CN117840496A - 一种用于陶瓷基复材零件机加的铣刀及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于陶瓷基复材零件机加的铣刀，包括刀体和切削片，刀体为圆柱形，切削片固定在排屑槽内，采用焊接方式固定切削片，切削片包括菱齿形切削片、三角形切削片。本发明还涉及一种用于陶瓷基复材零件机加的铣刀的制备方法，包括排屑槽磨制、切削片切割、切削片固定、切削刃部磨制的过程。本发明还涉及一种用于陶瓷基复材零件机加的铣刀切削片坯料的制备方法，经结合剂与立方氮化硼单晶粉末混合、压实、烧结，得到PCBN切削片坯料。本发明铣刀，切削片采用PCNB材料，适用于陶瓷基复材零件的干切加工、高速切削，减少了切削液的使用，提高了加工效率，减少了毛刺、分层和撕裂，提高了加工件的表面质量。
Description
技术领域
本发明属于陶瓷基复合材料零件机械加工技术领域，具体是一种用于陶瓷基复材零件机加的铣刀及制备方法。
背景技术
陶瓷基复合材料是一种兼有金属材料、陶瓷材料和碳材料性能优点的热结构/功能一体化新型战略材料，具有耐高温、低密度、高比强、高比模、抗氧化、抗烧蚀、对裂纹不敏感及不发生灾难性毁损等特点，在航空、航天、卫星宇航、核能及光伏等领域有着广泛的应用。
由于受陶瓷基复合材料高强度、高硬度、高耐磨性和强韧性的影响，难以使用传统的金属材质刀具对该材料零件进行加工，一般主要采用金刚石涂层类刀具、聚晶金刚石刀具(PCD刀具)和聚晶立方氮化硼刀具(PCBN刀具)，对零件多余材料进行去除。但是以上几类刀具的加工本质上是对陶瓷基复材零件多余材料进行磨削，在加工过程中都会因自身结构特性导致刀具磨损过快、陶瓷基复合材料纤维不容易完全断裂，出现毛刺、撕裂、啃伤甚至分层的现象。因此，为满足陶瓷基复合材料零件的加工精度和加工质量要求，解决加工过程中刀具磨损过快、加工难度大、材料表面加工质量不高等问题具有重要意义。
公告号为CN112976357A的中国发明专利，公开了一种用于纤维增强陶瓷基复合材料的铣刀及其制备方法。该刀具采用硬质合金磨削出刀体，并在远离刀柄的一侧开刀槽和排屑槽，其后将PCD刀片切割成所需要的形状和尺寸，以相邻刀槽交错排列的方式焊接于刀槽中。此方法制备的刀具将刀刃离散为多个小的切削刃，减小切削力，降低刀具磨损情况，同时底部的铣刀片组轴向倾角方向相反，产生的轴向切削力方向正好相反，因而能够相互抵消，抑制分层缺陷。但是，通过该方法制备的刀具在向下一层切削纤维层时，离散后的切削刃角点会勾连陶瓷纤维，进一步加剧纤维毛刺和撕裂。且针对不适宜采用切削液冷却加工的陶瓷基复合材料或改性后的超高硬度陶瓷基复合材料，该方法提供的刀具寿命会明显缩短，刀刃易产生温度剧增烧蚀，加工温度升高易对陶瓷基复合材料纤维造成氧化，导致陶瓷基复合材料力学性能衰减。
发明内容
为了克服铣刀寿命短、加工构件时出现陶瓷纤维的毛刺、撕裂和分层的不足，本发明提出了一种用于陶瓷基复材零件机加的铣刀及制备方法。
本发明解决其技术问题采用的技术方案是：
一种用于陶瓷基复材零件机加的铣刀，包括刀体和切削片。
所述刀体为直径以上的圆柱形，夹持端为圆柱，切削端设置有排屑槽，排屑槽设置4个，4个排屑槽沿切削端圆周均布。
所述排屑槽与切削片相匹配，切削片固定在排屑槽内。排屑槽所在的固定切削片的面与刀体中心轴线不平行，其夹角为设定的倾斜角度θ。
所述切削片固定在刀体的排屑槽内，采用焊接方式固定。
所述切削片为长方体形的片状，两个侧边设置有切削刃部，切削刃部包括端齿切削刃、周齿切削刃，端齿切削刃位于刀体切削端的底端外，周齿切削刃位于刀体切削端的圆周面外。所述切削片设置两组，两组的厚度相等，每组设置两个，一组为菱齿形切削片，另一组为三角形切削片，菱齿形切削片、三角形切削片间隔设置。
所述菱齿形切削片为整体结构，可分为菱齿形切削基体、菱齿形切削刃部，菱齿形切削刃部为菱齿阵列，菱齿阵列的每个菱齿的底面与菱齿形切削基体相连，每个菱齿的底面为正方形，底面正方形的对角线长度为菱齿形切削片的厚度，菱齿形切削刃部的高度为
所述三角形切削片为整体结构，可分为三角形切削基体、三角形切削刃部，三角形切削刃部的横截面为三角形，三角形底边长度为三角形切削片的厚度。前轴向倾角、后轴向倾角均在30°～45°之间，前轴向倾角、后轴向倾角可以相等。
上述的用于陶瓷基复材零件机加的铣刀，所述刀体为含Co的碳化钨硬质合金。
上述的用于陶瓷基复材零件机加的铣刀，所述切削片为聚晶立方氮化硼PCBN材料。
上述的用于陶瓷基复材零件机加的铣刀，所述倾斜角度θ为3°～5°。
上述的用于陶瓷基复材零件机加的铣刀，所述切削片厚度D为0.5～1.2mm。
一种用于陶瓷基复材零件机加的铣刀的制备方法，包括如下步骤：
步骤一，排屑槽磨制
选用圆棒状硬质合金材料为刀体材料，采用金刚石砂轮，在刀体的切削端磨削排屑槽，排屑槽为4个，在刀体的切削端均布。
步骤三，切削片切割
采用电火花切割，按菱齿形切削片和三角形切削片尺寸要求，对切削片坯料进行切割，切割时，预留切削刃部加工余量，得到切削片原料。
步骤四，切削片固定
采用焊接方式，将切削片原料固定在排屑槽设定位置。
步骤五，切削刃部磨制
按菱齿形切削片和三角形切削片刃部尺寸要求，分别磨制端齿切削刃、周齿切削刃，至切削刃部满足设定的尺寸要求，得到用于陶瓷基复材零件机加的铣刀。
上述的用于陶瓷基复材零件机加的铣刀的制备方法，所述步骤四，切削片固定，进一步包括：
所述焊接方式为真空钎焊，焊接以70％Ag、30％Cu为钎料，焊接时钎料熔化时间不大于15s。
一种用于陶瓷基复材零件机加的铣刀切削片坯料的制备方法，采用粉末冶金烧结制备切削片坯料，以Co、Al、TiC粉末为结合剂，结合剂与立方氮化硼单晶粉末混合均匀、压实，在粉末冶金烧结设备中进行烧结，得到聚晶立方氮化硼PCBN切削片坯料。
上述的用于陶瓷基复材零件机加的铣刀切削片坯料的制备方法，所述立方氮化硼单晶粉末与结合剂的质量比为7：3，Co、Al、TiC粉末的质量比为1：1：1。粉末冶金烧结的烧结温度为1450℃，压实压力为6GPa。
本发明的有益效果是：
一种用于陶瓷基复材零件机加的铣刀，切削片采用PCNB材料，适用于陶瓷基复材零件的干切加工，减少了切削液的使用，尤其适合非水氧介质环境下的陶瓷基复材加工，降低了零件的加工成本。
一种用于陶瓷基复材零件机加的铣刀，铣刀具有较大的尺寸，在加工时有着更高的线速度，适用于吃刀量较大的快速切削加工，并且PCBN材料有着转速越快，耐磨损能力越强的特性，适合于零件的高速切削，进一步提高了加工效率。
一种用于陶瓷基复材零件机加的铣刀，采用的三角形切削片切削刃部在进行铣削时，陶瓷基复材零件被加工表面所受的切削力会沿所设计的刃部前后轴向倾角产生，进而相互抵消，极大程度降低了陶瓷基复材加工过程中出现的毛刺、分层和撕裂等现象，提高了工件加工的表面质量。
一种用于陶瓷基复材零件机加的铣刀，采用的菱齿形切削片切削刃部具有多个刃参与铣削，可以显著降低单位切削力，使刀具磨损更为缓慢，提高了刀具的耐用度，同时多个面的切削合力沿轴向倾角指向被加工工件内部而非工件表面，能够有效抑制工件表面毛刺的产生。
一种用于陶瓷基复材零件机加的铣刀，菱齿形切削片与三角形切削片配合使用时，两种切削片交替对工件进行加工，先由菱齿形切削片去除大量，再由三角形切削片进行精光，大大提高了刀具的耐用度，产生的切屑为细粉末状，切屑通过排屑槽排出，不会干扰、刮伤工件表面或者撞击刀具。
一种用于陶瓷基复材零件机加的铣刀的制备方法，使用10％Co、10％Al、10％TiC作为CBN粉末的结合剂，可以有效提高切削片硬度和耐磨性，同时还使得焊接后的PCBN切削片与含Co的碳化钨硬质合金刀体之间具有更好的热传递性能。
附图说明
图1为本发明铣刀结构示意图；
图2为菱齿形切削片的立体图；
图3为菱齿形切削片的菱齿结构图；
图4为三角形切削片的立体图；
图5为三角形切削片的法向截面图；
图6为本发明铣刀仰视图；
图7为本发明铣刀主视图。
图中：1.排屑槽，2.菱齿形切削片，3.三角形切削片，4.端齿切削刃，5.周齿切削刃，100.刀体，200.切削片。
具体实施方式
实施例1
如图1～图7所示，一种用于加工陶瓷基复合材料零件的铣刀主要包括刀体100和切削片200。
如图1所示，刀体100由含Co的碳化钨硬质合金制成，本实施例刀体直径10mm，分为用于装夹的刀身部和用于焊接切削片的切削部两段，在硬质合金刀体100的切削部设置有四个带倾角的排屑槽1。
如图7所示，本实施例排屑槽与刀体轴线之间的倾斜角度θ为3°，设置一定的倾斜角度能够减小轴向力，降低铣削零件时的分层缺陷。每个排屑槽1中焊接有一个切削片200，切削片200由PCBN(聚晶立方氮化硼)制成，具有较高的硬度和强度，适用于零件的干切加工，减少了切削液的使用，适合非水氧介质环境下的陶瓷基复材加工。由于切削片200与刀体100两种材料的线膨胀系数和密度不同，为了保证二者之间的热传递以及切削片200的加工性，本实施例PCBN切削片厚度D设置为0.6mm。
PCBN切削片200共分两组，一组为菱齿形切削片2，一组为三角形切削片3，每组切削片各为两个，每组的两个切削片之间间隔排列，间距为180°。如图6所示，在刀体100的底端面，由两种切削片切削刃部延伸构成了刀具的端齿切削刃4和周齿切削刃5，其延伸方向为刀体轴线的法向。
如图2和图3所示，菱齿形切削片2切削刃部为自刀体底端沿排屑槽倾角方向阵列的菱齿组成，本实施例菱齿轴向长度d1为0.6mm，径向长度d2为0.6mm，菱齿的齿尖高度h为0.4mm，菱齿形切削片切削刃部具有多个刃参与铣削，可以显著降低单位切削力，使刀具磨损更为缓慢，提高刀具的耐用度，同时多个面的切削合力沿轴向倾角指向被加工工件内部而非工件表面，能够有效抑制工件表面毛刺的产生。
如图4和图5所示，三角形切削片3切削刃部为沿排屑槽倾角方向扫掠的三角形构成，本实施例三角形底边长度d3为0.6mm，前后轴向倾角的范围在30°～45°之间，当切削较硬材料时，用小的角度以减小前角，可以提高刃口刚性，因此本实施例前后轴向倾角λ1和λ2均设为30°，零件被加工表面所受的切削力会沿所设计的刃部前后轴向倾角产生，进而相互抵消，极大程度降低了陶瓷基复材加工过程中出现的毛刺、分层和撕裂等现象。
当菱齿形切削片2与三角形切削片3配合使用时，由抗冲击能力更强的菱齿形切削片2去除零件的大部分余量，再由三角形切削片3去除剩余少量余量，大大提高了刀具的耐用度，并且产生的切屑为细粉末状，切屑通过排屑槽排出，不会干扰、刮伤工件表面或者撞击刀具。
实施例2
一种用于陶瓷基复材零件机加的铣刀的制备方法，包括如下步骤：
步骤一、使用金刚石砂轮磨削含Co碳化钨硬质合金刀体至直径尺寸的圆棒状，并在刀体一端完成排屑槽的磨制加工，较大的刀具尺寸可以使刀具有更高的线速度，适合于吃刀量较大的快速切削加工；
步骤二、使用10％Co、10％Al、10％TiC作为结合剂，在温度1450℃和压力6GPa下与70％CBN(立方氮化硼单晶粉末)进行烧结，得到PCBN烧结块，可以有效提高CBN的硬度和耐磨性；
步骤三、使用电火花切割机床对PCBN烧结块进行切割，得到所需形状的菱齿形切削片和三角形切削片，切割时要留出刃磨的磨削余量0.2～0.3mm，以去除切割时产生的PCBN切削片损伤量；
步骤四、使用70％Ag与30％Cu作为焊剂，通过真空钎焊的方式将切割后的切削片焊接于排屑槽内和刀体底端，初步完成刀具制备。焊接前要清理焊接面的氧化膜，焊接时焊接处的熔点状态不能超过15s，以免损伤聚晶层，刀具使用于切削温度较高的加工过程时焊料温度在860～920℃，使用于切削温度较低的加工过程时焊料温度在600～700℃。
步骤五、使用金刚石砂轮对切削刃部余量进行刃磨，从而完成刀具加工；
步骤六、刃磨后在30～50倍放大镜下对刃口进行检查，不能有崩刃和锯齿。
Claims (10)
1.一种用于陶瓷基复材零件机加的铣刀，其特征在于，包括刀体(100)和切削片(200)；
所述刀体(100)为圆柱形，夹持端为圆柱，切削端设置有排屑槽(1)，排屑槽(1)设置2N个，2N个排屑槽(1)沿切削端圆周均布；N＝2、3或4；
所述排屑槽(1)与切削片(200)相匹配；
所述切削片(200)固定在刀体(100)的排屑槽(1)内，采用焊接方式固定；
所述切削片(200)为长方体形的片状，两个侧边设置有切削刃部，切削刃部包括端齿切削刃(4)、周齿切削刃(5)，端齿切削刃(4)位于切削片(200)的侧边，周齿切削刃(5)位于切削片(200)的底侧边；所述切削片(200)设置两组，两组的厚度D相等，每组设置两个，一组为菱齿形切削片(2)，另一组为三角形切削片(3)，菱齿形切削片(2)、三角形切削片(3)间隔设置；
所述菱齿形切削片(2)为整体结构，可分为菱齿形切削基体、菱齿形切削刃部，菱齿形切削刃部为菱齿阵列，菱齿阵列的每个菱齿的底面与菱齿形切削基体相连，每个菱齿的底面为正方形；
所述三角形切削片(3)为整体结构，可分为三角形切削基体、三角形切削刃部，三角形切削刃部的横截面为三角形，三角形底边长度为三角形切削片(3)的厚度；
前轴向倾角、后轴向倾角均在30°～45°之间。
2.根据权利要求1所述的用于陶瓷基复材零件机加的铣刀，其特征在于，所述刀体(100)为含Co的碳化钨硬质合金。
3.根据权利要求1所述的用于陶瓷基复材零件机加的铣刀，其特征在于，所述切削片(200)为聚晶立方氮化硼PCBN材料。
4.根据权利要求1所述的用于陶瓷基复材零件机加的铣刀，其特征在于，排屑槽(1)所在的固定切削片(200)的面与刀体(100)中心轴线不平行，其夹角为设定的倾斜角度θ，倾斜角度θ为3°～5°。
5.根据权利要求1所述的用于陶瓷基复材零件机加的铣刀，其特征在于，所述菱齿底面正方形的对角线长度为菱齿形切削片(2)的厚度，菱齿形切削刃部的高度为切削片厚度D为0.5～1.2mm。
6.根据权利要求1所述的用于陶瓷基复材零件机加的铣刀，其特征在于，所述切削片厚度D为0.6mm，菱齿的齿尖高度为0.4mm，前轴向倾角、后轴向倾角可以相等，前轴向倾角、后轴向倾角均为30°。
7.一种用于陶瓷基复材零件机加的铣刀的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一，排屑槽磨制：
选用圆棒状硬质合金材料为刀体材料，采用金刚石砂轮，在刀体(100)的切削端磨削排屑槽(1)，排屑槽(1)为4个，在刀体(100)的切削端均布；
步骤三，切削片切割：
采用电火花切割，按菱齿形切削片和三角形切削片尺寸要求，对切削片坯料进行切割，切割时，预留切削刃部加工余量，得到切削片原料；
步骤四，切削片固定：
采用焊接方式，将切削片原料固定在排屑槽(1)设定位置；
步骤五，切削刃部磨制：
按菱齿形切削片和三角形切削片刃部尺寸要求，分别磨制端齿切削刃(4)、周齿切削刃(5)，至切削刃部满足设定的尺寸要求，得到用于陶瓷基复材零件机加的铣刀。
8.根据权利要求7所述的用于陶瓷基复材零件机加的铣刀的制备方法，其特征在于，所述步骤四，切削片固定，进一步包括：
所述焊接方式为真空钎焊，焊接以70％Ag、30％Cu为钎料，焊接时钎料熔化时间不大于15s。
9.一种用于陶瓷基复材零件机加的铣刀切削片坯料的制备方法，其特征在于，采用粉末冶金烧结制备切削片坯料，以Co、Al、TiC粉末为结合剂，结合剂与立方氮化硼单晶粉末混合均匀、压实，在粉末冶金烧结设备中进行烧结，得到聚晶立方氮化硼PCBN切削片坯料。
10.根据权利要求9所述的用于陶瓷基复材零件机加的铣刀切削片坯料的制备方法，其特征在于，所述立方氮化硼单晶粉末与结合剂的质量比为7：3，Co、Al、TiC粉末的质量比为1：1：1；粉末冶金烧结的烧结温度为1450℃，压实压力为6GPa。
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