切割模具及其制造方法技术

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）。（*该技术在2016年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

技术介绍
本专利技术涉及一种切割模具，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，本专利技术的一个目的是提供一种改进的制造切割模具的方法。本专利技术的另一个目的是，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。本专利技术的另一个目的是，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，并且按照本专利技术的优选实施例，本专利技术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，按照本专利技术的另一方面，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专利技术优选实施例的详细描述和附图变得更加明显，其中附图说明图1为示意图，示出了根据本专利技术的切割模具的制备；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为按照本专利技术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专利技术的方法的装置。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，最好本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
...

【专利技术属性】
技术研发人员：张玉，陈子强，
申请(专利权)人：贝尔纳国际公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]