CN105269284B - 一种内凹形复杂轮廓pcd刀具的超精密高效制备工艺方法 - Google Patents
一种内凹形复杂轮廓pcd刀具的超精密高效制备工艺方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种内凹形复杂轮廓PCD刀具的超精密高效制备工艺方法，包括以下步骤：1）PCD复合片切割：利用线切割的方法将一圆盘型PCD复合片切割成若干块PCD刀片；2）刀片焊接：将PCD刀片焊接在刀具基体上，得到PCD刀具；3）PCD刀具后刀面的加工：利用电腐蚀加工装置对PCD刀具进行电腐蚀线切割处理，得到具有低粗糙度的后刀面的PCD刀具；4）PCD刃口及其第一后角的加工：按照内凹型复杂轮廓刀具刃口的设计要求，利用激光切割装置对PCD刀具进行激光切割处理。通过上述方式，本发明能够解决内凹型复杂轮廓刀具刃口难以磨削加工的难题，刃口崩刃尺寸可控制在2微米以内，齿形轮廓一致性好。
Description
技术领域
本发明涉及超硬材料加工领域领域，特别是涉及一种内凹形复杂轮廓PCD刀具的超精密高效制备工艺方法。
背景技术
聚晶金刚石（PCD）自1972年问世后，由于继承了金刚石的高硬度与耐磨性，使得PCD刀具在加工各种有色金属和非金属材料时能够获得高的生产效率；同时，因其硬质合金基底与一般金属之间良好的焊接性能，使得刀具的抗弯强度得以大幅度提升。
PCD刀具的加工优势主要在于：更高的材料切削，提高了生产周期；每班能加工更多的零件。与传统的切削刀具相比，切削速度、进给速度显著加快。同时，工件质量大大提高、尺寸控制卓越、表面精度一致、废品率低以及刀具寿命长等特点。
PCD刀具根据刀片的不同牌号，应用于不同的加工场合。例如，1600牌号的刀片适合加工要求高表面光洁的铝、铜、贵重金属、合成木材等；1800牌号的刀片具有双峰式晶体，适用于极严苛的加工，如玻璃纤维、高密纤维板、叠层地板等。然而，现阶段出现一些复杂的轮廓凸曲面类的工件，例如，手机铝制外壳的边缘轮廓、汽车成型铝制零件等场合。
PCD刀具的材料、形状、几何角度、制造工艺决定着刀具的切削性能。其中，制造工艺的好坏直接影响刀具的使用寿命。聚晶金刚石、单晶金刚石都属于超硬材料，因此，采用传统的挤压式切削无法实现刀具的功能，更谈不上能够满足耐热性、耐磨性、抗冲击韧性等性能指标。现阶段，国内外对于PCD的加工手段主要有磨削加工、电火花腐蚀加工、激光加工、化学加工等。磨削加工的优点是后刀面能够形成一定的微观凹槽，可有效储存切削液体，提高刀具的使用寿命。缺点是刃磨时间长，加工工时长；其次，由于砂轮尖点加工PCD的局限性，无法加工内凹形复杂轮廓。化学加工方法可使得加工后表面质量高，但刀具尺寸精度难以控制，因此，不适用于轮廓类刀具。
电腐蚀加工表面的金刚石层其表层碳主要以非晶态形式存在，非晶态与晶态相比，有较好的力学性能，但是，由于电火花是一种高温放电的加工方式，使得聚晶金刚石表层存在明显石墨化现象，因此，电腐蚀加工方法适用于内凹形复杂轮廓的粗加工。
激光加工过程是一种光热反应过程。由于激光加工属非接触加工，刀具的加工变形及热变形小，加工速度快、效率高，因此可以胜任对PCD刀具的切削刃、后刀面以及融屑槽的精加工。但由于激光仍属于热加工，加工表面仍存在微石墨化层。电火花及激光加工的参数决定着石墨层的厚度。
因此，传统的刀具制备工艺已经无法满足内凹形复杂轮廓PCD刀具的使用性能及寿命的要求，迫切需要一种新的制备工艺技术来进行内凹形复杂轮廓PCD刀具的加工，减少加工时间，降低加工后刃口的崩缺，增加刀具的使用寿命。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种内凹形复杂轮廓PCD刀具的超精密高效制备工艺方法，能够提高内凹成型刀具的加工速率，缩短了复杂成型刀具的生产周期，降低了加工成本，获得了良好的刃口质量。刃口崩刃尺寸可控制在2微米以内，齿形轮廓一致性好。加工苹果手机外壳成型轮廓寿命可达1500件。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种内凹形复杂轮廓PCD刀具的超精密高效制备工艺方法，包括以下步骤：
1）PCD复合片切割：利用线切割的方法分别将16P及12P的PCD复合片切割成若干块PCD刀片；
2）刀片焊接：将PCD刀片焊接在刀具基体上，得到PCD刀具；
3）PCD刀具后刀面的加工：按照内凹型复杂轮廓刀具后角的设计要求，利用电腐蚀加工装置对PCD刀具进行电腐蚀线切割处理，得到具有低粗糙度后刀面的PCD刀具；其中，电腐蚀加工参数为：电压160~180V，电流7~30A，脉宽6~12微秒，脉冲间隙80~140微秒。
4）PCD刃口及其第一后角的加工：按照内凹型复杂轮廓刀具刃口的设计要求，利用激光切割装置对PCD刀具进行激光切割处理；其中，切深0.07~0.5mm，切宽0.02~0.07mm，焦距位置为0mm，入射角为5~10°，脉宽为0.8微秒，频率为1538~3125HZ，激光功率为25~70W。
在本发明一个较佳实施例中，在步骤2）中，在焊接前对PCD复合片的硬质合金面进行喷砂处理，并依次进行倒角、锉削等工艺。
在本发明一个较佳实施例中，在步骤2）中，在焊接中控制焊接温度为700°C，焊接时间为5min。
在本发明一个较佳实施例中，在步骤2）中，在焊接后，将刀具放入真空炉进行缓慢冷却。
在本发明一个较佳实施例中，在步骤3）中，电腐蚀加工参数为以下参数组合：
GE1600材料：后刀面半精加工电压180V，电流28A，脉宽8微秒，脉冲间隙140微秒。后刀面精加工电压160V，电流7A，脉冲间隙6微秒，脉冲间隙80微秒。
GE1200材料：后刀面半精加工电压180V，电流30A，脉宽12微秒，脉冲间隙140微秒。后刀面精加工电压170V，电流8A，脉冲间隙8微秒，脉冲间隙80微秒。
在本发明一个较佳实施例中，在步骤4）中，激光加工参数为以下参数：
第一后角开粗：切深0.3mm，上切宽0.07mm，下切宽0.06mm，焦距位置为0mm，入射角为6-10°，脉宽为0.6-2.5微秒，频率为100000/30HZ或者37037/30HZ，激光功率为80W。
第一后角精加工：切深0.5mm，上切宽0.04mm，下切宽0.04mm，焦距位置为0mm，入射角为10°，脉宽为0.8微秒，频率为100000/20HZ，激光功率为50W。
切削刃及第一后角超精加工：切深0.2-0.3mm，上切宽0.02-0.05mm，下切宽0.02-0.05mm，焦距位置为0mm，入射角为3-5°，脉宽为0.6-2.5微秒，频率为76923/30HZ或者35714/30HZ，激光功率为30W。
抛光处理：切深0.07mm，上切宽0.02mm，下切宽0.02mm，焦距位置为0mm，入射角为5°，脉宽为0.8微秒，频率为100000/50HZ或者37037/40HZ，激光功率为20W。
在本发明一个较佳实施例中，在步骤1）中，所述PCD复合片分别为16P和12P材料，16P材料中金刚石的颗粒度为4微米，金刚石的体积含量为90％，PCD复合片中PCD厚度0.6mm；12P材料中金刚石的颗粒度为2微米，金刚石的体积含量为92％，PCD复合片中PCD厚度0.55mm。
在本发明一个较佳实施例中，在步骤2）中，所述刀具基体为WC/Co硬质合金。
在本发明一个较佳实施例中，在步骤1）中，所切割成的刀片具有内凹型的曲面轮廓。
本发明的有益效果是：使用电腐蚀加激光加工方法加工PCD刀具的后刀面以及刃口，针对内凹形复杂轮廓PCD刀具的特点，优选了电腐蚀加工参数以及激光加工参数，提高了PCD成形刀具后刀面的表面质量，有效控制了刃口的崩刃数量以及尺寸，提高了PCD成形刀具的性价比。刃口崩刃尺寸可控制在2微米以内，齿形轮廓一致性好。利用此种方法制备出的成型PCD刀具可以连续切削1500件铝制手机外壳成型曲面，切后工件表面粗糙度保持性好，在Ra0.02微米左右。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明采用电腐蚀加工PCD后刀面，根据PCD材料特征，电腐蚀加工装置采用德国VOLLMER QWD 760机床。利用激光加工PCD刃口，激光加工装置采用德国DMG MORI LASERTEC20机床。本发明使用的PCD刀具为四刃铣刀，PCD复合片的型号15斜度齿GE公司1.6-16P，5斜度齿GE公司1.6-12P，刀具基体为WC/Co硬质合金。16P材料中金刚石的颗粒度为4微米，金刚石的体积含量为90％，PCD复合片中PCD厚度0.6mm；12P材料中金刚石的颗粒度为2微米，金刚石的体积含量为92％，PCD复合片中PCD厚度0.55mm。
本发明的电火花加工工艺，包括如下步骤：利用Auto CAD软件进行绘图，以DXF格式保存，系统能自动识别DXF文件并导入加工设置系统中；然后设定探针的位置以及行进的方式；设定轴向第二后角角度11.5°，径向第二后角角度16°；设置刀具加工参数；将内凹形PCD刀具安装在刀柄上，然后用千分表打跳动，安装好工件后，按照事先设计的探针路线，探测PCD刀片的位置以及角度；按照程序参数约定，对PCD刀具进行电腐蚀线切割加工。加工完成后，取下刀具送质检室进行质量检验。
本发明的激光加工工艺，包括如下步骤：利用Auto CAD软件进行绘图，以DXF格式保存，系统能自动识别DXF文件并导入加工设置系统中；然后设定探针的位置以及行进的方式；设定轴向第一后角角度5°，径向第一后角角度7.5°；设置刀具加工参数；将内凹形PCD刀具安装在刀柄上，安装好工件后，按照事先设计的探针路线，探测PCD刀片的位置以及角度；按照程序参数约定，对PCD刀具进行激光加工。加工完成后，取下刀具送质检室进行质量检验。
下面，结合具体实施方式，对本发明做进一步描述：
实施例1：
一种内凹形复杂轮廓PCD刀具及其超精密高效制备方法,包括以下步骤：
1）将一整块直径58mm的1.6-16P复合片，利用线切割慢走丝的方式进行切割，按照要求切成若干块PCD刀片。1.6-12P也做同样处理。
2）刀片焊接：手持PCD复合片，用绿色碳化硅砂轮磨削。然后，对复合片进行倒角，用锉刀沿着焊料的放置方向锉削PCD复合片，将复合片放入丙酮溶液，在超声波清洗器中清洗，晾干备用。将刀具基体也做同样处理。先将低温焊剂涂在刀具刀槽内，然后放置PCD复合片。然后将刀具放入真空焊接机中，控制钎焊温度从室温升温到450°，然后保温30min；升温到550°，然后保温3min；升温到700°，然后保温5min；降低温度到450°，然后保温30min。最后随炉缓慢冷却。
3）PCD刀具后刀面的加工：按照内凹型复杂轮廓刀具后角的设计要求，利用电腐蚀加工装置对PCD刀具进行电腐蚀线切割处理，得到具有低粗糙度后刀面的PCD刀具；其中，GE1600材料：后刀面半精加工电压180V，电流28A，脉宽8微秒，脉冲间隙140微秒。后刀面精加工电压160V，电流7A，脉冲间隙6微秒，脉冲间隙80微秒；GE1200材料：后刀面半精加工电压180V，电流30A，脉宽12微秒，脉冲间隙140微秒。后刀面精加工电压170V，电流8A，脉冲间隙8微秒，脉冲间隙80微秒。
4）PCD刃口及其第一后角的加工：按照内凹型复杂轮廓刀具刃口的设计要求，利用激光切割装置对PCD刀具进行激光切割处理；其中， 第一后角开粗：切深0.3mm，上切宽0.07mm，下切宽0.06mm，焦距位置为0mm，入射角为10°，脉宽为0.8微秒，频率为100000/45HZ，激光功率为67W。第一后角精加工：切深0.5mm，上切宽0.04mm，下切宽0.04mm，焦距位置为0mm，入射角为10°，脉宽为0.8微秒，频率为100000/32HZ，激光功率为70W。切削刃及第一后角超精加工：切深0.25mm，上切宽0.04mm，下切宽0.04mm，焦距位置为0mm，入射角为5°，脉宽为0.8微秒，频率为76923/50HZ，激光功率为27W。抛光处理：切深0.07mm，上切宽0.02mm，下切宽0.02mm，焦距位置为0mm，入射角为5°，脉宽为0.8微秒，频率为100000/40HZ，激光功率为25W。
实施例2：
一种内凹形复杂轮廓PCD刀具及其超精密高效制备方法,包括以下步骤：
1）将一整块直径58mm的1.6-16P复合片，利用线切割慢走丝的方式进行切割，按照要求切成若干块PCD刀片。1.6-12P也做同样处理。
2）刀片焊接：手持PCD复合片，用绿色碳化硅砂轮磨削。然后，对复合片进行倒角，用锉刀沿着焊料的放置方向锉削PCD复合片，将复合片放入丙酮溶液，在超声波清洗器中清洗，晾干备用。将刀具基体也做同样处理。先将低温焊剂涂在刀具刀槽内，然后放置PCD复合片。然后将刀具放入真空焊接机中，控制钎焊温度从室温升温到450°，然后保温30min；升温到550°，然后保温3min；升温到700°，然后保温5min；降低温度到450°，然后保温30min。最后随炉缓慢冷却。
3）PCD刀具后刀面的加工：按照内凹型复杂轮廓刀具后角的设计要求，利用电腐蚀加工装置对PCD刀具进行电腐蚀线切割处理，得到具有低粗糙度后刀面的PCD刀具；其中，GE1600材料：后刀面半精加工电压180V，电流28A，脉宽8微秒，脉冲间隙140微秒。后刀面精加工电压160V，电流7A，脉冲间隙6微秒，脉冲间隙80微秒；GE1200材料：后刀面半精加工电压180V，电流30A，脉宽12微秒，脉冲间隙140微秒。后刀面精加工电压170V，电流8A，脉冲间隙8微秒，脉冲间隙80微秒。
4）PCD刃口及其第一后角的加工：按照内凹型复杂轮廓刀具刃口的设计要求，利用激光切割装置对PCD刀具进行激光切割处理；其中， 第一后角开粗：切深0.3mm，上切宽0.07mm，下切宽0.06mm，焦距位置为0mm，入射角为6°，脉宽为2.4微秒，频率为37037/50HZ，激光功率为67W。第一后角精加工：切深0.5mm，上切宽0.04mm，下切宽0.04mm，焦距位置为0mm，入射角为10°，脉宽为0.8微秒，频率为100000/32HZ，激光功率为70W。切削刃及第一后角超精加工：切深0.3mm，上切宽0.02mm，下切宽0.02mm，焦距位置为0mm，入射角为4°，脉宽为2.4微秒，频率为35714/50HZ，激光功率为27W。抛光处理：切深0.07mm，上切宽0.02mm，下切宽0.02mm，焦距位置为0mm，入射角为5°，脉宽为0.8微秒，频率为37037/50HZ，激光功率为25W。
对比试验：
将电火花、激光分别既加工第一后角又加工第二后角后的PCD刀具与任意一种所述的经过电火花、激光分步加工的PCD刀具进行铣削7系的锌铝合金，在切削要素相同的前提下，作对比实验，每种刀具各取3支，共9支。单独用电火花加工一、二后角的PCD刀具加工成形面的件数为300件；单独用激光加工一、二后角的PCD刀具加工成形面的件数为800件；而用本发明制备出的刀具所加工成形面的件数为1500件。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (8)
1.一种内凹形复杂轮廓PCD刀具的超精密高效制备工艺方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）PCD复合片切割：利用线切割的方法分别将16P及12P的PCD复合片切割成若干块PCD刀片；
2）刀片焊接：将PCD刀片焊接在刀具基体上，得到PCD刀具；
3）PCD刀具后刀面的加工：按照内凹型复杂轮廓刀具后角的设计要求，利用电腐蚀加工装置对PCD刀具进行电腐蚀线切割处理，得到具有低粗糙度后刀面的PCD刀具；其中，电腐蚀加工参数为：电压160~180V，电流7~30A，脉宽6~12微秒，脉冲间隙80~140微秒；
4）PCD刃口及其第一后角的加工：按照内凹型复杂轮廓刀具刃口的设计要求，利用激光切割装置对PCD刀具进行激光切割处理，激光加工参数为以下参数：
第一后角开粗：切深0.3mm，上切宽0.07mm，下切宽0.06mm，焦距位置为0mm，入射角为6-10°，脉宽为0.6-2.5微秒，频率为100000/30HZ或者37037/30HZ，激光功率为80W；
第一后角精加工：切深0.5mm，上切宽0.04mm，下切宽0.04mm，焦距位置为0mm，入射角为10°，脉宽为0.8微秒，频率为100000/20HZ，激光功率为50W；
切削刃及第一后角超精加工：切深0.2-0.3mm，上切宽0.02-0.05mm，下切宽0.02-0.05mm，焦距位置为0mm，入射角为3-5°，脉宽为0.6-2.5微秒，频率为76923/30HZ或者35714/30HZ，激光功率为30W；
抛光处理：切深0.07mm，上切宽0.02mm，下切宽0.02mm，焦距位置为0mm，入射角为5°，脉宽为0.8微秒，频率为100000/50HZ或者37037/40HZ，激光功率为20W。
2.根据权利要求1所述的内凹形复杂轮廓PCD刀具的超精密高效制备工艺方法，其特征在于：在步骤2）中，在焊接前对PCD复合片的硬质合金面进行喷砂处理，并依次进行倒角、锉削等工艺。
3.根据权利要求1所述的内凹形复杂轮廓PCD刀具的超精密高效制备工艺方法，其特征在于：在步骤2）中，在焊接中控制焊接温度为700°C，焊接时间为5min。
4.根据权利要求1所述的内凹形复杂轮廓PCD刀具的超精密高效制备工艺方法，其特征在于：在步骤2）中，在焊接后，将刀具放入真空炉进行缓慢冷却。
5.根据权利要求1所述的内凹形复杂轮廓PCD刀具的超精密高效制备工艺方法，其特征在于：在步骤3）中，电腐蚀加工参数为以下参数组合：
GE1600材料：后刀面半精加工电压180V，电流28A，脉宽8微秒，脉冲间隙140微秒，后刀面精加工电压160V，电流7A，脉宽6微秒，脉冲间隙80微秒；
GE1200材料：后刀面半精加工电压180V，电流30A，脉宽12微秒，脉冲间隙140微秒，后刀面精加工电压170V，电流8A，脉宽8微秒，脉冲间隙80微秒。
6.根据权利要求1所述的内凹形复杂轮廓PCD刀具的超精密高效制备工艺方法，其特征在于：在步骤1）中，所述PCD复合片分别为16P和12P材料，16P材料中金刚石的颗粒度为4微米，金刚石的体积含量为90％，PCD复合片中PCD厚度0.6mm；12P材料中金刚石的颗粒度为2微米，金刚石的体积含量为92％，PCD复合片中PCD厚度0.55mm。
7.根据权利要求1所述的内凹形复杂轮廓PCD刀具的超精密高效制备工艺方法，其特征在于：在步骤2）中，所述刀具基体为WC/Co硬质合金。
8.根据权利要求1所述的内凹形复杂轮廓PCD刀具的超精密高效制备工艺方法，其特征在于：在步骤1）中，所切割成的刀片具有内凹型的曲面轮廓。
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Non-Patent Citations (2)
| Title |
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