切割模具及其制造方法

专利名称：切割模具及其制造方法
背景技术：
本发明涉及一种切割模具，特别是，涉及一种用于切割各种原材料的模具的加工。
已知切割模具用于将原材料的一部分从另一部分上切割或割断下来。例如，切割模具被用于将纸板或塑料或金属的片材切割制成预定的半成品。在已知的一种切割操作的形式中，两个旋转圆柱并列，各自具有其小的一体化切割刀刃从圆柱形表面沿径向延伸，以便当旋转时，刀刃通常与工件原材料的相对侧面啮合，并且共同作用，从而将原材料分割成毛坯，毛坯的形状由刀刃的形状决定。在美国专利4,608,895号描述了一种这种操作。
制造每一个圆柱形模具的工艺需要一定的工艺处理，以确保刀刃在长时间操作中能够提供所需要的切割功能。特别是，刀刃应当非常硬，以便在需要修理之前刀刃有足够的寿命。
因此，在制备模具的一种方法中，将具有合适大小的整体模具圆柱进行热处理，以便使圆柱形表面达到所需要的硬度，例如，洛氏硬度值在HRC60左右的数量级。由于刀刃用圆柱制成整体，下一个工序是去掉圆柱材料形成并且限定整体刀刃，刀刃从圆柱的表面径向向外延伸。同时可以向下磨削表面形成刀刃，圆柱的硬度使得磨削为一个不好的选择。
因此，使用放电加工(EMD)制造模具是众所周知。在这种工艺中，石墨圆柱在要制造的模具圆柱和刀刃形成负极。石墨圆柱和模具圆柱在放电环境下并列，因此模具圆柱金属被消耗，剩下硬化的切割刀刃从表面向上延伸。这是一种慢的工艺，当圆柱大，例如直径为十二英寸并且达几英尺长时，该工艺能够用几天的时间。
制造商曾试图首先制造模具，然后将其硬化。这种逆向工艺不好用。为了产生所需要的刀刃硬度，圆柱及其伸展的刀刃必须被加热到奥氏体化温度，该温度对于4150钢为1500°F左右，对于D2钢为1900°F-2000°F左右。当这种预制的圆柱从炉子中取出冷却时，在模具刀刃或其周围区域可能变形或开裂。这种变形被认为是由几种原因引起的，包括由于相对体积较小的刀刃与相对体积较大的圆柱之间以及模具的表面和内部之间的冷却速度不同引起的热变形、金相转换变形。
特别是，当圆柱冷却时，其表面比内部冷却快。由于热和金相转换体积变化不均匀，使得模具开裂或变形超过允许的极限。还有，为了达到所需要的硬化，金属必须被加热到所需要的温度以使金相转换。刀刃的这种金相转换是生产所需要的硬度所必需的，为产生金相转换，所需要的从大约1500°F到2000°F(取决于钢的型号)的奥氏体化温度的快速冷却，由于金相转换的速度不同，是在圆柱上的刀刃出现不希望的开裂和变形的一个原因。由于在不同体积的刀刃形状和圆柱上热量的分布，金属中这种金相转换以不同的速度进行。这会产生体积和密度的变化，这样会引起开裂或变形，特别是在刀刃和圆柱表面上。
因此，模具制造商面临的困难是为了模具的寿命所需要的硬刀刃与为了制造模具刀刃所需要的软表面材料之间的矛盾。当模具首先硬化时，需要使用慢的、昂贵的、资金量多的EDM工艺制造刀刃。如果首先磨削刀刃，然后加热并冷却圆柱使刀刃硬化，可能引起变形和开裂。
因此，本发明的一个目的是提供一种改进的制造切割模具的方法。
本发明的另一个目的是，提供一种模具制造方法，其中刀刃能够以低成本磨削或制造并且随后的硬化没有上面提到的现有工艺方法的变形和开裂。
本发明的另一个目的是，以较快的速度生产一种具有硬化刀刃的圆柱形切割模具，其制造费用低，并且没有如EDM工艺所需要的资金量大的设备。
为此目的，并且按照本发明的优选实施例，本发明打算首先通过磨削圆柱在圆柱上制造刀刃，随后通过用高能量束，例如激光扫描刀刃使其硬化。激光通过五轴CNC技术控制，用于扫描每一个刀刃，使其温度上升到奥氏体化温度，随后使刀刃在空气中冷却，通过自淬火完成硬化工艺。由于激光束能够聚焦增加强度，刀刃的温度能够马上升高，向圆柱的热传导被减少，冷却时开裂和变形消失或显著减少。
这种工艺方法在低合金钢例如4150钢中特别有效。由于需要产生一个所需要的壳或硬化深度，这种工艺方法用于高合金钢例如高碳、高合金D2钢中较困难。如果转换速度太快，就没有足够的热量达到奥氏体化温度，或没有足够的时间产生所需要的壳深度。如果太慢，刀刃或下面的圆柱或平板就会在高强度束下熔化。这意味着对于D2钢工艺参数范围窄。
在制造模具时应遵照几个参数。首先，刀刃应当具有充足的预定高度，以便在磨损、缺口等情况下提供几次修理的容量。该工艺为这种具有足够高度的刀刃提供硬化并且达到所需要的壳深度，这样没有显著的变形并且有具有足够硬度的足够深度的壳。
从另一方面考虑，经常希望将刀刃制造在模型上，圆柱上的刀刃需要交叉。当激光沿一个刀刃扫描时，其将至少影响交叉刀刃的一部分。如果该交叉刀刃已经被硬化，激光将使其靠近被处理的刀刃部分退火，在预先硬化的刀刃上靠近刀刃交叉部分产生软化点。
考虑到由于热传导形成的温度分别曲线，例如，在4150钢中，中心路线在硬化所需要的最低奥氏体化温度或最低奥氏体化温度以上(例如，对于4150钢1500°F)。紧紧相邻的部分的温度范围可能正好在最低奥氏体化温度以下，但是高于大约550°F的退火温度，不足以硬化，但是足以退火，而外部部分温度较低不足以显著退火。因此刀刃的临近交叉部分可能被硬化，而预先硬化的刀刃在交叉部分的两侧的一个小带可能只被退火。
靠近交叉部分的有限软化带是否显著降低模具的寿命还不能确定。退火的柔软的带可能太小而不会在切割材料上引起不一致，这种材料被在柔软的退火的部分两侧被充分硬化的刀刃部分支撑。
虽然如此，按照本发明的另一方面，柔软或退火带通过几个进一步的工序减小。首先，控制激光的运动速度和强度，与其它部分相比改变加入到交叉部分的热量。通过选择运动速度和强度，刀刃上的退火影响减少，从而能够限制软化带区域。
按照本方法的另一方面，激光通过注入低温介质，例如液氮，而得以补偿。介质有选择地从在激光两侧的喷嘴流到预先处理的刀刃上，在退火区域内显著限制每一个温度带或温度梯度的范围。预先处理的刀刃上的任何退火的区域被显著限制或减小，因此其不再是模具使用寿命的影响因素。
因此，能够提供一种切割模具，其能够用常规的、低成本的磨削工艺制造，同时，提供足够硬的切割刀刃，不会由于硬化工艺产生开裂或不可接受的变形。
这些和其他优点将会从下面对本发明优选实施例的详细描述和附图变得更加明显，其中

图1为示意图，示出了根据本发明的切割模具的制备；图2为交叉模具刀刃的平面示意图，示出了预先硬化的刀刃的局部退火的区域部分；图3为与图1相似的视图，但是示出了另一个实施例，包括用于冷却以减少交叉模具刀刃退火的装置；图4为按照本发明加工和硬化的模具刀刃的横断面示意图，；图5为硬化激光束的温度分布曲线的形状示意图。
现在看图1，应当明白，在此示意披露了实施本发明的方法的装置。具体地说，该装置包括一个工业质量的CO2激光发生器11。例如，这种CO2激光头10和激光发生器11可以为位于康涅狄格Farmington的TRUMPF公司所产生的，其型号为no.TLF 2600 turbo。激光束的线路和强度能够通过计算机数控装置(CNC)12控制。这种CNC之一可以是由位于马萨诸塞州波士顿市的波士顿数字公司(Boston Digital Corp.of Boston，Massachusetts)生产的，型号为no.BD 85-2。该模具安装在有三个轴，最好四个轴的机床15上。这种机床之一可以是由BostonDigital Corp.生产的，型号为no.BD 85-2。
具有在此硬化的刀刃14的模具圆柱13，安装在机床15上，如图所示机床与CNC 12相连。关于这一点，当发射激光时，控制CO2激光束10，沿在模具圆柱上的模具刀刃14上延伸的线路或图形扫描刀刃，以便向刀刃传递热量，将刀刃硬化合适的表层深度。
激光沿刀刃延伸的方向发射和移动，因此向刀刃传递热量，使刀刃升温并硬化。这种硬化在图4中示出。
在图4中，刀刃14示出在在模具圆柱13上。当激光束沿刀刃扫描，并且加热刀刃上的材料以及圆柱上的临近材料后，在刀刃14和圆柱13上形成一个预定硬度的表层深度，如图4中截面线H所示。现在看简图5，应当明白，该图示出的是被激光加热的平面表面温度分布。在激光束的断面上激光束提供的热量是相对均匀的，然而，热传递的作用(对流，辐射和主要的传导)将在表面产生所示的温度分布曲线TP。关于这一点，应当明白，温度曲线的中心部分TP-1相对高一些，例如，对于4150钢在1500°F以上。希望将刀刃的温度加热到最低奥氏体化温度(对于4150钢在1500°F)以上，以便产生局部相变并且使钢硬化。
由热传递引起的温度分布，随着离激光束中心的距离而变化，因此，离确切加热区域的边界近的温度曲线TP-2比最低金相转变温度T1低一些，但是高到(例如，大约550°F)足以使临近的区域退火。在T1以下，温度越高，所产生的退火效果越大，并且材料将越软。在图5中，T2为一个临界温度，低于此温度，没有显著的退火效果。因此，在T1和T2之间的区域为材料退火工艺引起的显著软化的区域。
现在看图2，使用图5所示的加热图形将能够更准确地理解本发明。特别是，在图2中，示出了一个预先硬化的刀刃20，其已经被激光束扫描以硬化刀刃。交叉刀刃21具有类似的高度，因此刀刃具有共同的或交叉的区域22。应当明白，在刀刃20被硬化以后，为了硬化刀刃，进一步扫描交叉刀刃21将对刀刃21施加加热图形，同样，在交叉区域22，将同样对交叉刀刃20施加加热图形。对于这些区域，被加热图形加热的金属温度在T1-T2之间，如图2中的区域23和24所示，这些区域将从它们预先硬化的状态退火。考虑到刀刃寿命和最终切割的原材料外观，退火区域23和24的宽度和延伸将成为问题。因此，希望尽可能减少刀刃20上的退火区域23和24的宽度。
按照本发明的一个方面，通过控制移动速度，即，相对于模具圆柱13相关的激光束的扫描速度，以及激光束的强度，可以减少交叉刀刃上退火区域23和24的宽度，激光慢慢地增加速度或慢慢地降低激光束强度，以便在交叉部分22仍然能够提供所需要的硬度，但是，可减少施加到预先硬化的交叉刀刃20上的热量，从而减少软化的或退火的区域23和24的总体范围。根据具体的宽度、激光的强度和移动速度，可以控制区域23和24并且将其减少。
按照本发明的另一方面，安装了一个冷却剂系统，以减少区域23和24。因此，如图3所示，描述了一个与图1中的系统相似的系统。在图3中，示出了模具圆柱13上的交叉刀刃。交叉刀刃20通过激光沿着该刀刃的方向扫描已被预先硬化，现在，刀刃21通过激光束沿着刀刃扫描正被硬化。为了减少图2所示的刀刃20上的软化区23和24，来自冷却剂源的冷却剂分别通过如32和33所示的喷嘴施加。冷却剂靠着激光头10产生的激光束范围施加到刀刃20上。在刀刃21两侧的刀刃20上使用冷却剂，能够使靠近刀刃21的刀刃20的连接区域或临近区域的温度保持在退火温度以下，显著减小任何刀刃退火部分的范围。
冷却剂可以为任何冷却剂介质，最好为液体例如液氮、压缩空气或其它温度极低的冷却剂。如图3所示，冷却剂的使用也通过CNC 12控制，因此，只需要将冷却济加到交叉刀刃的与已被硬化刀刃临近的区域。还应当明白，在激光第一次通过交叉区域时，不需要在交叉区域加冷却剂。因为，交叉刀刃还没有被硬化，一旦第二交叉刀刃被激光扫描，作用到刀刃上的任何退火温度将不会最终影响硬度。
还应当明白，本发明特别描述了使用激光束作为热源。任何其它能够与激光起相同功能的热源，即能够在选定的区域快速升温的热源，都能够用于本发明的模具制造工艺。例如，电子束、离子束或感应场技术都可以应用于本发明。
应当明白，本发明专门应用于硬化从模具表面，例如圆柱13，延伸出来的模具刀刃。刀刃还可以从一个模具板伸出，该模具板包到模具圆柱上，或者从一个片段上伸出，该片段可以安装在模具圆柱上。
还应当明白，模具刀刃可以通过磨削制造，如所描述的，也可以通过其它合适的方法制造，并且本发明特别应用于与其下部支撑座或支撑结构为一体的刀刃的硬化。
本发明应用于这种模具，使得刀刃硬化并且迅速包围模具表面区域，应当明白，不需要硬化或热处理整个模具圆柱。应当明白，被激光硬化的模具能够涂上其它材料。
还应当明白，激光硬化的刀刃还应当通过选择的低温处理进一步硬化，以消除残余奥氏体。
因此，在此描述了一种方法，通过它能够用相对软的材料加工所需要的切割模具，并且随后硬化，不会引起模具刀刃或模具刀刃材料与下面模具整体结构结合的区域过度变形或开裂。因此，不需要使用资金量大和范围广的EDM方法、用预先硬化的材料制造模具刀刃。这样使得加工和硬化切割模具的工艺速度加快，并且减少了用于生产长寿命切割模具所需要的昂贵设备。
只要不偏离本发明的范围，本领域普通技术人员可以很容易明白这些和其它的改进及变更，保护范围通过在此附属的权利要求书限定。
权利要求
1.一种用于生产切割模具的方法，包括如下步骤从一个模具表面研磨材料，以形成至少一个从模具表面伸出的切割刀刃；随后，用一个具有足够强度的热源扫描所述刀刃以硬化所述刀刃。
2.如权利要求1的方法，其中所述硬化步骤包括用一个具有足够强度的激光束扫描所述刀刃以硬化所述刀刃。
3.如权利要求2的方法，其中所述扫描步骤包括，沿着一个大致与从模具表面伸出的模具刀刃共同延伸的路线移动所述激光束。
4.如权利要求2的方法，其中所述激光束沿着一个与模具表面上的刀刃的延伸方向一致的路线移动。
5.如权利要求2的方法，其中两个模具刀刃交叉，并且还包括如下步骤用所述激光束扫描其中一个所述刀刃，从而硬化所述刀刃；并且随后用所述激光束扫描另一个所述刀刃，从而硬化所述交叉刀刃，并且减少预先硬化刀刃的临近部分的退火。
6.如权利要求2的方法，其中两个刀刃交叉，并且还包括如下步骤用所述激光束扫描其中一个所述刀刃，从而硬化所述刀刃；并且随后用所述激光束扫描另一个所述刀刃，从而硬化所述交叉刀刃，以及向临近刀刃交叉部分的预先硬化的刀刃加入冷却剂，从而减少在所述预先硬化的刀刃上的被退火区域。
7.如权利要求1的方法，还包括进一步低温处理硬化刀刃的步骤。
全文摘要
一种切割模具(13,14),通过在模具(13)表面磨削刀刃(14)制成,并且随后用激光(10)束或其它高能束或感应方法扫描刀刃(14),以使刀刃(14)加热并且硬化。为了减少预先硬化的、交叉刀刃的回火,激光的运动速度和激光强度是可控的。可选择的是,在交叉刀刃上可进行液体/气体冷却(30,31)。
文档编号B23D25/12GK1268914SQ96180217
公开日2000年10月4日 申请日期1996年6月11日 优先权日1996年2月15日
发明者张玉, 陈子强 申请人:贝尔纳国际公司