CN113135763A - 一种用于整体式陶瓷铣刀的近成型方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于整体式陶瓷铣刀的近成型方法。具体步骤为：将陶瓷粉末装入近成型模具中，对模具进行预压；将预压后的近成型模具进行热压烧结得到近成型棒坯；将得到的近成型棒坯进行表面的精磨得到陶瓷铣刀。能够在一次烧结过程中实现多个陶瓷铣刀棒坯的成型，对铣刀的规模化生产而言显著提高了烧结效率，因此促进了陶瓷铣刀的批量生产。近成型棒坯制成的铣刀表面损伤小，性能良好，稳定性好，尺寸精度高，表面光洁度高，因此提高了刀具的使用寿命，进而有效降低了切削加工中的刀具成本。

Description

一种用于整体式陶瓷铣刀的近成型方法
技术领域
本发明属于陶瓷铣刀成型技术领域，具体涉及一种用于整体式陶瓷铣刀的近成型方法。
背景技术
公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
陶瓷刀具由于具有较高的硬度、耐磨性、高温力学性能和化学稳定性，很大程度上克服了传统硬质合金刀具的缺点，因此被公认为加工高温合金等难加工材料最具有前景的高速切削刀具之一，但同时由于陶瓷本身的脆性及难加工性，直到近几年陶瓷材料才开始应用于整体式铣刀制造领域。
目前整体式陶瓷铣刀现有的制备方法通常是先将陶瓷粉末烧结为圆柱形棒坯，再将其磨削至最终成型，然而将模具烧结出的棒坯加工为铣刀的过程中需要去除较多材料，由于陶瓷材料硬脆性大的特点，最终磨削成型的铣刀表面通常会出现裂纹和凹槽等损伤情况，这极大地影响了铣刀的加工质量和使役性能。
发明内容
针对上述现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种用于整体式陶瓷铣刀的近成型方法。
为了解决以上技术问题，本发明的技术方案为：
一种用于整体式陶瓷铣刀的近成型方法，具体步骤为：
将陶瓷粉末装入近成型模具中，对模具进行预压；
将预压后的近成型模具进行热压烧结得到近成型棒坯；
将得到的近成型棒坯进行表面的精磨得到陶瓷铣刀。
陶瓷铣刀相比于金属铣刀，具有较高的硬度、耐磨性、高温力学性能和化学稳定性。但是陶瓷本身具有脆性和难加工性，导致目前，陶瓷铣刀的制备通常是通过先烧结为圆柱形棒坯然后进行磨削成型的方法，由于陶瓷材料硬脆性大的特点，这个对陶瓷棒坯的加工过程，会使铣刀的表面出现裂纹和凹槽等损伤，降低加工质量。
本发明的制备方法，先将粉末装入近成型模具中，然后进行预压使其成为初成型棒坯，随后将近成型模具放入热压烧结炉中，使初成型棒坯被热压烧结为近成型棒坯，最后进行表面的精磨即可得到陶瓷铣刀，可以避免现有的对陶瓷铣刀的粗磨的加工过程，导致陶瓷铣刀出现缺陷的问题。
粉末装入近成型模具中，直接填充成近成型模具的内腔形状。经过预压，使其能够固结成具有一定形状的初成型棒坯，预压不是直接压制成型，初成型棒坯经过预压，使其能够基本形成与近成型模具一致的形状，初成型棒坯再经过热压烧结，使陶瓷铣刀能够更好的成型。热压烧结有助于初成型棒坯能够更符合近成型模具长径比大的形状，所以热压后的近成型棒坯可以不必再进行粗磨，直接对表面进行去除加工量，并完成周刃及底刃的加工即可
在本发明的一些实施方式中，陶瓷粉末包括60-70份Si3N4粉体、10-20份TiC粉体、10-20份SiCw粉体、2-5份Y2O3粉体及1-3份MgO粉体。所述陶瓷粉末中Si3N4粉体为基体相，TiC粉体起到颗粒弥散增韧的效果，SiCw粉体起到晶须增韧的效果。此种SiCw协同TiC颗粒增韧Si3N4基陶瓷刀具材料配合先冷预压、后热压烧结的方法，能保证最终成型铣刀具有较为优异的性能。
在本发明的一些实施方式中，预压的压力为40-60MPa，预压的时间为20-40s；进一步为45-50MPa或50-60MPa，预压的时间为25-30s。金属成型的压力为几百MPa，陶瓷粉末的压制远小于金属成型的压力，经过预制成型可以避免棒坯出现缺陷，能够保证固结后的结构具有较好的形成质量。
在本发明的一些实施方式中，热压烧结的过程为：起始烧结压力为6-10MPa，升温到750-820℃，保温；随后烧结压力升至30-35MPa，保压，升温到1600-1800℃，保温。
在本发明的一些实施方式中，起始的升温速率为25-35℃/min，压力的升压速率为1.5-2Mpa/min，最后的升温速率为35-45℃/min。
进一步，起始烧结压力为8Mpa，升温速度为30℃/min，烧结温度为800℃，保温20min，随后烧结压力以2Mpa/min的速率匀速增加至32Mpa并保持稳定，升温速度变为40℃/min，烧结温度变为1650℃，保温1h。
在本发明的一些实施方式中，所述近成型模具的结构，包括，
外模具，具有若干通孔的圆柱体结构；
内模具，设置在外模具的通孔内部，内模具为空心圆柱型壳体结构，内模具的内侧壁具有螺旋型凸起的结构。
具有螺旋形凸起的结构，使陶瓷粉末经过预压及烧结后形成的近成型棒坯具有螺旋形凹槽结构，避免进行粗磨过程。
在本发明的一些实施方式中，内模具的凸起边缘具有圆角结构。陶瓷铣刀的边缘更圆滑，有利于陶瓷粉末直接预压成型。
在本发明的一些实施方式中，内模具外径为20mm，内径为12mm。内模具的外径及内径的范围，可以满足陶瓷铣刀的直径范围。
在本发明的一些实施方式中，内模具的螺旋角为25°-45°。螺旋角与陶瓷铣刀所实际使用的转角基本一致，同时可以更好的让陶瓷进行成型，减少后期的精磨，减少缺陷。
在本发明的一些实施方式中，近成型模具还包括石墨垫柱、石墨压柱，石墨压柱、石墨垫柱上下配合伸入内模具中，进行预压的过程。
本发明一个或多个技术方案具有以下有益效果：
1、本发明提供的制造方法能够在一次烧结过程中实现多个陶瓷铣刀棒坯的成型，对铣刀的规模化生产而言显著提高了烧结效率，因此促进了陶瓷铣刀的批量生产。
2、本发明提供的制造方法所烧结出的近成型棒坯经过较为简单磨削后即可加工为铣刀，刀具成型效率高。近成型棒坯制成的铣刀表面损伤小，性能良好，稳定性好，尺寸精度高，表面光洁度高，因此提高了刀具的使用寿命，进而有效降低了切削加工中的刀具成本。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明中近成型模具的外部结构示意图。
图2为本发明中近成型模具的剖视图。
图3为本发明图2中近成型内模具的剖视图。
图4为按照本发明中制造方法所烧结出的铣刀棒坯的结构示意图。
图5为按照本发明所制得陶瓷铣刀的结构示意图。
图中：1-外模具，2-近成型内模具，3-石墨压柱，4-石墨垫柱，5-刀柄，6-切削刃，7-刀头。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
下面结合实施例对本发明进一步说明
实施例1
(1)将所需组分原料按比例混合后进行球磨、干燥、过筛，获得混合均匀的粉体；
(2)将粉体放入近成型模具中进行冷压，随后进行真空热压烧结，获得陶瓷铣刀近成型棒坯；
(3)对近成型棒坯进行修磨，完成铣刀的成型。
步骤(1)具体操作为：将65gSi3N4粉体、15gTiC粉体、15gSiCw粉体、3gY2O3粉体及2gMgO粉体放入球磨桶，按球料比1：1放入球磨小球，倒入无水乙醇，随后将球磨桶放入球磨机进行72小时高速球磨，获得浆料；将粉体浆料放入干燥机进行干燥，干燥后用100目筛子进行过筛，得到混合均匀粉体。
在本次实施例中，步骤(2)中所述的近成型模具及烧结流程如下：
图1是按照本发明的优选实施例所构造的用于整体陶瓷铣刀制造的近成型模具的结构示意图，图2为图1中近成型模具的剖视图。如图2所示，一种用于整体陶瓷铣刀的近成型模具，包括外模具1、近成型内模具2、石墨压柱3和石墨垫柱4。
近成型模具整体高度为150mm，外模具中沿其轴线阵列分布4个Φ20mm的等径通孔，通孔内放置内模具。内模具外径为20mm，内径为12mm，内孔中有一段为凸起螺旋槽结构，螺旋角为25°-45°。石墨垫柱尺寸为Φ12×40mm，石墨压柱尺寸为Φ12×50mm。
模具装配及棒坯烧结过程如下：
将垫柱从下端放入近成型内模具中，随后称取一定量球磨处理过的陶瓷粉末装入内模具，再将压柱从上端缓慢放入内模具中。将四个装配完成后的内模具放入外模具中，完成模具的整体装配，随后用压力千斤顶对模具施加30s大小为50Mpa的压力，完成陶瓷铣刀粉体棒坯的预压。将装有棒坯的模具放入热压烧结炉中进行真空烧结，起始烧结压力为8Mpa，升温速度为30℃/min，烧结温度为800℃，保温20min，随后烧结压力以2Mpa/min的速率匀速增加至32Mpa并保持稳定，升温速度变为40℃/min，烧结温度变为1650℃，保温1h，保温结束后模具随炉冷却至室温，最终完成近成型棒坯的烧结并得到4个Φ12×77mm的棒坯(图4)。
在本次实施例中，步骤(3)具体操作为：
使用金刚石砂轮对烧结的近成型棒坯表面进行磨削，去除加工余量，使棒坯尺寸变为Φ10×75mm，随后依次对其螺旋槽、前刀面、后刀面以及棒坯端面进行精密磨削，得到铣刀成品(图5)，形成刀柄5、切削刃6、刀头7的结构。
得到的陶瓷铣刀的维氏硬度：17.5±0.2GPa，抗弯强度：785±25MPa，断裂韧度：7.5±0.35MPa·m1/2。
实施例2
陶瓷粉末的组成为69gSi3N4粉体、14gTiC粉体、12gSiCw粉体、4gY2O3粉体及1gMgO粉体。
得到的陶瓷铣刀的维氏硬度：17±0.2GPa，抗弯强度：780±25MPa，断裂韧度：7±0.35MPa·m1/2。
本发明所述制造方法中模具的装配使用过程操作简单方便，烧结成型的棒坯已具备铣刀的基本形状，预留出的加工余量可避免烧结出棒坯的表面缺陷对最终成型铣刀性能的影响，用砂轮对棒坯进行精磨，去除加工余量并完成对周刃及底刃的修磨，即可用较短的时间加工出一把表面损伤小，切削能力强、切削精度高、刀具寿命长的整体陶瓷铣刀，得到的陶瓷铣刀能够保持或者具有更好的刀具性能，具有较好的硬度和抗弯强度、断裂韧度。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于整体式陶瓷铣刀的近成型方法，其特征在于：将陶瓷粉末装入近成型模具中，对模具进行预压；
将预压后的近成型模具进行热压烧结得到近成型棒坯；
将得到的近成型棒坯进行表面的精磨得到陶瓷铣刀。
2.如权利要求1所述的用于整体式陶瓷铣刀的近成型方法，其特征在于：陶瓷粉末包括60-70份Si3N4粉体、10-20份TiC粉体、10-20份SiCw粉体、2-5份Y2O3粉体及1-3份MgO粉体。
3.如权利要求1所述的用于整体式陶瓷铣刀的近成型方法，其特征在于：预压的压力为40-60MPa，预压的时间为20-40s；进一步为45-50MPa或50-60MPa，预压的时间为25-30s。
4.如权利要求1所述的用于整体式陶瓷铣刀的近成型方法，其特征在于：热压烧结的过程为：起始烧结压力为6-10MPa，升温到750-820℃，保温；随后烧结压力升至30-35MPa，保压，升温到1600-1800℃，保温。
5.如权利要求4所述的用于整体式陶瓷铣刀的近成型方法，其特征在于：起始的升温速率为25-35℃/min，压力的升压速率为1.5-2Mpa/min，最后的升温速率为35-45℃/min。
6.如权利要求5所述的用于整体式陶瓷铣刀的近成型方法，其特征在于：起始烧结压力为8Mpa，升温速度为30℃/min，烧结温度为800℃，保温20min，随后烧结压力以2Mpa/min的速率匀速增加至32Mpa并保持稳定，升温速度变为40℃/min，烧结温度变为1650℃，保温1h。
7.如权利要求1所述的用于整体式陶瓷铣刀的近成型方法，其特征在于：所述近成型模具的结构，包括，
外模具，具有若干通孔的圆柱体结构；
内模具，设置在外模具的通孔内部，内模具为空心圆柱型壳体结构，内模具的内侧壁具有螺旋型凸起的结构。
8.如权利要求7所述的用于整体式陶瓷铣刀的近成型方法，其特征在于：内模具的凸起边缘具有圆角结构。
9.如权利要求7所述的用于整体式陶瓷铣刀的近成型方法，其特征在于：内模具外径为20mm，内径为12mm。
10.如权利要求7所述的用于整体式陶瓷铣刀的近成型方法，其特征在于：内模具的螺旋角为25°-45°；
或，近成型模具还包括石墨垫柱、石墨压柱，石墨压柱、石墨垫柱上下配合伸入内模具中，进行预压的过程。
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Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN1051900A (zh) * 1990-12-29 1991-06-05 清华大学 晶须增韧补强氮化硅复相陶瓷刀具材料
CN110818395A (zh) * 2019-11-27 2020-02-21 山东大学 SiC晶须协同氮化硅颗粒增韧氧化铝基陶瓷刀具材料及其制备工艺
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JP2020066562A (ja) * 2018-10-26 2020-04-30 国立大学法人秋田大学 ＷＣ−Ｓｉ３Ｎ４系複合セラミックス及びその製造方法
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