CN106424883B - 一种钛合金加工中带有多功能微织结构的球头铣刀 - Google Patents

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Abstract

一种钛合金加工中带有多功能微织结构的球头铣刀，它涉及一种球头铣刀，具体涉及一种钛合金加工中带有多功能微织结构的球头铣刀。本发明为了解决铣刀加工钛合金工件表面效率较低，加工后工件表面质量较差，冷却、润滑方式不环保，换刀不及时等问题。本发明包括刀头，所述刀头的刀刃部由外至内依次设有至少一个箭头形微织结构、至少一个锯齿形微织结构、至少一个碗形微织结构、至少一个矩形微织结构。本发明属于机械加工领域。

Description

一种钛合金加工中带有多功能微织结构的球头铣刀
技术领域
本发明涉及一种球头铣刀，具体涉及一种钛合金加工中带有多功能微织结构的球头铣刀，属于机械加工领域。
背景技术
钛合金具有良好的抗腐蚀性、韧性和耐热性，因此广泛地应用于航空航天领域。但钛合金独有的特性，如：导热系数小、比热小及活跃的化学特性等，为其加工带来了困难。活跃的化学性质导致钛合金在加工过程中与空气发生高温氧化反应，使钛合金的塑性降低，强度增加，因此在加工过程中切削温度较高。导热系数和比热较小又将导致其在铣削加工过程中的切削热无法及时散出，影响加工工件的表面质量，造成刀具的严重磨损。同时，钛合金在铣削加工过程中，由于切削速度较大，所以将产生锯齿状的切屑，锯齿状的切屑会导致切削过程中的切削力变大，因此断屑必须及时，否则将导致刀具磨损，影响零件表面的完整性。综合以上的问题，可考虑将多种微织构应用于球头铣削刀加工钛合金中，充分发挥作用，达到钛合金加工过程中及时断屑，及时排屑，及时降低切削温度及实时监测刀具磨损，实现及时换刀的目的。
刀具的微织结构在改善材料加工性能等方面得到了广泛的认可，众多学者发现非光滑表面反而具有很好的抗磨性，因此应用特有的微织结构来实现加工中的绿色润滑，及时断屑排屑及实时监测刀具磨损的目的。对于刀具磨损的实时监测，传统的工件刀具接触电阻检测法虽然精度高，但在高温、高压下薄膜电阻容易脱落，不适合应用于实际加工中。在实际加工中，可以应用间接测量的方法监测刀具磨损。在刀具正常的磨损过程中，摩擦力值保持稳定衡量的增长；当摩擦力数值剧烈增长时，刀具的磨损加大，可以以此为依据来判断刀具的磨损情况。当摩擦力到达最大峰值时，需要及时换刀来保证加工的正常进行。对于微织构的制备通常采用飞秒激光烧蚀、化学腐蚀、金属电沉积技术或3D打印等已经比较成熟的方法。基于以上所述，公开号为CN104741673A、公开日为2015年7月1日的发明专利公开了一种自润滑球头铣刀及其加工方法，但该文献中没有披露如何避免切削划伤工件及刀具表面，也没有披露如何避免导线缠绕.
发明内容
本发明为解决现有铣刀无法避免切削划伤工件及刀具表面，且经常会发生导线缠绕现象的问题，进而提出一种钛合金加工中带有多功能微织结构的球头铣刀。
本发明为解决上述问题采取的技术方案是：本发明包括刀头，所述刀头的刀刃部由外至内依次设有至少一个箭头形微织结构、至少一个锯齿形微织结构、至少一个碗形微织结构、至少一个矩形微织结构。
本发明的有益效果是：箭头形微织结构起到储存固体润滑油的作用，该结构最靠近刀-屑接触区域，使润滑更为及时，且润滑方式更为环保。锯齿形微织结构起到及时断屑的作用，防止切屑过长，划伤工件和刀具表面。碗形微织结构起到及时排屑的作用。矩形微织结构与刀具磨损检测系统相连，起到实时监测刀具磨损情况，以便及时换刀，保证加工工件表面质量的作用。
附图说明
图1是本发明的三维示意图，图2是刀刃部的放大示意图，图3是刀刃部的局部放大示意图，图4是刀刃部立体结构示意图，图5是矩形微织结构的剖视图，图6是实现刀具磨损实时监测目的的具体结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1至图6说明本实施方式，本实施方式所述一种钛合金加工中带有多功能微织结构的球头铣刀，它包括刀头，所述刀头的刀刃部由外至内依次设有至少一个箭头形微织结构1、至少一个锯齿形微织结构2、至少一个碗形微织结构3、至少一个矩形微织结构4。每种微织结构有一定的顺序，箭头形微织结构1最接近刀刃部，其次是锯齿形微织结构2，碗形微织结构3及矩形微织结构4，这样排列的好处是刀刃部可以快速接触且充分进入刀-屑接触区域。锯齿形微织结构2进行断屑后，由碗形微织结构3迅速排出，将矩形微织结构4放置最顶排的原因是避免导线6对加工过程的干扰，同时防止导线6受损。
具体实施方式二：结合图1至图6说明本实施方式，本实施方式所述一种钛合金加工中带有多功能微织结构的球头铣刀的箭头形微织结构1沿所述刀头刃部的圆弧方向设置，箭头形微织结构1的宽度为80μm，织构深度为100μm，长度为300μm。箭头形微织结构1的箭头织构夹角为90°，该织构可通过飞秒激光加工技术、化学腐蚀或3D打印技术完成。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：结合图1至图6说明本实施方式，本实施方式所述一种钛合金加工中带有多功能微织结构的球头铣刀的锯齿形微织结构2沿所述刀头刃部的圆弧方向设置，锯齿形微织结构2是凸状织构体，其齿高为50μm，拔模斜度为25°。该织构采用金属铬镀层的电沉积制备方法，金属铬镀层的耐磨性较强；将刀具表面进行预处理后，将材料进入到酸性电解液中进行电击沉，镀层后进行热处理，从而得到凸状微织结构，该织构在钛合金加工中起到断屑的作用，从而有利于切屑的及时排出。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。
具体实施方式四：结合图1至图6说明本实施方式，本实施方式所述一种钛合金加工中带有多功能微织结构的球头铣刀的碗形微织结构3沿所述刀头刃部的圆弧方向设置，碗形微织结构3在所述刀头的前刀面投影的半径为200μm，碗形微织结构3的微坑深度为100μm，拔模斜度为20°。该织构同样采用飞秒激光烧蚀的方法在刀具表面形成所需的微织结构；该微坑织构的半径较大，因此该形状微坑在切削钛合金的过程中主要起排屑的作用，避免切屑划伤工件及刀具表面。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。
具体实施方式五：结合图1至图6说明本实施方式，本实施方式所述一种钛合金加工中带有多功能微织结构的球头铣刀的六个矩形微织结构4沿所述刀头刃部的圆弧方向设置，每个矩形微织结构4的宽度为2mm，深度为1mm。矩形微织结构4采用飞秒激光烧蚀的方法在刀具表面形成所需的微织结构。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。
具体实施方式六：结合图1至图6说明本实施方式，本实施方式所述一种钛合金加工中带有多功能微织结构的球头铣刀的箭头形微织结构1、锯齿形微织结构2、碗形微织结构3、矩形微织结构4内填充有固体润滑剂5。当固体润滑剂5受热软化后，会由于箭头微织结构方向的限制及润滑剂本身的重力作用，会使润滑剂沿重力的一个分力单向流动，流入刀-屑接触区内，起到润滑作用，从而阻止粘结，减小切削力，降低切削温度，同时润滑剂代替了传统的切削液，符合绿色制造的理念。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。
具体实施方式七：结合图1至图6说明本实施方式，本实施方式所述一种钛合金加工中带有多功能微织结构的球头铣刀的矩形微织结构4内底部放置一层绝缘薄膜，在所述绝缘薄膜上方沉积薄膜应变片7，薄膜应变片7通过导线6与滑环连接。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。
具体实施方式八：结合图1至图6说明本实施方式，本实施方式所述一种钛合金加工中带有多功能微织结构的球头铣刀的应变片7的厚度为0.1μm。在各矩形微织结构4的底部都放置一层绝缘薄膜，在绝缘薄膜上方沉积薄膜应变片，其厚度为0.1μm。薄膜应变片7以蒸镀或溅射法沉积金属、合金薄膜制成，通常将薄膜应变片7与传感器的弹性体制成一个不可分割的整体；将导线6分别与薄膜应变片7的正负极相连后引出，用绝缘固体填充物将矩形微织结构4内填满，使其绝缘封闭；导线6的直径为微米级，引出的正负极导线6与滑环相连。滑环采用分离式，定子和转子分开，避免加工时造成导线缠绕问题，定子与数据采集器相连，采集器接受信号后，经计算机处理后，将输出电压转化为摩擦力。同时滑环固定在主轴上，随主轴同向转动，避免因主轴转动造成导线之间的缠绕。其它组成及连接关系与具体实施方式七相同。
工作原理
球头铣刀加工钛合金时，随着切削温度的升高，箭头织构内的固体润滑剂软化并流出，沿单方向进入刀屑接触区内。产生切屑后，由锯齿形织构进行断屑处理后，由碗状织构排除。在整个加工过程中，矩形微织结构内的薄膜应变片实时传送电压信号，经计算机处理后，电压值转化为摩擦力值，当摩擦力值在某一时段快速增大时，应更换刀具，保证工件表面的质量。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种钛合金加工中带有多功能微织结构的球头铣刀，它包括刀头，所述刀头的刀刃部由外至内依次设有至少一个箭头形微织结构(1)、至少一个锯齿形微织结构(2)、至少一个碗形微织结构(3)、至少一个矩形微织结构(4)；其特征在于：锯齿形微织结构(2)沿所述刀头刃部的圆弧方向设置，锯齿形微织结构(2)是凸状织构体，其齿高为50μm，拔模斜度为25°，该织构采用金属铬镀层的电沉积制备方法；碗形微织结构(3)沿所述刀头刃部的圆弧方向设置，碗形微织结构(3)在所述刀头的前刀面投影的半径为200μm，碗形微织结构(3)的微坑深度为100μm，拔模斜度为20°；在各矩形微织结构(4)的底部都放置一层绝缘薄膜，在绝缘薄膜上方沉积薄膜应变片，其厚度为0.1μm；薄膜应变片(7)以蒸镀或溅射法沉积金属、合金薄膜制成，将薄膜应变片(7)与传感器的弹性体制成一个不可分割的整体；将导线(6)分别与薄膜应变片(7)的正负极相连后引出，用绝缘固体填充物将矩形微织结构(4)内填满，使其绝缘封闭；导线(6)的直径为微米级，引出的正负极导线(6)与滑环相连；滑环采用分离式，定子和转子分开；箭头形微织结构(1)沿所述刀头刃部的圆弧方向设置，箭头形微织结构(1)的宽度为80μm，织构深度为100μm，长度为300μm；六个矩形微织结构(4)沿所述刀头刃部的圆弧方向设置，每个矩形微织结构(4)的宽度为2mm，深度为1mm；箭头形微织结构(1)、锯齿形微织结构(2)、碗形微织结构(3)、矩形微织结构(4)内填充有固体润滑剂(5)；箭头形微织结构(1)最接近刀刃部，其次是锯齿形微织结构(2)，碗形微织结构(3)及矩形微织结构(4)。
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