形成周边开口缝隙(20)，在所述缝隙中放置由金属制成的间隔垫片(14，14`)，以及通过激光束(22)将垫片的暴露周边焊接在所述两个部件(1，2，2`)上。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，焊接分为至少两个操作进行，也就是第一操作和第二操作，在第一操作过程中将激光束(22)保持为朝向垫片(14)和两个部件之一(1)之间的第一接触平面，在第二操作过程中移动激光束(22)并将其保持为朝向垫片(14)和第二个部件(2，2`)之间的接触平面。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，在各个焊接操作期间形成连续的环形焊缝。
4.如权利要求2或3所述的方法，其特征在于，各个焊接操作以两个或更多的分操作进行，在分操作期间激光束(22)和垫片(14，14`)之间的相对运动不同。
5.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，激光束(22)和垫片(14，14`)之间的相对运动至少以100毫米/秒的速度进行。
6.一种用于去屑加工的刀具，其包括由金属制成的联结部件(1，1`)和通过交界面(3)与之永久接合的第二部件(2，2`)，该第二部件同样由金属制成，其特征在于，在两个部件的至少一个中紧邻着所述交界面(3)形成有一个周边开口缝隙(20)，在该缝隙中放置有一个间隔的金属垫片(14，14`)，其形状是预定的并且对应于缝隙的形状，并且沿着其暴露在外面的周边激光焊接在联结部件(1，1`)以及第二部件(2，2`)上。
7.如权利要求6所述的刀具，其特征在于，所述部件(1，1`；2，2`)中的至少一个是由碳钢制成，并且垫片(14，14`)由奥氏体钢构成。
8.如权利要求6或7所述的刀具，其形式为旋转式刀具例如钻头，其类型为除联结部件(1)之外，还包括通过凸凹接头与该联结部件永久接合的插入承载加工部件(2)，该凸凹接头的类型为具有包括在加工部件(2)中的凸状元件(9)，该凸状元件(9)以压配合的方式插入联结部件(1)的凹状底座(11)中，其特征在于，垫片为一个环(14)的形状，其分别焊接在位于联结部件(1)和加工部件(2)上的两个相对的环形接触面(18，19)上。
9.如权利要求8所述的刀具，其特征在于，所述接触面(18，19)是平的并且在垂直于刀具的几何中心轴(C)的径向平面上延伸，且环(14)是平的并且具有两个焊接在所述接触面(18，19)上的相互平行的平表面。
10.如权利要求8或9所述的刀具，其特征在于，间隔环(14)的缝隙(20)由台肩(15)形成，该台肩(15)与凸状元件(9)一起从加工部件(2)的接触面(19)向后凸出，并且其直径，在一方面小于接触面(19)的外径，在另一方面大于凸状元件(9)的直径，台肩的厚度决定了缝隙(20)的宽度。
11.如权利要求10所述的刀具，其特征在于，间隔环(14)的厚度稍小于缝隙的宽度，以消除由于凸凹接头的压配合的建立而在环上形成压应力的危险。
全文摘要
在第一个方面，本发明涉及一种用于在包括在一个刀具中的两个部件之间获得焊接接头的方法，比如一个联结部件(1)和一个钻柄(2)。本发明的特征是在部件之间的一个周边开口缝隙中放置一个垫片(14)，该垫片具有一个对应于缝隙形状的预定形状，然后利用一个朝向垫片周边的激光束(22)在垫片的接触面和两个部件的相似接触面之间的边界区域将材料熔化并焊接在一起。在第二个方面，本发明还涉及一种这样的刀具。
文档编号B23K101/20GK1607060SQ200410086148
公开日2005年4月20日 申请日期2004年10月18日 优先权日2003年10月16日
发明者莱夫·尼斯特伦, 拉尔斯·马提亚松, 根·埃里克松 申请人:山特维克公司