TW202045299A - 使用多晶鑽石加工鈦合金之方法 - Google Patents

Abstract

本發明係針對金屬加工操作，且更具體而言，關於以在碳化物基板上燒結的多晶鑽石插入式切割刀加工耐熱超級合金（HRSA），例如鈦合金。一種加工耐熱超級合金（HRSA）之方法，使用固定在旋轉工具保持器上的至少一個插入式切割刀，且其中至少一個插入式切割刀具有PCD的頂部層緊固至不小於基板頂部表面的1/3上的基板，方法由以下步驟完成：旋轉工具保持器，使得插入式切割刀速率高於每分鐘50公尺，及調整工具饋送率（每周轉每齒的前進）及/或工具保持器的徑向接合，使得加工操作產生具有大約0.050-0.200毫米的厚度的切屑。

Description

使用多晶鑽石加工鈦合金之方法

本申請案主張於2019年4月18日申請的美國臨時申請案第62/835,862號的優先權，且在此將該申請案的整體內容併入作為參考。此申請案將美國專利公開號第2020/0001374號的內容整體併入作為參考。

本發明係關於金屬加工操作，且更具體而言，關於以在碳化物基板上燒結的插入式多晶鑽石切割刀加工耐熱超級合金（HRSA），例如鈦合金，其中多晶鑽石（PCD）的厚度大於1毫米。

PCD已在金屬加工操作，且具體而言在加工鋁零件中使用多年。然而，PCD材料非常昂貴，且當切割鐵性材料或鈦合金時無法持久。PCD尖端傳統上「銅焊」至碳化物基板上，因為PCD材料的高成本，插入式切割刀使用極少量的PCD（舉例而言，在一個角落上使用一個小三角形）。儘管此等銅焊尖端對某些金屬加工操作非常有效率，但在某些其他條件下，例如加工鈦合金，介於PCD插入式切割刀及碳化物基板之間的銅焊料由高溫變得脆弱，且易故障。

整體而言，切割金屬產生熱，且所有材料以不同速率傳送熱。此速率的量測稱為熱傳導係數。PCD以約800 W/m-K的速率傳送熱，但反觀碳化鎢則以28W/m-K傳送熱。碳化物的低傳送速率在大多數情況下為較佳的，因其耐熱。若工件的熱傳送速率更高，則工件或再者為從工件移除的切屑吸收熱。當加工以耐熱超級合金製成的工件時，切割操作迅速透過PCD尖端傳送熱，且至支撐尖端的基板。在基板中具有銅焊的PCD尖端的先前設計中，藉由切割工具吸收的熱軟化且弱化焊接料，由此使工具故障。再者，在使用碳化物插入式切割刀的較高速度下，產生更多的摩擦熱，而增加溫度且軟化碳化物工具，導致更早故障。

目前，由於剛才討論的原因，且進一步歸因於PCD材料的脆弱性及成本，加工鈦合金的功能藉由高速度鋼質切割刀或碳化物切割刀（整刀或插入式的任一者）完成，但非藉由基於PCD的工具材料。

存在對以PCD插入式切割刀加工例如鈦的耐熱超級合金的需求。而且，需要安排及方法，且該等安排及方法不僅經調適以用PCD插入式切割刀加工鈦合金，還經調適以用具有可超過每分鐘50公尺的表面速度的高速度應用來加工鈦合金或其他HRSA材料。

一種加工HRSA之方法，使用固定在旋轉工具保持器上的至少一個插入式切割刀，其中至少一個插入式切割刀包括一基板，該基板具有至少1毫米厚的PCD的頂部層，該頂部層與基板頂部表面緊固或整合，該方法包含以下步驟：旋轉工具保持器，使得插入式切割刀表面速率高於每分鐘50公尺；及調整工具饋送率（每周轉每齒的前進）及/或工具保持器的徑向接合，使得加工操作產生具有大約0.050-0.200毫米的厚度的切屑。

整體而言，根據本發明之方法係關於複數個切割邊緣的受控接合，接合方式導致藉由每周轉齒前進或碾磨工具的徑向接合或此等條件之結合決定的切屑厚度最大化。此外，方法係關於相對於工件控制工具的路徑，以便當工件在使用目前技術能夠提升的表面速度下加工時，限制對切割邊緣的接合及脫離衝擊。

第1A及1B圖圖示具有整合至基板20的一層PCD材料15的插入式切割刀10。如圖示，PCD材料15在基板20的整個頂部表面上延伸。中心孔洞25延伸穿過插入式切割刀10，以接受用於將插入式切割刀10緊固至工具保持器的固定螺釘。儘管第1A及1B圖中圖示的插入式切割刀10具有孔洞以接受固定螺釘，但應理解此處所揭露的本發明可應用至可用以加工鈦的任何切割工具，包括但非限於可使用夾具緊固的完全實心插入式切割刀（不具有穿孔），或可以另一方式緊固的任何其他切割工具。

儘管第1A及1B圖中圖示的插入式切割刀10從頂部檢視時具有方形形狀，如此處所討論對基板應用的PCD層並非限於方形插入式切割刀，且可應用至本質為任何形狀的插入式切割刀。再者，儘管第1A及1B圖中圖示為插入式切割刀10具有在基板20的整個頂部表面上延伸的PCD材料15，但PCD層完全可能在鄰接於將接合工件的切割邊緣的插入式切割刀上選擇性地應用至基板20的部分。在此等情況下，較佳為PCD材料15於將接合工件的插入式切割刀10的區域之中在所有基本方向中延伸超過1毫米。PCD材料15無須在基板20的整個表面上延伸，但應延伸不小於在基板20的頂部表面的1/3。

第1C-1E圖圖示另一實施例，其中PCD層包括在凹陷的部分之中以大致徑向方向從中心延伸的脊部。此等脊部在PCD層之中提供結構支撐，且亦可提供區域以提供強化的斷屑。

第2A-2C圖顯示通常工具保持器，且具體而言，通常旋轉工去保持器，而可利用以將一或更多插入式切割刀10緊固以在加工操作中接合。具體而言，第2A圖圖示碾磨切割刀，第2B圖圖示鑽頭，且第2C圖圖示端磨器。此等工具保持器之各者可在多軸CNC機器之中緊固用於給定的加工操作。

注意在第3圖中的表，申請人已決定藉由根據本發明利用PCD插入式切割刀及加工方法，當施加至以鈦合金製成的工件例如但非限於Ti-6AL4V時，能夠在金屬加工操作期間增加切割速度高達碳化物工具的傳統速度的五倍。具體而言，參照第3圖，使用碳化物插入式切割刀的傳統切割操作可利用介於每分鐘50-70公尺之間的切割速度，工具壽命為60-90分鐘。另一方面，利用根據本發明的PCD插入式切割刀，能夠以每分鐘50公尺的相同速度維持切割速度，且工具壽命將增加至超過720分鐘。為了最佳利用本發明，申請人相信對PCD插入式切割刀的高速度應用為最優化的。具體而言，在適當的條件下，在較佳實施例中，用於PCD插入式切割刀的切割速度可為每分鐘150-200公尺，且工具壽命可為90-120分鐘。因此，不僅根據本發明的PCD插入式切割刀允許高速度加工，而且當適當地使用時，工具壽命超過碳化物插入式切割刀的壽命。

通常加工操作聚焦於當加工工件的每齒饋送（亦稱為晶片裝載）而非切屑的最大厚度上。發明人已發現藉由聚焦在切屑的最大厚度上，能夠優化例如鈦的耐熱超級合金的加工操作。

此處所述的PCD插入式切割刀為具吸引力的，因為PCD層的相對大體積能夠吸收且傳送熱。來自PCD層的熱傳送可得到被導向PCD層的冷卻劑的輔助。此外，PCD傾於更硬，且因此可比碳化物更長地耐研磨磨耗，使其不會如硬度不高的碳化物一樣快速地物理磨耗。最終，相較於具有較高係數的塗佈或未塗佈燒結的碳化物，PCD具有較低摩擦係數。此較低摩擦係數十分重要，原因有二。其降低切割摩擦及所得到的熱產生，且亦降低插入式切割刀移動通過或沿著工件表面移動所需的力。

切屑的厚度為重要的。決定切屑厚度為工具直徑及徑向接合量及每周轉每齒饋送率之間關係的函數。工具保持器的直徑為給定的，且徑向接合及饋送率在用於工具路徑之加工工具的程式設計中指定。如先前提及，不像先前加工處理，本標的指定所欲的切屑厚度作為限制，且針對給定的徑向接合尋找可用的給定饋送率，以確保適當的切屑厚度。傳統作法為指定徑向接合及饋送率，由此得到切屑厚度。

目前為止所討論的為使用PCD加工耐熱超級合金的一般應用。存在特定應用，其中此處理為特別有益的。

口袋碾磨為在工件的表面上封閉的界線之中移除材料至特定深度的加工技術。必須產生不小於碾磨切割直徑115%的準備的初始孔洞。過去，如第4A圖中圖示，工具路徑為口袋輪廓幾何的多個縮小版本，直到達到角落區域，此時切割工具將加工角落。

然而，注意第4B圖，可利用螺旋或至少螺紋的入口路徑以藉由碾磨切割刀進入孔洞的側壁，直到工具及口袋壁之間達成切線，且接著按照恆定徑向接合方式加工角落。儘管藉由切割工具行進的距離以達成此螺紋切割可為更大，但在透過使用PCD工具准許的顯著增加的切割速度下，整體加工時間顯著降低。此後，一旦移除大部分的材料之後，接著後續的大量材料可藉由進入材料中的徑向路徑被移除，例如按切割器直徑百分比給定了步進量的Mastercam®動態碾磨路徑。以此作法，透過使用利用PCD插入式切割刀的碾磨切割刀，碾磨時間可顯著減少。應理解先前所討論的每周轉每齒饋送率亦可應用至此操作。

輪廓碾磨用以粗糙化或修整碾磨垂直、斜向或5軸規的表面。選擇的表面必須允許用於連續的工具路徑。如第5A圖中圖示，使用傳統工具加工時，切割的深度相當大。如先前所提及，使用碳化物插入式切割刀的表面切割速度可介於每分鐘50-70公尺，且工具壽命可為60-90分鐘。然而，碳化物插入式切割刀具有顯著大於PCD的粗糙度，且結果當切割邊緣首次遇到待描輪廓的材料的肩部時，可承受對插入式切割刀的初始衝擊。

本發明已發現透過使用PCD插入式切割刀，可在較少時間中達成描輪廓，因為切割速度現可高達每分鐘200公尺。然而，因為PCD插入式切割刀對衝擊容受能力較低，描輪廓的工具路徑為不同的。對描輪廓可具有至少三個選擇——藉由工具形成的用於直線方法的傾斜表面、以「坡道」準備的部件材料，或用於恆定徑向接合及步進量以坡道形狀的切割刀路徑。

如第一範例，如第5B圖中圖示，對於使用PCD插入式切割刀的描輪廓，插入式切割刀以3.4-6.8度傾斜坡道，具有切割器直徑60%的半徑至輪廓切割的直線部分。此後，切割刀可返回至坡道部分且完成加工操作。坡道的長度可介於直徑的2倍至直徑的10倍。如一範例，此對80毫米直徑的工具將建議坡道介於160毫米至800毫米的坡道。

如第二範例，以坡道準備部件材料。在第5B圖中圖示的坡道可如第6A圖中所顯示的方式以對衝擊容受能力更強的工具使用傳統技術建立。此後，如第6B圖中圖示，可利用PCD插入式切割刀以完成描輪廓。

在描輪廓的又一範例中，第7圖圖示使用恆定徑向接合及步進量，具有工件待加工成彎曲的斜率的佈置，例如圓圈。工具路徑以工件四周的線顯示。為了提供恆定徑向接合，工具路徑接合小部分的角落，以最小化插入式切割刀上的衝擊，且接著工具開始加工彎曲的路徑。透過多個互動，以恆定徑向接合為整個工件賦予彎曲的形狀。

關鍵在於此等工具路徑控制徑向接合的改變，使得在工具上增加的負載非常平順且為逐步的。更重要的，工具的方向並無突然的改變。藉由如此進行，利用PCD插入式切割刀的描輪廓將佔據更少時間且具有有效的更多的工具壽命，而先前使用傳統碳化物工具無法達成。

除了碾磨之外，發明人亦發現當鑽孔操作期間使用例如在第2B圖中圖示的鑽頭的工具保持器加工耐熱超級合金時，PCD插入式切割刀可為實用的。如剛才，利用介於每分鐘50-200公尺之間的表面速度及介於每周轉0.050至0.200毫米之間的饋送率可實施。再次地，在入口的給定距離上必須控制增加的饋送率，且為了達成此目標，例如可利用G93.2 Fanuc可選饋送率（A02B-0326-R635）。然而，可能產生新的或使用存在的加工演算法以達成此任務。此技術對本領域中技藝人士為已知的。

目前為止所說明的為針對碾磨及鑽孔的金屬加工操作。然而，應理解此處所應用的內容可均等應用至其他加工操作而具有類似的益處，例如打孔。

為了此後說明之目的，「端」、「上部」、「下部」、「右邊」、「左邊」、「垂直」、「水平」、「頂部」、「底部」、「橫向」、「縱向」的詞彙及其衍生將關於圖式中定向的範例。然而，應理解範例可假設各種替代變化及步驟順序，除非相反地特別表明。亦應理解隨附圖式中圖示及在以下說明書中所述的特定範例僅為例示性範例或發明的態樣。因此，此處所揭露的特定範例或態樣不應考量為限制。

儘管已為了圖示之目的基於目前考量為最實際較佳的且非限制的實施例、範例或態樣在某些細節說明本發明，應理解此等細節僅用於此目的且本發明並非限於所揭露的較佳及非限制實施例、範例或態樣，但相反地，意圖涵蓋在隨附請求項的精神及範疇之中的修改及均等安排。舉例而言，應理解本發明考量任何較佳的且非限制實施例、範例或態樣的一或更多特徵可與任何其他較佳的及非限制實施例、範例或態樣的一或更多特徵結合的所有可能性。

10:插入式切割刀 15:PCD材料 20:基板 25:中心孔洞

第1A圖圖示在基板的頂部上具有PCD層的插入式切割刀的等距視圖；

第1B圖圖示第1A圖中插入式切割刀的頂部視圖，其在基板的頂部上具有PCD層；

第1C-1E圖圖示插入式切割刀的另一實施例的側面立體視圖、頂部視圖及前立體視圖，其在基板的頂部上具有PCD層；

第2A-2C圖圖示可用於使用PCD插入式切割刀進行加工的通常工具保持器；

第3圖為圖表，圖示不同插入式切割刀材料的切割速度及壽命；

第4A及4B圖圖示在製袋操作期間工具可追隨的潛在工具路徑；

第5A及5B圖圖示在描輪廓操作期間工具可追隨的一個路徑；

第6A及6B圖圖示在描輪廓操作期間工具可追隨的第二路徑；及

第7圖圖示在描輪廓操作期間工具可追隨的第三路徑。

國內寄存資訊(請依寄存機構、日期、號碼順序註記) 無 國外寄存資訊(請依寄存國家、機構、日期、號碼順序註記) 無

15:PCD材料

20:基板

Claims (17)

1. 一種加工耐熱超級合金（HRSA）之方法，使用固定在一旋轉工具保持器上的至少一個插入式切割刀，其中該至少一個插入式切割刀包括具有一基板，PCD的一頂部層緊固至該基板上一基板頂部表面的不小於1/3上，該方法包含以下步驟： （a）旋轉該工具保持器，使得一插入式切割刀表面速率高於每分鐘50公尺；及 （b）調整一工具饋送率（每周轉每齒的前進）及/或該工具保持器的徑向接合，使得該加工操作產生具有大約0.050-0.200毫米的一厚度的切屑。
2. 如請求項1所述之方法，其中該HRSA材料為一鈦合金。
3. 如請求項1所述之方法，其中該HRSA材料為Ti-6AL4V。
4. 如請求項1所述之方法，其中該PCD材料在該基板的整個頂部表面上延伸。
5. 如請求項1所述之方法，其中該PCD材料在該接觸區域中該基板的該頂部表面的不小於1/3處延伸，且該PCD在各個基本方向中延伸超過1毫米。
6. 如請求項1所述之方法，進一步包括以下步驟：主要在該PCD的該頂部表面上引導一冷卻流。
7. 如請求項1所述之方法，其中從該工具保持器的中心線及該至少一個插入式切割刀之各者的邊緣的該偏轉（run out）不超過0.030毫米。
8. 如請求項1所述之方法，其中該加工之方法應用至一碾磨操作。
9. 如請求項8所述之方法，其中該碾磨操作為製袋（pocketing）。
10. 如請求項9所述之方法，其中用於該製袋操作的一工具路徑經選擇以最大化用於高速加工的該機會。
11. 如請求項10所述之方法，其中該碾磨操作包含以下步驟： （a）在一工件中產生一孔洞，該孔洞大於該碾磨工具的直徑； （b）實行需要最小饋送率函數的一連續操作，例如螺旋，用於該加工的一大部分；及 （c）利用基於預界定標準工具路徑的傳統技術，實行該加工的剩餘部分。
12. 如請求項8所述之方法，其中一碾磨操作為描輪廓（profiling）。
13. 如請求項12所述之方法，其中該至少一個插入式切割刀沿著一淺坡道引入該工件，以允許該至少一個插入式切割刀達到最大表面速度及最大工具壽命。
14. 如請求項12所述之方法，其中該至少一個插入式切割刀沿著使用傳統工具建立的一淺坡道引入。
15. 如請求項12所述之方法，其中該至少一個插入式切割刀利用一恆定徑向接合及步進量。
16. 如請求項1所述之方法，其中該加工之方法應用至一鑽孔操作。
17. 如請求項16所述之方法，其中用於該鑽孔的一饋送率介於每周轉0.100-0.200毫米之間。

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