CN109794634A - 一种粗加工整体陶瓷铣刀 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种粗加工整体陶瓷铣刀，其在加工镍基高温合金时切削速度块，提高加工效率，且刀具的寿命长。其包括柄部、颈部和切削刃部，柄部的前端连接颈部的后端，颈部的前端连接切削刃部的后端，其特征在于：铣刀的材料为赛隆陶瓷，切削刃部包括切削刃、容屑槽和排屑槽，其中切削刃由周刃、端刃及刀尖R角组成，刀尖R角用于连接对应位置的周刃和端刃，周刃设有前刀面和圆弧后刀面，端刃设有前刀面和直后刀面，刀尖R角设有前刀面和圆弧后刀面，容屑槽设有槽底面和出刀面，若干端刃相对于切削刃部的前端面中心径向均布设置，每个端刃分别对应一个刀尖R角、一个周刃，周刃在切削刃部的外周环面螺旋向间隔排布。
Description
技术领域
本发明涉及航空航天领域用铣刀的技术领域，具体为一种粗加工整体陶瓷铣刀。
背景技术
近年来，国内航空航天事业发展非常迅猛。随着军/民用大飞机、隐身飞机、航天运载火箭等不断列装投入使用，难加工材料镍基高温合金正获得越来越多的应用。然而，由于零部件大多采用基于整体锻造毛坯的加工工艺，其数控加工过程中大部分甚至高达90％的镍基高温合金材料都作为余料被切除，材料去除量极大、加工变形控制也极为困难。
对于零部件的铣削工艺，目前主要采用硬质合金及其涂层铣刀来粗/精加工，通常切削速度只有30～60m/min，加工效率极低。这主要是由于提高切削速度，会造成切削温度较高，硬质合金成分中的粘结相钴会流失，从而导致刀具急剧磨损，寿命大幅下降甚至出现瞬间失效无法使用情况。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种粗加工整体陶瓷铣刀，其在加工镍基高温合金时切削速度块，提高加工效率，且刀具的寿命长。
一种粗加工整体陶瓷铣刀，其技术方案是这样的，其包括柄部、颈部和切削刃部，所述柄部的前端连接所述颈部的后端，所述颈部的前端连接所述切削刃部的后端，其特征在于：所述铣刀的材料为赛隆陶瓷，所述切削刃部包括切削刃、容屑槽和排屑槽，其中切削刃由周刃、端刃及刀尖R角组成，所述刀尖R角用于连接对应位置的周刃和端刃，所述周刃设有前刀面和圆弧后刀面，所述端刃设有前刀面和直后刀面，所述刀尖R角设有前刀面和圆弧后刀面，容屑槽设有槽底面和出刀面，若干所述端刃相对于所述切削刃部的前端面中心径向均布设置，每个所述端刃分别对应一个所述刀尖R角、一个所述周刃，所述周刃在所述切削刃部的外周环面螺旋向间隔排布。
其进一步特征在于：所述铣刀的材料为α-β复相赛隆陶瓷；
所述切削刃部的切削刃的数量为4～8个；
所述切削刃部的直径为4～30mm，所述切削刃部的长度为直径的1～2倍，所述切削刃部的芯厚为直径的0.7～0.8倍；
所述刀尖R角的半径为0.5mm～2mm；
每个所述周刃的前角角度为-10°～-3°，每个所述周刃的后角角度为6°～15°，所述容屑槽的前角角度为-5°～0°，所述容屑槽的端面倾角为12°～22°，所述容屑槽的出刀角为-45°～-30°，所述端刃的后角角度为6°～15°；
所述周刃的螺旋角角度为38°～42°；
所述刀尖R角的前刀面设置有容屑圆角槽，其能极大程度地提高刀尖R角的强度，使其在高速高温切削加工镍基高温合金时不容易崩碎，提高刀具寿命。
采用本发明的结构后，整体陶瓷铣刀粗加工镍基高温合金时，切削速度可以高达700～1000m/min，极高的切削温度使得镍基高温合金零部件表面材料软化，切削变得非常轻松，同时切削力下降，大幅改善镍基高温合金的切削性能，加工效率提高10倍以上；且整体陶瓷铣刀可以承受1500℃以上高温，在高速切削工艺条件下，刀具自身材料成分和力学性能几乎不受任何影响，从而在大幅提高加工效率的同时，刀具寿命也极大的提高；且通过优化刀具刃口几何参数，如芯厚、周刃前角和后角、容屑槽端面倾角、端刃后角，使得匹配整体铣刀所采用的陶瓷材料，增加高速切削时整体陶瓷铣刀强度，从而在大幅提高加工效率的同时，刀具寿命也得到进一步地提高；
附图说明
图1为本发明的外观主视示意图；
图2为本发明的周刃局部剖视示意图；
图3为本发明的等轴侧视角时靠端刃的局部放大结构示意图；
图4为本发明的切削刃口端部示意图。
具体实施方式
镍基高温合金常温时强度和硬度极高，属于典型的难加工材料。在通常切削加工条件下，硬质合金铣刀加工速度极低，通常切削速度只有30～60m/min，加工效率极低。这主要是由于提高切削速度，会造成切削温度较高，硬质合金成分中的粘结相钴会流失，从而导致刀具急剧磨损，寿命大幅下降甚至出现瞬间失效无法使用情况。
然而，对于镍基高温合金粗加工来说，如果切削加工温度超过800℃，镍基高温合金工件表面材料会发生热软化，此时材料的强度和硬度急剧下降，使得切削加工变得轻松很多，加工效率极大程度地提高，刀具寿命也会大大提高。
本发明粗加工整体陶瓷铣刀，旨在通过开发并应用耐高温赛隆陶瓷替代当前广泛使用的硬质合金刀具材料，再匹配整体陶瓷铣刀优化刀具刃口几何参数，如芯厚、周刃前角和后角、容屑槽端面倾角、端刃后角等，增加整体陶瓷铣刀的强度，从而使得以极高的切削速度加工镍基高温合金时，整体赛隆陶瓷铣刀性能和精度保持稳定，而另一方面高切削热导致工件表面材料热软化，加工效率可以提高10倍甚至更高，同时切削刀具寿命也得到进一步地提高。
如表1所示为开发的赛隆陶瓷与现有硬质合金材料的属性对比。可以看出，赛隆陶瓷断裂韧性比硬质合金低，但摩擦系数仅有硬质合金的1/4～1/5，可以提高陶瓷铣刀高速切削时的排屑性能，降低刀具磨损，提高刀具寿命。另外，在热特性方面，赛隆陶瓷的热导率极低，高速切削时的极高切削热很难传导到赛隆陶瓷刀体。而另一方面，赛隆陶瓷线膨胀率更低，可以保证在高速高温切削时，赛隆陶瓷铣刀具有更好的精度保持性。特别地，赛隆陶瓷可以承受最高1600℃高温，远超过硬质合金材质，从而可以保证整体赛隆陶瓷铣刀在高速高温切削时刀具材质稳定，相应的强度和硬度基本不受影响，刀具可以较为稳定的进行高速高效率切削镍基高温合金。
另外，与硬质合金材质相比，由于赛隆陶瓷具有更低的化学亲和力，在高速加工镍基高温合金时，赛隆陶瓷铣刀更难发生氧化和扩散磨损，刀具寿命更高。
表1
基于赛隆陶瓷材料，以下阐述整体赛隆陶瓷粗铣刀技术方案。
本发明粗加工整体陶瓷铣刀，考虑到刀具不同直径规格和加工工艺，铣刀切削刃的刃数设为4～8个。
作为具体实施案例，以6刃铣刀为例、见图1～图4：其包括柄部1、颈部2和切削刃部3，柄部1的前端连接颈部2的后端，颈部2的前端连接切削刃部3的后端，铣刀的材料为α-β复相赛隆陶瓷，柄部1用于刀具与刀柄安装，颈部2为铣刀切削加工时避干涉用，通常颈部2直径比铣刀刃径dc小0.2～0.3mm左右；切削刃部3为铣刀实际参与镍基高温合金工件切削部位，包括切削刃4、容屑槽5和排屑槽6，切削刃4由周刃7、端刃8及连接周刃7和端刃8的刀尖R角9组成，刀尖R角9用于连接对应位置的周刃7和端刃8，六个端刃8相对于切削刃部3的前端面中心径向均布设置，每个端刃8分别对应一个刀尖R角9、一个周刃7，周刃7在切削刃部3的外周环面螺旋向间隔排布。
铣刀刃径dc为4～30mm，刃部长度lc为铣刀刃径dc的1～2倍，芯厚Dx为铣刀刃径dc的0.7～0.8倍，从而可以提高铣刀在高速高温切削加工镍基高温合金时强度，提高刀具寿命；
刀具螺旋角为38°～42°；刀尖R角9半径为0.5～2mm；
周刃7设有前刀面10和圆弧后刀面11，周刃7前角γ为-10°～-3°，周刃7后角α为6°～15°；
端刃8设有前刀面12，刀尖R角9设有前刀面14，且前刀面14设有容屑圆角槽18，这样可以极大程度地提高刀尖R角9的强度，使其在高速高温切削加工镍基高温合金时不容易崩碎，提高刀具寿命；容屑槽5设有槽底面16。相应地，容屑槽5前角为-5°～0°，容屑槽5端面倾角为12°～22°；
端刃8设有直后刀面13，后角为6°～15°。刀尖R角9设有圆弧后刀面15，容屑槽5设有出刀面17，出刀角为-45°～-30°。
作为本发明粗加工整体陶瓷铣刀的具体实施案例，通过对比两款刀具材质分别为硬质合金的赛隆陶瓷的D12R1.5圆鼻铣刀在切削加工镍基高温合金Inconel 718时的加工工艺(如表2所示)，可以发现，整体赛隆陶瓷铣刀加工效率远比硬质合金要高，甚至可以达到其加工效率的12倍之多。另一方面，整体赛隆陶瓷铣刀加工后的磨损量更低，刀具寿命达到硬质合金铣刀的1.5倍。充分说明了本发明粗加工整体陶瓷铣刀设计合理，可以极大程度地提高难加工材料镍基高温合金在粗加工时的加工效率，同时保证刀具寿命得到进一步提高。
表2
以上对本发明的具体实施例进行了详细说明，但内容仅为本发明创造的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明创造的实施范围。凡依本发明创造申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本专利涵盖范围之内。
Claims (8)
1.一种粗加工整体陶瓷铣刀，其包括柄部、颈部和切削刃部，所述柄部的前端连接所述颈部的后端，所述颈部的前端连接所述切削刃部的后端，其特征在于：所述铣刀的材料为赛隆陶瓷，所述切削刃部包括切削刃、容屑槽和排屑槽，其中切削刃由周刃、端刃及刀尖R角组成，所述刀尖R角用于连接对应位置的周刃和端刃，所述周刃设有前刀面和圆弧后刀面，所述端刃设有前刀面和直后刀面，所述刀尖R角设有前刀面和圆弧后刀面，容屑槽设有槽底面和出刀面，若干所述端刃相对于所述切削刃部的前端面中心径向均布设置，每个所述端刃分别对应一个所述刀尖R角、一个所述周刃，所述周刃在所述切削刃部的外周环面螺旋向间隔排布。
2.如权利要求1所述的一种粗加工整体陶瓷铣刀，其特征在于：所述铣刀的材料为α-β复相赛隆陶瓷。
3.如权利要求2所述的一种粗加工整体陶瓷铣刀，其特征在于：所述切削刃部的切削刃的数量为4～8个。
4.如权利要求3所述的一种粗加工整体陶瓷铣刀，其特征在于：所述切削刃部的直径为4～30mm，所述切削刃部的长度为直径的1～2倍，所述切削刃部的芯厚为直径的0.7～0.8倍。
5.如权利要求1所述的一种粗加工整体陶瓷铣刀，其特征在于：所述刀尖R角的半径为0.5mm～2mm。
6.如权利要求1所述的一种粗加工整体陶瓷铣刀，其特征在于：每个所述周刃的前角角度为-10°～-3°，每个所述周刃的后角角度为6°～15°，所述容屑槽的前角角度为-5°～0°，所述容屑槽的端面倾角为12°～22°，所述容屑槽的出刀角为-45°～-30°，所述端刃的后角角度为6°～15°。
7.如权利要求1所述的一种粗加工整体陶瓷铣刀，其特征在于：所述周刃的螺旋角角度为38°～42°。
8.如权利要求1所述的一种粗加工整体陶瓷铣刀，其特征在于：所述刀尖R角的前刀面设置有容屑圆角槽。
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