專利名稱：加工零件表面的工具及用于這種工具的載體材料的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于零件表面加工的工具和此工具的載體材料。迄今為止，表面精加工采用鏜磨工具。鏜磨工具的結構是比較復雜的。它在工具表面有一個帶磨料的工作層，這種磨料是經(jīng)特殊熔合的氧化鋁或碳化硅。在所謂鏜磨油石的內(nèi)部，是擴張的錐體，借助于此錐體，通過鏜磨油石在孔壁上作用必要的壓力。
按照本發(fā)明的工具以及具體到此工具的載體材料而言，其是一種高度均質、顆粒極細并比較容易成合金的結構。它可用作金屬鍍層的載體，而此金屬鍍層本身通過局部粘結的形式載有一種非金屬硬質層。這種材料可通過切削工藝用簡單的方法制備，以便獲得粗糙度適當并可調整的半成品。工具表面沒有雜質。所鍍的非金屬硬質層形成了一種長壽命的耐磨層。由于它沒有孔隙、裂紋或其它缺陷，所以這種材料不生銹或不腐蝕。
與迄今使用的鏜磨工具相比，生產(chǎn)這種工具比較便宜，特別是非常簡單和成本效果好。這種工具實際上可以制成無間隙的。其結果是誤差范圍很小。即使是細和長的工具也能制造。金屬層通過活化層在載體工具上高度彈性地連接，避免了因固有應力和在使用過程中發(fā)生的不規(guī)則外部應力造成的微裂紋。
對于所指出的工具或有關載體材料有益的進一步發(fā)展以及相應措施帶來的效果，可從本發(fā)明的下列描述中了解到。
本發(fā)明提供一種用于表面加工工具的載體材料，其是由均質細顆粒結構的金屬合金構成，這是一種高壓燒結材料，也可是一種熱拉的優(yōu)質高速鋼(HSS)，在載體材料上可施加一種非金屬硬質層;優(yōu)質高速鋼沿整個直徑的最小硬度為68-70HRC(洛氏硬度);在載體上面有一個活化層，一個純金屬層，一個通過碳和/或氮和/或氧加上另外還同時提供的純金屬的擴散獲得的過渡層，以及一個非金屬硬質層;碳和/或氮和/或氧以及純金屬的擴散，是借助于PVD方法(物理汽相蒸鍍)進行的;至少在表面上所設的非金屬硬質層具有92-98%的不滲透性，具硬度至少為被加工工件表面的300%。
本發(fā)明的最佳實施例表示在附圖中，現(xiàn)通過下文并配合有關附圖將予以詳細說明。其中

圖1表示本發(fā)明的工具沿縱向剖開的輪廓圖，為表示清楚起見，各部分沒有按真實的尺寸表示;
圖2和3表示圖1所示最佳實施例的改型;和圖4表示工具母材上硬質層的分層結構。
圖1中，標號10表示用于同時使表面光滑和硬化的工具。按圖1中箭頭11表示的加工方向看，工具10的開頭是一個定心區(qū)12。此定心區(qū)12有一個錐形導引段13，例如它有斜度約7°。導引段13用于將工具無損傷地引入例如一個孔中。所以，在下面的敘述中將總是針對孔。從導引段13到定心區(qū)12的過渡有一個很小的圓弧。這樣做是必要的，是為了防止損傷被加工表面。定心區(qū)12本身為圓柱形。但重要之點在于，工具10的軸線和孔的軸線應當重合，從而使工具10在孔中不會傾斜。
具有斜度的入口區(qū)15與定心區(qū)12相連，其斜度在0.7°至2.3°之間，這取決于工具的材料，還取決于被加工零件的材料。在這里的被加工零件例如是指一個制有孔的閥。斜度值目前仍通過實驗確定。入口區(qū)15是為了防止孔的入口被與之相鄰的工作區(qū)17不小心刮傷。切向段18從入口區(qū)15導引至加工區(qū)17。切向段18的輪廓形狀實際上是一個大的圓弧，所以相當于一條切線。該切向段18是必須的，以避免從入口區(qū)15到加工區(qū)17成棱角狀過渡。切向段18圓弧狀的設計就已經(jīng)使被加工零件的材料受壓。與不合要求的棱角狀過渡相反，如上所述，采用切向段18為圓弧的做法，其結果是使沿工具10運動方向11材料的物質在小區(qū)內(nèi)沒有位錯，但是材料沿徑向向外，亦即垂直于或與運動方向11成小于90°的方向，有巨大的位移。切向段18的圓弧半徑取決于零件材料和工具10的長度與直徑之比。
毗鄰的實際有效的加工區(qū)17由圓柱段構成，其直徑可大于被加工孔所要求直徑最多約0.2%。這一余量取決于零件材料和孔的長度。工具10上的加工區(qū)的寬度約等于孔加工直徑的0.4%。制成曲線狀的恢復區(qū)20與加工區(qū)17相連。它用于恢復被加工區(qū)17加工后的零件材料?；謴瓦^程發(fā)生在零件孔表面的小范圍內(nèi)。零件材料可以少量地再次分布在恢復區(qū)20內(nèi)。
在恢復區(qū)20之后，有一個異物收集槽22，這些異物是在這之前的粗加工工序中留在孔中的。這些例如可能是磨料顆粒或其它雜質或廢液成分，下面還要談到，這種液體用于在工具10加工孔時提高孔的表面光度。收集槽22制成圓弧狀，圓弧半徑取決于工具的直徑和長度。從恢復區(qū)20到收集槽22的連續(xù)過渡，對于無損傷地從孔中取出工具的逆向運動是重要的，從數(shù)學的觀點看，這是一條復合曲線。連接段24在形狀、作用和功能等方面，與恢復區(qū)20是一致的。若有一面想象的鏡子，其軸線則通過最低點，亦即通過收集槽22的最低點，從收集槽22到連接段24的過渡，以及連接段24本身，構成了恢復區(qū)20和從恢復區(qū)20到收集槽22過渡的鏡面對稱的重復。這也這意味著，收集槽22連續(xù)地匯合并入第二個加工區(qū)26中是按如加工區(qū)17匯入恢復區(qū)20中同樣的形式。加工區(qū)26大約只有加工區(qū)17長度的60%，但其直徑與加工區(qū)17的直徑完全一樣。除了加工區(qū)26和17的長度互不相同之外，從收集槽22到連接段24的過渡、連接段24本身以及加工區(qū)26，構成了區(qū)段17、20和22的鏡面對稱的重復。在加工區(qū)17和26之間有一個或多個加工區(qū)26，按必須達到的被加工零件的長度同樣地重復。所有重復的加工區(qū)26，其長度也都是第一個加工區(qū)17長度的60%。出口區(qū)30與最后一個加工區(qū)26相連，它的斜度略大于入口區(qū)15的斜度。其斜角在3°至7°之間。它還是作為剛被加工的零件材料的膨脹區(qū)。
從出口區(qū)30到出口圓柱32的過渡是圓弧狀的，以避免工具出現(xiàn)斷裂的危險。
出口圓柱32的長度大約等于定心區(qū)12的60%。出口圓柱32的直徑大約比加工區(qū)17或26的直徑小0.5%至1%。這也意味著出口圓柱32的直徑小于定心區(qū)12的直徑。但在特殊情況下它們也可以是相等的。
工具10的末端制成圓頂34，它用于迫使工具10沿箭頭11的方向輸入運動的強迫引入和強迫傳遞。圓頂34設計成例如借助于自動壓力機使強制引入可以在一個特定點。圓弧半徑按實驗確定，它取決于工具10的長度和直徑。從數(shù)學的觀點看，若工具10直徑較小，則圓頂34具有三心曲線的形狀，這意味著，與假設它被設計成圓弧狀的形式相比，圓頂34的側面較為陡峭。這樣做尤其在工具具有較大長度和較小直徑的情況下是必要的。此外，圓頂34制成相對于通過圓頂34頂端想象的鏡面軸線是成鏡面對稱的。
工具的上述這些區(qū)段構成了與工具的使用無關的總是存在的基本部分。一旦工具用于加工一個連續(xù)孔，如上文所述的那樣，定心區(qū)12直接在工具上形成?；蛘?，一個定心區(qū)可附屬于被加工的零件。工具的一個或多個加工部分仍與定心區(qū)12連接。加工部分由加工區(qū)17至加工區(qū)26組成，這一加工部分重復若干次。如上述已闡明的，第一次重復后，加工區(qū)26的長度始終是相同的，但在各種情況下，只有與入口區(qū)15相連的第一個加工區(qū)17長度的60%。加工部分由多個臺階組成，各臺階的加工區(qū)17和26，它們每一個均具有較大的直徑。該直徑不是從一個臺階到另一個臺階成線性增加的，加工區(qū)17、26或17a、26a直徑的增加沿工具全長成曲線狀，例如，具有對數(shù)曲線或位函數(shù)曲線的形狀。工具的精確形狀由實驗確定。最后一個臺階，亦即指加工區(qū)26，它與被加工孔的直徑再加上必要的總余量(余量同樣也應逐個臺階增加)相匹配。在這個加工區(qū)26后面接著的是出口區(qū)30、出口圓柱32和圓頂34。
該工具的一種改型還可用于加工盲孔。在這種情況下，必須將工具再次從盲孔拉出，因此需要一個區(qū)段能適合于夾住此專用工具。為此目的，在出口圓柱32和圓頂34之間設置一提升段36。此提升段36設計成例如兩面體或四面體。為了完全可靠地拉出工具10，提升段36的表面設計成具有特定的粗糙度。
在另一種改型中，利用工具還可在孔中制出閥座和凸肩。為此目的，此工具在加工區(qū)26之后設置支座38，它的尺寸與孔中所要求的閥座尺寸相對應。支座38的斜度取決于零件材料，約大于所加工閥座斜度的0.5%。這是必須的，因為零件和材料有回彈。出口圓柱32與支座38相連。
當然，還可以將支座設置在導引段13的前面以及定心區(qū)12的前面，以便制造注射閥的閥座。在支座40前置的情況下，兩個區(qū)段12和13在長度上很短，所以如圖3所示可以將它們略去。加工區(qū)17和如上所述的后續(xù)的區(qū)段接在它后面。此外，還可以采用用于制造閥座的帶支座階梯形加工區(qū)。上述加工區(qū)以及必要時還有支座可以任何方式互相組合在一個工具中。
用以上所介紹的工具要能硬化和光滑孔的表面，所以此工具10必須用特殊材料制造，并要有通過特殊方法施加上的邊緣層。工具10的母體50必須由金屬制成，這種金屬是均質細顆粒結構。如果要制造細的工具，例如直徑2至12毫米，可采用高壓燒結的半成品，也就是說，是一種用高壓燒結方法制成的載體。優(yōu)質高速鋼(HSS)可用于制造粗的工具。但在所有的情況下，工具的直徑都大約要大于以后將制成的加工區(qū)17、26所要求直徑的40%。在這些區(qū)段中超過所要求直徑的部分，往往在處于制造粗或細的工具半成品過程中產(chǎn)生的雜質和脫碳的留量區(qū)內(nèi)。這一超過直徑40%的部分用機械加工除去，亦即例如通過磨削。那么，所得到的表面應盡可能光滑。磨削以后所獲得的在中心部分的載體材料或母材50比較均勻。此外，這一機械加工的結果是使留下來成為工具的材料是致密的。這意味著，顆?；ハ嗳酆系酶?，其結果是結構更致密。以此方法生產(chǎn)的工具半成品用作制造成外加一個非金屬硬質層51的原始材料。主要通過這一硬質層，并與上述工具10的幾何形狀一起，保證加工表面的硬度和光度的質量。
在加工過程末尾，在外壁上設有非金屬硬質層的目的是，在壁上構成所謂的工具加工面。如上所述，此非金屬硬質層51是應用在金屬的載體材料50上的。工具10相應的結構如圖4所示。在圖中，標號50表示載體材料，它是按上文所介紹方法制成的，具有均質細顆粒的結構。重要的是，載體材料的表面50要沿全長盡可能光滑和具有精確的尺寸。將一層厚度大約0.2-0.3微米的薄活化層52施加在載體材料50上。這一活化層52例如為鉑(Pt)、鈀(Pd)、錫(Sn)、鎳(Ni)、銀(Ag)或金(Au)構成。當然，也可能是這些物質的互相組合。此活化層52以網(wǎng)狀的形式設置在載體材料50的全部外表面上，這意味著此活化層不可能是致密的，亦即它并不企圖在載體材料50上構成完全致密的表面。此活化層52是通過電解作用，用化學方法鍍上去的。與電解法(物理方法)相比，此電解液附加地起凈化作用。
活化層52是有結合力的，并由一種軟的材料構成。它有結合力地粘結到載體材料50上，并同樣也有結合力地粘結在后來的純金屬層53上。活化層52的離子擴散到載體材料50中。其結果是形成一個彈性的中間層，它以網(wǎng)狀將活化層52粘結在載體材料50上。純金屬層53，例如鈦、鉻、硼或鎢，在這之后鍍在活化層52上。此純金屬層通過離子交換和陰極濺鍍(PVD方法，亦即物理汽相蒸鍍)鍍上。最后所得到的這一層是通過電弧熔合并同時被粘結而成。實施這一工序，直至在活化層52上呈現(xiàn)有0.3至0.5微米的最小層。此純金屬層53因而通過活化層52有結合力地粘結在載體材料50上，并也部分地有結合力地粘結在下文將說明的所構成的非金屬硬質層51上。
當此純金屬層53達到它的最小層厚時，用特殊方法將碳和/或氮離子加在它上面，所以可通過一個過渡層54，構成非金屬硬質層51。碳或氮離子在真空狀態(tài)下，通過PVD法(物理汽相蒸鍍)鍍上，例如至少為10-3bar(巴)或高真空度情況下。氮和碳成分的比例徑向地向外，亦即朝非金屬硬質層51的方向，越來越大。于是，過渡層54的末端是均質的非金屬硬質層51，它具有大約95%至98%的不滲透性。因此，此非金屬硬質層51由金屬/碳/氮或金屬/碳或金屬/氮(氮化物合金)化合物組成。以鈦為例，此硬質層51由TiN或Ti(CN)組成。
要能用上述工具10加工表面，還必須使用下面所介紹的一種離子潤滑液。此液體具有潤滑、冷卻和為加工表面加合金元素的功能。迄今針對這三種效果的每一種，采用不同的具有特定功能的專用的液體。現(xiàn)在，這三種功能只要用一種液體便能完成?？紤]到它們的組成和功能，這種液體稱之為離子潤滑液。這種離子潤滑液有一個母液，它主要由有機的低酸度油組成，例如菜子油。其余的組成部分是合成礦物油，例如低酸度不含氯的油。由于是上述兩種成分的組合，此離子潤滑液的粘度降低，亦即在9至12厘沲(centistokes)范圍內(nèi)。精確的成分取決于要加工工件的材料，亦即，也可以用無機油來代替有機油。將至少體積15%的細碳黑和至少體積17%的細石墨，摻入按此方法制備的離子潤滑液中。接著過濾此混合物(顆粒最大尺寸為0.3微米)，以獲得一種具有盡可能低的粘度的離子潤滑液。此外，必須保證上述兩種成分細的和均勻地分布，亦即細的碳黑和細的石墨。
離子潤滑液隨后用于工件的加工中，并具有為工件加合金元素的作用。這意味著，容易成合金的各種金屬離子，如錫(Sn)、金(Au)、銀(Ag)、鈀(Pl)和鎳(Ni)，被加在要加工的工件上。如此生產(chǎn)的液體被攪拌，然后將小量涂復在工具10上。對此，一滴離子潤滑液已經(jīng)足夠。借助于具有上述幾何形狀和成分的工具10以及離子潤滑液，現(xiàn)在可通過下列方法加工表面。將小量離子潤滑液涂在工具10上。接著，將工具10的導引段13和定心區(qū)12插入孔中。借助于一臺自動壓力機，在非常良好地定心的情況下，將工具10推入孔中，并穿過此孔。有必要規(guī)定一個特定的最低速度，以便達到在孔的表面結構中發(fā)熱。這種發(fā)熱對硬質層51是必要的。在冷態(tài)下，當工具推過時，硬質材料會斷裂。相反，在發(fā)熱時，當工具推過時材料得到補償，也就是說填充了加工溝紋。由于采用離子潤滑液，當工具10的硬質層51通過孔中不規(guī)則地區(qū)時，只產(chǎn)生小的摩擦。所釋放的離子粘結在工件材料上。借助于離子潤滑液，可達到有結合力的粘結，所以工件表面的結構可以“不再脫落”。
在制有支座的另一種型式中，工具10插入孔中，直至工具10的支座壓靠在被加工的凸肩上為止。旋轉工具10若干次，然后再次將工具10從孔中拔出。
上述具有多個臺階的工具特別適用于不圓的孔或工件孔表面過分粗糙的情況。不同的臺階必須按與孔直徑有關的各段被加工孔的長度來設計。
權利要求
1.一種用于表面加工具的載體材料(50)，其特征在于，其由均質細顆粒結構的金屬合金構成，這是一種高壓燒結材料，在載體材料上可鍍以一種非金屬硬質層(51)。
2.一種用于表面加工工具的載體材料(50)，其特征在于，其由均質細顆粒結構的金屬合金構成，這是一種熱拉的優(yōu)質高速鋼(HSS)，在載體材料上可鍍以一種非金屬硬質層(51)。
3.按照權利要求2所述的載體材料，其特征在于，優(yōu)質高速鋼沿整個直徑的最小硬度為68至70HRC(洛氏硬度)。
4.按照權利要求1至3之一所述的由載體材料(50)構成的加工零件表面的工具，在它上面有一個活化層(52)，一個純金屬層(53)，一個通過碳和/或氮和/或氧加上另外還同時提供的純金屬的擴散獲得的過渡層(54)，以及一個非金屬硬質層(51)。
5.按照權利要求4所述的工具，其特征在于，碳和/或氮和/或氧以及純金屬的擴散，是借助于PVD方法(物理汽相蒸鍍)進行的。
6.按照權利要求1至5之一所述的工具，其特征在于，至少在表面上所設的非金屬硬質層(51)具有92-98%的不滲透性，且硬度至少為被加工工件表面的300%。
全文摘要
一種由均質細顆粒結構的金屬合金構成的用于表面加工工具的載體材料(50)。這種載體材料(50)通過切削加工以獲得預定的尺寸和粗糙度。接著，在多個工序中，鍍以活化層(52)、純金屬層(53)和例如由氮組成的過渡層(54)，以便在最外面獲得一個非金屬硬質層(51)。此非金屬硬質層(51)有高硬度和彈性，因此，此工具特別適用于零件表面的加工。
文檔編號C23C14/06GK1087852SQ93118630
公開日1994年6月15日 申請日期1993年9月28日 優(yōu)先權日1992年9月28日
發(fā)明者L·芬克拜納 申請人:羅伯特-博希股份公司