带有涂层主体的聚晶金刚石切削工具.pdf

一种使用散布有引导表面和排屑表面的聚晶金刚石切削表面来机加工金属工件的切削工具。当机加工铸铝合金工件中的孔时，已经发现铝机加工切屑粘附到引导表面和排屑表面并损坏机加工表面。已经发现当引导表面和排屑表面用类金刚石碳材料涂层时，铝切屑不会损坏机加工表面。

1.   一种用于机加工铝合金工件的可旋转孔形成工具，所述工具具有旋转轴线和倒圆角外表面，所述工具包括：
细长的一体式工具主体，所述主体包括工具保持器部分和孔形成部分，每个在工具的旋转轴线上对中；
所述孔形成部分具有一定长度，用于在工件中形成孔，所述孔形成部分具有倒圆角外表面，带有沿孔形成部分长度的一个或多个不同区域，所述孔形成部分具有与工件初始接合的端表面，所述孔形成部分的倒圆角外表面形成有至少两个向内延伸的相对V形沟槽，每个V形沟槽由两个相交的表面限定：平坦沟槽表面和第二沟槽表面，每个沟槽表面在孔形成部分的外表面处隔开，且每个表面从孔形成部分的外表面向内延伸，以在内部沟槽边缘中相交，所述内部沟槽边缘在工具主体的孔形成部分的一部分上平行于工具旋转轴线或者沿工具旋转轴线延伸；
每个V形沟槽的平坦沟槽表面具有烧结聚晶金刚石（PCD）的第一钎焊铝切削层，第一铝切削层沿第一平坦沟槽表面的轴向长度的一部分延伸，使得第一铝切削层在端表面处提供钻孔边缘用于在工件中形成孔，且在孔形成部分的外表面处提供铣孔边缘，以对由钻孔边缘形成的孔定尺寸且精加工孔的表面；
每个V形沟槽的第二表面在孔形成部分的没有切削边缘或沟槽的外表面区域中与孔形成部分的外表面相交，且在孔形成部分的外表面处在直径上小于相对的切削边缘，外表面区域靠近第二沟槽表面的边缘，用作工具的引导表面；以及
每个铝切削PCD层、每个第一和第二沟槽表面、以及工具的孔形成区域的外表面涂层有摩擦减少层，用于润滑工具在工件内的旋转且促进通过工具的旋转切削边缘产生的铝碎屑沿每个沟槽的表面朝向孔形成部分的工具保持器部分流动，所述摩擦减少层的厚度具有1-3微米的范围。

2.   根据权利要求1所述的可旋转孔形成工具，其中，所述摩擦减少层是类金刚石碳。

3.   根据权利要求1所述的可旋转孔形成工具，其中，所述摩擦减少层是氢化类金刚石碳。

4.   根据权利要求1所述的可旋转孔形成工具，其中，第一和第二V形沟槽的平坦表面向内延伸到工具主体中不相等的距离。

5.   根据权利要求1所述的可旋转孔形成工具，其中，所述工具包括烧结聚晶金刚石的一个或多个附加钎焊铝切削PCD层，用于在工具的切削部分中提供附加切削边缘，所述一个或多个附加PCD层从第一切削层间隔开且钎焊到一个或多个平坦沟槽表面。

6.   根据权利要求5所述的可旋转孔形成工具，其中，所述一个或多个附加切削边缘与由一个或多个端部切削边缘形成的孔的圆柱形表面接合，附加切削边缘定尺寸且适合于扩大孔的圆柱形表面的至少一部分的直径。

7.   根据权利要求1所述的可旋转孔形成工具，其中，随着沟槽从工具的孔形成部分的端部延伸，每个沟槽沿沟槽的长度具有变化的横截面。

8.   根据权利要求7所述的可旋转孔形成工具，其中，沟槽延伸到工具主体的工具保持器部分中。

9.   一种适合于机加工铝和铝合金的可旋转孔形成工具，所述工具包括：
细长的一体式工具主体，所述主体具有旋转轴线和倒圆角外表面，所述主体在一端包括具有一定长度的孔形成部分，且在第二端处包括工具保持器部分，孔形成部分包括钻头部分和一个或多个铣具部分，钻头部分和铣具部分中的每个包括一个或多个聚晶金刚石（PCD）切削边缘；
两个槽，用于从切削边缘排出切削碎屑且将切削碎屑沿工具轴线输送，所述槽延伸孔形成部分的长度，且任选地还部分地延伸到工具保持器部分中，每个槽包括钻头槽部分、铣具槽部分和过渡槽部分，所述槽部分中的每个具有一定长度，且过渡槽部分位于钻头槽部分和铣具槽部分之间，且将钻头槽部分和铣具槽部分连接；
钻头槽部分和铣具槽部分均由第一平坦表面和第二表面界定，第一平坦表面从孔形成部分的表面向内延伸且包括具有切削边缘的一个或多个钎焊PCD层，第二表面从孔形成部分的表面向内延伸且在内部槽边缘处与第一表面相交，内部槽边缘的至少一部分平行于工具轴线，第一和第二表面在沿槽的长度的每个位置处限定槽横截面面积，铣具槽部分的横截面面积小于钻头槽部分的横截面，且槽的过渡槽部分的面积沿其长度变化，过渡槽部分由第一平坦表面和第二表面界定，设置成使第二槽表面在钻头部分的第二槽表面之间平滑地过渡至铣具部分的第二槽表面；
钻头部分和铣具部分中的每个具有两个大致相对的不相等长度的引导表面，钻头部分引导表面的每个表面从钻头切削边缘的扫过表面的表面向内偏移大约3微米，铣具部分引导表面的每个表面从对应的一个或多个铣具切削边缘的扫过表面向内偏移大约3微米；以及
槽的至少界定表面涂层有单层润滑涂层，所述涂层用于抑制铝或铝合金机加工碎屑粘附到槽表面，涂层厚度具有1-3微米的范围。

10.   根据权利要求9所述的可旋转孔形成工具，其中，所述润滑涂层是类金刚石碳。

11.   根据权利要求9所述的可旋转孔形成工具，其中，所述润滑涂层是氢化类金刚石碳。

12.   根据权利要求9所述的可旋转孔形成工具，其中，切削边缘和引导表面涂层有润滑涂层。

带有涂层主体的聚晶金刚石切削工具
本申请是申请日为2007年11月1日且名称为“带有涂层主体的聚晶金刚石切削工具”的申请200880114252.X的分案申请。
技术领域
本发明涉及用于机加工铝合金工件的表面的切削工具。更具体地，本发明涉及用于涂层这种切削工具的主体表面的实践，以避免铝转移至工具，使得工具寿命最大化且使得机加工表面的损伤最小化。
背景技术
许多制造物品从金属铸件制成，所述金属铸件带有被机加工至指定形状和指定尺寸的表面。通常，这种机加工包括在预制主体中钻孔或精加工孔。许多机动车辆动力系部件由需要钻孔或孔精加工操作的铝合金铸件制成。铣孔是孔精加工操作的一个示例。在该操作中，少量的原料借助于称为铣具的特定工具从孔的内径去除。铣具用于车辆变速器的铸铝合金阀主体和发动机气缸体和气缸盖中的孔的精加工操作。切削操作的范围宽，从而需要使用许多切削工具和金属机加工操作。为了工具更换或工具整修（refurbishing），切削工具的设计对于在不停止的情况下保持机加工操作是重要的。
具有聚晶金刚石插件的切削工具广泛地用于铝、铝合金和其它非铁材料的机加工。具体地，具有聚晶金刚石（PCD）插件的圆形可旋转切削工具用于精加工操作以将铝合金铸件中的孔机加工至最终尺寸和圆度。PCD插件是为机加工操作提供硬的、耐用的切削尖端或边缘的主体。PCD带尖端工具通常由强工具钢或金属碳化物成分的主体形成，带有一对或多对PCD切削边缘。PCD切削插件包括在合适的基体材料中烧结的随机取向的硬质金刚石颗粒的共生块体。由硬PCD材料形成的切削边缘改进了切削工具的有效寿命并提供更好的表面质量。
除了PCD切削边缘之外，工具主体（例如，旨在于成形孔时旋转的工具）还可具有有助于将工具相对于工件定位且减少工具变圆（round out）的引导表面和/或边缘。具体地，PCD带尖端铣具可具有跟随精加工孔且有助于保持工具和孔的同心度的表面和/或边缘，同时切削表面去除铝合金切屑或颗粒。这些铣具有时具有一对或多对径向延伸的引导表面和/或边缘。在其它情况下，这些铣具可具有三个径向延伸的引导表面和/或边缘。铣具通常被机加工使得引导表面和/或边缘紧密跟随机加工孔而不会损坏所述孔且不去除附加材料。这通过使得引导表面和/或边缘的直径比PCD切削边缘的直径小若干微米来实现。快速旋转工具上的引导表面和/或边缘接合机加工表面并跟随机加工表面且减少切削工具的振动。
除了引导表面和/或边缘和PCD切削边缘之外，工具还可以具有排屑表面以沿工具主体和从被切削的孔进行排屑。在铣具中，这些表面形成槽且有时具有工具主体中的圆形螺旋凹槽的形状。在其它情况下，这些表面可以是直的。在另外的情况下，这些表面可具有螺旋和直的表面的组合。
因而，在切削工具的操作期间，铝合金切屑通过PCD切削边缘从机加工表面去除且通过沿排屑表面滑动从切削区域去除。然而，有时铝切屑瞬时地积聚在旋转引导表面和/或边缘或排屑表面上。当切屑粘附到排屑表面并积聚在排屑表面上时，阻碍了随后的切屑的通过，从而导致材料积聚，这擦伤和/或损坏被机加工的表面。当工具已经使用一段时间且已经磨损时，碎屑在工具表面上的这种积聚更快。如果不进行校正，碎屑在工具表面上的这种积聚会导致机加工孔的表面质量降低和/或工具的断裂。因而，这种情况可能需要过早地整修切削工具。
在用PCD切削工具机加工期间，切削速度通常高。因而，去除的切屑是热的，从而增加切屑瞬时粘附到未切削工具表面（例如引导表面和/或边缘或排屑表面）的可能性，导致切屑积聚和损坏表面。需要使得PCD切削工具的引导表面和/或排屑表面上的铝材料积聚最小化。
发明内容
代表性切削工具可以是例如铣具，即被旋转以扩孔或成形孔的工具。工具的主体可以由高速工具钢或烧结碳化物制成。烧结碳化物材料可以通过使用钴作为粘结剂烧结碳化钨颗粒制成。
当铣具用于在铝中精加工孔时，铣具可被成形以具有保持器部分和刀具主体部分。切削工具的保持器部分被置于且紧固在带动力机器的芯轴中，所述机器定位并旋转切削工具。工具的刀具主体部分支承相对的聚晶金刚石（PCD）切削边缘，在金属去除切削操作中，所述PCD切削边缘从工件的孔内径去除原料。
在本发明的实施例中，切削工具的引导表面/边缘和排屑表面用氢化类金刚石碳（DLC）材料涂层。已经发现铝切屑不粘附到类金刚石碳材料且切屑通过旋转工具和机加工流体或通过其它方式被运送远离机加工表面且离开切削区域。
在本发明的一个DLC涂层实施例中，工具的整个主体用氢化类金刚石碳材料膜涂层。由于在切削边缘附近温度和局部磨损最高，且由于DLC比PCD切削边缘软很多，因而DLC易于从工具的聚晶金刚石切削边缘附近擦去。然而，更重要的是，粘附性DLC涂层保持在工具的引导表面和边缘、排屑表面和其它刀具主体表面上，其中，温度和压力低很多。由于铝切屑不粘附到DLC涂层，因此切削操作可在不整修工具的情况下持续更长的操作时段。
金刚石由具有sp³键的碳原子的实际长范围晶体（通常具有立方体晶体结构）设置构成。通常，类金刚石碳材料是用sp²和sp³键连接的碳原子的无定形混合簇。在氢化类金刚石碳中，氢原子键接（bond）到一些碳原子。氢化类金刚石碳材料通常比无氢的无定形碳稍微软一些且更柔性，且对铝更具化学惰性。这些类金刚石碳可通过不同的合适方法制备。例如，在碳氢化合物气体混合物中采用无线电频率或直流辉光放电的等离子辅助的化学气相沉积技术产生具有混合sp²和sp³键的平滑无定形碳和碳氢化合物膜。所述膜可沉积在基底上，例如切削工具主体。在本发明的实践中，其它方法可用于将氢化类金刚石碳膜沉积在切削工具主体上。这些粘附性和耐用碳膜用作光滑路径，以脱落和排出铝机加工切屑并消除铝粘附到工具，从而使得机加工铝合金表面的划痕最小化。
本发明的其它目的和优势将从随后的本发明的进一步说明实施例的描述显而易见。
附图说明
图1是铣具的三向投影图，示出了切削表面、排屑表面和引导表面。
图2是沿2-2截取的图1的切削工具的截面，示出了类金刚石涂层位于工具的引导表面上。
具体实施方式
当使用金属切削工具在类似工件上进行许多类似的机加工操作时，制造策略通常是采用允许在需要整修工具之前执行多次重复机加工操作的工具设计和材料。工具形状和材料的选择将通常取决于金属工件的成分。本发明涉及这种工具设计和材料。
本发明的实践可应用于具有切削边缘和非切削表面和边缘的组合的切削工具。非切削表面和边缘的示例包括引导表面或边缘和排屑表面。根据一个实施例，工具的非切削表面可用DLC涂层。在切削工具中，切削表面从工件表面去除金属切屑。引导表面将工具与工件表面分开。排屑表面为从切削区域排屑提供路径。
工具可由适当硬的金属制成，例如，高速钢、工具钢或金属化合物（如，碳化钨）。工具的切削表面可具有聚晶金刚石材料的钎焊的、相对薄的沉积物，以便延长工具寿命。用于切削的该沉积物有时称为“插件”。显然，工具能以多种不同形状形成，且其它材料可用于制造切削工具。在各种实施例中，工具可例如但不限于钻头、铣具、铣刀、钻具或车床切削刀具。
在一个实施例中，工具可以是旋转铣具。铣具可用于精加工金属工件（例如，机动车辆变速器阀主体、车辆气缸体或气缸盖的铝合金铸件）中的孔。这种铣具在图1和2中示出。图1示出了铣具的三向投影图。图2示出了沿图1的2-2截取的铣具10的切削尖端的一部分的截面图。铣具10能以逆时针方向旋转，如图2箭头所示。
参考图1，铣具10具有圆形保持器部分或柄部12，圆形保持器部分或柄部12具有旋转中心和轴向延伸的刀具主体14。铣具10设计和成形用于精加工铝合金铸件中的许多类似的孔（至指定圆度和尺寸）。除了下文所述之外，保持器部分12和刀具主体14形成为单件，合适地由烧结碳化钨等制成。圆形保持器部分12适合于由动力旋转机器（未示出）的卡盘爪紧固。保持器部分12可具有平坦表面16，用于由机器的旋转芯轴接合以防止铣具在机器的保持机构中滑动。设置切削边缘22以在铣具10在铸件的孔中旋转时去除铝切屑。
参考图1和2，刀具主体14成形为带有一组相对的沟槽或凹槽15（也称为排屑槽）。最佳地如图2所示，槽15通过沿刀具主体的轴线去除弧形部分形成。槽15具有平坦的径向表面18和19，径向表面18和19成形槽且提供叶轮中的排屑表面。径向排屑表面18和19可从工具的中心部分延伸到刀具主体14的外部周边。在工具的操作中，槽15还可以由工件中的机加工孔的表面界定。
如图2所示，烧结聚晶金刚石材料（PCD）层20附连到排屑槽15的排屑表面18。PCD层20的最外角部形成铣具10的切削边缘22。切削边缘22去除铝切屑（未示出），所述铝切屑沿PCD层20且轴向地沿排屑槽15的排屑表面18运送，且最终离开机加工孔。
刀具主体14还成形为带有两个径向相对的引导器24。一个引导器24在图1中示出且两个引导器24都可在图2中看到。在该实施例中，引导器24与切削边缘22隔开90度。引导器24的直径被制成比切削边缘22扫过的直径小若干微米。例如，引导器24的直径可比切削边缘扫过的直径小6微米，从而在铣具10每一侧上在机加工孔表面和引导器24之间留下3微米的间隙。
在机加工操作中，铣具10在工件孔中旋转（例如，以4000-10000rpm）。当切削边缘22接合工件时，刀具主体14折曲且引导器24与工件表面和机加工切屑接触。
根据本发明，引导器24的外部径向表面26设置有DLC材料的涂层28。在本发明的优选实施例中，氢化类金刚石碳材料沉积在外表面26上。优选地，涂层28的厚度在1微米至3微米之间。
在本发明的多个实施例中，DLC材料将使用等离子从蒸汽沉积。在这种实施例中，可以更容易地且优选地涂层刀具主体14的大量外表面。这种大范围涂层在图2中由虚线涂层28’表示。为了更清楚地图示刀具主体14及其特征，在图1中未示出DLC涂层28’。大范围涂层28’还可涂覆在聚晶金刚石层20上。但是，聚晶金刚石层20上的任何DLC涂层28、28’可逐渐磨损掉且从机加工孔去除。
在刀具主体14（包括引导器24和槽15（还用以排屑））上的DLC涂层28、28’的功能是使得铝机加工切屑的粘附最小化。已发现当铝切屑楔入在引导器24和机加工孔表面之间或者在排屑表面18和机加工孔表面之间时，那么可能发生对孔的精加工表面的划伤或其它损坏。DLC涂层28、28’允许铝切屑滑过刀具主体14的表面（包括引导器24和槽15）且从机加工孔去除。
DLC涂层类似于低摩擦涂层起作用，在铝和铝合金表面的金属切削期间铝切屑展示对DLC涂层的低粘附性。存在可取代DLC或者与DLC结合在切削工具主体上使用的其它低摩擦涂层材料，以防止由于与切削工具表面粘附引起的铝机加工切屑的积聚。例如，含金属的类金刚石碳涂层、二硼化钛（TiB₂）涂层或纳米复合碳化钨/碳涂层可涂覆于切削工具主体以利于去除铝机加工切屑并使得铝机加工切屑在切削工具表面上的积聚最小化。
本发明的实践已经通过示例示出，示例表示为说明而不是对本发明的限制。