專利名稱：用激光進行旋轉(zhuǎn)切削刀具切削刃的三維表面成形的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及旋轉(zhuǎn)切削刀具刃的形成、并且更具體地涉及使用激光來提供此類切削刃的三維表面成形。
背景技術(shù)：
眾所周知在機加工中需要具有硬度比所機加工的材料更大的切削刃。貫穿刀具的演進過程，這已經(jīng)從石頭進步到青銅、到鐵、到碳鋼、到高速鋼、并然后到了硬質(zhì)碳化物。在近幾十年，這種演進已經(jīng)進一步繼續(xù)到了引入陶瓷(氮化硅、氧化鋁等)和“超級磨料”材料如聚晶金剛石(PCD)和立方氮化硼(CBN)。盡管這些材料已經(jīng)通過增大硬度、耐磨性、以及對切削刃變形的耐受性而大大提高了某些材料的刀具壽命，但它們已經(jīng)很難應用于更寬的刀具范圍。這是由于在這些材料本身、尤其是帶有P⑶和CBN的材料的機加工方面的困難，因為沒有硬度大于PCD的材料來對它們進行機加工。目前用于將這些材料成形的方法是電火花加工(EDM)、電火花磨削(EDG)、以及使用包含PCD作為磨料的輪進行的磨削。這些方法全都具有不同類型的缺點，如差的切削刃品質(zhì)(EDM和ECG)以及高的費用和加工時間(磨削)。對于所有這些方法還存在的限制在于，形式自由的幾何形狀不能進行逐點限定、而是必須由該表面發(fā)生器(磨削輪的面、絲電極等等)產(chǎn)生的多個規(guī)定的表面組成。激光已經(jīng)被用于切削不同類型的材料。例如，美國專利號4，481，016,4, 849，602、 5，643，523、以及7，189，032披露了使用激光將一個切削刀具材料板切穿以便由該單個材料板來形成幾個單獨的切削刀具鑲片。激光還已經(jīng)被用于將切削刀具鑲片的切削刃尖部分切穿，例如在美國專利號4，714，385,5, 178，645、以及7，322，776以及公開的美國專利申請?zhí)?008/(^9415中披露的。在此類激光切削操作中，該激光束在與該切削操作所形成的平坦表面的平面相平行的方向上穿過該切削刀具鑲片材料進行切片。激光還已經(jīng)被用于對切削刀具鑲片的表面進行粗糙化，以便改進一個隨后施加的材料層的粘附性，如在美國專利號5，722，803,5, 776，355、以及6，161，990，中披露的；或以便提供一個紋理化的表面，該紋理化的表面在它被機械地卡入一個切削機器中時有助于將該切削刀具鑲片保持在位，如在美國專利號6，712，564中披露的。盡管有了這些先前的方法，但是對于在具有相對復雜幾何形狀的刀具中、如在鉆頭以及其他旋轉(zhuǎn)切削刀具中有效地形成切削刃的方式仍然存在一種需要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種用于形成旋轉(zhuǎn)切削刀具的切削刃以及相鄰的仿形的 (contoured)表面區(qū)域的方法，該方法使用激光來從該刀具的切削末端去除材料以便產(chǎn)生一種預定的逐點式幾何形狀(point-by-point geometry)。相對復雜的表面和切削刃幾何形狀可以如下形成將一個激光束以一個角度射向該刀具的切削末端，該角度具有一個垂直于該切削末端的表面的分量。使激光束以多條路徑橫跨過該切削末端的表面，以便去除材料并且形成所希望的切削刃以及相鄰的三維仿形的表面的幾何形狀。本發(fā)明的一個方面是提供一種形成旋轉(zhuǎn)切削刀具的切削刃的方法，該旋轉(zhuǎn)切削刀具具有一個本體以及至少一個槽，該槽是沿著該本體的長度的至少一個部分而在該本體中形成的、限定了與該刀具的一個切削末端相鄰的一個切削刃，該方法包括用一個定向的激光束從該刀具的切削末端上去除材料，由此形成該切削刃以及與該切削刃相鄰的一個預定的三維仿形的表面。本發(fā)明的另一個方面是提供一種旋轉(zhuǎn)切削刀具，該旋轉(zhuǎn)切削刀具包括一個本體； 至少一個槽，該槽是沿著該本體的長度的至少一個部分而在該本體中形成的、限定了與該刀具的一個切削末端相鄰的一個切削刃；以及與該切削刃相鄰的一個仿形的表面，其中該切削刃以及相鄰的仿形的表面是通過一個激光束形成的。本發(fā)明的這些以及其他方面將從下面的說明中變得更清楚。


圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案的一種處于鉆頭形式的旋轉(zhuǎn)切削刀具的等距視圖，該鉆頭具有可以通過受控的激光束形成的多個切削刃以及相鄰的多個三維仿形的表面。圖2是與圖1中所示的相類似的一個鉆頭的側(cè)視圖。圖3是圖2中所示鉆頭的一個部分的側(cè)視圖，其中該刀具圍繞其縱向軸線從圖2 中所示的位置旋轉(zhuǎn)了 90度。圖4是圖2的鉆頭的一個端視圖。圖5展示了用于形成鉆頭的切削末端的一種常規(guī)磨削方法。圖6展示了在圖5所示的磨削方法中從鉆頭的切削末端上去除的材料。圖7展示了一個旋轉(zhuǎn)切削刀具的切削末端，指示了根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案經(jīng)受到激光處理的區(qū)域以及遠離通過常規(guī)磨削而機加工的切削刃尖的另一個區(qū)域。圖8是圖7中所示的旋轉(zhuǎn)切削刀具的分解的端視圖。圖9是本發(fā)明的一個激光成形操作的部分示意性圖示，其中將該激光束以從該刀具的成形表面上測量的角度射向該旋轉(zhuǎn)切削刀具的表面。圖10是橫跨一個旋轉(zhuǎn)切削刀具的切削末端表面的一個激光束路徑的部分示意性圖示，其中該激光束以多條平行的路徑橫跨過該表面，其中使每個相鄰的路徑在相同的方向上。圖11是橫跨一個旋轉(zhuǎn)切削刀具的切削末端表面的一個激光束路徑的部分示意性圖示，其中該激光束是以多條平行的路徑橫跨過該表面，其中使每個相鄰的路徑在相反的方向上。圖12展示了根據(jù)本發(fā)明另一個實施方案橫跨了旋轉(zhuǎn)切削刀具的切削末端表面的一個形式自由的激光束圖案。圖13展示了根據(jù)本發(fā)明一個實施方案在激光處理的過程中一束激光和一個旋轉(zhuǎn)切削刀具的切削末端的相對位置。圖14示意性地展示了根據(jù)本發(fā)明一個實施方案可以使用的一個激光束控制系統(tǒng)。
具體實施例方式本發(fā)明的激光成形方法可以用于在旋轉(zhuǎn)切削刀具中形成多個切削刃以及周圍的仿形的表面。如在此使用的，術(shù)語“旋轉(zhuǎn)切削刀具”是指一種用于排屑式機加工的旋轉(zhuǎn)刀具。 可以通過本發(fā)明的方法形成的一些類型的旋轉(zhuǎn)切削刀具的實例包括鉆頭、鉆頭尖、銑刀、 絞刀、絲錐、分級鉆頭、可分度的鉆頭、平底擴孔鉆、锪孔刀具、軌道式工具(orbital tool) 等等。此類刀具的切削刃可以由非常硬的材料來制造，這些材料包括碳化物；金屬陶瓷， 如燒結(jié)碳化鎢；陶瓷，如立方氮化硼或氧化鋁、聚晶金剛石等等。圖1至圖4展示了根據(jù)本發(fā)明可以制造的鉆頭。然而，應該理解的是具有類似類型的切削刃幾何形狀的任何其他類型的旋轉(zhuǎn)切削刀具都被認為是位于本發(fā)明的范圍之內(nèi)。 如圖1和2中所示，鉆頭10具有沿著一條縱向旋轉(zhuǎn)軸線A對齊的本體12以及柄部分14。 該本體包括沿著本體12的軸向長度的至少一部分延伸的至少一個槽16A、16B。在圖1和2 所示的這些實施方案中，這些鉆頭包括兩個螺旋槽16A和16B。然而，這些旋轉(zhuǎn)切削刀具可以具有任何其他適當數(shù)目的槽、并且可以具有任何其他已知類型的槽的幾何形狀。根據(jù)本發(fā)明，旋轉(zhuǎn)切削刀具10的切削刃以及它們的相鄰的仿形的表面區(qū)域是通過激光輻射而形成為所希望的形狀，該激光輻射在受控的逐點的基礎(chǔ)上從刀具10的切削末端上去除材料。在圖1到4所示的實施方案中，鉆頭10具有基本上圓錐形的切削刃尖 18，這些切削刃尖在螺旋槽16A和16B與刃尖18相交的區(qū)域中限定了主切削刃20。此夕卜， 鉆頭10在這些螺旋槽與該總體上圓柱形本體的外周徑向相交的區(qū)域中具有次切削刃22。 主切削刃20和/或次切削刃22連同它們的相鄰的仿形的表面，可以根據(jù)本發(fā)明通過一個激光束來形成。圖5展示了用于成形鉆頭的切削末端的一種常規(guī)磨削方法。通過一個磨削輪32 對一個在其中形成了多個螺旋槽的預先機加工的桿30進行機加工以便在該鉆頭的切削末端處形成所希望的形狀34。盡管這樣一種常規(guī)的磨削方法可以適合于某些類型的鉆頭材料，但是該磨削方法對于由非常硬的材料制成的鉆頭可能是不實際的，這些材料是例如碳化物、金屬陶瓷、P⑶、CBN,以及此類材料的組合。圖6展示了在圖5所示的磨削方法中從鉆頭的切削末端上去除的材料36的體積。 為了獲得所希望的形狀，必須從鉆頭的刃尖上、連同從鉆頭本體的與各個螺旋槽的跟隨邊緣相鄰的側(cè)向外周表面上去除顯著量值的材料。從非常硬的材料制成的鉆頭上去除這樣大量的材料可能是困難的或者不可能的。圖7展示了一個旋轉(zhuǎn)切削刀具40的切削末端，指示了根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案經(jīng)受了激光處理的區(qū)域42。遠離該切削刃尖的另一個區(qū)域可以按常規(guī)方式如磨削來進行機加工。圖8是圖7中所示的旋轉(zhuǎn)切削刀具40的分解的端視圖。圖9是本發(fā)明的一個激光成形操作的部分示意性圖示，其中將該激光束L以從一個刀具的成形表面S上測量的一個角度θ射向該旋轉(zhuǎn)切削刀具的表面S。角度θ具有垂直于該刀具的成形表面S的一個分量CN、以及平行于該刀具的成形表面S的一個分量CP。當激光束L橫跨表面S移動時，這個角度θ部分地由于該成形表面S的外形而典型地發(fā)生改變，同時維持與表面S垂直的一個分量。在一個實施方案中，角度θ具有90° 士45° (例如 90° 士30° )的額定值。在具體實施方案中，該角度θ可以是90° 士 10°或90° 士5°。激光的焦點可以進行受控。例如，這個焦點可以位于工件的表面上、或者可以位于該表面上方的一個選定的距離-S處、或者在該表面下方的一個選定的距離+ S處，如圖9中所示。圖10是橫跨一個旋轉(zhuǎn)切削刀具的切削末端表面的激光束路徑的部分示意性圖示，其中該激光束是以多條平行的路徑橫跨過該表面，其中使每個相鄰的路徑在相同的方向上。圖11是橫跨一個旋轉(zhuǎn)切削刀具的切削末端表面的激光束路徑的部分示意性圖示，其中該激光束是以多條平行的路徑橫跨過該表面，其中使每個相鄰的路徑在相反的方向上。圖12展示了根據(jù)本發(fā)明另一個實施方案橫跨一個旋轉(zhuǎn)切削刀具的切削末端表面的一個形式自由的激光束圖案。如圖10到12中所示的，該激光束以不同的受控的圖案行進跨過工件的表面，以便在受控的逐點的基礎(chǔ)上去除或燒蝕該切削刀具材料，從而形成這些切削刃以及周圍的表面區(qū)域。圖13展示了根據(jù)本發(fā)明一個實施方案在用激光束L的輻射過程中一束激光50和一個旋轉(zhuǎn)切削刀具10的切削末端的相對位置。根據(jù)本發(fā)明，激光L從鉆頭10或其他刀具的切削刃尖部分上燒蝕或蒸發(fā)了材料，以便產(chǎn)生所希望的逐點式幾何形狀。用本發(fā)明的方法有可能以形式自由的產(chǎn)生單個或多個切削刃。根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案，在產(chǎn)生了這個或這些切削刃以及相鄰的表面之后，刀具的其余部分可以通過磨削、銑削、EDM/ECG、進一步的激光蒸發(fā)、或者這些方法的組合來制造。一種不同的切削刃材料(如，在硬質(zhì)碳化物本體中的PCD)的安裝方法可以通過釬焊、收縮配合、共燒結(jié)、或通過其他已知的緊固方法來完成。根據(jù)本發(fā)明所使用的這些激光器可以包括例如常規(guī)的二極管泵浦固態(tài)激光器， 如NchYVO4激光器、Nd:YAG激光器等等。該激光的脈沖頻率和功率可以如所希望的進行調(diào)整。例如，從100到10，OOOkHz的脈沖頻率可能是適合的，并且從1到500W的脈沖頻率可能是適合的。該激光器是位于距工件表面一個適合的距離處，例如，從1到100cm。激光束和切削刀具工件的相對移動可以通過對該刀具的線性和/或旋轉(zhuǎn)定位來實現(xiàn)，例如通過使該刀具被安裝在其上的工作臺或其他夾具在多個移動軸線(如3、4、或5 個移動軸線)上移動。此外，可以例如通過鏡子或者通過該激光器在多個軸線上的平移或旋轉(zhuǎn)移動來移動該激光束。該激光束能夠以任何希望的速度來行進跨過工件的表面，這個速度典型地是從1到10，000毫米/秒、例如從10到1，000毫米/秒。工件上激光點的尺寸可以如所希望的進行受控，例如該激光點的直徑可以典型地是從1到100微米。可以使用一個反饋系統(tǒng)來控制該激光燒蝕過程。替代地，可以使用一個開環(huán)系統(tǒng)，其中首先進行工件檢測、接著是激光燒蝕。根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案，可以對工件的切削刃以及相鄰的表面區(qū)域進行檢測以便引導并且控制該激光束。例如，可以通過一個光學裝置(如一個激光源)或通過激光的反散射來檢測該旋轉(zhuǎn)切削刀具工件的切削刃。還可以使用機械定位裝置。為了檢測該切削刃，該系統(tǒng)可以在通過激光束從表面上去除材料時檢測該相鄰表面的幾何形狀，從而監(jiān)測和控制這個激光成形操作。圖14示意性地展示了根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案可以使用的一個激光束控制系統(tǒng)60。在燒蝕過程中激光束L從激光器50射向切削刀具10的表面S，以便產(chǎn)生一個等離子體點P以及一個等離子體區(qū)域R。在圖14所示的實施方案中，使用了單個激光器50。可以使用一個檢測器62來關(guān)于切削刀具10而定位該等離子體點P的三維位置。可以將來自檢測器62的一個輸出信號饋送給一個控制器64，這個控制器進而控制該激光器50。在這個過程中，該激光束的適應性控制可以通過調(diào)整該激光器的不同參數(shù)來實現(xiàn)，這些參數(shù)包括 脈沖頻率、激光功率、脈沖序列、橫跨表面的平移速度、移動的圖案、焦點深度等等。檢測器 62可以包括一個激光源或者其他常規(guī)地用于表面測量的光學裝置，如在激光眼科手術(shù)中或者三維金屬板激光焊接中發(fā)現(xiàn)的。在激光輻射過程之后，所得到的成形表面可以是非常光滑的，其中典型的表面粗糙度是小于0. 5微米的Ra、例如，從0. 01到0. 2微米的Ra。在某些實施方案中，表面粗糙度是小于0. 1或0. 05的Ra。根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案，通過激光束形成的切削刃具有用于旋轉(zhuǎn)切削刀具的預期用途的足夠鋒利度，而不需要任何附加的珩磨或機加工。通過激光束形成的切削刃可以具有小于130微米的切削刃鋒利度，例如，小于100或50微米。在某些實施方案中，該切削刃鋒利度可以是小于10微米或甚至小于1微米。當形成一種旋轉(zhuǎn)切削刀具如鉆頭時，通過激光束形成的相對復雜的仿形的表面可以包括凹形部分、凸形部分、以及它們的組合。例如，在槽的區(qū)域中，該成形的表面的至少一個部分是凹形的。對于一個典型的螺旋槽，該成形的表面在與鉆頭軸線相垂直的平面內(nèi)是向內(nèi)彎曲的、并且沿著該鉆頭的長度是螺旋形的。與凹形的槽表面相比，在該鉆頭的刃尖處該激光形成的表面可以是凸形的，具有與一個圓錐形區(qū)段相對應的一個向外彎曲的表面。 在圖1到圖4、圖7、以及圖8中所示的實施方案中，這些激光成形的切削刃在這些基本上圓錐形的刃尖和螺旋槽的相交處是處于直線的形式。雖然已經(jīng)在上面出于解說目的說明了本發(fā)明的多個具體實施方案，但是對于本領(lǐng)域那些普通技術(shù)人員而言明顯的是無需背離如所附權(quán)利要求書中限定的本發(fā)明即可進行對本發(fā)明的細節(jié)的多種變更。
權(quán)利要求
1.一種形成旋轉(zhuǎn)切削刀具(10)的切削刃(20，22)的方法，該旋轉(zhuǎn)切削刀具具有一個本體(1 以及至少一個槽(16A，16B)，該槽是沿著該本體(1 的長度的至少一個部分而在該本體(12)中形成的、限定了與該刀具(10)的一個切削末端(18)相鄰的一個切削刃(20)， 該方法包括用一個定向的激光束(L)從該刀具(10)的切削末端(18)上去除材料，由此形成該切削刃O0，22)以及與該切削刃O0，22)相鄰的一個預定的三維仿形的表面(S)。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，將該激光束(L)以一個角度(Θ)射向該刀具(10) 的切削末端(18)，該角度具有垂直于該切削末端(18)的成形表面⑶的一個分量(Cn)。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其中，該激光束(L)的角度(Θ)是90°士 10°、是從與該成形的表面( 平行的一個平面測量的。
4.如權(quán)利要求2所述的方法，其中，使該激光束(L)以多條路徑橫跨過該切削末端 (18)的表面(S)。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其中，這多條路徑中的至少一些是彼此平行的。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其中，使得這些彼此相鄰的平行路徑是在相同的方向上。
7.如權(quán)利要求5所述的方法，其中，使得這些彼此相鄰的平行路徑是在相反的方向上。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，該旋轉(zhuǎn)切削刀具(10)是一個鉆頭。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，該旋轉(zhuǎn)切削刀具(10)包括兩個槽(16A，16B)以及兩個切削刃00，22)。
10.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，至少一個槽(16A，16B)是螺旋形的。
11.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，該刀具(10)的切削末端(18)是基本上圓錐形的。
12.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，通過該激光束(L)形成的仿形的表面( 包括一個凹形的部分。
13.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，通過該激光束(L)形成的仿形的表面⑶包括在該切削刃00)的一側(cè)上的一個凹形的部分以及在該切削刃00)的另一側(cè)上的一個凸形的部分。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，其中，該凹形的部分包括一種基本上螺旋形的形狀，并且該凸形的部分包括一種基本上圓錐形的形狀。
15.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，通過該激光束(L)形成的仿形的表面( 具有的表面粗糙度是小于0. 2微米的Ra。
16.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，該激光束(L)是脈沖式的。
17.如權(quán)利要求1所述的方法，進一步包括對于該旋轉(zhuǎn)切削刀具(10)的、位于離開該切削刃00)的一個位置處的另一個部分進行機加工。
18.如權(quán)利要求17所述的方法，其中，該機加工步驟在是該激光束步驟之前進行的。
19.如權(quán)利要求17所述的方法，其中，該機加工步驟在是該激光束步驟之后進行的。
20.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，當該激光束(L)被射在該切削末端(18)上時，該旋轉(zhuǎn)切削刀具(10)的切削末端(18)和本體(1 被整體地形成在一起。
21.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，當該激光束(L)被射在該切削末端(18)上時該旋轉(zhuǎn)切削刀具(10)的切削末端(18)與該本體(12)是分開的、并且隨后被固定到該本體(12) 上。
22.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，該旋轉(zhuǎn)切削刀具(10)的切削末端(18)包括陶瓷、碳化物、金屬陶瓷、或它們的一種組合。
23.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，該旋轉(zhuǎn)切削刀具(10)的切削末端(18)包括聚晶金剛石、立方氮化硼、或它們的一種組合。
24.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，該旋轉(zhuǎn)切削刀具(10)的本體(12)包括鋼。
25.一種通過權(quán)利要求1所述的方法制成的旋轉(zhuǎn)切削刀具(10)。
26.一種旋轉(zhuǎn)切削刀具(10)，包括 一個本體(12)；至少一個槽(16A，16B)，該槽是沿著該本體(1 的長度的至少一部分而在該本體(12) 中形成的、限定了與該刀具(10)的一個切削末端(18)相鄰的一個切削刃O0，22)；以及與該切削刃(20，22)相鄰的一個仿形的表面(S)，其中該切削刃O0，22)以及相鄰的仿形的表面( 是通過一個激光束(L)形成的。
全文摘要
在此披露了一種用于形成旋轉(zhuǎn)切削刀具(10)的切削刃(20，22)和相鄰的仿形的表面(S)區(qū)域的方法，該方法使用激光器(50)來從刀具(10)的切削末端(18)上去除材料以便產(chǎn)生一種預定的逐點式幾何形狀。相對復雜的表面和切削刃幾何形狀可以如下形成將一個激光束(L)以一個角度(Θ)射向該刀具(10)的切削末端(18)，該角度具有一個垂直于該切削末端(18)的表面(S)的分量(CN)。這個激光束(L)以多條路徑橫跨過該切削末端(18)的表面(S)以便去除材料并且形成所希望的切削刃(20，22)以及相鄰的三維仿形的表面的幾何形狀(S)。
文檔編號B23K26/36GK102574243SQ201080047078
公開日2012年7月11日 申請日期2010年10月20日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月23日
發(fā)明者C·蓋, F·羅森伯格, K·桑帕斯, S·喬治 申請人:鈷碳化鎢硬質(zhì)合金公司