專利名稱：精密燒結(jié)碳化物螺紋絲錐的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及切削工具。更特別地，本發(fā)明涉及以可切削的金屬和非金屬材料制造內(nèi)螺紋的精密燒結(jié)碳化物螺紋絲錐。
背景技術(shù)：
需要螺紋的機械和機器元件在技術(shù)上已有了很長的歷史。特別地，螺紋用作緊固件將部件與組件連接在一起在所有其它方式中占有支配地位。盡管有許多形成內(nèi)螺紋和外螺紋的方法，但實踐已經(jīng)證明了絲錐是形成內(nèi)螺紋的最佳方式。當前存在兩種形成內(nèi)螺紋的攻絲方法。占優(yōu)勢的攻絲方法是通過切削并從孔的壁處移除材料以便產(chǎn)生螺旋的V-形螺紋?？商娲?，內(nèi)螺紋可通過置換材料以便形成內(nèi)螺紋來制造。
內(nèi)螺紋外形和尺寸的尺寸精度控制了螺紋組件的精度和配合。此外，攻絲的速度控制了產(chǎn)生內(nèi)螺紋的成本。在螺紋孔的制造過程中，歷史上絲錐是通過鉆孔器的擠壓或安裝有柔性板牙的機床來驅(qū)動的，從而允許絲錐旋轉(zhuǎn)并以近似于內(nèi)螺紋所需的螺距的速率進給。由于機器的進給僅僅是近似的，所產(chǎn)生的螺紋螺距由絲錐的螺距控制，而機器的進給和絲錐螺距之間的差別由柔性的板牙調(diào)節(jié)。不僅精度受柔性板牙的影響，而且它們能旋轉(zhuǎn)的速率是有限的。此外，在切削過程中，板牙容許絲錐徑向地偏轉(zhuǎn)，進一步限制了所產(chǎn)生的螺紋的精度。
近來，機床已經(jīng)通過CNC控制得到了改進，如此，保持絲錐的心軸的旋轉(zhuǎn)和進給可精確地同步(例如美國專利US.4879660，其全部內(nèi)容被合并于此而作為參考)，從而消除了對柔性板牙的需要。此外，保持其它旋轉(zhuǎn)柄類型的工具的裝置，例如鉆孔器和端銑刀，已經(jīng)通過能首先受熱膨脹并且隨后受冷收縮以便配合工具柄部的夾持器改進了。作為選擇，通過水壓保持工具的柄的夾持器已經(jīng)得到了發(fā)展。與板牙相比，收縮配合和水力夾持器都可能允許工具以更小的徑向偏轉(zhuǎn)而被旋轉(zhuǎn)；例如夾持器可在3微米或更小的范圍內(nèi)同心地旋轉(zhuǎn)。而且，這些方法能以更大的夾持力和剛度來保持圓柱形的柄。減小了的徑向偏轉(zhuǎn)和更高的剛度允許碳化物圓柱形切削工具的使用，并且它能夠以比由工具鋼制造的相似工具更快的切削速度而被使用。
近來，絲錐已被重新設計和構(gòu)造以允許收縮配合和水力夾持器以與其它旋轉(zhuǎn)柄類型工具相似的方式來使用，例如鉆孔器和端銑刀。進行的設計是為了在這些工具夾持器中使用，現(xiàn)在可得到的絲錐具有全部為圓柱形的柄而不借助于老式設計的正方形的幫助，也不借助于其它扁平的或其它凹槽的幫助。但是，目前制造的絲錐不具有足夠精度的圓柱形柄(直徑和圓度)以便允許全部使用收縮配合和水力夾持器。對于設計和目前已知絲錐的容差可以參考美國國家標準，A.S.M.E.B94.9-1999。設想，例如按照B94.9制造的12mm的絲錐，柄的直徑為+0.0000，-0.0015英寸(38微米)。B94.9沒有給出柄的圓度的限制，當絲錐在制造過程中被保持且這些特征被測量到中心時，分別地，對于柄和小直徑，偏心度要求必須不大于0.0008英寸(20微米)，對于倒角切削刃，偏心度必須不大于0.0015英寸(38微米)。螺紋直徑和倒角切削刃的同心度與絲錐的柄之間沒有直接的關(guān)系。為了提供給絲錐收縮配合和水力夾持器的有效使用，柄的直徑必須為DIN標準7160的h6，這需要例如12mm絲錐的柄具有直徑容差為+0，-11微米(+0，-0.0004英寸)的公稱直徑，并且圓度為3微米(0.00012英寸)或更小。
偏心率被定義為從位于直徑平面內(nèi)的并且與工具軸同心的真正的圓的徑向偏離。在實踐中，偏心率典型地通過例如度盤指示器來測量，其與圓柱體的軸成直角安裝，并且表示為總指示器變量(tiv)。偏心度被定義為偏轉(zhuǎn)或總指示器變量的一半。由于絲錐在使用過程中由柄保持，絲錐螺紋切削部分的偏轉(zhuǎn)可通過柄精確地保持該絲錐而被最有效地測量并且當絲錐旋轉(zhuǎn)時測量該偏轉(zhuǎn)。
燒結(jié)碳化鎢是工具鋼中用于制造切削工具的最優(yōu)材料，例如高速鋼，由于具有例如較高的硬度和高溫穩(wěn)定性的特性，包括在高溫下保持硬度的能力。典型地，由燒結(jié)碳化物制造的切削工具可被使用，其切削速度至少比由“高速”鋼制造的工具高三倍并且該工具的壽命更長一些。但是，與工具鋼相比，燒結(jié)碳化鎢具有較低的斷裂韌度和強度，在切削工具可被剛性地保持的地方，這限制了它用于切削加工。在當前技術(shù)中，絲錐的同心度沒有改進，即使是在收縮配合和水力夾持器的幫助下，由燒結(jié)碳化物制造的絲錐僅具有非常有限的用途。此外，由于隨著絲錐轉(zhuǎn)速的增加，絲錐的偏轉(zhuǎn)將增加，這種絲錐可被使用的速度將受到限制。

發(fā)明內(nèi)容
簡短地說，根據(jù)本發(fā)明，提供了一種精密燒結(jié)碳化物絲錐，其包括全部為圓柱形的柄并且它的螺紋體和切削倒角與柄是同心的，并且其范圍在10微米之內(nèi)，從而制造出了改進精度和速度的內(nèi)螺紋。


本發(fā)明的進一步特征，以及從其中得出的優(yōu)點，將從下面的參照附圖的詳細說明中變得明顯，其中附圖為圖1是根據(jù)本發(fā)明一實施例的精密燒結(jié)碳化物螺紋絲錐的透視圖；圖2是圖1中精密燒結(jié)碳化物螺紋絲錐的側(cè)視圖。
具體實施例方式
參照圖1和圖2，示出了根據(jù)本發(fā)明一實施例的通常表示為10的精密燒結(jié)碳化物螺紋絲錐。絲錐10由燒結(jié)碳化鎢坯料制造，該坯料通常指的是基片。該坯料的直徑大于絲錐10的最終尺寸，并且在表面42和44上按長度被切割。
用于該基片的典型材料是粘結(jié)有鈷的金屬碳化物。盡管主要的碳化物組成是碳化鎢，但其它碳化物也可被使用，例如碳化鉭，碳化鈦以及碳化鈮。此外，少量的過渡金屬碳化物也可被加入以抑制晶粒生長，并且該基片也可包括少量的不可避免的雜質(zhì)。
加工該基片的第一步驟是通過例如在中心上的圓柱形縱磨或無中心的橫磨法將坯料研磨成精密圓柱的容差。在該步驟中，圓柱形的柄46在無正方形、扁平或其它凹槽的絲錐10的軸向后端部研磨成尺寸，并且螺紋體部分31的小直徑形成在絲錐10的軸向后端部。圓柱形柄46的表面被研磨成Deutsche Normen DIN 7160中所聲稱的h6直徑容差并且其圓度為3微米或更小。此外，在該加工過程中，或者作為一額外工序的結(jié)果，一可選擇的頸部49可通過一圓柱形的表面52創(chuàng)建，以及一位于圓柱形柄46和頸部49之間的斜面48。此外，一可選擇的斜面24可通過外圓磨削被研磨。通常，柄的直徑D，近似于與公稱螺紋直徑相等，但是柄的直徑也可小于公稱直徑以用于大直徑絲錐，并且可選擇地，大于公稱直徑以用于小直徑絲錐。
本發(fā)明的一方面是坯料隨后在研磨過程中通過精密水力夾持器而由精密研磨柄46保持，以便為了確保螺紋體部分52和螺紋切削倒角部分54與圓柱形柄46是同心的，并且偏心率在10微米之內(nèi)。
在下一步驟中，一個或多個凹槽50被研磨以便提供與倒角30相配合的切削刃，還提供一用于排出當絲錐被使用時形成的碎片的裝置。如圖1所示，凹槽50是直的并且通常被定位于平行于絲錐10的軸。應該理解，其它定向的凹槽也是可能的。例如，在絲錐的入口部分，短凹槽可與絲錐10的縱軸成5-20度的角被研磨，以便為了在絲錐的使用過程中迫使碎片位于絲錐的運動之前?？商娲兀疾?0可以是螺旋形的，螺旋形的旋轉(zhuǎn)可根據(jù)在絲錐的使用過程中是需要將碎片從孔中引出還是在絲錐的運動之前推動碎片。
在下一步驟中，螺紋體部分31被研磨以便沿著小直徑和大直徑在一螺旋管上形成V-形的螺紋坯料表面。隨后，螺紋切削倒角部分30的外形通過磨削來形成。V-形螺紋坯料表面和大直徑復制在攻絲過程中產(chǎn)生的內(nèi)螺紋。螺紋切削倒角部分30被削尖以便允許進入將要被攻絲的孔中。
作為工藝的最后一步，絲錐10可被選擇性地涂覆一金屬氮化物、碳化物、碳氮化物、硼化物和/或氧化物的耐磨層(未顯示)，其中，金屬選自下述的一種或多種鋁，硅以及周期表的IVa，Va和VIa族的過渡金屬。該層以單層或包括交替層的多層沉積。
作為進一步的選擇，可選擇的耐磨層可被用于減少摩擦的第二外層涂覆(未顯示)，該第二層由二硫化鉬；二硫化鉬和過渡金屬碳；碳和過渡金屬碳化物；碳和過渡金屬；碳；以及碳氮化物組成。外層以單層或包括交替層的多層沉積。以可選擇的耐磨層和用于減少摩擦的外層對絲錐10的涂覆描述在共同待處理的序列號為No.10/xxx，xxx，名稱為“涂覆有碳化物的絲錐”(KG-1981)的美國專利申請中，其全部內(nèi)容在此被合并并引為參考。
耐磨層和用于減少摩擦的外層都可以應用氣相沉積技術(shù)，例如公知的物理氣相沉積(PVD)技術(shù)中的一種，例如，任何高離子密度工藝，如離子電鍍法、磁控管濺射、電弧蒸發(fā)、或其它，或者是通過使用各種CVD工藝的化學氣相沉積(CVD)技術(shù)，其能實現(xiàn)令人滿意的CVD層。熱燈絲CVD工藝可被用于金剛石涂覆。
作為選擇，具有全部為圓柱形柄46的精密燒結(jié)碳化物螺紋絲錐10可被金剛石和/或與金剛石相似的碳涂層并以相似于涂覆耐磨層的方式涂覆，以用于攻絲有色金屬材料，例如包括硅的鋁。
圖5是精密燒結(jié)碳化物螺紋絲錐10的側(cè)視圖。圖5的左側(cè)是柄46，其直徑為D，長度為LS。圖5的右側(cè)是螺紋體部分31，其長度為LT，并且包括長度為LC的錐形的切削倒角部分30。絲錐10的可選擇的特征是可包括總長度為LN的直徑減小的頸部49。在攻絲過程中，絲錐10通過錐形的切削倒角部分54進入到將要被攻絲的孔中。
上述說明書以一些基本的步驟表征了得到圖1的精密燒結(jié)碳化物螺紋絲錐10的工藝。但是，應該理解，該工藝可采用任何數(shù)量的合適的步驟。上述基本步驟的使用只是為了方便說明。因此，本發(fā)明的范圍不應限定于陳述在上面的特定工藝過程。
本發(fā)明的精密絲錐10的一方面在于螺紋體部分31和螺紋切削倒角部分30與圓柱形柄46是同心的并且偏心率在10微米之內(nèi)，從而當絲錐10在使用過程中由精密絲錐夾持器(未顯示)保持時，絲錐10的螺紋體部分31和螺紋切削倒角部分30可與攻絲機(未顯示)同步旋轉(zhuǎn)，而組合偏心率卻非常小，以致于該偏心率不會影響螺紋孔的精度和速度，從而絲錐10可被使用。
已經(jīng)進行了一些試驗來證明本發(fā)明的精密燒結(jié)碳化物螺紋絲錐40的有效性。在一個試驗中，一個M12×1.25mm節(jié)距的精密燒結(jié)碳化物螺紋絲錐在一同步攻絲機上以300英尺/分鐘通過攻絲33HRCAISI4340鋼來檢測。該精密絲錐開了1686個具有較小磨損的測量質(zhì)量可接受的孔，然而，按照A.S.M.E.B94.9-1999制造的涂覆有HSS的TiN絲錐只能產(chǎn)生158個質(zhì)量可接受的孔。傳統(tǒng)的絲錐只能在50英尺/分鐘的降低速度下產(chǎn)生可比較數(shù)量的螺紋孔。
本發(fā)明的M12×1.25精密燒結(jié)碳化物螺紋絲錐在另一試驗中，我們發(fā)現(xiàn)當對JIS SCM440鋼攻絲時，該精密絲錐能以80米/分鐘的速度使用。而傳統(tǒng)的絲錐在對JIS SCM440鋼攻絲時，其推薦的速度僅有14米/分鐘。在兩個試驗中，我們均發(fā)現(xiàn)通過本發(fā)明的絲錐而產(chǎn)生的內(nèi)螺紋能夠維持這些高的攻絲速度。
這些試驗的結(jié)果表明本發(fā)明的精密絲錐相對于已經(jīng)存在的絲錐技術(shù)具有許多優(yōu)點，即能提高精度和速度，從而內(nèi)螺紋可被生產(chǎn)。此外，具有圓柱形柄的本發(fā)明的精密絲錐產(chǎn)生了改進的直徑公差，允許精密收縮配合和水力夾持器在具有攻絲心軸的CNC機床上的有效使用，從而使旋轉(zhuǎn)和進給精密地與絲錐的螺距同步。當本發(fā)明的絲錐與這些精密夾持器一起使用時，內(nèi)螺紋的精度被改善了。而且，由在切削體和柄之間具有較小量偏心率的燒結(jié)碳化物絲錐制造的絲錐可以具有顯著改善了的切削速度而被使用。
這里引用的文獻、專利以及專利申請被合并于此而作為參考。
盡管已經(jīng)與各種實施例相聯(lián)系而對本發(fā)明作出了特定的描述，但是應該理解其采用的方式只是示例而不是限制，所附的權(quán)利要求的范圍應被認為是像現(xiàn)有技術(shù)所允許的那樣寬。
權(quán)利要求
1.一種精密燒結(jié)碳化物絲錐，包括一軸向后端部，其包括一圓柱形的柄；和一軸向前端部，其包括一螺紋體部分和一螺紋切削倒角部分，其中螺紋體部分，和螺紋切削倒角部分與該圓柱形的柄是同心的，偏心率在10微米之內(nèi)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳化物絲錐，其中所述精密燒結(jié)碳化物絲錐涂覆有一金屬氮化物、碳化物、碳氮化物、硼化物和/或氧化物的耐磨層，并且金屬選自下述的一種或多種鋁、硅以及周期表中IVa，Va和VIa族的過渡金屬。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的碳化物涂覆的絲錐，其中耐磨層以單層或多層沉積。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的碳化物涂覆的絲錐，進一步包括一涂覆到該第一層以用于減小摩擦的第二外層。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的碳化物涂覆的絲錐，其中外層由二硫化鉬；二硫化鉬和過渡金屬；或它們的任何組合組成。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的碳化物涂覆的絲錐，其中外層由碳；碳和過渡金屬碳化物；或它們的任何組合組成。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的碳化物涂覆的絲錐，其中外層由碳和過渡金屬，或它們的任何組合組成。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的碳化物涂覆的絲錐，其中外層由碳氮化物組成。
9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的碳化物涂覆的絲錐，其中外層以單層或多層沉積。
10.一種精密燒結(jié)碳化物螺紋絲錐，包括一軸向前端部，其包括一螺紋體部分和一螺紋切削倒角部分；以及一軸向后端部，其包括一不具有正方形、扁平或其它凹槽的圓柱形的柄。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的精密燒結(jié)碳化物螺紋絲錐，其中螺紋體部分和螺紋切削倒角部分與圓柱形的柄是同心的，偏心率在10微米之內(nèi)。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的精密燒結(jié)碳化物螺紋絲錐，進一步包括一外層，該外層涂覆有金剛石和與金剛石相似的碳中的一種。
全文摘要
一種精密燒結(jié)碳化物絲錐被設計以用于精密刀夾，該精密刀夾以同步高速攻絲。該精密絲錐包括一全部為圓柱形的柄，而無需正方形、扁平或其它凹槽的幫助。該精密絲錐還包括一螺紋體部分和一螺紋切削倒角部分。該精密絲錐的螺紋體部分和螺紋切削倒角部分與絲錐的圓柱形柄是同心的，并且偏心率在10微米之內(nèi)。該精密燒結(jié)碳化物絲錐提高了精度、壽命和速度，內(nèi)螺紋可通過該絲錐產(chǎn)生。
文檔編號B23G5/00GK1753751SQ200480005244
公開日2006年3月29日 申請日期2004年2月18日 優(yōu)先權(quán)日2003年2月27日
發(fā)明者W·E·亨德爾, 赤木貞之 申請人:鈷碳化鎢硬質(zhì)合金公司, 株式會社彌滿和制作所