CN115383668B - 一种超小直径超硬微刃铣磨复合球头刀具及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种超小直径超硬微刃铣磨复合球头刀具及其制备方法，属于微细刀具加工技术领域。包括参与切削部分的刀头和起到连接支撑作用的过渡刀颈、焊接区域、过渡刀柄、刀颈和刀柄，其中刀头包括若干微刃，每个微刃均包括刀具后刀面、切削刃、前刀面和排屑槽，在后刀面通过砂轮精密磨削或电镀工艺形成有微小磨粒层，刀头的材料为聚金刚石或聚晶立方氮化硼，刀头直径d为50‑500μm。采用微槽结构，提高刀具的刚度和强度，具有尺寸极小特点，可以满足高端微小精密零部件的加工需求，同时采用的微刃多刃结构，可以有效提高切削刃的抗崩性，保证刀具的切削稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及一种超小直径超硬微刃铣磨复合球头刀具及其制备方法，属于微细刀具加工技术领域。
背景技术
随着航空航天等高端制造业的发展，对微小结构件的高效精密加工要求越来越高，而微小结构件采用的高温合金、硬质合金、SiC等难加工材料极易造成刀具磨损，影响微小结构件的加工效率和加工质量。超硬刀具材料，如PCD、PCBN等，由于具有高硬度、高耐磨性以及更加优异的切削性能，成为了高端精密刀具的主要材料，但是随着刀具尺寸的缩小和刀具材料的变化，微小超硬刀具在设计制备上存在很多问题，不合理的刀具结构不仅会造成刀具切削性能的降低，也会导致刀具难以制备，而不合理的制备手段，又会造成刀具表面裂纹、凹坑等缺陷的产生，影响着刀具的使用寿命。同时，现有对微小构件铣削加工后需要更换磨削刀具进行表面抛磨，更换刀具不仅不利于微小构件加工精度的提高，换刀操作也降低加工效率。
因此，针对微小结构件高效精密加工需求，本发明提出了一种超小直径超硬微刃铣磨复合球头刀具及其制备方法。
发明内容
本发明提供一种超小直径超硬微刃铣磨复合球头刀具及其制备方法，用于难加工材料的精密高效加工，特别适用于高端精密零件的精整加工。
实现本发明的技术方案如下：
一种超小直径超硬微刃铣磨复合球头刀具，其特征在于，包括参与切削部分的刀头和起到连接支撑作用的过渡刀颈、焊接区域、过渡刀柄、刀颈和刀柄，其中刀头包括若干微刃，每个微刃均包括刀具后刀面、切削刃、前刀面和排屑槽，在后刀面通过砂轮精密磨削或电镀工艺形成有微小磨粒层，刀头的材料为聚金刚石(PCD)或聚晶立方氮化硼(PCBN)，刀头直径d为50-500μm；
所述微刃设计为平面切削刃曲线，其数学表达式为：
其中，r为刀具半径，θ为刀具高低角，γ0为切削刃曲线所在平面与刀具平面的夹角。
所述后刀面采用圆弧后刀面结构，通过发生线旋转角度δ得到，其数学表达式为：
其中,l后刀面发生线的长度，δ为发生线形成后刀面的旋转角度，其α0为微刃铣磨刀具的法向后角，且l∈[0,0.08],
进一步地，微刃数量为3-10个。
进一步地，刀具的几何结构参数为：整体刀具长度L0＝60mm、微刃槽长L＝0.2mm、刀头长度L1＝1mm、过渡刀颈锥角αm＝20°、过渡刀柄长度L2＝1.5mm，刀颈锥角αn＝15°，刀柄直径D＝3-6mm。
进一步地，针对钛合金、不锈钢等塑性材料前角设置为0～6°，针对SiC、蓝宝石等硬脆性材料前角设置为-6～0°。
一种超小直径超硬微刃铣磨复合球头刀具制备方法具体如下：
步骤S1：超硬复合片激光/电火花切割，采用高功率的激光或者电火花将超硬复合片切割成直径0.5-3mm的复合片圆块，用于后续超硬刀具棒料的制备，超硬复合片的材质为聚金刚石(PCD)或聚晶立方氮化硼(PCBN)；
步骤S2：超硬复合片与基体高频钎焊，利用高频感应钎焊技术对步骤S1中切割下的超硬复合片块与硬质合金基体进行高频焊接，得到超硬刀具棒料毛坯；
步骤S3：超硬刀具棒料毛坯激光减径，采用激光对步骤S2中的超硬刀具棒料毛坯进行激光减径，形成超硬刀具五段式整体结构；
步骤S4：超硬刀具精密刃磨，采用精密磨削技术进行超小直径刀具开刃制备，通过多轴联动精密磨削与多轴联动精密补偿技术完成超小直径超硬微刃铣磨复合球头刀具的精密制备，所述的超硬刀具的精密刃磨，主要包括球面磨削、微刃磨削和圆柱磨削，其中球面磨削形成刀具后刀面，微刃磨削形成刀具的前刀面和排屑槽，圆柱磨削保证了刀具参与切削部分的几何尺寸精度；
步骤S5：超硬刀具后刀面磨粒层制备，为了实现铣磨复合加工形式，在步骤S4的基础上在刀具后刀面制备一层磨粒层，后刀面磨粒层的制备采用与微刃磨削相同的精密刃磨共同成型，或采用电镀工艺成型。
进一步地，所述的超硬刀具的球面磨削，其刃磨过程是通过平行砂轮端面完成的，磨床通过X、Y、Z、A和W轴五轴联动使刀具球心位于W轴旋转中心上，然后通过A轴旋转和W轴分度转动实现球面磨削。
进一步地，所述的超硬刀具的微刃磨削，其刃磨过程是是通过斜边砂轮完成刃磨，首先通过X、Y、Z和W轴定位到刀具中心点，然后通过X、Z、W和A轴四轴联动完成铣磨刀具的微刃磨削。
进一步地，所述的超硬刀具的圆柱磨削，其刃磨过程是通过X、Z移动到待加工位置，刃磨开始后，平行砂轮端面通过X轴进给，Y轴控制磨削深度，将刀具棒料刃磨至指定尺寸。
进一步地，所述的超硬刀具后刀面磨粒层制备采用的精密刃磨方法，其利用PCD、PCBN等材料是超硬磨粒与结合剂烧结而成的特点，通过多轴联动数控刃磨方法对刀具后刀面进行磨削，使后刀面的磨粒裸露出来，形成一层磨粒层，其中后刀面刃磨原理为通过X、Y、Z和W轴联动将刀具与砂轮定位到待磨削位置，然后通过X、Z、A和W轴联动完成后刀面的磨削。
进一步地，所述的超硬刀具后刀面磨粒层制备采用的电镀工艺，以刀具为阴极，通过镍-磨粒共沉积的方法，在后刀面镀覆一层磨粒，与精密磨削相比，电镀工艺制备的后刀面磨粒不受刀具材料的限制，并且根据需要镀覆不同粒径、不同浓度的磨粒。
本发明的有益效果：
(1)本发明提出的超小直径超硬球头刀具五段式结构，可以增加超硬刀具在超硬复合片与基体焊接过程中的焊接面积，提高微小球头刀具的整体力学性能和加工稳定性；
(2)本发明提出的超小直径超硬球头刀具，针对刀具的尺寸特点和加工需求，舍弃了作用不显著的螺旋槽结构，采用微槽结构，可以在不影响刀具的切削性能的前提下，提高刀具的刚度和强度，降低刀具的制备难度；
(3)本发明提出的超小直径超硬球头刀具，具有尺寸极小特点，可以满足高端微小精密零部件的加工需求，同时采用的微刃多刃结构，可以有效提高切削刃的抗崩性，保证刀具的切削稳定性，非常适合高硬度材料的精密加工；
(4)本发明提出的超小直径超硬球头刀具，在后刀面制备了一层磨粒层，可以在加工过程中形成微磨削效果，形成微刃切削加工和后刀面的磨削加工相结合的铣磨复合加工方式，可以提高刀具加工效率和加工质量；
(5)本发明提出了一种超小直径超硬微刃铣磨复合球头刀具的制备方法及工艺，可以实现本发明刀具以及其他类似超硬刀具的精密制备，可以提高刀具的制备效率和制备质量。
附图说明
图1为本发明的一种超小直径超硬微刃铣磨复合球头刀具几何结构示意图
图2为本发明的一种超小直径超硬微刃铣磨复合球头刀具球头数学模型
图3为本发明的一种超小直径超硬微刃铣磨复合球头刀具刀头数学模型示意图
图4为本发明的一种超小直径超硬微刃铣磨复合球头刀具总体制造流程；
图5为本发明的一种超小直径超硬微刃铣磨复合球头刀具刀头精密刃磨流程；
图6为本发明的一种超小直径超硬微刃铣磨复合球头刀具刀头多轴联动刃磨原理图；
图7为本发明的一种超小直径超硬微刃铣磨复合球头刀具后刀面磨粒制备原理图；
图8为本发明的一种超小直径超硬微刃铣磨复合球头刀具刀头实物图；
1-刀头部分，2-过渡刀颈，3-焊接区域，4-过渡刀柄，5-刀颈，6-刀柄；
101-后刀面，102-切削刃，103-前刀面，104-排屑槽；
具体实施方法
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，一种超小直径超硬微刃铣磨复合球头刀具，其特征在于，主要包括参与切削部分的刀头-1和起到连接支撑作用的过渡刀颈-2、焊接区域-3、过渡刀柄-4、刀颈-5、刀柄-6，其中刀头部分主要包括刀具后刀面-101、切削刃-102、前刀面-103、排屑槽-104。
进一步地，所述的超小直径超硬铣磨复合刀具材料为聚晶金刚石(PCD)、聚晶立方氮化硼(PCBN)等超硬材料，本具体实施案例中使用元素六的PCBN材料，牌号为DBW85，基体材料选择IMC的UF09材料；
进一步地，所述的超小直径超硬铣磨复合球头刀具，其特征在于，其中刀头直径d一般为50-500μm，刀柄直径D一般为3-6mm，微刃数量一般为3-10个；
进一步地，本次具体实施案例所设计制造的超小直径超硬微刃铣磨复合球头刀具的几何结构参数为：整体刀具长度L0＝60mm、微刃槽长L＝0.2mm、刀头长度L1＝1mm、过渡刀颈锥角αm＝20°、过渡刀柄长度L2＝1.5mm，刀颈锥角αn＝15°，刀柄直径D＝3mm、微刃直径d＝0.2mm、微刃数为5个；
进一步地，所述的超小直径超硬铣磨复合球头刀具的前角可根据加工材料进行适配性设计，本具体实施案例针对钛合金、不锈钢材料选择了6°正前角；
图2为一种超小直径PCBN微刃铣磨复合球头刀具球头部分数学模型示意图，其中坐标系原点O位于微刃铣磨复合刀具的球心，OZ轴与刀具轴向重合，OX与刀具前刀面相切，则微刃铣磨复合刀具的切削刃的可以表示为：
其中，r为刀具半径，θ为刀具高低角，γ0为切削刃曲线所在平面与刀具平面的夹角。
所述后刀面采用圆弧后刀面结构，因此后刀面上任意一点E可以通过发生线BC上任意一点C绕线段OA旋转δ得到，而C点的坐标为C＝[0,-lcosα0,r-lsinα0]，其中,l后刀面发生线的长度，即线段BC的长度，δ为发生线形成后刀面的旋转角度，α0为微刃铣磨刀具的法向后角，且l∈[0,0.08],
因此，后刀面的数学表达式可以表示为：
图3为一种超小直径PCBN微刃铣磨复合球头刀具总体制造流程，包括PCBN复合片的激光/电火花切割、PCBN复合片块与硬质合金基体高频钎焊、PCBN刀具棒料毛坯的激光减径以及PCBN刀具精密刃磨。
进一步地，该超小直径PCBN铣磨复合球头刀具制备方法具体如下：
步骤S1：PCBN复合片激光/电火花切割。采用高功率的激光或者电火花将超硬复合片切割成直径1mm的PCBN复合片圆块，用于后续PCBN刀具棒料的制备；
步骤S2：PCBN复合片块与硬质合金基体高频钎焊。利用高频感应钎焊技术加热速度快、设备简单等优点，对步骤S1中切割下的PCBN复合片块与硬质合金基体进行高频焊接，得到超硬刀具棒料毛坯，其中焊料使用银铜钎料，使用氩气作为保护气体，焊接压力为0.5-2MPa，焊接温度为700℃，并保温10s；
步骤S3：超硬棒料毛坯激光减径。利用激光的效率高、非接触加工等特点，对步骤S2中的超硬棒料毛坯进行激光减径，形成超硬刀具五段式整体结构，其中激光使用皮秒激光，激光脉宽为15ps、率为800kHz、平均功率为20W，所形成的PCBN棒料刀头部分直径为0.21mm，为后续的精密磨削留下加工余量；
步骤S4：超小直径PCBN刀具精密刃磨。精密磨削技术可以消除激光加工产生的热影响层，同时具有加工精度高、质量好的特点，可以提高刀具加工的表面质量，因此利用牧野精机六轴数控工具磨床进行超小直径刀具开刃制备，完成对超小直径PCBN微刃铣磨复合球头刀具的制备。
步骤S5：超硬刀具后刀面磨粒层制备。为了实现铣磨复合加工形式，在步骤S4的基础上在刀具后刀面制备一层磨粒层，可以与切削刃微铣削加工共同形成铣磨复合加工形式，后刀面磨粒层的制备是采用了精密刃磨或电镀工艺两种方法实现的。
进一步地，所述的超硬刀具精密刃磨，如图4所示，主要包括球面磨削、微刃磨削和圆柱磨削，其中球面磨削形成刀具后刀面、微刃磨削形成刀具的前刀面和排屑槽、圆柱磨削保证刀具参与切削部分的几何尺寸精度，选择牧野精机六轴数控工具磨床，按照粗加工—磨削速度20m/s、进给速度60mm/min、磨削深度10μm以及精加工—磨削速度20m/s、进给速度10mm/min、磨削深度3μm的磨削工艺得到直径0.2mm的PCBN微刃铣磨复合球头刀具。
进一步地，所述超硬刀具精密刃磨使用牧野精机六轴数控磨床完成的，如图5所示，该机床可以实现五轴(X、Y、Z、A、W轴)联动，具有较高的灵活性，U轴的存在保证了刀具刃磨的定位精度。
图6为超小直径超硬微刃刀具多轴联动数控刃磨原理图，其中球面磨削是通过平行砂轮端面完成的，磨床通过X、Y、Z、A和W轴五轴联动完成刃磨前的准备，然后通过A轴和W轴的转动实现球面磨削；微刃磨削是是通过斜边砂轮完成刃磨。首先通过X、Y、Z和W轴定位到刀具中心点，然后通过X、Z、W和A轴四轴联动完成铣磨刀具的微刃磨削；圆柱磨削是通过X、Z移动到待加工位置，刃磨开始后，平行砂轮端面通过X轴进给，Y轴控制磨削深度，将刀具棒料刃磨至指定尺寸。
进一步地，所述的超硬刀具后刀面磨粒层制备采用的精密刃磨或精密电镀的方法，如图7所示。精密刃磨的原理是利用PCD、PCBN等材料特点，即PCD、PCBN等材料本身是超硬磨粒与结合剂烧结而成，通过多轴联动数控刃磨方法对刀具后刀面进行磨削，使后刀面的磨粒裸露出来，形成一层磨粒层，其中后刀面刃磨原理为通过X、Y、Z和W轴联动将刀具与砂轮定位到待磨削位置，然后通过X、Z、A和W轴联动完成第一后刀面的磨削；精密电镀方法原理是采用电镀工艺，以刀具为阴极，通过镍-磨粒共沉积的方法，在后刀面镀覆一层磨粒，与精密磨削相比，电镀工艺制备的后刀面磨粒不受刀具材料的限制，并且可以根据需要镀覆不同粒径、不同浓度的磨粒，更加适应不同的加工状况。
图8为按照上述步骤的设计的结构和制备工艺成功制备的直径0.2mm的前角6°的PCBN微刃铣磨复合球头刀具实物图，其中后刀面的磨粒层采用精密刃磨的方法。
最后应当说明的是：以上具体实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制。凡是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 (7)
1.一种超小直径超硬微刃铣磨复合球头刀具，其特征在于，包括参与切削部分的刀头和起到连接支撑作用的过渡刀颈、焊接区域、过渡刀柄、刀颈和刀柄，其中刀头包括若干微刃，每个微刃均包括刀具后刀面、切削刃、前刀面和排屑槽，在后刀面通过砂轮精密磨削或电镀工艺形成有微小磨粒层，刀头的材料为聚金刚石(PCD)或聚晶立方氮化硼(PCBN)，刀头直径d为50-500μm；
所述微刃设计为平面切削刃曲线，其数学表达式为：
其中，r为刀具半径，θ为刀具高低角，γ0为切削刃曲线所在平面与刀具平面的夹角；
所述后刀面采用圆弧后刀面结构，通过发生线旋转角度δ得到，其数学表达式为：
其中，l后刀面发生线的长度，δ为发生线形成后刀面的旋转角度，其α0为微刃铣磨刀具的法向后角，且l∈[0,0.08],
所述微刃数量为3-10个；
刀具的几何结构参数为：整体刀具长度L0＝60mm、微刃槽长L＝0.2mm、刀头长度L1＝1mm、过渡刀颈锥角αm＝20°、过渡刀柄长度L2＝1.5mm，刀颈锥角αn＝15°，刀柄直径D＝3-6mm；
针对钛合金、不锈钢塑性材料前角设置为0～6°，针对SiC、蓝宝石硬脆性材料前角设置为-6～0°。
2.权利要求1所述的一种超小直径超硬微刃铣磨复合球头刀具制备方法，其特征在于，所述方法具体如下：
步骤S1：超硬复合片激光/电火花切割，采用高功率的激光或者电火花将超硬复合片切割成直径0.5-3mm的复合片圆块，用于后续超硬刀具棒料的制备，超硬复合片的材质为聚金刚石(PCD)或聚晶立方氮化硼(PCBN)；
步骤S2：超硬复合片与基体高频钎焊，利用高频感应钎焊技术对步骤S1中切割下的超硬复合片块与硬质合金基体进行高频焊接，得到超硬刀具棒料毛坯；
步骤S3：超硬刀具棒料毛坯激光减径，采用激光对步骤S2中的超硬刀具棒料毛坯进行激光减径，形成超硬刀具五段式整体结构；
步骤S4：超硬刀具精密刃磨，采用精密磨削技术进行超小直径刀具开刃制备，通过多轴联动精密磨削与多轴联动精密补偿技术完成超小直径超硬微刃铣磨复合球头刀具的精密制备，所述的超硬刀具的精密刃磨，主要包括球面磨削、微刃磨削和圆柱磨削，其中球面磨削形成刀具后刀面，微刃磨削形成刀具的前刀面和排屑槽，圆柱磨削保证了刀具参与切削部分的几何尺寸精度；
步骤S5：超硬刀具后刀面磨粒层制备，为了实现铣磨复合加工形式，在步骤S4的基础上在刀具后刀面制备一层磨粒层，后刀面磨粒层的制备采用与微刃磨削相同的精密刃磨共同成型，或采用电镀工艺成型。
3.根据权利要求2所述的一种超小直径超硬微刃铣磨复合球头刀具制备方法，其特征在于，所述的超硬刀具的球面磨削，其刃磨过程是通过平行砂轮端面完成的，磨床通过X、Y、Z、A和W轴五轴联动使刀具球心位于W轴旋转中心上，然后通过A轴旋转和W轴分度转动实现球面磨削。
4.根据权利要求3所述的一种超小直径超硬微刃铣磨复合球头刀具制备方法，其特征在于：所述的超硬刀具的微刃磨削，其刃磨过程是是通过斜边砂轮完成刃磨，首先通过X、Y、Z和W轴定位到刀具中心点，然后通过X、Z、W和A轴四轴联动完成铣磨刀具的微刃磨削。
5.根据权利要求4所述的一种超小直径超硬微刃铣磨复合球头刀具制备方法，其特征在于：所述的超硬刀具的圆柱磨削，其刃磨过程是通过X、Z移动到待加工位置，刃磨开始后，平行砂轮端面通过X轴进给，Y轴控制磨削深度，将刀具棒料刃磨至指定尺寸。
6.根据权利要求5所述的一种超小直径超硬微刃铣磨复合球头刀具制备方法，其特征在于：所述的超硬刀具后刀面磨粒层制备采用的精密刃磨方法，其利用PCD、PCBN材料是超硬磨粒与结合剂烧结而成的特点，通过多轴联动数控刃磨方法对刀具后刀面进行磨削，使后刀面的磨粒裸露出来，形成一层磨粒层，其中后刀面刃磨原理为通过X、Y、Z和W轴联动将刀具与砂轮定位到待磨削位置，然后通过X、Z、A和W轴联动完成后刀面的磨削。
7.根据权利要求6所述的一种超小直径超硬微刃铣磨复合球头刀具制备方法，其特征在于：所述的超硬刀具后刀面磨粒层制备采用的电镀工艺，以刀具为阴极，通过镍-磨粒共沉积的方法，在后刀面镀覆一层磨粒，与精密磨削相比，电镀工艺制备的后刀面磨粒不受刀具材料的限制，并且根据需要镀覆不同粒径、不同浓度的磨粒。
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