CN105834499A - 一种用于加工增强纤维复合材料的交错pcd铣刀及方法 - Google Patents

一种用于加工增强纤维复合材料的交错pcd铣刀及方法 Download PDF

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Abstract

一种用于加工增强纤维复合材料的交错PCD铣刀及方法，涉及铣削刀具技术领域。以解决采用传统铣刀加工CFRP，存在刀具磨损快，加工表面分层、撕裂和毛刺缺陷多，加工效率低下问题。硬质合金刀体外圆周面的前端设置有四个铣刀片槽和四个排屑槽，四个铣刀片槽均倾斜设置，每个铣刀片槽内焊接有一个PCD铣刀片，每相邻两个PCD铣刀片倾斜方向相反，每两个倾斜方向相同的PCD铣刀片的偏刃交错排布，排屑槽设置在PCD铣刀片前刀面一侧，并紧邻PCD铣刀片设置。方法是：完成四个排屑槽和四个铣刀片槽的磨制加工；在四个铣刀片槽上焊接四个PCD铣刀片，对四个PCD铣刀片的端齿切削刃和周齿切削刃进行磨削加工。本发明用于铣削加工增强纤维复合材料。

Description

一种用于加工增强纤维复合材料的交错PCD铣刀及方法
技术领域
本发明涉及铣削刀具技术领域，特别是一种用于加工增强纤维复合材料的交错PCD铣刀及方法。
背景技术
碳纤维复合材料（CFRP）以其优异的物理性能和机械性能广泛应用在航空航天、能源化工等领域。 CFRP由基体材料和纤维增强材料组成，纤维增强材料强度硬度远远高于基体材料，属难加工材料，切削力大，刀具磨损严重，传统刀具材料难以胜任。CFRP由碳纤维层铺叠而成，铣削加工过程中，刀具一旦磨损，容易产生分层、撕裂和毛刺等缺陷，造成产品不合格率居高不下，这些问题已成为零件潜在的安全隐患，严重制约CFRP的应用，因此尽快研制适合CFRP高效加工刀具尤为重要。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于加工增强纤维复合材料的交错PCD铣刀及方法，以解决采用传统铣刀加工CFRP，存在刀具磨损快，加工表面分层、撕裂和毛刺缺陷多，加工效率低下的问题。
本发明将PCD（聚晶金刚石）铣刀片与硬质合金刀体焊接后，再进行刃磨，可获得刃口锋利、强硬度高、刚性好的铣刀，PCD铣刀加工CFRP时切削力小，分层、翻边、拉丝、毛刺等加工缺陷少，刀具耐磨性高。
实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种用于加工增强纤维复合材料的交错PCD铣刀，包括硬质合金刀体，所述的硬质合金刀体外圆周面的前端设置有四个铣刀片槽和四个排屑槽，所述的一种用于加工增强纤维复合材料的交错PCD铣刀还包括四个PCD铣刀片，所述的四个铣刀片槽均倾斜设置，每个所述的铣刀片槽内焊接有一个PCD铣刀片，所述的四个PCD铣刀片与硬质合金刀体中心轴线之间均设有相同的夹角，且每相邻两个PCD铣刀片倾斜方向相反，每两个倾斜方向相同的PCD铣刀片的偏刃交错排布，所述的排屑槽设置在PCD铣刀片前刀面一侧，并紧邻PCD铣刀片设置。
一种用于加工增强纤维复合材料的交错PCD铣刀的制造方法，所述的制造方法步骤是：
步骤一：首先磨削硬质合金刀体，并用金刚石砂轮在所述的硬质合金刀体外圆周面的前端完成四个排屑槽和四个铣刀片槽的磨制加工；
步骤二：在所述的四个铣刀片槽上利用真空焊接方式焊接四个PCD铣刀片，用慢走丝切割机对四个PCD铣刀片分别进行粗、精线切割加工；
步骤三：最后在高精度金刚石磨床上对四个PCD铣刀片的端齿切削刃和周齿切削刃进行磨削加工，从而完成交错聚晶金刚石铣刀刀具制造。
本发明相对于现有技术的有益效果是：
1.本发明采用每相邻两个PCD铣刀片倾斜方向相反的刀具结构，铣削CFRP时，周齿切削刃能压住工件表层纤维进行切断，避免表层出现撕裂和毛刺现象；高速铣削时，相邻两个周齿切削刃所产生的轴向切削力（所述的轴向切削力是由周齿切削刃切割工件时产生的一种惯性力）方向正好相反，所以可以相互抵消，从而降低了分层缺陷，有利于提高加工表面质量，大大降低CFRP铣削加工的不合格率，工件表面粗糙度Ra降至0.8以下，提高了碳纤维复合材料使用寿命。
2. PCD铣刀片倾斜设置，可以减小切削力，切削平稳，有效提高了刀具寿命。与涂层刀具相比，本发明的交错PCD铣刀加工CFRP，具有加工精度高，表面粗糙度和加工缺陷低，刀具使用寿命长，切削效率高的特点。
3.由于PCD铣刀片倾角的存在，降低了铣刀切入切出冲击力，加工震颤小，刀具刚性高，切削噪音大大降低，刀具破损缺陷减少，延长了刀具使用寿命，工件加工表面质量高。
4.机床主轴转速可达20000rpm以上，高速工况下切削平稳，加工效率比硬质合金高出10~15倍，经济效益比硬质合金降低0.5倍，对于CFRP及其金属叠层材料的切边加工更能体现其优越性。
5.采用PCD铣刀与硬质合金刀体采用真空焊接方式，焊接过程不需要夹具，刀具制造工艺简化，生产效率高，制造成本低。
附图说明
图1为本发明的一种用于加工增强纤维复合材料的交错PCD铣刀主视图；
图2为PCD铣刀片的轴测图；
图3为周齿的主视图；
图4为端齿的主视图；
图5为图1的俯视放大图。
图中，硬质合金刀体1、铣刀片槽2、PCD铣刀片3、排屑槽4、周齿前刀面5、周齿后刀面6、周齿切削刃7、端齿前刀面8、端齿后刀面9、端齿切削刃10、连接圆弧面11。
具体实施方式
具体实施方式一：如图1~图5所示，本实施方式披露了一种用于加工增强纤维复合材料的交错PCD铣刀，包括硬质合金刀体1，所述的硬质合金刀体1外圆周面的前端设置有四个铣刀片槽2和四个排屑槽4，所述的一种用于加工增强纤维复合材料的交错PCD铣刀还包括四个PCD铣刀片3，所述的四个铣刀片槽2均倾斜设置，每个所述的铣刀片槽2内焊接有一个PCD铣刀片3，所述的四个PCD铣刀片3与硬质合金刀体1中心轴线之间均设有相同的夹角θ，且每相邻两个PCD铣刀片3倾斜方向相反（铣削时构成剪刀状切削），每两个倾斜方向相同的PCD铣刀片3的偏刃交错排布（即不在同一条直线上），所述的排屑槽4设置在PCD铣刀片3前刀面一侧，并紧邻PCD铣刀片3设置。
硬质合金刀体1的排屑槽4通过磨床磨出，PCD铣刀片3通过真空焊接在硬质合金刀体1的铣刀片槽2内，通过慢走丝切割机对PCD铣刀片线切割出相应刃型，线切割时预留0.005mm的铣刀片轮廓磨削余量。
PCD铣刀片3的厚度为1mm。
具体实施方式二：如图1所示，具体实施方式一所述的一种用于加工增强纤维复合材料的交错PCD铣刀，每个所述的PCD铣刀片3轴向延伸超出所述硬质合金刀体1前端的部分为端齿，每个PCD铣刀片3的径向最外侧面为周齿。周齿用于侧铣削，而端齿用于端面铣削。
具体实施方式三：如图1所示，具体实施方式一所述的一种用于加工增强纤维复合材料的交错PCD铣刀，每个所述的PCD铣刀片3与硬质合金刀体1中心轴线之间的夹角θ均为3°~5°。成一定的角度会减小轴向力，铣削工件时减少分层出现。
具体实施方式四：如图2和图3所示，具体实施方式二所述的一种用于加工增强纤维复合材料的交错PCD铣刀，每个所述的周齿均包括周齿切削刃7、周齿切削刃前角ϒf、周齿切削刃后角αf、周齿前刀面5及周齿后刀面6，所述的周齿切削刃7位于周齿前刀面5（为切屑从刀具上流出时所经过的平面）与周齿后刀面6（为刀具上与工件的过渡表面相对的表面）的交线上，所述的周齿切削刃前角ϒf为周齿前刀面5与基面间的夹角，所述的周齿切削刃后角αf为周齿后刀面6与切削平面间的夹角，每个所述的周齿切削刃前角ϒf为3°~8°，每个所述的周齿切削刃后角αf为10°~15°。设置合理的周齿切削刃后角可以提高刀具寿命。每个所述的周齿切削刃7上均设有圆弧柱状刃带，周齿切削刃7的圆弧柱状刃带的宽度小于等于0.06mm。其效果是避免应力集中从而防止崩刃。
具体实施方式五：如图1和图2所示，具体实施方式四所述的一种用于加工增强纤维复合材料的交错PCD铣刀，每个所述的PCD铣刀片3的周齿切削刃7长度为10~15mm。适合加工板厚为10mm以内的碳纤维工件。
具体实施方式六：如图2和图4所示，具体实施方式四所述的一种用于加工增强纤维复合材料的交错PCD铣刀，每个所述的端齿均包括端齿切削刃10、端齿切削刃前角ϒp、端齿切削刃后角αp、端齿前刀面8及端齿后刀面9，所述的端齿切削刃10位于端齿前刀面8（为切屑从刀具上流出时所经过的平面）与端齿后刀面9（为刀具上与工件的过渡表面相对的表面）的交线上，所述的端齿切削刃前角ϒp为端齿前刀面8与基面间的夹角，所述的端齿切削刃后角αp为端齿后刀面9与切削平面间的夹角，每个所述的端齿切削刃前角ϒp为6°~8°，每个所述的端齿切削刃后角αp为7°~12°。设置合理的端齿切削刃后角可以提高刀具寿命。每个所述的端齿切削刃10上设有圆弧柱状刃带，端齿切削刃10的圆弧柱状刃带宽度小于等于0.06mm。
PCD铣刀片3的周齿切削刃7和端齿切削刃10需要进行精密磨削加工，用金刚石砂轮在高精度金刚石磨床上磨削出表面粗糙度Ra达到0.02μm、圆跳动达到1~3μm的切削刃。
具体实施方式七：如图2所示，具体实施方式六所述的一种用于加工增强纤维复合材料的交错PCD铣刀，所述的端齿切削刃10和周齿切削刃7通过连接圆弧面11相连，所述的连接圆弧面11的半径为0.5mm。可保证每个PCD铣刀片3上的端齿切削刃10的铣削精度。
具体实施方式八：如图1~图4所示，具体实施方式一至七中任一实施方式所述的交错PCD铣刀的制造方法，所述的制造方法步骤是：
步骤一：首先磨削硬质合金刀体1，并用金刚石砂轮在所述的硬质合金刀体1外圆周面的前端完成四个排屑槽4和四个铣刀片槽2的磨制加工；
步骤二：在所述的四个铣刀片槽2上利用真空焊接方式焊接四个PCD铣刀片3，用慢走丝切割机对四个PCD铣刀片3分别进行粗、精线切割加工；
慢走丝切割机线切割加工时的脉冲电压为150V、脉冲电流为5A；
步骤三：最后在高精度金刚石磨床上对四个PCD铣刀片3的端齿切削刃10和周齿切削刃7进行磨削加工，从而完成交错聚晶金刚石铣刀刀具制造。
磨削硬质合金刀体1，即磨削硬质合金刀体1的外圆周面圆，采用精密数控磨床将硬质合金刀体1的夹持部分磨削出圆跳动达到5微米以内的刀柄。
具体实施方式九：如图1所示，具体实施方式八所述的交错PCD铣刀的制造方法，步骤二中，用慢走丝切割机对四个PCD铣刀片3分别进行线切割精加工，线切割时预留0.005mm的铣刀片轮廓磨削余量。
具体实施方式十：如图1和图2所示，具体实施方式八或九所述的交错PCD铣刀的制造方法，步骤三中，对所述的四个PCD铣刀片3的端齿切削刃10和周齿切削刃7进行磨削加工是指，用金刚石砂轮在高精度金刚石磨床上磨削出表面粗糙度Ra达到0.02μm、圆跳动达到1~3μm的切削刃。
实施例1：如图1~图4所示，一种用于加工增强纤维复合材料的交错PCD铣刀，所述的周齿切削刃7直径为16mm，每个PCD铣刀片3与硬质合金刀体1中心轴线之间的夹角θ均为3°，周齿切削刃前角ϒf为3°，周齿切削刃后角αf为15°，周齿切削刃7长度为15mm，端齿切削刃前角ϒp为6°，端齿切削刃后角αp为12°。
实施例2：如图1~图4所示，一种用于加工增强纤维复合材料的交错PCD铣刀，所述的周齿切削刃7直径为16mm，每个PCD铣刀片3与硬质合金刀体1中心轴线之间的夹角θ均为3°，周齿切削刃前角ϒf为8°，周齿切削刃后角αf为10°，周齿切削刃7长度为15mm，端齿切削刃前角ϒp为6°，端齿切削刃后角αp为10°。
实施例3：如图1~图4所示，一种用于加工增强纤维复合材料的交错PCD铣刀，所述的周齿切削刃7直径为16mm，每个PCD铣刀片3与硬质合金刀体1中心轴线之间的夹角θ均为3°，周齿切削刃前角ϒf为5°，周齿切削刃后角αf为15°，周齿切削刃7长度为15mm，端齿切削刃前角ϒp为6°，端齿切削刃后角αp为7°。
实施例1、实施例2和实施例3的效果是设置小的周齿切削刃前角、较大的周齿切削刃后角可以减小铣削力并提高刀具的耐用度。
虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而并非用以限定本发明的，本领域技术人员还可以在本发明精神内做其他变化，以及应用到本发明未提及的领域中，当然，这些依据本发明精神所做的变化都应包含在本发明所要求保护的范围内。

Claims (10)

1.一种用于加工增强纤维复合材料的交错PCD铣刀，包括硬质合金刀体（1），所述的硬质合金刀体（1）外圆周面的前端设置有四个铣刀片槽（2）和四个排屑槽（4），其特征在于：所述的一种用于加工增强纤维复合材料的交错PCD铣刀还包括四个PCD铣刀片（3），所述的四个铣刀片槽（2）均倾斜设置，每个所述的铣刀片槽（2）内焊接有一个PCD铣刀片（3），所述的四个PCD铣刀片（3）与硬质合金刀体（1）中心轴线之间均设有相同的夹角（θ），且每相邻两个PCD铣刀片（3）倾斜方向相反，每两个倾斜方向相同的PCD铣刀片（3）的偏刃交错排布，所述的排屑槽（4）设置在PCD铣刀片（3）前刀面一侧，并紧邻PCD铣刀片（3）设置。
2.根据权利要求1所述的一种用于加工增强纤维复合材料的交错PCD铣刀，其特征在于：每个所述的PCD铣刀片（3）轴向延伸超出所述硬质合金刀体（1）前端的部分为端齿，每个PCD铣刀片（3）的径向最外侧面为周齿。
3.根据权利要求1所述的一种用于加工增强纤维复合材料的交错PCD铣刀，其特征在于：每个所述的PCD铣刀片（3）与硬质合金刀体（1）中心轴线之间的夹角（θ）均为3°~5°。
4.根据权利要求2所述的一种用于加工增强纤维复合材料的交错PCD铣刀，其特征在于：每个所述的周齿均包括周齿切削刃（7）、周齿切削刃前角（ϒf）、周齿切削刃后角（αf）、周齿前刀面（5）及周齿后刀面（6），所述的周齿切削刃（7）位于周齿前刀面（5）与周齿后刀面（6）的交线上，所述的周齿切削刃前角（ϒf）为周齿前刀面（5）与基面间的夹角，所述的周齿切削刃后角（αf）为周齿后刀面（6）与切削平面间的夹角，每个所述的周齿切削刃前角（ϒf）为3°~8°，每个所述的周齿切削刃后角（αf）为10°~15°，每个所述的周齿切削刃（7）上均设有圆弧柱状刃带，周齿切削刃（7）的圆弧柱状刃带的宽度小于等于0.06mm。
5.根据权利要求4所述的一种用于加工增强纤维复合材料的交错PCD铣刀，其特征在于：每个所述的PCD铣刀片（3）的周齿切削刃（7）长度为10~15mm。
6.根据权利要求4所述的一种用于加工增强纤维复合材料的交错PCD铣刀，其特征在于：每个所述的端齿均包括端齿切削刃（10）、端齿切削刃前角（ϒp）、端齿切削刃后角（αp）、端齿前刀面（8）及端齿后刀面（9），所述的端齿切削刃（10）位于端齿前刀面（8）与端齿后刀面（9）的交线上，所述的端齿切削刃前角（ϒp）为端齿前刀面（8）与基面间的夹角，所述的端齿切削刃后角（αp）为端齿后刀面（9）与切削平面间的夹角，每个所述的端齿切削刃前角（ϒp）为6°~8°，每个所述的端齿切削刃后角（αp）为7°~12°，每个所述的端齿切削刃（10）上设有圆弧柱状刃带，端齿切削刃（10）的圆弧柱状刃带宽度小于等于0.06mm。
7.根据权利要求6所述的一种用于加工增强纤维复合材料的交错PCD铣刀，其特征在于：所述的端齿切削刃（10）和周齿切削刃（7）通过连接圆弧面（11）相连，所述的连接圆弧面（11）的半径为0.5mm。
8.一种权利要求1至7中任一权利要求所述的交错PCD铣刀的制造方法，其特征在于：所述的制造方法步骤是：
步骤一：首先磨削硬质合金刀体（1），并用金刚石砂轮在所述的硬质合金刀体（1）外圆周面的前端完成四个排屑槽（4）和四个铣刀片槽（2）的磨制加工；
步骤二：在所述的四个铣刀片槽（2）上利用真空焊接方式焊接四个PCD铣刀片（3），用慢走丝切割机对四个PCD铣刀片（3）分别进行粗、精线切割加工；
步骤三：最后在高精度金刚石磨床上对四个PCD铣刀片（3）的端齿切削刃（10）和周齿切削刃（7）进行磨削加工，从而完成交错聚晶金刚石铣刀刀具制造。
9.根据权利要求8所述的交错PCD铣刀的制造方法，其特征在于：步骤二中，用慢走丝切割机对四个PCD铣刀片（3）分别进行线切割精加工，线切割时预留0.005mm的铣刀片轮廓磨削余量。
10.根据权利要求8或9所述的交错PCD铣刀的制造方法，其特征在于：步骤三中，对所述的四个PCD铣刀片（3）的端齿切削刃（10）和周齿切削刃（7）进行磨削加工是指，用金刚石砂轮在高精度金刚石磨床上磨削出表面粗糙度Ra达到0.02μm、圆跳动达到1~3μm的切削刃。
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