专利名称：热处理切削工具的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及切削工具的热处理，特别是但又不仅仅是涉及切削工具如具有不同硬度的一柄部和一切削部分的麻花钻。
这些切削工具一般是用钢，最通常是用高速钢制成的。它们的硬化方法是热处理方法，其中将切削工具的坯件加热至大约1150-1230℃的温度，在该温度下它们被保持足够长的时间以保证加热至坯件的芯部。然后将坯件迅速冷却(即，淬火)，以实现使钢变硬的微结构变化。其它铁金属及非铁金属的硬化可采用适当的热处理方法以类似的方式实现。
为了实现需要的不同硬度(充分硬化的切削部分/软的柄部)，传统的作法是采用盐浴进行热处理。切削工具的切削部分被浸入液态的盐中，液态的盐被保持在需要的高温下。柄部保持在盐浴之外，因而仍处于不足以出现任何显著硬化的温度下。
以这种方式采用盐浴能够可靠地生产具有需要的硬度特性的切削工具，仍是目前最常用的硬化方法。但是，这种方法具有缺陷，最显著的是环境和安全问题，盐浴引起的有毒的、极高温度的熔化的盐，使该方法的操作者处于艰难、不舒适的工作条件中。
最近，有人提出在三级真空炉中，使切削工具以线性方式逐步通过炉中的三个室，从而区别地硬化切削工具。切削工具分批装入第一室，第一室被封闭，然后抽空。在预定时间后，将这批切削工具移入第二室，第二室已处于真空状态并保持高温，以便将切削工具加热至需要的硬化温度。在该加热室中保持预定时间后将工具转送至第三室，在第三室中通过在高压下将氮气泵入该室而使切削工具淬火。
为了实现需要的区别冷却，切削工具在炉的各室中被保持在运载架中，运载架为具有凹部的大金属块形式，切削工具柄部放在凹部中。运载架在某种程度上遮护柄部，使其免受室内的加热。但是，运载架本身的温度将增加，特别是热处理方法规定切削工具必须将切削工具在加热室中保持足够长时间的情形中，这可能使柄部产生不合乎需要的某种硬化。如果运载架在各批切削工具间不允许被充分冷却，那么，上述问题尤为严重。用吹送氮气的方法的迅速冷却也可能导致不合乎需要的变形。
另外，这种炉必须与周围环境密封，在炉内三个室必须分开地密封，以便保护必要的真空，这使炉的结构相对较为复杂且成本高。也许就是由于这个原因，尽管盐浴存在上述缺陷，盐浴仍主要被人们采用。
按照本发明的一个方面，提供一种用于热处理切削工具的设备，该设备包括一个炉，炉内具有至少一个辐射加热件和一个工具夹，该工具夹适于容纳工具的第一部分，并为其遮挡加热件，而工具的第二部分则直接暴露于所述加热件的辐射热。
按照本发明的第二方面，提供用于硬化金属工具的加热方法，该方法包括将工具的第一部分直接暴露于一个炉的辐射热源，以便将所述第一部分的温度提高到一个高的温度，以及为工具的第二部分遮挡所述辐射热源，以便将其保持在低于所述第一部分的高温的一个温度上。
这里使用的术语“工具”包括工具的坯件和半精加工坯件，以及成品工具本身。
已经发现，通过将工具直接暴露于辐射热源，能够精确地控制工具两部分的区别加热。
作为一种优选方式，当辐射热源在工具在炉内加热中与工具并排布置时，这种控制可得到改善。在这种情形中，热源，即，加热件也可以布置成不与遮住工具一部分的工具夹并排延伸，或者，最多只是部分地与工具夹并排延伸。这进一步夸大了工具两部分的区别加热。
另一个增加工具两部分间温差的特别推荐的措施是主动冷却工具夹。例如可以迫使空气、水或其它冷却流体穿过或围绕工具夹或其它热连接于工具夹的传热构件，从而从工具夹带走热量。
当然，一次批量地处理工具是更为经济的，因此，炉可布置成使多个工具同时暴露于加热件。例如，一排或两维阵列的工具可以固定在与加热件相邻的一个或多个工具夹中。为了保证更均匀地加热工具，可以布置两个加热件，工具两侧各一件，例如，与一排工具平行地设置。这种原理也可延伸至下述布置包括两排或多排的或成阵列的彼此平行延伸的工具，这些排或阵列在由相对的加热件之间限定的过道内固定在工具夹中，例如，三排工具保持在由四个加热件限定的三条平行过道内。
在批量处理工具的情形中，特别推荐的是，每个工具直接暴露于来自至少一个加热件的辐射热中，而不致被该批的其它工具遮住该加热件。一般来说，使用上述加热件结构意味着工具夹应当布置成固定最多两个平行的工具排。即使这样，最好使两个排彼此偏置，从而使工具在批量的一侧充分地暴露于加热件，并且只是在批量的另一侧部分地被与加热件遮住。
所述炉最好也包括用于迅速冷却工具或其后暴露于加热件的工具的装置。为此目的特别推荐的是一个或多个冷却件，一排或一个阵列的工具邻近于所述冷却件设置在工具夹内，设置的方式基本与它们的加热件并排固定的方式相同。例如，可以是由水或其它流体流冷却的冷却件吸收来自工具的辐射热量，以便有助于防止工具周围的气氛温度显著升高，从而促进工具的迅速冷却。
与加热件相似，在炉内可设置冷却件的平行排以限定工具的一个或多个过道。
炉可方便地被分成一个加热区和一个冷却区，在加热区内借助辐射热加热工具，在冷却区内冷却工具，设置将工具从一个区送至另一区的输送装置。一种可采用这种方案的炉的特别方便的形式是旋转式平底炉，其中工具由一个旋转支承件或炉底载运，例如承载在它们的工具夹内通过一个环形室，该环形室可分成不同温度的区域。
炉2的环形内部分成围绕其圆周的10个大小相等的区域6。同样，炉2的旋转炉底又分成10个相等的部分10，当炉底转过10个相应位置时，每个部分10用于将一批工具坯件12在工具载运架14内相继地送过炉的区域6。
炉是在大气压或十分接近大气压下运转的。也就是说，它是不抽空的。在这个推荐实施例中，炉的气氛(即，炉内气氛)是氮气。这有助于防止坯件变色，及坯件在炉运转的高温(1150-1230℃)下暴露于氧气而可能发生的钢的失碳。
在使用中，工具成批地装载在载运架14中，然后，载运架沿装载输送器16运行，一次一个地到达输送台18。载运架14从转送台装入炉2中，在炉2的装载/卸载区域20中、装在炉底8部分10中。然后沿如
图1中箭头A所示的逆时针方向，炉底被分度转动一个部分10的长度，将刚刚装载的载运架14a送入两个预热区域22，24中的第一个，使另一个载运架14b从五个冷却区域26-30中的最后一个送入装载/卸载区域20中。然后，载运架14b从炉2送至转送台18，从那里它沿卸载输送器34运行，该卸载输送器与装卸输送器平行地但反向地运行。然后，取出这个现在经过热处理、硬化的工具坯件，以便进一步处理(例如，刃磨等)。
在其后的分度步骤中，载运架14a和它所放置的炉底部分10被顺序送过第二个预热区域24、两个高温加热区域36，38和五个冷却区域26以返回装载/卸载区域20。预热区域22，24用于使坯件的温度在暴露于加热区36，38的很高温度之前达到大约900℃。这可避免坯件12加热太快而引起不合要求的变形。在两个加热区域36，38中工具坯件12升至1200℃的温度所经过的时间足以保证坯件12被加热至其芯部。然后，当坯件进入第一冷却区域26时，坯件被迅速冷却，很快冷却至大约600℃的温度。当坯件12经过其余四个冷却区域27-30时，它们在炉2排出前被基本冷却至环境温度。
在第二高温区域和第一冷却区域之间，以及在冷却区域自身之间设置绝热“桥”(未画出)-即跨接炉内宽度、但又不侵占工具坯件的通道的绝热构件。可以注意到，这种区域的布置使工具坯件在冷却区域装、卸，而冷却区域不仅被绝热桥而且也被两个预热区域与加热区分开，从而使得从炉向周围环境的热量损失很小。
每次炉底8被分度时，一个装有被处理的工具坯件的载运架14从装载/卸载区域20被卸载，代之以一个装有准备处理的新坯件的载运架。这样，该方法能够以很有效的方式连续操作，使载运架的装、卸在同一位置上进行。有利的是，炉2的旋转炉底结构也占据相对较小的面积，特别是当与公知的真空炉相比较时。
现在参阅图2，3和4详述炉的结构。在图2中可清楚看出，该图是通过一个右侧加热区域38和一个左侧冷却区域30的剖面，炉底8安装得可在壳体40中转动。邻近于装载/卸载区域20，在壳体40上形成一个开口(未画出)，通过该开口可引入和取出工具载运架14。在炉下面的一个凹坑42内安装一个电机(未画出)以驱动一个转动体44，炉底8安装在该转动体上并借以使炉底8的部分10分步地移过炉2的区域6。许多分度机构中的任一种可用作这种驱动机构，例如，包括球形凸轮分度机构。特别推荐这种机构，这是由于它虽然结构简单但可以很精确地分度炉底8(例如在±1.0mm内)。
一个软钢(MS)的底板50安装在每个炉底部分10上。这些底板50是水冷的，为此水(例如在大约3-4巴的压力下)泵过设置在板内的通道。冷却剂在压力下从一个共用源通过炉底8的毂部送至每个底板50，冷却剂从所述毂部是通过挠性管路送至底板50的。在毂部的一个接头使静止的供应管和随炉底转动的管路之间可相对转动，同时保持冷却剂在其间的流动。
结构将在下文详述的工具载运架14装在底板50上，使其与底板热连通以便冷却。
加热区域36，38及预热区域22，24在其侧面和顶部由一个厚层的绝热材料52包封，以便有助于保持在这些区域中必须的高温。横过加热区域36，38及第二预热区域24的绝热层52a被断开，以便在本实例中为在每个区域中四个并排的加热件54的阵列能够从上方穿过绝热层进入炉内部。这些加热件最好是依靠电阻加热的导电件，从而使其温度可以被精确、迅速地控制。已经发现碳化硅加热件是特别适用的。
在这个实例中，第一预热区域22不含任何加热件，而是通过来自第二预热区域24的辐射和/或对流热量而被加热的。
加热件54横过加热区域38的宽度彼此相等地间隔开来，以便在其间限定三个在圆周上延伸的相等宽度的通道56，当炉底8被分度时，工具坯件12沿上述通道运行。这种布置，以及工具载运架14的结构(下面描述)可保证所有坯件12被来自加热件54的辐射热均匀加热。特别应注意的是，不象前述公知的真空炉那样，加热件54被布置得与工具坯件12相隔很近，使坯件12的加热控制能够很精确。一般来说，加热件和相邻工具之间的间距为大约50mm或更小，不过，对于任何特定批量的工具来说，精确的间距可以根据它们所需要的热处理法，通过调节坯件在其载运架14中的位置来选择。
进一步的控制是通过下述方式实现的例如使用标准热电偶监测炉的高温加热区域36，38及第二预热区域24中的温度，并控制对加热件的电力以保持这些区域中所需的温度。在一种典型的配置中，在上述三个区域中的每一个中六个热电偶就足以提供所需要的控制。这三个区域最好被独立地控制。举例来说，在这三个受控区域中的典型温度，在第二预热区域24中约为1000℃，在第一高温加热区域36中约为1200℃，在第二高温加热区域38中约为1230℃。实际值可根据例如需要的热处理法和被处理的工具的材料而变化。
在未被绝热的冷却区域26-30中，以类似于加热件54的阵列方式，冷却件60从顶部构件向下悬垂，限定了上述加热件54之间的通道56的延伸部56a。冷却件是铝块，与底板50类似，形成有通道，冷却水在这个实例中以大约3-4巴的压力送过这些通道。这种布置可使坯件12得到很迅速但又受到控制的冷却，这不象公知的炉的氮气淬火那么急剧，导致极小的变形，如果说有变形的话。
如前所述，坯件是在工具载运架14中送过炉2的。现在参阅图3和4，每个载运架具有MS的底板70，在底板上安装三个MS散热片72，所述散热片在底板的宽度上相等间隔开来，在底板70的全长上延伸。散热片72之间的空间填有绝热耐火材料74。
如图5所示，散热片72分别是由两个MS块72a，72b构成，沿底板70的长度中间接合，这两个MS块彼此偏置一个小的角度，以便使每个散热片72的直线接近于承载它们的炉底8的曲率。底板70被类似地成形。横过底板70的散热片72的位置使它们与加热件54和冷却件60所限定的通道56，56a。
在散热片72的每个块72a，72b的顶面上形成一个长的凹槽75，在块的全长上延伸。在所述凹槽中滑动配合一个工具夹76，工具夹也是软钢的，在工具夹的顶面形成均匀间隔开来的一系列孔78，孔的大小可接纳被处理的工具坯件12的柄部80。当装在工具夹76中时，工具坯件向上突伸，因而当它们穿过炉2的加热区域56，58运行时，其切削部分处于加热件54之间。这样，切削部分就暴露于来自加热件54的辐射热中，而柄部则被遮挡在工具夹内，工具夹本身设置在加热件高度下面(见图3和4)。
工具夹76本身由穿过散热片72的水冷底板50冷却，工具夹也用于在处于炉2内时从柄部80传热。这样与它们所提供的遮挡一起，可保证柄部80的温度保持在低于约800℃，使其不被硬化至任何显著的程度。
在工具坯件12的软的柄部80和硬化的切削部分82之间的划分可由工具夹中的孔78的深度控制，孔越深则软的柄部80越长。硬、软部分之间的过渡将精确地与孔的深度一致，这是由于热通过坯件本身的传导作用的缘故，但是对于任何工具的具体结构来说，确定孔的深度和过渡位置之间的关系是由简单实验来确定的事。
硬化的程度也受到在炉2内工具坯件12和加热件54之间的间距的显著影响。这可以通过适当地使孔78在工具夹76中定位来控制。不同直径的工具坯件也需要不同的孔布置以保证它们受到均匀加热。如图5所示，在每个工具夹中具有交错的两排孔78，这种工具夹76例如适用于直径约为8-10mm的工具。对于更大直径的工具来说，例如图6a和6b所示的一排孔更为合适，而较小直径的工具则可布置得更为紧凑(图7a和7b)。
有利的是，这种用来适应不同尺寸的工具的方法意味着对于不同工具批量来说只需要改变工具夹76。另一个优点在于，对于硬化方法赋予大程度的控制是借助在上述炉结构中的变量进行的，包括散热片的位置、冷却水流量、散热片的块之间的绝热材料量，以及工具夹中孔的间距和深度，对于任何形式的工具来说具体的最佳参数，也考虑到在炉中的温度和时间，是通过实验推断出来的。这又意味着炉的工作参数不必对不同形式的工具进行改变，这种热处理方法的特征是通过适当选择散热片和工具夹而控制的。这样具有的很大优点是，不同形式的工具可以相互追随通过炉子而不显著损失时间。
图8a和8b表示能够使用上述炉的热处理方法的有效性。具体来说，如果比较两种相同的工具坯件(在这个实例中是10mm直径的高速钢麻花钻的坯件)，一个在按照本发明(图8a)的旋转式平底炉中处理，另一个在传统的盐浴中处理，那么，可以看出两种方法实现了相类似的切削部分(即“槽长度(flute length)”)的硬度，而按照本发明处理的坯件的柄部则比传统方法得到的柄部软。另外，试验表明，这种方法可产生很一致的最终硬度值，这归因于每个工作循环可实现的可重复产生的加热和冷却分布图。
上述具体实例显然是想用作说明的，可对上述设备作各种变化而并不超出本发明范围。例如，如图9所示，借助设置在卸载输送器34上方的冷却风扇90可提供附加的冷却。该图中也表示出在本实例中设置的真空栓92，用于在工具的装、卸过程中阻止空气进入炉中。在装载过程中，工具进入在装载输送器16端部的真空栓塞92a。该室任一侧上的门密封该室，该室内的气体被抽空至1×10-2毫巴(mbar)。然后，该室回充来自炉的N2气体。然后，工具通过内室门(即，通往炉的装载区域的门)被装入炉内。这种方式基本可防止任何氧气进入炉内。
当将工具从炉内卸载至卸载输送器34时，真空栓92b以类似的方式工作。
权利要求
1.一种用于热处理切削工具(12)的设备，它包括一个炉(2)和一个在炉(2)内的工具夹(14)，该工具夹适于接纳工具(12)的第一部分，使工具(12)的第二部分从工具夹突出，其特征在于在炉(2)内设有至少一个辐射加热件(54)，工具(12)的第二部分直接暴露于来自所述加热件(54)的辐射热，工具(12)的第一部分被挡住所述辐射热。
2.如权利要求1所述的设备，其特征在于每个加热件(54)被布置成在它在炉(2)中被加热时与工具(12)的第二部分并排设置。
3.如权利要求2所述的设备，其特征在于每个加热件(54)不与或至多只是部分地与挡住工具(12)的第一部分的工具夹(14)并排设置。
4.如权利要求1至3中任一项所述的设备，其特征在于还包括用于冷却工具夹(14)的装置(50)。
5.如权利要求1至4中任一项所述的设备，其特征在于用于加热多个切削工具(12)，包括固定在邻近于加热件(54)的一个或多个工具夹(14)内的一排或一个两维阵列的工具(12)。
6.如权利要求1至4中任一项所述的设备，其特征在于用于加热多个切削工具(12)，包括两个或多个排或两维阵列的彼此平行延伸的工具(12)，加热件(54)设置成在每排或阵列的每侧一个。
7.如权利要求1至6中任一项所述的设备，其特征在于包括在暴露于每个加热件(54)后用于迅速冷却每个工具(12)的装置。
8.如权利要求7及权利要求6所述的设备，其特征在于冷却件(60)设置成在每排或阵列的工具(12)的每侧一个。
9.如权利要求1至8中任一项所述的设备，其特征在于炉(2)被分成一个或多个用辐射热加热工具(12)的加热区域(36，38)，以及一个或多个分开的冷却工具(12)的冷却区域(26)，设有输送装置(8，44)以便将工具(12)从一个区域送至另一个区域。
10.如权利要求9所述的设备，其特征在于炉(2)还包括一个或更多在一个或多个加热区域(36，38)前的预热区域(22，24)。
11.如权利要求9或权利要求10所述的设备，炉(2)是旋转式平底炉。
12.如权利要求1至11中任一项所述的设备，其特征在于炉(2)的气氛是氮气。
13.如权利要求12所述的设备，其特征在于还包括一个或多个真空栓室(92a，92b)，工具(12)和工夹具(14)通过所述真空栓室装入或卸出炉(2)，以便防止在所述装、卸过程中氧气进入炉(2)。
14.热处理切削工具(12)以硬化工具(12)的方法，该方法的特征在于包括以下步骤在一个炉(2)中将工具(12)的第一部分暴露于一个辐射热源(54)以便将所述第一部分的温度升至一个高的温度，以及将工具(12)的第二部分遮避于所述辐射热源(54)，以便将其保持在一个低于所述第一部分的高的温度。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于还包括将工具(12)的第二部分放置在一个工具夹(14)内，以及冷却所述工具夹(14)。
16.如权利要求14或权利要求15所述的方法，其特征在于还包括下述步骤在加热工具(12)的第一部分后，迅速冷却工具(12)的所述第一部分。
17.如权利要求14至16中任一项所述的方法，其特征在于还包括下述步骤在加热工具(12)的第一部分之前，预热工具(12)的所述第一部分。
全文摘要
用于热处理切削工具(12)的设备包括一个炉(2)和在炉内的工具夹(14)，所述工具夹适于在其内接纳工具(12)的第一部分，工具(12)的第二部分从工具夹(14)突出，工具(12)的第二部分直接暴露于来自炉内至少一个辐射加热件(54)的辐射热，而工具(12)的第一部分被遮住所述辐射热。
文档编号F27D99/00GK1444664SQ01813389
公开日2003年9月24日 申请日期2001年7月24日 优先权日2000年7月28日
发明者格雷厄姆·M·史密斯, 乔纳森·C·奥茨, 杰弗里·P·费希尔, 理查德·M·莱尔, 埃德加·达比尔, 马丁·J·莫纳汉 申请人:桑德维克公司