專利名稱：切割模具及其制造方法
背景技術：
本發(fā)明涉及一種切割模具，特別是，涉及一種用于切割各種原材料的模具的加工。
已知切割模具用于將原材料的一部分從另一部分上切割或割斷下來。例如，切割模具被用于將紙板或塑料或金屬的片材切割制成預定的半成品。在已知的一種切割操作的形式中，兩個旋轉圓柱并列，各自具有其小的一體化切割刀刃從圓柱形表面沿徑向延伸，以便當旋轉時，刀刃通常與工件原材料的相對側面嚙合，并且共同作用，從而將原材料分割成毛坯，毛坯的形狀由刀刃的形狀決定。在美國專利4,608,895號描述了一種這種操作。
制造每一個圓柱形模具的工藝需要一定的工藝處理，以確保刀刃在長時間操作中能夠提供所需要的切割功能。特別是，刀刃應當非常硬，以便在需要修理之前刀刃有足夠的壽命。
因此，在制備模具的一種方法中，將具有合適大小的整體模具圓柱進行熱處理，以便使圓柱形表面達到所需要的硬度，例如，洛氏硬度值在HRC60左右的數(shù)量級。由于刀刃用圓柱制成整體，下一個工序是去掉圓柱材料形成并且限定整體刀刃，刀刃從圓柱的表面徑向向外延伸。同時可以向下磨削表面形成刀刃，圓柱的硬度使得磨削為一個不好的選擇。
因此，使用放電加工(EMD)制造模具是眾所周知。在這種工藝中，石墨圓柱在要制造的模具圓柱和刀刃形成負極。石墨圓柱和模具圓柱在放電環(huán)境下并列，因此模具圓柱金屬被消耗，剩下硬化的切割刀刃從表面向上延伸。這是一種慢的工藝，當圓柱大，例如直徑為十二英寸并且達幾英尺長時，該工藝能夠用幾天的時間。
制造商曾試圖首先制造模具，然后將其硬化。這種逆向工藝不好用。為了產(chǎn)生所需要的刀刃硬度，圓柱及其伸展的刀刃必須被加熱到奧氏體化溫度，該溫度對于4150鋼為1500°F左右，對于D2鋼為1900°F-2000°F左右。當這種預制的圓柱從爐子中取出冷卻時，在模具刀刃或其周圍區(qū)域可能變形或開裂。這種變形被認為是由幾種原因引起的，包括由于相對體積較小的刀刃與相對體積較大的圓柱之間以及模具的表面和內部之間的冷卻速度不同引起的熱變形、金相轉換變形。
特別是，當圓柱冷卻時，其表面比內部冷卻快。由于熱和金相轉換體積變化不均勻，使得模具開裂或變形超過允許的極限。還有，為了達到所需要的硬化，金屬必須被加熱到所需要的溫度以使金相轉換。刀刃的這種金相轉換是生產(chǎn)所需要的硬度所必需的，為產(chǎn)生金相轉換，所需要的從大約1500°F到2000°F(取決于鋼的型號)的奧氏體化溫度的快速冷卻，由于金相轉換的速度不同，是在圓柱上的刀刃出現(xiàn)不希望的開裂和變形的一個原因。由于在不同體積的刀刃形狀和圓柱上熱量的分布，金屬中這種金相轉換以不同的速度進行。這會產(chǎn)生體積和密度的變化，這樣會引起開裂或變形，特別是在刀刃和圓柱表面上。
因此，模具制造商面臨的困難是為了模具的壽命所需要的硬刀刃與為了制造模具刀刃所需要的軟表面材料之間的矛盾。當模具首先硬化時，需要使用慢的、昂貴的、資金量多的EDM工藝制造刀刃。如果首先磨削刀刃，然后加熱并冷卻圓柱使刀刃硬化，可能引起變形和開裂。
因此，本發(fā)明的一個目的是提供一種改進的制造切割模具的方法。
本發(fā)明的另一個目的是，提供一種模具制造方法，其中刀刃能夠以低成本磨削或制造并且隨后的硬化沒有上面提到的現(xiàn)有工藝方法的變形和開裂。
本發(fā)明的另一個目的是，以較快的速度生產(chǎn)一種具有硬化刀刃的圓柱形切割模具，其制造費用低，并且沒有如EDM工藝所需要的資金量大的設備。
為此目的，并且按照本發(fā)明的優(yōu)選實施例，本發(fā)明打算首先通過磨削圓柱在圓柱上制造刀刃，隨后通過用高能量束，例如激光掃描刀刃使其硬化。激光通過五軸CNC技術控制，用于掃描每一個刀刃，使其溫度上升到奧氏體化溫度，隨后使刀刃在空氣中冷卻，通過自淬火完成硬化工藝。由于激光束能夠聚焦增加強度，刀刃的溫度能夠馬上升高，向圓柱的熱傳導被減少，冷卻時開裂和變形消失或顯著減少。
這種工藝方法在低合金鋼例如4150鋼中特別有效。由于需要產(chǎn)生一個所需要的殼或硬化深度，這種工藝方法用于高合金鋼例如高碳、高合金D2鋼中較困難。如果轉換速度太快，就沒有足夠的熱量達到奧氏體化溫度，或沒有足夠的時間產(chǎn)生所需要的殼深度。如果太慢，刀刃或下面的圓柱或平板就會在高強度束下熔化。這意味著對于D2鋼工藝參數(shù)范圍窄。
在制造模具時應遵照幾個參數(shù)。首先，刀刃應當具有充足的預定高度，以便在磨損、缺口等情況下提供幾次修理的容量。該工藝為這種具有足夠高度的刀刃提供硬化并且達到所需要的殼深度，這樣沒有顯著的變形并且有具有足夠硬度的足夠深度的殼。
從另一方面考慮，經(jīng)常希望將刀刃制造在模型上，圓柱上的刀刃需要交叉。當激光沿一個刀刃掃描時，其將至少影響交叉刀刃的一部分。如果該交叉刀刃已經(jīng)被硬化，激光將使其靠近被處理的刀刃部分退火，在預先硬化的刀刃上靠近刀刃交叉部分產(chǎn)生軟化點。
考慮到由于熱傳導形成的溫度分別曲線，例如，在4150鋼中，中心路線在硬化所需要的最低奧氏體化溫度或最低奧氏體化溫度以上(例如，對于4150鋼1500°F)。緊緊相鄰的部分的溫度范圍可能正好在最低奧氏體化溫度以下，但是高于大約550°F的退火溫度，不足以硬化，但是足以退火，而外部部分溫度較低不足以顯著退火。因此刀刃的臨近交叉部分可能被硬化，而預先硬化的刀刃在交叉部分的兩側的一個小帶可能只被退火。
靠近交叉部分的有限軟化帶是否顯著降低模具的壽命還不能確定。退火的柔軟的帶可能太小而不會在切割材料上引起不一致，這種材料被在柔軟的退火的部分兩側被充分硬化的刀刃部分支撐。
雖然如此，按照本發(fā)明的另一方面，柔軟或退火帶通過幾個進一步的工序減小。首先，控制激光的運動速度和強度，與其它部分相比改變加入到交叉部分的熱量。通過選擇運動速度和強度，刀刃上的退火影響減少，從而能夠限制軟化帶區(qū)域。
按照本方法的另一方面，激光通過注入低溫介質，例如液氮，而得以補償。介質有選擇地從在激光兩側的噴嘴流到預先處理的刀刃上，在退火區(qū)域內顯著限制每一個溫度帶或溫度梯度的范圍。預先處理的刀刃上的任何退火的區(qū)域被顯著限制或減小，因此其不再是模具使用壽命的影響因素。
因此，能夠提供一種切割模具，其能夠用常規(guī)的、低成本的磨削工藝制造，同時，提供足夠硬的切割刀刃，不會由于硬化工藝產(chǎn)生開裂或不可接受的變形。
這些和其他優(yōu)點將會從下面對本發(fā)明優(yōu)選實施例的詳細描述和附圖變得更加明顯，其中

圖1為示意圖，示出了根據(jù)本發(fā)明的切割模具的制備；圖2為交叉模具刀刃的平面示意圖，示出了預先硬化的刀刃的局部退火的區(qū)域部分；圖3為與圖1相似的視圖，但是示出了另一個實施例，包括用于冷卻以減少交叉模具刀刃退火的裝置；圖4為按照本發(fā)明加工和硬化的模具刀刃的橫斷面示意圖，；圖5為硬化激光束的溫度分布曲線的形狀示意圖。
現(xiàn)在看圖1，應當明白，在此示意披露了實施本發(fā)明的方法的裝置。具體地說，該裝置包括一個工業(yè)質量的CO2激光發(fā)生器11。例如，這種CO2激光頭10和激光發(fā)生器11可以為位于康涅狄格Farmington的TRUMPF公司所產(chǎn)生的，其型號為no.TLF 2600 turbo。激光束的線路和強度能夠通過計算機數(shù)控裝置(CNC)12控制。這種CNC之一可以是由位于馬薩諸塞州波士頓市的波士頓數(shù)字公司(Boston Digital Corp.of Boston，Massachusetts)生產(chǎn)的，型號為no.BD 85-2。該模具安裝在有三個軸，最好四個軸的機床15上。這種機床之一可以是由BostonDigital Corp.生產(chǎn)的，型號為no.BD 85-2。
具有在此硬化的刀刃14的模具圓柱13，安裝在機床15上，如圖所示機床與CNC 12相連。關于這一點，當發(fā)射激光時，控制CO2激光束10，沿在模具圓柱上的模具刀刃14上延伸的線路或圖形掃描刀刃，以便向刀刃傳遞熱量，將刀刃硬化合適的表層深度。
激光沿刀刃延伸的方向發(fā)射和移動，因此向刀刃傳遞熱量，使刀刃升溫并硬化。這種硬化在圖4中示出。
在圖4中，刀刃14示出在在模具圓柱13上。當激光束沿刀刃掃描，并且加熱刀刃上的材料以及圓柱上的臨近材料后，在刀刃14和圓柱13上形成一個預定硬度的表層深度，如圖4中截面線H所示?，F(xiàn)在看簡圖5，應當明白，該圖示出的是被激光加熱的平面表面溫度分布。在激光束的斷面上激光束提供的熱量是相對均勻的，然而，熱傳遞的作用(對流，輻射和主要的傳導)將在表面產(chǎn)生所示的溫度分布曲線TP。關于這一點，應當明白，溫度曲線的中心部分TP-1相對高一些，例如，對于4150鋼在1500°F以上。希望將刀刃的溫度加熱到最低奧氏體化溫度(對于4150鋼在1500°F)以上，以便產(chǎn)生局部相變并且使鋼硬化。
由熱傳遞引起的溫度分布，隨著離激光束中心的距離而變化，因此，離確切加熱區(qū)域的邊界近的溫度曲線TP-2比最低金相轉變溫度T1低一些，但是高到(例如，大約550°F)足以使臨近的區(qū)域退火。在T1以下，溫度越高，所產(chǎn)生的退火效果越大，并且材料將越軟。在圖5中，T2為一個臨界溫度，低于此溫度，沒有顯著的退火效果。因此，在T1和T2之間的區(qū)域為材料退火工藝引起的顯著軟化的區(qū)域。
現(xiàn)在看圖2，使用圖5所示的加熱圖形將能夠更準確地理解本發(fā)明。特別是，在圖2中，示出了一個預先硬化的刀刃20，其已經(jīng)被激光束掃描以硬化刀刃。交叉刀刃21具有類似的高度，因此刀刃具有共同的或交叉的區(qū)域22。應當明白，在刀刃20被硬化以后，為了硬化刀刃，進一步掃描交叉刀刃21將對刀刃21施加加熱圖形，同樣，在交叉區(qū)域22，將同樣對交叉刀刃20施加加熱圖形。對于這些區(qū)域，被加熱圖形加熱的金屬溫度在T1-T2之間，如圖2中的區(qū)域23和24所示，這些區(qū)域將從它們預先硬化的狀態(tài)退火?？紤]到刀刃壽命和最終切割的原材料外觀，退火區(qū)域23和24的寬度和延伸將成為問題。因此，希望盡可能減少刀刃20上的退火區(qū)域23和24的寬度。
按照本發(fā)明的一個方面，通過控制移動速度，即，相對于模具圓柱13相關的激光束的掃描速度，以及激光束的強度，可以減少交叉刀刃上退火區(qū)域23和24的寬度，激光慢慢地增加速度或慢慢地降低激光束強度，以便在交叉部分22仍然能夠提供所需要的硬度，但是，可減少施加到預先硬化的交叉刀刃20上的熱量，從而減少軟化的或退火的區(qū)域23和24的總體范圍。根據(jù)具體的寬度、激光的強度和移動速度，可以控制區(qū)域23和24并且將其減少。
按照本發(fā)明的另一方面，安裝了一個冷卻劑系統(tǒng)，以減少區(qū)域23和24。因此，如圖3所示，描述了一個與圖1中的系統(tǒng)相似的系統(tǒng)。在圖3中，示出了模具圓柱13上的交叉刀刃。交叉刀刃20通過激光沿著該刀刃的方向掃描已被預先硬化，現(xiàn)在，刀刃21通過激光束沿著刀刃掃描正被硬化。為了減少圖2所示的刀刃20上的軟化區(qū)23和24，來自冷卻劑源的冷卻劑分別通過如32和33所示的噴嘴施加。冷卻劑靠著激光頭10產(chǎn)生的激光束范圍施加到刀刃20上。在刀刃21兩側的刀刃20上使用冷卻劑，能夠使靠近刀刃21的刀刃20的連接區(qū)域或臨近區(qū)域的溫度保持在退火溫度以下，顯著減小任何刀刃退火部分的范圍。
冷卻劑可以為任何冷卻劑介質，最好為液體例如液氮、壓縮空氣或其它溫度極低的冷卻劑。如圖3所示，冷卻劑的使用也通過CNC 12控制，因此，只需要將冷卻濟加到交叉刀刃的與已被硬化刀刃臨近的區(qū)域。還應當明白，在激光第一次通過交叉區(qū)域時，不需要在交叉區(qū)域加冷卻劑。因為，交叉刀刃還沒有被硬化，一旦第二交叉刀刃被激光掃描，作用到刀刃上的任何退火溫度將不會最終影響硬度。
還應當明白，本發(fā)明特別描述了使用激光束作為熱源。任何其它能夠與激光起相同功能的熱源，即能夠在選定的區(qū)域快速升溫的熱源，都能夠用于本發(fā)明的模具制造工藝。例如，電子束、離子束或感應場技術都可以應用于本發(fā)明。
應當明白，本發(fā)明專門應用于硬化從模具表面，例如圓柱13，延伸出來的模具刀刃。刀刃還可以從一個模具板伸出，該模具板包到模具圓柱上，或者從一個片段上伸出，該片段可以安裝在模具圓柱上。
還應當明白，模具刀刃可以通過磨削制造，如所描述的，也可以通過其它合適的方法制造，并且本發(fā)明特別應用于與其下部支撐座或支撐結構為一體的刀刃的硬化。
本發(fā)明應用于這種模具，使得刀刃硬化并且迅速包圍模具表面區(qū)域，應當明白，不需要硬化或熱處理整個模具圓柱。應當明白，被激光硬化的模具能夠涂上其它材料。
還應當明白，激光硬化的刀刃還應當通過選擇的低溫處理進一步硬化，以消除殘余奧氏體。
因此，在此描述了一種方法，通過它能夠用相對軟的材料加工所需要的切割模具，并且隨后硬化，不會引起模具刀刃或模具刀刃材料與下面模具整體結構結合的區(qū)域過度變形或開裂。因此，不需要使用資金量大和范圍廣的EDM方法、用預先硬化的材料制造模具刀刃。這樣使得加工和硬化切割模具的工藝速度加快，并且減少了用于生產(chǎn)長壽命切割模具所需要的昂貴設備。
只要不偏離本發(fā)明的范圍，本領域普通技術人員可以很容易明白這些和其它的改進及變更，保護范圍通過在此附屬的權利要求書限定。
權利要求
1.一種用于生產(chǎn)切割模具的方法，包括如下步驟從一個模具表面研磨材料，以形成至少一個從模具表面伸出的切割刀刃；隨后，用一個具有足夠強度的熱源掃描所述刀刃以硬化所述刀刃。
2.如權利要求1的方法，其中所述硬化步驟包括用一個具有足夠強度的激光束掃描所述刀刃以硬化所述刀刃。
3.如權利要求2的方法，其中所述掃描步驟包括，沿著一個大致與從模具表面伸出的模具刀刃共同延伸的路線移動所述激光束。
4.如權利要求2的方法，其中所述激光束沿著一個與模具表面上的刀刃的延伸方向一致的路線移動。
5.如權利要求2的方法，其中兩個模具刀刃交叉，并且還包括如下步驟用所述激光束掃描其中一個所述刀刃，從而硬化所述刀刃；并且隨后用所述激光束掃描另一個所述刀刃，從而硬化所述交叉刀刃，并且減少預先硬化刀刃的臨近部分的退火。
6.如權利要求2的方法，其中兩個刀刃交叉，并且還包括如下步驟用所述激光束掃描其中一個所述刀刃，從而硬化所述刀刃；并且隨后用所述激光束掃描另一個所述刀刃，從而硬化所述交叉刀刃，以及向臨近刀刃交叉部分的預先硬化的刀刃加入冷卻劑，從而減少在所述預先硬化的刀刃上的被退火區(qū)域。
7.如權利要求1的方法，還包括進一步低溫處理硬化刀刃的步驟。
全文摘要
一種切割模具(13,14),通過在模具(13)表面磨削刀刃(14)制成,并且隨后用激光(10)束或其它高能束或感應方法掃描刀刃(14),以使刀刃(14)加熱并且硬化。為了減少預先硬化的、交叉刀刃的回火,激光的運動速度和激光強度是可控的。可選擇的是,在交叉刀刃上可進行液體/氣體冷卻(30,31)。
文檔編號B23D25/12GK1268914SQ96180217
公開日2000年10月4日 申請日期1996年6月11日 優(yōu)先權日1996年2月15日
發(fā)明者張玉, 陳子強 申請人:貝爾納國際公司