孔加工刀具和用于孔加工刀具的導向塊的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種孔加工刀具和用于孔加工刀具的導向塊，該孔加工刀具由硬質合金材料制成，該材料粘結相Co含量5wt.％?15wt.％，四元固溶體(W，Ti，Ta，Nb)C含量為12wt.％?25wt.％，其余為WC。本實用新型的硬質合金材料能夠充分發揮Ti以及Ta的優良性能，提高合金的硬度，并加強合金的耐磨性，能夠改善合金的燒結性能；其材質硬度為92HRA左右，強度為2000Mpa以上，具有高的紅硬性和耐磨性。
【專利說明】
孔加工刀具和用于孔加工刀具的導向塊
技術領域
[0001] 本實用新型涉及一種由硬質合金刀具基體材料制成的導向塊以及帶有由該材料 制備的導向塊的孔加工刀具，屬于金屬材料切肩加工刀具領域。
【背景技術】
[0002] 隨著機械工業的發展和市場對機械零件的多樣性需求，作為裝備制造技術中的一 個重要分支，深孔加工技術面臨著多品種、小批量、新型材料及越來越高的精度要求的挑 戰。
[0003] 同時，深孔加工的特殊性也形成了加工過程中的難題:排肩難、冷卻及潤滑難、工 具系統剛度低、刀具的自導向差。這些問題長期困擾著深孔加工的行業，極大地限制了深孔 加工的工藝范圍、加工效率以及加工質量，也限制了深孔加工技術向其他領域拓展的能力。 特別是現有的深孔加工質量難以滿足新產品的要求，成為制約整個機械加工技術發展的重 大障礙。在制造行業中，幾乎過半行業都對深孔加工有著直接的需求，深孔質量的好壞直接 影響到機械產品的質量，因此開展尋求提高深孔加工質量的有效措施的研究已經成為當務 之急。
[0004] 而深孔加工刀具是影響深孔加工質量好壞的重要因素之一，內排肩深孔鉆是在封 閉或半封閉的狀況下進行的，導致切削熱不易傳散，工藝系統剛性差，鉆肩中產生切肩不斷 或者排肩不暢，常常引起崩刃或扭斷鉆桿的事故，冷卻液進不到切削區時，造成刀具溫度急 劇上升，加速刀具的磨損。當鉆孔的深度不斷增加后，刀具懸伸量增大，工藝系統的剛性也 隨之降低。這些都對刀具材料提出了特別的要求。
[0005] 導向塊為了深孔加工切削平穩和加工偏移量小而配備，具有支撐、穩定與擠壓作 用，使得鉆頭具有了自導向的作用，是維持切削過程穩定性、保證深孔直線度的重要部分。 切削過程中受到正壓力、摩擦力，隨著切削溫度的升高，摩擦急劇引起磨料磨損、擴散磨損 和氧化磨損。這就要求刀具材料能夠在高溫的條件下保持良好的硬度以及耐磨性。
[0006] 目前常用的導向塊材質有:YT15、YG8,這些材料在使用過程中存在脆性變大或磨 損過快，導致加工過程中孔精度及尺寸達不到要求，這急需要開發性能更好的材質來滿足 深孔加工刀具更高層次的要求。 【實用新型內容】
[0007] 本實用新型的目的是提供一種用于制備深孔加工刀具導向塊的硬質合金材料，該 材料具有高溫紅硬性好、耐磨性高的優點。
[0008] 因此，本實用新型一方面是提供一種由硬質合金材料制成的導向塊，該孔加工刀 具包括刀體頭部和刀體柄部，所述刀體頭部設置有雙排肩孔、刀片槽和導向塊槽，在導向塊 槽上安裝有導向塊，優選該材料的粘結相Co含量5wt. %-15wt. %，四元固溶體(W，Ti，Ta， 他)(：含量為12￥1%-25￥1%，其余為賈：。
[0009] 本實用新型另一方面是提供上述硬質合金材料的制備方法，該方法包括以下步 驟：
[0010] 1)、將WC、四元固溶體(1，11心，他)(：以及(：〇混合；
[0011] 2)、加入濕磨介質和磨料，進行球磨，然后摻蠟混合；
[0012] 3)、干燥制粒，然后壓成刀片毛坯，經燒結制得所述硬質合金材料。
[0013] 本實用新型還提供帶有由該材料制備的導向塊的孔加工刀具。
[0014] 本實用新型所具有的有益效果包括：
[0015] 本實用新型從化學成分上添加了大量(1，1^，1&，^3)(：四元固溶體，充分發揮1^以 及Ta的優良性能，提高合金的硬度；（1，!^，1 &，他)(：也能改善合金的高溫性能，從而進一步 加強合金的耐磨性;其中的TiC使得合金對碳的敏感降低，從而改善合金的燒結性能;本實 用新型材質硬度為92HRA左右，強度為2000Mpa以上，具有高的紅硬性和耐磨性。
【附圖說明】
[0016] 圖1為待安裝導向塊的孔加工刀具的側視圖，該深孔鉆整體制作出刀體頭部和刀 體柄部；
[0017] 圖2為圖1的孔加工刀具的正視圖；
[0018] 圖3為帶有導向塊的孔加工刀具的側視圖，該深孔鉆在刀體柄部加工出定位臺和 連接螺紋;和
[0019]圖4為圖3的孔加工刀具的正視圖。
[0020] 各附圖標記如下：
[0021] 1-刀體頭部
[0022] 2-刀體柄部
[0023] 3-刀片槽
[0024] 31-刀片
[0025] 4-導向塊槽
[0026] 41-導向塊(刀片）
[0027] 5_定位臺
[0028] 6_定位臺
[0029] 7-連接螺紋
【具體實施方式】
[0030] 下面通過附圖和實施例對本實用新型進一步詳細說明。通過這些說明，本實用新 型的特點和優點將變得更為清楚明確。
[0031 ]在這里專用的詞"示例性"意為"用作例子、實施例或說明性"。這里作為"示例性" 所說明的任何實施例不必解釋為優于或好于其它實施例。盡管在附圖中示出了實施例的各 種方面，但是除非特別指出，不必按比例繪制附圖。
[0032]根據本實用新型第一方面，提供一種由硬質合金材料制成的導向塊，其特征在于， 該材料的粘結相Co含量5wt. %-15wt. %，四元固溶體(W，Ti，Ta，Nb)C含量為12wt. %-25界1%，其余為賈：。
[0033]根據本實用新型優選的實施方式，該硬質合金材料的粘結相Co含量優選為 6wt. %-llwt. %，更優選粘結相的含量為8wt. %-10wt. % ;
[0034] 該硬質合金材料的四元固溶體(W，Ti，Ta，Nb)C含量優選為15wt ? %_22wt ? %，更優 選四元固溶體含量為18wt. %_21wt. %。
[0035] 進一步優選地，所述四元固溶體中，WC/TiC/TaC/NbC重量比為4 ? 5-5 ? 5:3 ? 5-4 ? 5: 7 ? 5-8 ? 5:2 ? 5-3 ? 5，優選為 4 ? 8-5 ? 2:3 ? 8-4 ? 2:7 ? 8-8 ? 2:2 ? 8-3 ? 2，更優選 WC/TiC/TaC/NbC 重 量比為5:4:8:3。
[0036]該硬質合金材料除了上述粘結相Co和四元固溶體外，其余為WC。
[0037]根據本實用新型優選的實施方式，該硬質合金材料中WC的粒徑為0.8-1.5um，優選 為1-1?2um〇
[0038] 優選地，四元固溶體的平均粒徑為WC平均粒徑的1.0-1.5倍，優選所述固溶體的平 均粒徑為WC平均粒徑的1.0-1.2倍。
[0039] 本實用新型還提供上述硬質合金材料的制備方法，該方法包括以下步驟：
[0040] 步驟1、將WC、四元固溶體(W，Ti，Ta，Nb)C以及Co混合。
[0041] 根據本實用新型，上述三種原料成分按配方配比進行混合，其中，Co含量5wt.%_ 15wt. %，優選為6wt. %-llwt. %，更優選為8wt. %-10wt. %，四元固溶體(W，Ti，Ta，Nb)C^ 量為 12wt. %_25wt. %，優選為 15wt. %_22wt. %，更優選為 18wt. %_21wt. %，其余為WC。 [0042]根據本實用新型，上述三種原料成分具有各自的平均粒徑，例如WC的平均粒徑為 1-1 ? 5um，（W，Ti，Ta，Nb)C的平均粒徑為1 ? 5-2um，Co的平均粒徑為約lum。
[0043]步驟2、加入濕磨介質和磨料，進行球磨，然后摻蠟混合。
[0044]根據本實用新型，所述濕磨介質優選為己烷，其添加量為每公斤粉末250-350毫 升，例如300毫升。
[0045] 根據本實用新型，所述磨料優選為球磨磨料，并且球料比為3-5:1，例如4:1，球磨 時間為為2天至3天，例如64小時。
[0046] 根據本實用新型，球磨之后摻蠟進行混合1.5至3小時，例如2小時。
[0047] 步驟3、干燥制粒，然后壓成刀片毛坯，經燒結制得所述硬質合金材料。
[0048] 根據本實用新型，所述燒結可以在高溫低壓下進行，在1400°C以上例如1435°C溫 度下，在2-10MPa，優選3-5MPa的低壓下進行燒結，燒結時間1-2小時，例如1.5小時，最終制 得本實用新型的硬質合金材料。
[0049] 根據本實用新型，上述硬質合金材料可用于深孔加工刀具導向塊，由此獲得一種 帶有由該材料制備的導向塊的孔加工刀具，所述孔加工刀具為三刃錯齒內排肩深孔鉆，優 選為小直徑(例如巾16~25_)的深孔鉆。
[0050] 如圖3所示，孔加工刀具（深孔鉆)包括刀體頭部1和刀體柄部2,所述刀體頭部1設 置有雙排肩孔、三個刀片槽3和二個導向塊槽4,在導向塊槽4上安裝有由本實用新型硬質合 金材料制備的導向塊41，該深孔鉆還在刀體柄部2加工出定位臺5或6和連接螺紋7。上述刀 體頭部1和刀體柄部2首先是整體制作而成的(如圖1所示）。
[0051] 與大直徑內排肩深孔鉆通過刀座式機夾可轉位結構安裝刀片不同的是，本實用新 型中，在三個刀片槽3上通過焊接方式安裝切削刀片31(如圖3所示），這樣使得刀片更加牢 固并且節省空間，此外，刀片的焊接方式需保證切削刀片在鉆頭半徑方向上能互相搭接。所 述三個刀片可以按照較大直徑(例如巾50~72mm)深孔鉆頭上的刀齒來設計，例如可以設計 為外齒，內齒（中心齒)和中間齒，由于外齒、內齒和中間齒不在同一錐面上，因此達到比較 好的分肩效果。
[0052]本實用新型的刀體頭部1設置有雙排肩孔，當高壓切削液由鉆桿外圓和孔壁間的 縫隙注入時，切肩隨同切削液經由該雙排肩孔通過鉆桿的中心孔排出。
[0053]通過本實用新型的雙排肩孔三刃錯齒結構，大大減小了深孔鉆削時的徑向力和扭 矩，同時減少了焊接應力以及磨削應力，從而有利于提高刀具切削性能以及鉆孔質量。 [0054]本實用新型中，在二個導向塊槽4上通過焊接分別安裝有導向塊(或導向塊刀片） 41 (如圖1和3所示）。導向塊是為了深孔加工切削平穩和加工偏移量小而配備的，兩個導向 塊和外齒副刃能夠三點定圓，從而自行導向進行切削，因此具有支撐、穩定與擠壓作用，使 得鉆頭具有了自導向的作用，是維持切削過程穩定性、保證深孔直線度的重要部分，還能 有效防止孔發生偏斜，保證鉆孔精度和光潔度。
[0055]本發明人發現，切削過程中導向塊(或導向塊刀片)41受到正壓力、摩擦力，隨著切 削溫度的升高，摩擦急劇引起磨料磨損、擴散磨損和氧化磨損。這就要求刀具材料能夠在高 溫的條件下保持良好的硬度以及耐磨性。但目前常用的導向塊材質有:YT15、YG8,這些材料 在使用過程中存在脆性變大或磨損過快，導致加工過程中孔精度及尺寸達不到要求。
[0056]為了開發性能更好的材質以滿足深孔加工刀具更高層次的要求，所述導向塊(或 導向塊刀片)41采用本實用新型提供的上述硬質合金材料，該材料具有高溫紅硬性好、耐磨 性尚的優點。
[0057]根據本實用新型一種優選的實施方式，將所述刀體頭部1與刀體柄部2整體制作而 成(如圖1所示），優選通過精密鑄造工藝整體制作出帶排肩孔、刀片槽3、導向塊槽4等的刀 體頭部1以及刀體柄部2。這種整體制作、一體成型的制造方法不但簡化了刀具制造工藝，還 在以下方面表現出明顯優勢：
[0058]省去了分別制造刀體頭部與柄部后進行焊接的工藝，從而節省了專用焊接設備的 投資，并且有效消除了頭部與柄部焊接時的缺陷，易于保證頭部與柄部的同心度。
[0059]根據本實用新型，如圖3所示，所述刀體柄部2被加工出定位臺5或6和連接螺紋7， 所述定位臺可以包括大小兩種定位臺5或6;所述連接螺紋7優選為矩形連接螺紋，通過該矩 形螺紋，本實用新型的雙排肩深孔鉆和鉆桿相連。
[0060]本實用新型的上述小直徑三刃錯齒內排肩深孔鉆制備如下：
[0061 ]步驟1、制作出刀體頭部1和刀體柄部2;
[0062] 步驟2、在刀體頭部1的刀片槽3上焊接刀片31，并在刀體頭部1的導向塊槽4上焊接 導向塊(刀片)41;
[0063] 步驟3、在刀體柄部2加工出定位臺5或6和連接螺紋7;
[0064] 步驟4、加工出外圓幾何尺寸和幾何角度。
[0065] 此外，還任選對刀片刃口進行強化處理，以及對刀片進行表面涂層處理，最終完成 小直徑三刃錯齒內排肩深孔鉆的制造。
[0066] 根據本實用新型，所述刀體頭部1與刀體柄部2整體制作而成，優選通過精密鑄造 工藝整體制作出帶排肩孔、刀片槽3、導向塊槽4等的刀體頭部1以及刀體柄部2。
[0067] 首先，如圖1和2所示，整體制作出刀體頭部1和刀體柄部2，刀體頭部1上設置有雙 排肩孔(未示出）、刀片槽3和導向塊槽4;
[0068]然后，如圖3和4所示，在刀體頭部1的刀片槽3上焊接刀片31，并在導向塊槽4上焊 接導向塊(刀片)41;接著，在刀體柄部2分別加工出定位臺5或6以及連接螺紋7;
[0069] 最后，加工出外圓幾何尺寸和角度，以及任選進行上述強化處理和涂層處理，從而 制成小直徑三刃錯齒內排肩深孔鉆。
[0070] 本實用新型提供的硬質合金材料以及帶有由其制得的導向塊的孔加工刀具(深孔 鉆)整體上提高了刀具切削性能以及鉆孔質量，其有益效果具體表現在以下幾個方面：
[0071] 1、本實用新型從化學成分上添加了大量(1，1^，1&，^3)(：四元固溶體，能夠充分發 揮Ti以及Ta的優良性能，提高合金的硬度；
[0072] 2、(W，Ti，Ta，Nb)C也能夠改善合金的高溫性能，從而進一步加強合金的耐磨性；
[0073] 3、其中的TiC使得合金對碳的敏感降低，從而能夠改善合金的燒結性能；
[0074] 4、本實用新型材質硬度為92HRA左右，強度為2000Mpa以上，具有高的紅硬性和耐 磨性；
[0075] 5、另外，由該合金材料制備的切削刀具能夠保證切削刀片在鉆頭半徑方向上互相 搭接；防止孔發生偏斜，保證了鉆孔精度和光潔度;有效減小了深孔鉆削時的徑向力和扭 矩，同時減少了焊接應力以及磨削應力；
[0076] 6、尤其是省去了分別制造刀體頭部與柄部后進行焊接的工藝，節省了專用焊接設 備的投資；消除頭部與柄部焊接時的缺陷，易于保證頭部與柄部的同心度，簡化刀具制造工 〇
[0077]實施例 [0078] 實施例1
[0079] 用于深孔加工刀具導向塊硬質合金材料，粘結相Co含量10wt. %，四元固溶體(W， !^，了&，他)(：含量為20的.％，其余為1(：，硬質合金中1(：的粒徑為1.111111，固溶體平均粒徑為 1.3um〇
[0080] 制備步驟如下：按照配方，將平均粒徑分別為lum的WC、1.5um的(W，Ti，Ta，Nb)C、以 及lum的Co,按比例混合，以己烷為濕磨介質，每公斤粉末加300毫升，球料比為4:1，球磨時 間64h，參蠟混合2h，干燥制粒后壓成刀片毛坯，在溫度1435°C、3MPa低壓燒結1.5h，得到本 實施例的材料基體。
[0081] 經檢測，制備出材料的硬度為92.1HRA，強度為2400MPa。
[0082] 實施例2
[0083]用于深孔加工刀具導向塊硬質合金材料，粘結相Co含量8wt. %，四元固溶體(W， Ti，Ta，Nb)C含量為17wt.%，其余為WC，硬質合金中WC的粒徑為1.3um，固溶體平均粒徑為 1.5um〇
[0084] 制備步驟如下：按照配方，將平均粒徑分別為1 ? 5um的WC、1 ? 9um的(W，Ti，Ta，Nb)C、 以及lum的Co，按比例混合，以己燒為濕磨介質，每公斤粉末加300毫升，球料比為4:1，球磨 時間64h，參蠟混合2h，干燥制粒后壓成刀片毛坯，在溫度1435 °C、3MPa低壓燒結1.5h，得到 本實施例的材料基體。
[0085] 經檢測，制備出材料的硬度為91.9HRA，強度為2100MPa。
[0086] 對比例
[0087] 一種現有技術的硬質合金，其成分包括:8wt %Co，92wt. %WC，按照比例配制成粉 末，經過球磨后壓制成刀片壓坯，在1435°C下低壓3MPa燒結1.5h得到本對比例硬質合金基 體。
[0088] 實驗例
[0089]以上實施例和對比例硬質合金導向塊型號完全相同，均經過研磨加工及表面處理 后，利用PVD方法在其表面進行TiAIN涂層處理，將涂層后的導向塊進行切削實驗對比硬質 合金基體材料的耐磨性。切削結果如下所示。
[0090] 實驗例1
[0091] 將實施例1和對比例獲得的合金材料按以下條件對鎳基合金進行切削對比：
[0093] 實施例1獲得的合金材料對鎳基合金進行切削后，導向塊正常磨損;對比例獲得 的合金材料對鎳基合金進行切削后，導向塊磨損嚴重。
[0094] 實驗例2
[0095] 將實施例2和對比例獲得的合金材料按以下條件對不銹鋼進行切削對比：
[0097] 實施例2獲得的合金材料對不銹鋼進行切削后，導向塊正常磨損;對比例獲得的合 金材料對不銹鋼進行切削后，導向塊磨損嚴重。
[0098] 以上結合優選實施方式和范例性實例對本實用新型進行了詳細說明。不過需要聲 明的是，這些【具體實施方式】僅是對本實用新型的闡述性解釋，并不對本實用新型的保護范 圍構成任何限制。在不超出本實用新型精神和保護范圍的情況下，可以對本實用新型技術 內容及其實施方式進行各種改進、等價替換或修飾，這些均落入本實用新型的保護范圍內。 本實用新型的保護范圍以所附權利要求為準。
【主權項】
1. 用于孔加工刀具的導向塊，其特征在于， 該孔加工刀具包括刀體頭部（1)和刀體柄部(2)，所述刀體頭部（1)設置有雙排肩孔、刀 片槽(3)和導向塊槽(4)，在導向塊槽(4)上安裝有導向塊(41)， 該孔加工刀具由硬質合金材料制成，該合金材料的粘結相Co含量5wt. %-15wt. %，四 元固溶體(1，11，了3，他)(：含量為12￥1%-25￥1%，其余為賈：。2. 根據權利要求1所述的用于孔加工刀具的導向塊，其特征在于， 粘結相Co含量為6wt. %-llwt. % ; 四元固溶體(1，11，了&，恥)(：含量為15￥1%-22￥1%。3. 根據權利要求2所述的用于孔加工刀具的導向塊，其特征在于， 粘結相Co含量為8wt. %-10wt. % ; 四元固溶體(1，11，了&，恥)(：含量為18￥1%-21￥1%。4. 根據權利要求1所述的用于孔加工刀具的導向塊，其特征在于， 所述四元固溶體中，WC/TiC/TaC/NbC 重量比為 4 · 5-5 · 5:3 · 5-4 · 5:7 · 5-8 · 5:2 · 5-3 · 5。5. 根據權利要求4所述的用于孔加工刀具的導向塊，其特征在于， 所述四元固溶體中，WC/TiC/TaC/NbC 重量比為 4 · 8-5 · 2:3 · 8-4 · 2:7 · 8-8 · 2:2 · 8-3 · 2。6. 根據權利要求1所述的用于孔加工刀具的導向塊，其特征在于， 所述硬質合金材料中WC的粒徑為0.8-1.5um，和/或 所述四元固溶體的平均粒徑為WC平均粒徑的1.0-1.5倍。7. 帶有權利要求1至6之一所述的用于孔加工刀具的導向塊的孔加工刀具，其特征在 于， 所述孔加工刀具包括設置有雙排肩孔、三個刀片槽(3)和二個導向塊槽(4)的刀體頭部 (1)以及加工出定位臺（5或6)和連接螺紋(7)的刀體柄部(2)。8. 根據權利要求7所述的孔加工刀具，其特征在于， 在導向塊槽(4)上安裝有導向塊(41)，并在刀片槽（3)上通過焊接方式安裝切削刀片 (31)〇9. 根據權利要求7所述的孔加工刀具，其特征在于， 所述刀體頭部（1)和刀體柄部(2)首先是整體制作而成的。10. 根據權利要求7所述的孔加工刀具，其特征在于， 所述孔加工刀具為三刃錯齒內排肩深孔鉆。11. 根據權利要求7所述的孔加工刀具，其特征在于， 所述連接螺紋(7)為矩形連接螺紋，通過該矩形螺紋，深孔鉆和鉆桿相連。
【文檔編號】B23B51/00GK205464469SQ201521137478
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2015年12月30日
【發明人】張平, 彭建財, 王權, 陳德平, 任達平
【申請人】成都工具研究所有限公司