本發(fā)明整體涉及其上具有整體式切屑控制表面的陶瓷切削工具，具體而言，涉及可用于金屬材料高速加工的可轉(zhuǎn)位型陶瓷切削工具。

背景技術(shù)：

雖然相對于燒結(jié)碳化物、帶涂層的燒結(jié)碳化物和金屬陶瓷切削工具，陶瓷切削工具在加工黑色或有色金屬材料方面的許多應(yīng)用中展示出了明顯的速度和/或工具壽命優(yōu)勢，但由于具有正前角模制切屑控制設(shè)計的刀片商購困難，其可用性依然受到了限制。盡管在文獻(xiàn)中提及這些設(shè)計，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員普遍認(rèn)為陶瓷刀片中這種模制切屑控制設(shè)計將導(dǎo)致切削刃在切削操作期間過早失效。這種看法基于相比于燒結(jié)碳化物和金屬陶瓷切削工具，陶瓷切削工具材料的橫向斷裂強(qiáng)度和斷裂韌性較低。

已將化合物加入到陶瓷中以增加其斷裂韌性和橫向斷裂強(qiáng)度。此類化合物，諸如碳化硅晶須以及碳化鈦、yb2o3、la2o3和其他稀土氧化物，通常使所得的復(fù)合材料更難以制造，因為需要更高的燒結(jié)溫度或熱壓來實現(xiàn)獲得最大斷裂韌性和橫向斷裂強(qiáng)度所需的高密度。應(yīng)當(dāng)注意，即使當(dāng)這些陶瓷復(fù)合材料完全致密時，其斷裂韌性和橫向斷裂強(qiáng)度仍然遠(yuǎn)低于金屬陶瓷和燒結(jié)碳化物的斷裂韌性和橫向斷裂強(qiáng)度。

這些更高的制造溫度也導(dǎo)致陶瓷復(fù)合材料表面處的反應(yīng)層的形成增加。這些反應(yīng)層的斷裂韌性和橫向斷裂強(qiáng)度比本體材料的斷裂韌性和橫向斷裂強(qiáng)度低。因此，在這些表面具有最佳強(qiáng)度和斷裂韌度、對切削性能至關(guān)重要的區(qū)域中，這些反應(yīng)層已被磨掉。因此，這些磨削要求使得具有切屑控制結(jié)構(gòu)的陶瓷切削刀片的制造變得昂貴，并且在需要復(fù)雜的切屑控制結(jié)構(gòu)的情況下，這種陶瓷切削刀片的制造在商業(yè)上是不切實際的。

然而，在大多數(shù)情況下，為了商業(yè)上和實踐中將陶瓷切削刀片應(yīng)用到延性材料(傾向于在高速加工期間形成不合需要的長切屑)諸如軟碳、合金和不銹鋼以及球墨或可鍛鑄鐵的自動(即無人)高速加工，需要一些形式的切屑控制以提供所需的短切屑。

以往，在必要時，將單獨的非一體式斷屑器夾緊到陶瓷刀片的平坦頂部前刀面，以提供一定程度的切屑控制?，F(xiàn)有技術(shù)中另一種嘗試解決方案是在陶瓷刀片的頂部前刀面中提供一體式上升斷屑器結(jié)構(gòu)(即架型斷屑器)。

在一種現(xiàn)有技術(shù)的陶瓷切削刀片中，在鄰近切削刃的前刀面上提供斜面(t形(t-land)或k形(k-land))。在具有從斜面上升并處在斜面上方的模制凹形壁的前刀面上提供島狀部。斜面和后刀面均處于磨削狀態(tài)。這種設(shè)計的優(yōu)點是其保持了具有平坦前刀面的陶瓷刀片的強(qiáng)切削刃(即斜面和后刀面在切削刃處形成的夾角為大于90度)，同時在一些有限的條件下提供切屑控制。遺憾的是，這種設(shè)計和單獨的頂部夾緊設(shè)計可能在切屑形成時擁堵或阻礙切屑的流動，并且由此被認(rèn)為其增加了切削所需的功率，同時還增加了切屑在切削刃處或其附近施加的應(yīng)力，導(dǎo)致切削刃壽命縮短。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本領(lǐng)域長期以來需要具有切屑控制結(jié)構(gòu)，優(yōu)選地具有正前角設(shè)計的陶瓷切削刀片，并且可輕松制造，成本低廉，同時在高金屬切削速度下在一定的進(jìn)料和切削深度范圍內(nèi)提供切屑控制和可接受的金屬切削壽命。因此鑒于以上所述研發(fā)了本發(fā)明。

在本發(fā)明的一個方面，切削刀片包括由陶瓷材料制成的主體。該主體具有第一表面、第二表面和至少一個在第一表面和第二表面之間延伸的后刀面。第一表面包括沿徑向向外的方向延伸至切削刃并且沿徑向向內(nèi)的方向延伸至內(nèi)邊緣的切屑形成特征。切屑形成特征包括從切削刃徑向向內(nèi)朝向圓形底部表面向下傾斜的前壁，以及從圓形底部表面徑向向內(nèi)朝向內(nèi)邊緣向上傾斜的后壁。

在本發(fā)明的另一方面，切削刀片包括由陶瓷材料制成的主體。該主體具有第一表面、第二表面和至少一個在第一表面和第二表面之間延伸的后刀面。第一表面包括沿徑向向外的方向延伸至切削刃并且沿徑向向內(nèi)的方向延伸至內(nèi)邊緣的切屑形成特征。切屑形成特征包括刃帶面(landsurface)和后壁，所述刃帶面在所述切削刃和前壁之間延伸，所述前壁從該刃帶面徑向向內(nèi)朝向圓形底部表面向下傾斜，所述后壁從所述圓形底部表面徑向向內(nèi)朝向所述內(nèi)邊緣向上傾斜。

在本發(fā)明的又一方面，一種制造陶瓷切削刀片的方法包括：

將由陶瓷材料制成的坯料壓制成所需的形狀，該坯料包括在第一表面和第二表面的其中一者上的切屑形成特征；

燒結(jié)該坯料以制備切削刀片的主體；

將切削刀片磨削至在約0.005英寸(0.127mm)的尺寸公差內(nèi)；并且對該切削刀片執(zhí)行精加工操作。

附圖說明

雖然示出了本發(fā)明的各種實施例，但是示出的具體實施例不應(yīng)被解釋為限制權(quán)利要求。預(yù)期可以在不脫離本發(fā)明范圍的情況下進(jìn)行各種變化和修改。

圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個方面的具有切屑形成特征的圓形陶瓷切削刀片的透視圖，示出中心縱向軸線32；

圖2是圖1所示的圓形陶瓷切削刀片的頂視圖；

圖3是沿著圖2的線3-3截取的圓形陶瓷切削刀片的剖視圖；

圖4是圖3的剖視圖中的4的放大視圖，示出陶瓷切削刀片的切屑形成特征，該陶瓷切削刀片具有任選的刃帶面，所述刃帶面相對于切削刀片的中心縱向軸線32以法向角(normalangle)形成；

圖5是陶瓷切削刀片的切屑形成特征的另一放大剖視圖，該陶瓷切削刀片具有任選的刃帶面，該刃帶面相對于切削刀片的中心縱向軸線32以法向角形成；

圖6是具有任選的刃帶面的切屑形成特征的另一放大剖視圖，該刃帶面相對于垂直于切削刀片的中心縱向軸線32的平面以負(fù)角形成；

圖7是根據(jù)本發(fā)明的具有切屑形成特征的正方形或多邊形陶瓷切削刀片的透視圖；

圖8是圖7所示的正方形陶瓷切削刀片的頂視圖；

圖9是一種制造具有切屑形成特征的陶瓷切削刀片的方法的示意圖。

具體實施方式

圖1-6示出了根據(jù)本發(fā)明的一個方面的可轉(zhuǎn)位陶瓷切削刀片10。切削刀片10包括主體11，該主體由陶瓷材料制成，并且具有第一或頂部表面12、第二或底部表面14以及在第一或頂部表面12和第二或底部表面14之間延伸的大致圓形的后刀面16。因此，應(yīng)當(dāng)理解，切削刀片10為大致圓形的切削刀片以便定位在工具主體中，以用于對工件(未示出)進(jìn)行切削操作，如本文中將更詳細(xì)地描述。還應(yīng)當(dāng)理解，第一或頂部表面12和第二或底部表面14彼此相同。因此，為了簡明起見，下文將僅討論切削刀片的第一或頂部表面12。

優(yōu)選地，陶瓷切削刀片10選自基于氧化鋁的陶瓷、基于氮化硅的陶瓷和基于賽隆(sialon)的陶瓷。優(yōu)選地，陶瓷復(fù)合材料中分散有選自陶瓷晶須(例如碳化鈦和/或碳化硅)、陶瓷顆粒(例如氧化鋯、二氧化鉿、碳化硅和/或碳化鈦)以及它們的混合物的增強(qiáng)劑。此外，陶瓷復(fù)合材料還優(yōu)選地具有分散于其中的燒結(jié)助劑的殘余物。優(yōu)選地，該燒結(jié)助劑選自氧化鋯、氧化鋁、氮化鋁、氧化釔、氧化鐿、氧化鑭、氧化鎂以及它們彼此的混合物或它們與其他要素的混合物。優(yōu)選的陶瓷復(fù)合材料包括約90-100％的氮化硅或賽隆相、以0至15重量％的量添加的稀土氧化物添加物，該稀土氧化物添加物全部分布在氮化硅或賽隆基體中。更優(yōu)選地，此復(fù)合材料具有4至12重量％的氮化鋁、5-12％的氧化鐿2-10重量％?？捎糜诒景l(fā)明的陶瓷材料是橫向斷裂強(qiáng)度為至少80ksi并且斷裂韌度為至少5mpam1/4的陶瓷材料。優(yōu)選地，橫向斷裂強(qiáng)度為至少100ksi，更優(yōu)選地至少130ksi，最優(yōu)選地至少140ksi。如果您需要詳細(xì)信息，請參閱由yeckley發(fā)明的k-01688或us6693054，2004年。這只是賽隆的一個例子，但與本發(fā)明非常相關(guān)。

如圖1-4所示，切削刀片10的第一或頂部表面12包括大致在18處示出的切屑形成特征，該切屑形成特征沿大致徑向向外的方向延伸至切削刃20，并沿大致徑向向內(nèi)的方向延伸至內(nèi)邊緣22。

現(xiàn)參見圖4和5，本發(fā)明的一方面是切屑形成特征18包括鄰近切削刃20的任選的刃帶面24，該刃帶面的寬度26在約0.0至約0.2英寸(0.508mm)之間。參見圖6，刃帶面24可相對于平面30以在約0.0度至約-25.0度之間的角度28形成，該平面基本上垂直于切削刀片10的中心縱向軸線32。

現(xiàn)參見圖4和5，切屑形成特征18還包括前壁34，該前壁從任選的刃帶面24(或在省去刃帶面24的情況下從切削刃20)徑向向內(nèi)朝向圓形底部表面36向下傾斜。前壁34相對于平面30以在約十(10)度和約二十五(25)度之間的前角38向下傾斜，該平面基本上垂直于切削刀片10的中心縱向軸線32。圓形底部表面36以在約0.02英寸(0.508mm)至約0.08英寸(2.032mm)之間的半徑r形成。圓形底部表面36的深度40(相對于切削刀片10的切削刃20)為在約0.006英寸(0.1524mm)至約0.025英寸(0.635mm)之間。

切屑形成特征18還包括從圓形底部表面36徑向向內(nèi)朝向內(nèi)邊緣22向上傾斜的后壁42。應(yīng)注意，內(nèi)邊緣22在后壁42與中央基本上平坦的頂臺(plateau)44的交匯處。后壁42相對于平面30以在約三十(30)度和約五十(50)度之間的角度46向上傾斜，該平面基本上垂直于切削刀片10的中心縱向軸線32。當(dāng)將切削刀片10安裝在切削工具(未示出)中時，中央頂臺44充當(dāng)切削刀片10的座置面(seatingsurface)。

在圖1-6中示出并描述了具有切屑形成特征18的圓形陶瓷切削刀片10。然而，應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明不受切削刀片10的形狀的限制，并且本發(fā)明的切屑形成特征18的原理可應(yīng)用于具有任何所需形狀的切削刀片。例如，本發(fā)明的切屑形成特征18的原理可應(yīng)用于具有頂部表面12、底部表面14和多個后刀面16的正方形切削刀片10，如圖7和8所示。考慮了其他形狀諸如三角形、三邊形(trigon)、矩形和任何多邊形形狀的切削刀片，均包含在本發(fā)明的范圍內(nèi)。

現(xiàn)參見圖9，現(xiàn)將描述一種制造圖1-8所示的切削刀片10的方法。應(yīng)注意，在圖9中示出了圓形陶瓷切削刀片10，但應(yīng)當(dāng)理解本發(fā)明的方法可應(yīng)用于圖7和8所示的正方形陶瓷切削刀片10和任何多邊形形狀的切削刀片。在步驟s8.1中，將由陶瓷材料制成的坯料48壓制成在頂部表面12、底部表面14或者兩者上具有切屑形成特征18的所需的形狀(即圓形、正方形、多邊形等)。通常將坯料48在介于約2ksi和約20ksi之間的壓力下壓制。

接著，在步驟s8.2中在約1500℃和約2000℃之間的溫度下燒結(jié)坯料48，以制備切削刀片10的主體11。然后，在步驟s8.3中將切削刀片10磨削至在約0.005英寸(0.127mm)的尺寸公差內(nèi)。

然后，可對切削刀片10執(zhí)行若干任選的精加工步驟。例如，可在步驟s8.4中在切屑形成特征18和切削刃20之間形成刃帶面24?？赏ㄟ^使用例如本領(lǐng)域中已知類型的計算機(jī)數(shù)控(cnc)程序形成刃帶面24。在另一精加工步驟中，可在步驟s8.5中刷拭(brush)并珩磨(hone)切削刀片10。在又一精加工步驟中，可在步驟s8.6中涂覆切削刀片10。通常，可使用耐磨材料諸如賽隆上的氮化硅涂覆切削刀片10。在又一精加工步驟中，可在步驟s8.7中濕噴射珩磨(wetblasthone)切削刀片10至所需的光潔度。

通過將圓形陶瓷刀片10安裝到切削直徑為50.8mm的面銑刀中進(jìn)行試驗。工件是長度為10英寸的in718。切削參數(shù)為：切削速度為747m/min，進(jìn)料速率為0.051mm/齒，切削深度為1.5mm，徑向切削深度為30mm。測試結(jié)果表明具有本文所述的切屑形成特征18的陶瓷切削刀片10提供了具有非常好的碎屑移除的優(yōu)異性能。相比于標(biāo)準(zhǔn)平坦頂部陶瓷刀片，采用本發(fā)明的切屑特征主軸負(fù)載減小。

鑒于以上所述，現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)具有本發(fā)明的切屑形成特征的單面和雙面陶瓷切削刀片均可用于軟鋼、球墨鑄鐵和高溫合金的高速加工。此外，申請人還驚奇地發(fā)現(xiàn)，雖然這些構(gòu)造可在磨削狀態(tài)下被制造和使用，但是其作為模制的后刀面和作為模制的切屑形成特征(例如刃帶和/或凹槽)也可優(yōu)選地被成功地制造和利用，由此顯著降低這種設(shè)計的制造成本。另外，申請人驚奇地發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明的切削刀片降低了工具壓力，減小了切削力和機(jī)器上的主軸負(fù)載，減少了機(jī)器需求，提供了更安靜的操作，同時使切削刀片能夠承受更高的切屑負(fù)載和更深的切削深度。

本文指出的專利和其他文獻(xiàn)據(jù)此以引用方式并入本文。根據(jù)對本說明書的考慮或?qū)嵤┍疚乃_的發(fā)明，本發(fā)明的其他實施例對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員將是顯而易見的。本說明書和實例僅是示例性的，無意限制本發(fā)明的范圍。本發(fā)明的真實范圍和精神由以下的權(quán)利要求書指出。