CN104646701A - 一种陶瓷刀具的刃口强化处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种陶瓷刀具的刃口强化处理方法，其方法步骤如下：1)对成型后陶瓷刀具的主、副切削刃的刃口构型进行重新修磨，先根据进给量确定负倒棱参数，继而分别在主、副切削刃的刃口磨出负倒棱，其中，所述的负倒棱参数至少包括负倒棱倾角的角度和负倒棱宽度；2)然后分别对陶瓷刀具的前后刀面进行研磨抛光；3)对抛光后的陶瓷刀具进行超声振动清洗；4)将清洗后的陶瓷刀具放入热处理炉内进行温升交变磁处理；5)在热处理炉内的高温段继续对陶瓷刀具进行恒磁场保温处理；6)结束保温，将陶瓷刀具自然冷却至室温。经本发明处理后的陶瓷刀具具有优异的切削性能，刀具寿命显著提高。

Description

一种陶瓷刀具的刃口强化处理方法
技术领域
本发明涉及一种陶瓷刀具的刃口强化方法，特别是一种提高陶瓷刀具高速、干切削高强度合金钢材料时刀具寿命与降低破损失效率的刃口处理方法。
背景技术
高速切削技术因其高生产率、绿色环保等特点，已成为工业化国家金属切削生产实践中的主流工艺技术之一。随着切削速度的成倍增加，切削刀具的使用寿命将大幅降低。陶瓷刀具材料，如氮化硅基陶瓷刀具、氧化铝基陶瓷刀具、Tic基金属陶瓷刀具、Ti(C，N)基金属陶瓷刀具材料等，陶瓷刀具以其优良切削性能(高耐磨性和高红硬性)，在高强度/超高强度合金钢、淬硬钢、高锰钢等难加工材料的高效切削加工生产中得到了越来越深入的研究与应用。
陶瓷刀具高速切削高强度、超高强度合金钢时的一个显著特点是刀具磨损与刀具破损失效混合发生。具体表现为刀具在正常磨损阶段(后刀面磨损带VB在0.1～0.2mm范围内)时，刀尖或切削刃区常发生以脆性断裂为特征的破损失效。
大量的试验研究也已表明，陶瓷刀具高速切削高强度合金钢时，随着切削速度的提高，前刀面月牙洼磨损将取代后刀面磨损成为陶瓷刀具磨损失效的主要形式。切削进行中，随着前刀面月牙洼在宽度方向和深度方向的快速扩展，切削刃区的结构强度将大幅削弱，在动态切削力与切削振动的共同作用下，切削刃局部区域会发生微崩刃(甚至崩碎)现象，从而引发刀具的早期破损失效，导致加工中断和工件损伤。
此外，陶瓷刀具在制备和使用过程中难免会引入的各类微缺陷(杂质、微裂纹、孔洞等)也会不同程度地引发刀具破损失效。如在陶瓷刀片的刃磨或切削过程中，切削刃工作表面上很容易产生微裂纹缺陷。这些微裂纹的尖端处存在应力集中现象，其应力值比周围有明显增大。当应力达到一定程度时，裂纹就会开始扩展，直至失稳断裂，引发刀具的早期破损失效。由刀具微缺陷引发的刀具破损失效现象在国产陶瓷刀具的使用中尤为突出。鉴于上述原因，制约陶瓷刀具的推广应用的主要矛盾在于如何提高刀具寿命，尤其是降低刀具刃口的破损失效率。
发明内容
本发明的目的是提供一种陶瓷刀具的刃口强化方法。
为实现上述目的，本发明采取以下设计方案：
一种陶瓷刀具的刃口强化处理方法，其方法步骤如下：
1)对成型后陶瓷刀具刀片的主、副切削刃的刃口构型进行重新修磨，先根据进给量确定负倒棱参数，继而分别在主、副切削刃的刃口磨出负倒棱，其中，所述的负倒棱参数至少包括负倒棱倾角的角度和负倒棱宽度；
2)然后分别对陶瓷刀具的前后刀面进行研磨抛光；
3)对抛光后的陶瓷刀具进行超声振动清洗；
4)将清洗后的陶瓷刀具放入热处理炉内进行温升交变磁处理；
5)在热处理炉内的高温段继续对陶瓷刀具进行恒磁场保温处理；
6)结束保温，将陶瓷刀具自然冷却至室温。
所述陶瓷刀具的刃口强化处理方法中，所述分别在主、副切削刃刃口磨出的负倒棱倾角为15～35°，宽度为进给量的3～6倍。
所述陶瓷刀具的刃口强化处理方法中，设主切削刃刃口磨出的负倒棱倾角为Ф，副切削刃刃口磨出负倒棱倾角为б，Ф小于等于б，或Ф：б＝0.5～1。
所述陶瓷刀具的刃口强化处理方法步骤4中，温升交变磁处理的具体方法是：先将真空热处理炉内加热至200～300℃，然后施加场强为1.0～1.5特斯拉的交变磁场，频率10HZ；与此同时，开始以20～30℃/min的升温速率升温，直至达到650～730℃的高温；所述步骤5中，当温度达到650～730℃高温段后，将交变磁场转变为恒磁场，场强升至2.5～3.0特斯拉，并保温2～4小时。
所述陶瓷刀具的刃口强化处理方法步骤2中，将刃磨完成后的刀片在抛光盘上进行表面抛光处理，处理后的前后刀面表面粗糙度控制为在Ra0.1μm以下；采用的抛光剂为金刚石研磨膏、或是煤油、或是金刚石研磨膏和煤油的混合剂，抛光盘转速控制在100～1500r/min；若采用金刚石研磨膏和煤油的混合剂，则混合剂中两者的重量百分比为：金刚石研磨膏65～75％，余量为煤油。
所述陶瓷刀具的刃口强化处理方法步骤3中，超声振动清洗中的超声频率为15K～20KHz，使用半水基清洗剂，清洗15～30分钟。
所述陶瓷刀具的刃口强化处理方法步骤6中，保温结束后，先将磁场强度降为0.5～1.0特斯拉，然后保持恒磁场不变，一直到冷却过程结束。
所述陶瓷刀具的刃口强化处理方法中，完成所述的步骤1后，将刀尖处形成的两条倒棱的交线修磨平整。
所述陶瓷刀具的刃口强化处理方法中，将所述的热处理炉放置于环状的超导强磁体中心，该超导强磁体产生的最大磁场强度至少是3特斯拉(3～5特斯拉为宜)。
所述陶瓷刀具的刃口强化处理方法中，所述的陶瓷刀具为氮化硅基陶瓷刀具、氧化铝基陶瓷刀具、TiC基金属陶瓷刀具或Ti(C,N)基金属陶瓷刀具。
本发明的优点是：经本发明处理后的陶瓷刀具具有优异的切削性能，与未经处理陶瓷刀具相比，在切削用量保持不变条件下，刀具寿命能够提高2～3倍，破损失效比例下降90％以上。
附图说明
图1为本发明磨制方法示意图。
图2为本发明磨制方法中刃磨的陶瓷刀具主刀面A的主平面示意图。
图3为本发明磨制方法中刃磨的陶瓷刀具负刀面B的主平面示意图。
图中：A—主刀面；B—负刀面；Ф—主切削刃负倒棱倾角；б—副切削刃负倒棱倾角。
具体实施方式
本发明陶瓷刀具的刃口强化处理方法的具体步骤如下：
参阅图1所示，首先将原成型的陶瓷刀具(参见图1中的左边视图)的刀片进行重新刃磨，刃磨主、副切削刃形成15～35°角负倒棱1和负倒棱2，参见图1中的中间视图，各负倒棱的宽度b需严格控制为进给量的3～6倍，该进给量是该刀具在进给运动方向上相对于被加工工件的位移量，故制作人员可以根据固定加工或常需加工工件的进给量来预先设计出负倒棱的宽度b，以参照这个参数来进一步的制作负倒棱；该负倒棱的磨制在万能工具刃磨机上处理完成；然后，需要将刀尖处两条负倒棱的搭接线3修磨平整，得到最终构型的陶瓷刀具，参见图1中的右边视图。这样的设计，可以加大刀具的楔角，同时能扩大散热面积，能有效克服现有陶瓷刀具在连续切削高硬度材料时磨损快、易崩刃及使用寿命短的问题，这种负倒棱在强化刀刃的基础上使切削力增加不多，从而能提高刀具耐用度。
应使主切削刃刃口磨出的负倒棱的角Ф小于等于副切削刃刃口磨出负倒棱角的角б，优选地，Ф：б＝0.5～1。这样处理的方式，使得其能更加有效的克服磨损快和易崩刃的问题。
之后，对刃磨完成后的刀片需进行表面抛光处理，处理后的前后刀面表面粗糙度需控制在Ra0.1μm以下。抛光剂为金刚石研磨膏与煤油混合剂，金刚石研磨膏与煤油的重量百分比为：金刚石研磨膏70％；煤油30％；金刚石研磨膏是由金刚石微粉磨料和膏状结合剂制成的一种软质磨具，用于研磨硬脆材料以获得高的表面光洁度；添加煤油，不仅在研磨过程中起降温作用，还能及时冷却刀具，可显著减少刀具的磨损，同时对设备及工件有极好的防锈性，且方便后续的清洗工作。抛光处理中，抛光盘转速控制在1000～1500r/min，这样的处理，可以控制去除率和保证表面粗糙度。
将完成刃磨处理后的陶瓷刀具置于超声清洗机中进行清洗，超声频率15K～20KHz，优选地使用半水基清洗剂，清洗15～30分钟。该半水基清洗剂清洗油污彻底,综合成本低,不腐蚀材料，特别适用于陶瓷刀具。
清洗处理后，将刀片放入热处理炉内，在真空热处理炉内加热至200～300℃，施加场强为1.0～1.5特斯拉的交变磁场，频率10HZ。与此同时，开始升温，升温速率20～30℃/min。当温度达到650～730℃后，将交变磁场转变为恒磁场，场强升至2.5～3.0特斯拉，并保温2～4小时。
保温结束后，自然冷却至室温。冷却过程中，磁场强度降为0.5～1.0特斯拉，恒磁场不变。
优选地，所需的磁场可以由环状超导强磁体产生，热处理炉放置环状超导强磁体中心。
本发明适用于氮化硅基陶瓷刀具、氧化铝基陶瓷刀具、TiC基金属陶瓷刀具、Ti(C,N)基金属陶瓷刀具材料，但不适用于涂层陶瓷刀具材料。
下面结合具体实施例对本发明做进一步说明。
实施例1
选择Si3N4基陶瓷车刀，使用金刚石砂轮在万能工具磨床上磨制出刀具的主、副切削刃负倒棱均为：1.8mmx25°。使用金刚石研磨膏与煤油混合后研磨抛光刀具前后刀面至Ra0.1μm。其中金刚石研磨膏与煤油的重量百分比为：金刚石研磨膏70％；煤油30％。
在超声清洗机中，使用半水基清洗剂，超声频率20KHz，清洗15分钟。
将Si3N4基陶瓷车刀在真空热处理炉内加热至230℃后，施加场强为1.2特斯拉，频率10Hz的交变磁场。保持交变磁场不变，升温速率30℃/min，至炉中心温度690℃。将交变磁场转为恒磁场后，将磁场强度升至2.8特斯拉后，保温4小时。而后自然冷却至室温。
使用上述处理后的陶瓷刀具，选择切削速度190m/min，进给量0.2mm/r，切削深度0.5mm的切削用量组合，对30CrNi4MoVA高强度合金钢工件进行外圆车削加工。加工工件数由未强化的12件提高到33件，提高了2.75倍。
实施例2
选择Si3N4+Al2O3复合陶瓷车刀，使用金刚石砂轮在万能工具磨床上磨制出刀具的主切削刃负倒棱Ф为20°、副切削刃负倒棱б为25°。使用金刚石研磨膏与煤油混合后研磨抛光刀具前后刀面至表面粗糙度Ra0.08μm。
在超声清洗机中，使用半水基清洗剂，超声频率20KHz，清洗15分钟。
将Si3N4+Al2O3复合陶瓷车刀在真空热处理炉内加热至280℃后，施加场强为1.0特斯拉，频率10HZ的交变磁场。保持交变磁场不变，升温速率25℃/min，至炉中心温度650℃。将交变磁场转为恒磁场后，将磁场强度升至2.5特斯拉后，保温3小时，而后自然冷却至室温。
使用处理后的陶瓷刀具，选择切削速度230m/min，进给量0.15mm/r，切削深度1mm的切削用量组合，对30CrMnSi高强度合金钢工件进行外圆车削加工。加工工件数由未强化的23件提高到52件，提高了2.26倍。
上述各实施例可在不脱离本发明的保护范围下加以若干变化，故以上的说明所包含及附图中所示的结构应视为例示性，而非用以限制本发明申请专利的保护范围。

Claims (10)

1.一种陶瓷刀具的刃口强化处理方法，其特征在于方法步骤如下：
1)对成型后陶瓷刀具的主、副切削刃的刃口构型进行重新修磨，先根据进给量确定负倒棱几何参数，继而分别在主、副切削刃的刃口磨出负倒棱，其中，所述的负倒棱参数至少包括负倒棱倾角的角度和负倒棱宽度；
2)然后分别对陶瓷刀具的前后刀面进行研磨抛光；
3)对抛光后的陶瓷刀具进行超声振动清洗；
4)将清洗后的陶瓷刀具放入热处理炉内进行温升交变磁处理；
5)在热处理炉内的高温段继续对陶瓷刀具进行恒磁场保温处理；
6)结束保温，将陶瓷刀具自然冷却至室温。
2.根据权利要求1所述的陶瓷刀具的刃口强化处理方法，其特征在于：所述分别在主、副切削刃刃口磨出的负倒棱倾角为15～35°，宽度为车削加工为进给量或铣削加工每齿进给量的3～6倍。
3.根据权利要求2所述的陶瓷刀具的刃口强化处理方法，其特征在于：设主切削刃刃口磨出的负倒棱倾角为Ф，副切削刃刃口磨出负倒棱倾角为б，Ф小于等于б，或Ф：б＝0.5～1。
4.根据权利要求1所述的陶瓷刀具的刃口强化处理方法，其特征在于，所述步骤4中，温升交变磁处理的具体方法是：先将真空热处理炉内加热至200～300，然后施加场强为1.0～1.5特斯拉的交变磁场，频率10HZ；与此同时，开始以20～30℃/min的升温速率升温，直至达到650～730℃的高温；所述步骤5中，当温度达到650～730℃高温段后，将交变磁场转变为恒磁场，场强升至2.5～3.0特斯拉，并保温2～4小时。
5.根据权利要求1所述的陶瓷刀具的刃口强化处理方法，其特征在于：所述步骤2中，将刃磨完成后的刀片在抛光盘上进行表面抛光处理，处理后的前后刀面表面粗糙度控制为在Ra0.1μm以下；采用的抛光剂为金刚石研磨膏、或是煤油、或是金刚石研磨膏和煤油的混合剂，抛光盘转速控制在100～1500r/min；若采用金刚石研磨膏和煤油的混合剂，则混合剂中两者的重量百分比为：金刚石研磨膏65～75％，余量为煤油。
6.根据权利要求1所述的陶瓷刀具的刃口强化处理方法，其特征在于：所述步骤3中，超声振动清洗中的超声频率为15K～20KHz，使用半水基清洗剂，清洗15～30分钟。
7.根据权利要求1所述的陶瓷刀具的刃口强化处理方法，其特征在于：所述步骤6中，保温结束后，先将磁场强度降为0.5～1.0特斯拉，然后保持恒磁场不变，一直到冷却过程结束。
8.根据权利要求1所述的陶瓷刀具的刃口强化处理方法，其特征在于：完成所述的步骤2后，将刀尖处形成的两条倒棱的交线修磨平整。
9.根据权利要求1所述的陶瓷刀具的刃口强化处理方法，其特征在于：将所述的热处理炉放置于环状的超导强磁体中心，该超导强磁体产生的最大磁场强度至少是3特斯拉。
10.根据权利要求1所述的陶瓷刀具的刃口强化处理方法，其特征在于：所述的陶瓷刀具为氮化硅基陶瓷刀具、氧化铝基陶瓷刀具、TiC基金属陶瓷刀具或Ti(C,N)基金属陶瓷刀具。
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