CN109290854B - 氧化锆陶瓷整体刀具及其制备方法与刀具在石墨中的应用 - Google Patents

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Abstract

氧化锆陶瓷整体刀具及其制备方法与刀具在石墨中的应用，涉及陶瓷刀具领域，该陶瓷刀具基体为t‑ZrO2基陶瓷，成分包括Zr0.92Y0.08O1.962。该陶瓷刀具掺杂金属氧化物作为稳定剂，不仅能够使氧化锆趋于稳定而且也能提高其离子电导率。ZrO2陶瓷刀具加工石墨质量最好，Diamond（Si3N4）陶瓷刀具其次，最差的是Si3N4陶瓷刀具。ZrO2陶瓷刀具加工石墨表面最光滑,表面粗糙度小。本发明的陶瓷整体刀具耐磨性好，适用于石墨的高速加工，能够有效克服石墨粉尘对刀具表面的摩擦磨损，是制造切削石墨的理想刀具。

Description

氧化锆陶瓷整体刀具及其制备方法与刀具在石墨中的应用
技术领域
本发明涉及陶瓷刀具领域，具体涉及氧化锆陶瓷整体刀具及其制备方法与刀具在石墨中的应用。
背景技术
陶瓷刀具由于具有优良化学稳定性和良好的机械性能而被广泛应用于各种硬脆材料的高速干式加工中。目前，氧化锆（ZrO2）在陶瓷刀具材料应用最为广泛，ZrO2陶瓷刀具具有较高的硬度、高的断裂韧性和良好的耐磨性。
采用CIP(Cold Isostatic Pressing)工艺生产的各向同性石墨具有高抗压强度、理化特性均匀等优异的机械物理性能，被广泛应用于模具电火花放电加工ElectronDischarge Machining（EDM）石墨电极、太阳硅电池制备设备、航空航天等领域。目前高速加工具有切削速度快，加工质量高等优势，成为复杂形状和微细结构精密石墨零件的主要加工方法。石墨为典型层状结构脆性材料，硬质石墨材料高速切削加工时直接脆性断裂产生微细颗粒状崩碎切屑，易粘结堆积在前后刀面和已加工表面上，加工时易崩碎且刀具磨损严重，是典型的难加工材料。
综上所述，目前关于陶瓷刀具多数集中于陶瓷刀片车削加工时的机理研究。有关陶瓷刀具高速切削石墨方面的报道几乎没有。
本发明中，采用ZrO2陶瓷整体立铣刀高速加工ISO-63石墨，对刀具材料进行研究，研究了刀具寿命和磨损机理，并与硬质合金刀具进行对比，并研究陶瓷刀具磨损与加工石墨的表面微观形貌和粗糙度之间关系。为高速精加工石墨选择刀具提供依据和参考。
发明内容
本发明的目的在于避免现有技术中的不足之处而提供一种氧化锆陶瓷整体刀具及其制备方法与刀具在石墨中的应用，该氧化锆陶瓷整体刀具稳定性好；制备工艺简单；该氧化锆陶瓷整体刀具可以应用于高精度要求的曲面手机热弯玻璃石墨模高速加工。
本发明的目的通过以下技术方案实现：提供一种氧化锆陶瓷整体刀具，所述陶瓷刀具基体为t-ZrO2基陶瓷，成分包括Zr0.92Y0.08O1.962。
其中，所述刀具包括切削刀尖，刃部及夹持刀柄，刃部的周刃前角γ为5~15°，刃部的周刃后角α为10~14°，刃部的螺旋角β为15~45°，刃部的刃为4条。
优选地，所述刀具包括切削刀尖，刃部及夹持刀柄，刃部的周刃前角γ为8°，刃部的周刃后角α为10°，刃部的螺旋角β为35°，刃部的刃为4条。
其中，所述切削刀尖的圆弧半径R为0.18~0.22mm。
优选地，所述切削刀尖的圆弧半径R为0.2mm。
其中，所述刃部的长度H1为4.7~5.3mm。
其中，所述刀具的长度H2为49.5~50.5mm。
此外，还提供一种如上所述的氧化锆陶瓷整体刀具的制备方法，包括步骤：将氧化锆陶瓷整体刀具棒料毛坯放在五轴精密数控磨床上，试切后调整好参数，然后启动自动运行数控程序，同时启动冷却液，等加工完成后对尺寸和加工精度进行检测，直至全部尺寸和精度指标符合图纸要求。
其中，所述数控程序包含有粗磨，半精磨和精磨三个步骤。
此外，还提供一种如上所述的氧化锆陶瓷整体刀具在石墨中的应用，所述氧化锆陶瓷整体刀具可以应用在曲面手机热弯玻璃石墨模高速加工中。
本发明的有益效果：本发明的氧化锆陶瓷整体刀具，所述陶瓷刀具基体材料为t-ZrO2基陶瓷，材料成分包括Zr0.92Y0.08O1.962，由于纯的ZrO2易发生相变且离子电导率较差，因此需要掺杂金属氧化物作为稳定剂，不仅能够使氧化锆趋于稳定而且也能提高其离子电导率。
本发明的氧化锆陶瓷整体刀具的制备方法，包括步骤：将ZrO2陶瓷刀具棒料毛坯放在五轴精密数控磨床上，试切后调整好参数，然后启动自动运行数控程序，同时启动冷却液，等加工完成后对尺寸和加工精度进行监测，该制备方法只需要把陶瓷刀具放到数控磨床上，然后设备自动进行粗磨、半精磨和精磨，整个流程操作方便简单。
本发明的氧化锆陶瓷整体刀具在石墨中的应用，所述氧化锆陶瓷整体刀具可以应用在曲面手机热弯玻璃石墨模高速加工中。对石墨的加工，ZrO2陶瓷刀具磨损区域主要分布在后刀面、前刀面和刀尖部位，磨损机理有机械冲击引起沿晶断裂产生的微崩刃，磨粒磨损，不存在扩散磨损，氧化锆陶瓷整体刀具耐磨性好，质量可靠，可应用在曲面手机热弯玻璃石墨模高速加工中。
附图说明
利用附图对发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。
图1为实施例中刀具刃部周刃的局部示意图；
图2为实施例中刀具刃部螺旋角示意图；
图3为实施例中刀具的示意图；
图4为氧化锆陶瓷整体刀具基体XRD图；
图5为氧化锆陶瓷整体刀具加工***示意图；
图6为石墨高速切削加工的刀具寿命图；
图7为氧化锆陶瓷整体刀具底刃的后刀面磨损形态图；
图8为氧化锆陶瓷整体刀具底刃的后刀面磨损形态放大图；
图9为氧化锆陶瓷整体刀具侧刃靠近刀尖处磨损形态图；
图10为氧化锆陶瓷整体刀具侧刃靠近刀尖处磨损形态放大图；
图11为石墨表面粗糙度与刀具磨损关系图；
图12为磨损前氧化锆陶瓷整体刀具加工石墨微观形貌图；
图13为磨损后氧化锆陶瓷整体刀具加工石墨微观形貌图；
图14为图8中磨损氧化锆陶瓷整体刀具详细的能谱数据图；
图中包括有：1-切削刀尖，2-刃部，3-夹持刀柄，ALL peaks-所有峰，Cuttinglength -切削距离，Flank wear-后刀面磨损宽度，Spindle -主轴，End Mill-铣刀，Graphite -石墨，Vaccum fixture-夹具，CNC milling cebter CNC-数控加工中心， Flankwear boundary-后刀面磨损边界，Chip-崩刃，Adhesive wear-粘附磨损，BUE-积屑瘤 ，Surface roughness(um)-表面粗糙程度，Before wear ZrO2-氧化锆刀具磨损前，afterwear ZrO2-氧化锆刀具磨损后。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明的具体实施作进一步说明，但本发明并不局限于此。
本实施例的一种氧化锆陶瓷整体刀具，所述陶瓷刀具基体为t-ZrO2基陶瓷，成分包括Zr0.92Y0.08O1.962，如图4所示的X射线衍射谱（XRD），氧化锆（ZrO2）陶瓷刀具的所有衍射峰对应于四方相氧化锆陶瓷。因此，ZrO2刀具材料为t-ZrO2基陶瓷，具有一定的稳定剂。
本实施例的氧化锆陶瓷整体刀具掺杂了金属氧化物氧化钇作为稳定剂，不仅能够使氧化锆趋于稳定而且也能提高其离子电导率。
如图1~图3所示，所述刀具包括切削刀尖1，刃部2及夹持刀柄3，刃部2的周刃前角γ为8°，刃部2的周刃后角α为10°，刃部2的螺旋角β为35°，所述切削刀尖1的圆弧半径R为0.2mm，所述刃部2的长度H1为5mm，所述刀具的长度H2为50mm，刃部的刃为4条。
石墨刀具选择合适的几何角度，有助于减小刀具的振动，反过来，石墨工件也不容易崩缺，从而使得刀具的整体切削性能大大提高。
本实施例的氧化锆陶瓷整体刀具的制备方法， 包括步骤：将氧化锆陶瓷整体刀具棒料毛坯放在五轴精密数控磨床（ReloMatalGrimStuts69xS）上，氧化锆陶瓷整体刀具棒料毛坯由日本公司商业采购，试切后调整好参数，然后启动自动运行数控程序，数控程序包含了粗磨，半精磨和精磨三个步骤，同时启动冷却液，等加工完成后对尺寸和加工精度进行监测，尺寸按要求的几何角度。
本实施例中，该制备方法只需要把陶瓷刀具放到数控磨床上，然后设备自动进行粗磨、半精磨和精磨，整个流程工艺操作方便简单。
本实施例的氧化锆陶瓷整体刀具可以应用在曲面手机热弯玻璃石墨模高速加工中。
切削实验均在CNC三轴石墨高速加工中心上进行（北京精雕：JDPGT600）,机床最高转速28,000rpm，采用HSK32E-ER16刀柄。石墨块被真空夹具装夹定位在机床工作台，配有2个高压空气喷嘴和强力负压吸管可以有效吹走刀具-石墨接触区域切屑和吸除工作台石墨粉尘,加工***示意图如图5所示。
加工石墨寿命曲线如图6所示，照片对应刀具底刃后刀面宽度磨损接近0.3mm。硬质合金刀具在切削距离为64.8米时，刀具后刀面磨损宽度接近0.3mm。其磨损速度快寿命短。可以认为，这种刀具耐磨性较差，不适合石墨精加工。ZrO2陶瓷刀具在325m磨损宽度达到0.302mm。可以看出在给定切削条件下，普通硬质合金寿命差，无法满足石墨精加工需求,ZrO2陶瓷刀具切削寿命明显高于普通硬质合金。刀具寿命：ZrO2>WC-Co。
石墨高速铣削后ZrO2陶瓷刀具磨损的形态。如图7和图8分别显示了ZrO2陶瓷刀具底刃的后刀面磨损。由于在石墨切削过程中形成的切屑和刀具前刀面的挤出和摩擦，同时可以观察到前刀面上Crater wear。后刀面磨损是石墨高速切削刀具最主要的磨损，可以用后刀面磨损带宽度VB来衡量刀具的磨损程度。文献报道ZrO2陶瓷刀具耐磨性能与硬度、晶粒度和相结构有密切关系。由图8可以看到明显磨损边界。分析了从切削区域A点，过渡区域B点到未切削区域C点三点的碳元素含量分别为0%，18.3%，32.4%，详细的能谱数据如图14所示。结果表明，只在切削区域之外检测到碳，在磨损带上并没有检测到碳。因此，石墨中的碳在铣削过程中不会扩散到刀具中，不存在扩散磨损。
如图9和图10显示ZrO2陶瓷刀具侧刃靠近刀尖处形貌呈微小缺口，ZrO2晶粒向外突出，晶形比较完整，说明ZrO2基体以沿晶断裂的形式发生了微崩刃。这主要是由于机械冲击导致。墨颗粒冲击会导致ZrO2陶瓷刀具产生微裂纹，刀具磨损加剧刀具微崩刃。可以通过减小进给量,改变刀具主偏角以及选择韧性好的刀具材料减小微崩刃出现的概率。
ZrO2陶瓷刀具磨损区域主要分布在后刀面、前刀面和刀尖部位，磨损机理有机械冲击引起沿晶断裂产生的微崩刃，磨粒磨损，不存在扩散磨损。
如图11所示，ZrO2陶瓷刀具加工石墨质量最好，Diamond（Si3N4）陶瓷刀具其次，最差的是Si3N4陶瓷刀具。此外还发现，随切削距离增加和刀具磨损逐渐加大，加工石墨表面质量均逐渐减低。但是Si3N4陶瓷刀具增速最快，原因是刀具硬度不够耐磨性差。ZrO2陶瓷刀具加工石墨表面最光滑，主要原因是刀具耐磨性好，质量可靠。
图12为ZrO2陶瓷新刀加工石墨表面显微形貌，可以看出石墨表面光滑，无明显凹坑缺陷对应的Ra0.97μm, 表面质量最好。图13为ZrO2陶瓷刀具切削325米后，后刀面磨损宽度为0.302 mm时石墨表面Ra1.6μm。由此可见，ZrO2陶瓷刀具加工石墨表面质量最好，原因是刀具表面光滑耐磨且无明显破碎。
石墨为典型层状结构脆性材料，加工时易崩碎，且易使刀具磨损严重，是典型的难加工材料。刀具磨损是石墨电极加工中最重要的问题。磨损不仅影响刀具损耗费用、加工时间，而且影响工件材料的表面质量。影响刀具磨损主要涉及切削速度、刀具路径，几何角度、切削深度、切削用量和石墨材料等因素。石墨材料硬度大，故刀具需较高的耐磨性和抗冲击性。本实施例的氧化锆陶瓷整体刀具耐磨性好，质量可靠，适合应用在曲面手机热弯玻璃石墨模高速加工中。
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (3)

1.氧化锆陶瓷整体刀具，其特征在于：所述陶瓷刀具基体为t-ZrO2基陶瓷，成分包括Zr0.92Y0.08O1.962；
氧化锆陶瓷刀具的所有衍射峰 对应于四方相氧化锆陶瓷；
所述刀具包括切削刀尖，刃部及夹持刀柄，刃部的周刃前角γ为5~15°，刃部的周刃后角α为10~14°，刃部的螺旋角β为15~45°，刃部的刃为4条；
所述切削刀尖的圆弧半径R为0.18~0.22mm；
所述刃部的长度H1为4.7~5.3mm；
所述刀具的长度H2为49.5~50.5mm；
所述的氧化锆陶瓷整体刀具的制备方法，包括步骤：将氧化锆陶瓷整体刀具棒料毛坯放在五轴精密数控磨床上，试切后调整好参数，然后启动自动运行数控程序，同时启动冷却液，等加工完成后对尺寸和加工精度进行监测；
所述数控程序包含有粗磨，半精磨和精磨三个步骤；
所述氧化锆陶瓷整体刀具应用在曲面手机热弯玻璃石墨模高速加工中。
2.根据权利要求1所述的氧化锆陶瓷整体刀具，其特征在于：所述刀具包括切削刀尖，刃部及夹持刀柄，刃部的周刃前角γ为8°，刃部的周刃后角α为10°，刃部的螺旋角β为35°，刃部的刃为4条。
3.根据权利要求1所述的氧化锆陶瓷整体刀具，其特征在于：所述切削刀尖的圆弧半径R为0.2mm。
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