使用超弹性材料的具有受控制的回弹性的切割刀具组件制造技术

本发明专利技术涉及一种切割刀具组件(10)，其包括刀具主轴箱(11)，所述刀具主轴箱(11)具有用于接收切割插入件(13)的底座(12)。所述切割刀具组件包括超弹性材料(15)，其被设置成控制所述切割刀具组件的回弹性以及阻尼冲击力以及局部振动。所述超弹性材料可被设置成层或涂层、或者呈由超弹性材料所制成的整个刀具部件的形式。

Cutting tool assembly with controlled resilience using Hyperelastic Materials

The invention relates to a cutting tool assembly (10), which comprises a tool spindle box (11) with a base (12) for receiving a cutting insert (13). The cutting tool assembly includes a hyperelastic material (15), which is arranged to control the resilience, damping impact force and local vibration of the cutting tool assembly. The hyperelastic material may be arranged as a layer or coating or in the form of an entire tool component made of the hyperelastic material.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】使用超弹性材料的具有受控制的回弹性的切割刀具组件
本专利技术涉及一种设置有超弹性阻尼材料的切割刀具组件，所述超弹性阻尼材料被设置成在所述切割刀具与工件之间逐步地建立物理接触，以及在金属切割操作期间吸收冲击力以及振动能，以及因此提供所述切割刀具的受控制的回弹性。
技术介绍
在机械加工期间的切削力振动对与工件接触的切割插入件的边缘引发干扰。当在切割插入件与工件之间形成接触时，切削力的突然增加由于冲击力效应在靠近于切割插入件的边缘的区域中引起局部应力分布以及破裂。在机械加工期间，当切割插入件的边缘与工件具有恒定的接触时，宽频范围的动态切削力激振切割插入件的边缘并且在靠近于切割插入件的边缘的区域中引起局部脱落以及剥落。在切割工艺的入口处的冲击力以及宽频动态切削力两者使切割插入件的刀具磨损加速，具有不可预知的刀具故障，并且使生产成本增加。根据US5738468，已知的是，确保切割插入件的韧性以及切割插入件的高破裂强度。特别地通过用垫片支撑切割插入件实现这一点，所述垫片具有符合切割插入件的表面轮廓的接触表面，所述垫片将被布置于距切割插入件的切割刃的下表面一定距离处。在US2011/0008576A1中，公开一种提供包括有碳柱的涂层的切割刀具的方法。例如可应用所述涂层以增加切割刀具的动态刚度或类似。在机械加工期间，切割工艺以及刀具结构的振动特性互相作用并且形成闭环系统。所述闭环系统具有由切割深度所限定的稳定的操作区域以及不稳定的区域，其中刀具结构的振动振幅随时间增长。在切割刀具悬垂长度与直径的比(L/D)超过五的状态下，切割刀具刚度减小并且稳定的区域的切割深度减小并且几乎接近零，以使得无法在稳定的状态下执行切割工艺。为了在长的悬垂长度下执行稳定的机械加工，已知的是，在刀具结构中嵌入振动阻尼解决方案并且这些解决方案可分成三大组：●调谐质量阻尼器，其将振动动能传送至调谐质量；●在关键的接合界面中的约束层阻尼，所述阻尼将振动应变势能转换成热量；以及●压电致动器，其将反作用力施加至刀具柄以减弱振动趋势。这些解决方案通常以弯曲模式或者扭转模式在通常低于3000Hz的频率范围内解决与结构振动相关联的问题。刀具市场调研表明，机械加工案例中的仅仅不到5％由具有的悬垂长度比它的直径长5倍的切割刀具执行。在更短的悬垂长度(其中L/D比小于5)下，阻尼解决方案通常为不必要的，因为机械加工工艺在机床再生颤振方面通常被认为是稳定的。然而，独立于刀具结构构造以及悬垂长度与直径的比，在切割插入件的边缘处自然地发生切削力振动以及动态激振。当前所公开的专利技术集中于其中刀具结构具有高刚度的这些机械加工案例上。传统上，这样的结构中的刚性可能太高。由于切割刀具的高的刚性，在金属切割操作期间的冲击力由于大多数碳化物材料以及陶瓷的脆性经常地使切割刃破裂。当前所公开的专利技术在切割刀具组件中应用用超弹性特性所实现的受控制的回弹性的方式来减小刀具破裂损害同时维持足够的刚性以确保机械加工部件的精确度。例如，在铣削金属切割工艺中，在切割刀具的每一旋转期间在工件的入口处的冲击力激振切割刃。为了相对于由于冲击力所引起的破裂故障提高切割刀具的性能，常见的做法是，在碳化物插入件中添加更大量的粘合剂(例如钴)，以改善它的强度以及提高它的韧性(抗裂强度)，代价是减小的耐磨性以及由磨损所引起的减小的刀具寿命。当前所公开的专利技术使切割刀具组件的回弹性(韧性或者抗裂强度)以及硬度的设计分离。因此，可获得碳化物插入件的韧性(抗裂强度)而不牺牲耐磨性特性。在现有技术的研究中，具有液压油室的刀具柄设置于切割插入件的下面以调节切割插入件的回弹性(Fleischer，J.，Becke，C.，Pabst，R.，2008.Improvingtoollifebyvaryingresilienceanddampingpropertiesincloseproximityofthecuttingedge.生产工程学2，357-364)。通过施加于压电致动器(其将压缩压力施加于液压油上)上的电压控制回弹性。然而，所述研究仅仅为以经验为依据的并且未描述潜在的机机制。刀具结构设计通常以最高刚性为目标并且它们的刚度由于构造材料(通常钢或铸铁)的线性弹性模量通常为线性的。刀具结构的刚性构造对切割插入件刀具寿命有害，因为它使切割工艺的入口处的冲击力的峰值振幅增加。高的峰值振幅直接地使切割插入件中的最大应力增加，这可能导致切割插入件的破裂。构造中的一定的回弹性有助于减小冲击力的峰值振幅，比如通过在芯轴中将齿轮传动改变为皮带传动。发现的是，不仅仅减小刀具结构的刚度，因为刀具结构中的刚度的减小可能进一步减小切割插入件的刀具寿命而不是延长。本专利技术以刀具结构的超弹性特性担保切割插入件的减小的冲击力振幅以及延长的刀具寿命的概念为基础。超弹性特性意味着，刀具结构的刚度并非线性的。在切割工艺的入口处，刀具结构的、在切割点处的刚度在较短的时间段(通常小于1ms)内显著地低于在切割工艺期间的刚度。在这之后，当切割插入件的边缘与工件之间的接触恒定时，刀具结构的刚度保持它的最大刚度。通常，刀具结构中的超弹性特性使切削力与时间的导数(dF/dt)的振幅减小，这降低在切割工艺的入口处所生成的冲击波能。刀具结构的超弹性特性还延长用于使切割插入件的边缘与工件建立完全的接触的可用的时间范围。在图1中示出这一点。最熟悉的超弹性材料为天然橡胶，其表现与陶瓷或金属截然不同。对橡胶的热加热将使它收缩而不是如在大多数传统的结构材料中膨胀。对橡胶带的拉伸使它的温度增加，因为内部分子间结合仅仅使一小部分机械能恢复并且使更大部分的能量作为热量耗散。拉伸橡胶使橡胶的刚度逐步地增加，因此橡胶具有超弹性特性。由于大型分子之间的粘弹性滑动，橡胶的超弹性特性为可恢复的。与金属相比，橡胶的典型的表现在压痕下展现它的超弹性特性以及可恢复性。在图2中示出这一点。使得能够实现橡胶的超弹性特性的关键因素为它的具有通常低于100nm的尺寸的大分子以及长链分子的大小。通过橡胶类材料中的分子的减小的大小，复合物中的、低于100nm的晶体大小或者晶粒也使得能够实现材料的超弹性特性。已经发现的是，具有纳米结构(其尺寸低于100nm)的复合物也具有超弹性表现以及可恢复性(Fu等人，2016.Highdynamicstiffnessmechanicalstructureswithnanostructuredcompositecoatingsdepositedbyhighpowerimpulsemagnetronsputtering.碳98，24-33.)。超弹性特性指的是材料在高应变(通常超过5％)下维持弹性特性的行为。特别地，在压痕试验中，超弹性材料大部分恢复它的表面凹痕，并且使得难以用表面凹痕面积测量来测量表面硬度。大部分材料在稳定地增加的载荷状态下经历“弹性变形”、“塑性变形”以及因此“破裂”。钢材例如在小于0.05％的应变下进入塑性变形状态。另一方面，天然橡胶可更大程度地变形而不进入塑性变形区域，并且可容易地超过50％的应变同时维持弹性性能。因此，我们常常将橡胶称为“超弹性”材料，因为我们在橡胶中很少观察到任何塑性变形性能。“弹性”材料的刚度为几乎恒定的，而“超弹性”材料由于大的几何变本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种切割刀具组件(10)，其包括刀具主轴箱(11)，所述刀具主轴箱(11)具有用于接收切割插入件(13)的底座(12)，其特征在于，所述切割刀具组件进一步包括被设置成阻尼振动的超弹性材料(15，18)，所述超弹性材料包括于这样的组中，该组包括大部分由具有小于200nm的至少一个内部结构尺寸的纳米晶粒、原子团簇或者长链分子所组成的聚合物、复合物、金属以及金属合金，其中所述超弹性材料具有介于0.1GPa与550GPa之间的弹性模量，并且所述超弹性材料(15)的层被作为表面涂层设置至所述切割插入件(13)和/或至布置于所述底座(12)与所述切割插入件(13)之间的垫片(14)。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.02.12 SE 1650185-01.一种切割刀具组件(10)，其包括刀具主轴箱(11)，所述刀具主轴箱(11)具有用于接收切割插入件(13)的底座(12)，其特征在于，所述切割刀具组件进一步包括被设置成阻尼振动的超弹性材料(15，18)，所述超弹性材料包括于这样的组中，该组包括大部分由具有小于200nm的至少一个内部结构尺寸的纳米晶粒、原子团簇或者长链分子所组成的聚合物、复合物、金属以及金属合金，其中所述超弹性材料具有介于0.1GPa与550GPa之间的弹性模量，并且所述超弹性材料(15)的层被作为表面涂层设置至所述切割插入件(13)和/或至布置于所述底座(12)与所述切割插入件(13)之间的垫片(14)。2.根据权利要求1所述的切割刀具组件(10)，其特征在于，所述超弹性材料(15)被作为阻尼层设置于所述底座(12)与所述切割插入件(13)之间。3.根据权利要求1所述的切割刀具组件(10)，其特征在于，垫片(14)布置于所述底座(12)与所述切割插入件(13)之间，所述超弹性材料(15)的层设置于所述垫片(14)与所述切割插入件(13)之间。4.根据权利要求1或3所述的切割刀具组件(10)，其特征在于，垫片(14)布置于所述底座(12)与所述切割插入件(13)之间，所述超弹性材料(15)的层设置于所述底座(12)与所述垫片(14)之间。5.根据前述权利要求中的任一项所述的切割刀具组件(10)，所述切割刀具组件(10)进一步包括刀具柄(16)以及刀具夹(17)，所述刀具夹(17)被布置成保持所述刀具柄(16)，其中所述刀具柄(16)支撑所述刀具主轴箱(11)，并且一层超弹性材料(18)设置于所述刀具柄(16)与所述刀具夹(17)之间。6.根据前述权利要求中的任一项所述的切割刀具组件(10)，其特征在于，所...

【专利技术属性】
技术研发人员：Q·富，C·M·尼古列斯库，
申请(专利权)人：普拉斯玛特瑞克斯材料股份公司，
类型：发明
国别省市：瑞典,SE