CN107088658B - 一种梯度功能复合刀片的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种梯度功能复合刀片的制造方法，涉及机械切削刀具的制造及其刀片成型相关技术领域。利用3D打印技术制造出组合装料模具，实现了表层和基体的填料和封装。通过一步的梯度烧结，利用不同层间组分的物质传输和元素扩散，能够使刀片从粉末坯的两层结构变为刀片坯块三层梯度结构，刀片的表层完全包覆基体。刀片的微观结构特点是，亚表层为表层和基体相互扩散而形成，具有较高的金属相含量，起到连接表层和基体作用；刀具力学性能的特点是，表面硬而耐磨、亚表层韧而抗剥落、基体的强而抗断裂的能力。利用本方法制造出的梯度功能复合刀片适用于高速车削不锈钢、模具钢和高温合金，加工效率较高、零件表面质量较优。

Description

一种梯度功能复合刀片的制造方法

技术领域

本发明涉及机械加工相关技术领域，具体的说，是涉及一种梯度功能刀片的制造方法。

背景技术

高速切削技术是一种先进现代制造技术，已被广泛地应用到航空航天、汽车与船舶和军事武器等制造领域，刀具技术是高速切削的关键技术之一。目前，工业生产中大量使用涂层刀具，即一种力学性能和微观结构具有梯度功能变化的刀片。该种刀片一般是通过物理或化学气相沉积工艺在高强度基体上沉积一层或多层耐磨或隔热材料物质，使得刀片的表面具有较高的硬度和良好的耐热性，而刀片的整体却具有良好的抗断裂性能和抗冲击性能，从而改善刀具的切削性能，提高刀具寿命。无论如何，涂层与基体的理化性质差异使得刀片表面涂层的厚度很难超过20um，因为过厚的涂层极易在基体和涂层之间产生热应力而形成界面裂纹；同时，切削加工中刀片前刀面月牙洼磨损的深度往往能够达到150um，这远远超过了刀片表面涂层的厚度。可见，在难加工材料的高速切削加工中刀片薄的表面涂层很容易磨损或剥落，造成刀具寿命短和加工效率低。虽然在涂层之前对基体进行梯度烧结处理，改善了基体与涂层的结合力，但涂层厚度始终受到限制，并且高速加工中涂层一旦剥落，刀具即无法重磨使用，同时该类刀具从基体制备到涂层涂覆，工艺较复杂，成本较高。因此研制一种具有大厚度的表面厚层、且表层与基体具有强连接能力的梯度功能复合刀片，并提高切削中刀片前后刀面的抗磨能力及表层的抗剥落能力，具有很重要的理论和实际意义。

专利CN103949647A公开了一种自扩散梯度功能复合刀具材料及其制备方法。将超细Ti(C₅N₅)粉、超细WC粉、纳米Ni粉和纳米Mo粉球磨制得基体复合粉体；将TiB₂-TiC共晶粉、Al₂O₃粉、超细VC粉和纳米Ni粉球磨制得表层复合粉体；首先称取少许表层复合粉体置于石墨模具中压实，然后再称取基体复合粉体置于压实的表层复合坯体之上再压实，最后称取少许表层复合粉体置于压实的基体复合坯体之上再压实；放入真空高温烧结炉内直接加热并缓慢加压烧成。该种刀具材料由表及里具有三层显微结构：表层、亚表层和基体。本发明通过扩散烧结制备出层间组分相容性和界面结合良好的自扩散梯度功能复合刀具材料，其具有表层硬而耐磨、亚表层韧而抗表层剥落、整体强而抗断裂的特点。专利CN106216687A公开了一种梯度碳化钨基微纳复合刀具材料及其制备方法。采用碳化钨、碳化钛、氧化铝、碳化钒、碳化铬、石墨烯、聚乙烯吡咯烷酮为原料，梯度层包括对称的5层、自表及里，碳化钨比例减小，碳化钛比例增大，氧化铝比例增大；采用二维材料石墨烯增韧亚微米碳化钨基体，纳米A1₂O₃及TiC负载到石墨烯表面。制备方法包括：混合料球磨→干燥过筛→压制成型→真空热压烧结。其特征是：梯度层包括对称的5层，自表及里，碳化钨比例增大，碳化钛比例减小，氧化铝比例减小。

上述两个专利都是梯度功能复合刀具材料，即刀具材料沿某一方向上组织和性能呈现梯度变化；其要点都在于刀具材料而不是刀片，且其所能够实现的材料力学性能和微观结构的梯度变化是单一方向的(一维方向)；如果使用这样的刀具材料制造刀片，那么它只能在刀片的前刀面上铺有高硬度表层，难以在其他刀面上铺有高硬度表层。本专利研制的梯度功能复合刀片能够实现力学性能和微观结构在三维方向上的梯度功能变化，从而能够使刀片的前刀面、后刀面和副后刀面同时铺有高硬度表层，对提高刀具的使用寿命非常有利。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术不足，提供一种梯度功能复合刀片的制备方法。利用本方法可以一次性烧结制备出高性能梯度功能复合刀片；在微观结构上，该刀片的基体为高强度材料，前刀面、后刀面和副后刀面为高硬度材料，基体与刀面表层之间的结合部位为刀片烧结过程中扩散形成的韧化亚表层，起到连接基体与表层的作用；在力学性能上，该刀片具有表层硬度高、亚表层韧性好和整体强度优的特点。本方法制造出的刀片具有大厚度表层，能够极大提高高速切削中刀片刀面的抗磨损性能，满足高速切削对刀具可靠性的使用要求，填补了梯度功能刀片种类的空白；同时，由于本方法只采用一次性制备工艺方法，因此还具有工艺简单和成本低廉的优点。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种梯度功能复合刀片的制造方法(如图1)，主要步骤如下：

(1)将复合粉末按先后填装入预制好的模具中；

(2)将装入模具中的粉末冷压成形，制成刀片粉末坯，该刀片粉末坯包括表层和基体两层结构；

(3)将压制好的刀片粉末坯放入真空烧结中进行梯度烧结，制备出刀片坯块，该坯块包括表层、亚表层和基体三层结构；

(4)将烧结制好的刀片块坯体进行研磨抛光及刃口处理，制造出梯度功能复合刀片。

上述的方法中，优选的是，所述梯度功能复合刀片的制造方法包括：刀片粉末坯中表层与基体组分的填装方法，能使刀片从粉末坯的两层结构(表层和基体)变为刀片坯块三层梯度结构(表层、亚表层和基体)的梯度烧结方法，刀片坯块制成刀片的制造工艺方法。

上述的方法中，优选的是，所述步骤(1)中的模具为：通过3D打印技术精准制造出用于刀片粉末坯填装的组合模具，包括带定位孔底模、方孔圆柱模、定位内实模、薄壁套模、凸台定位底模和柱状实模，共6个模具零件，分别用于填装表层和基体的粉料。

所述的带定位孔底模包括圆盘状的底模，在所述的底模上设有一个圆盘状的凸台，在底模的中心设有定位孔；

所述的方孔圆柱模包括一个圆柱模，在所述的圆柱模的底面设有内凹的凹槽，在所述的圆柱模的中心设有方孔；

所述的定位内实模包括一个矩形实心模，在矩形实心模的底部设有一个圆柱凸台；

所述的薄壁套模为一个矩形的薄壁模；

所述的柱状实模为一个矩形的实体模；

所述的凸台定位底模，包括圆盘状的底模，在所述的底模上设有一个圆盘状的凸台。

上述的方法中，优选的是，所述步骤(1)中的粉料质量：按照表层厚度为200～300um设计，基体体积大小按照略小与标准刀片的体积大小设计，由此根据密度、体积和质量之间的关系，使用精密天平精准称量所需的表层和基体的粉体重量。

上述的方法中，优选的是，所述步骤(1)中的粉料填装过程为：

表层粉料的填装：首先将带定位孔底模和方孔圆柱模装配在一起，带定位孔底模的凸台与方孔圆柱模的凹槽配合，然后将定位内实模装入方孔圆柱模的方孔内，且定位内实模的圆柱凸台与带定位孔底模上的定位孔配合，从而实现三者之间的组装，组装后定位内实模与方孔圆柱模之间的间隙均匀，大小为0.5～1.0mm，将粉料(做表层的)装入模具中并压实。

基体粉料的填装：将带定位孔底模和定位内实模一起脱模，于此同时将薄壁套模压入到方孔圆柱模，待带定位孔底模和定位内实模完全脱出时，将凸台定位底模装入到方孔圆柱模的底部凹槽内，以封住底口，此时将粉末(做基体的)装入薄壁套模中，用柱状实模压实。

上述的方法中，优选的是，所述步骤(2)中的刀片粉料坯的冷压过程为：将上述在树脂模具中封装好的刀片粉末坯一起压入带有方形内孔的高强石墨模具，然后使用20～50吨的压力将刀片粉末坯压实，消除粉末颗粒之间空隙，并将其密封，放入烧结炉，待烧。

上述的方法中，优选的是，所述步骤(3)中的刀片坯块的梯度烧结过程为：为尽可能多的排除粉体颗粒空隙之间的气体，提高烧制刀片的致密度，采用高抽速真空喷，在高真空度下实施烧结，烧结升温速率为2-5℃/min，烧结压力为20-40MPa，当温度升至1400-1550℃时，保温保压30-50min后，停止加热自然冷却至室温。

上述的方法中，优选的是，所述步骤(4)中的烧制坯块制造成刀片的工艺过程为：①将烧制的刀片块体，首先使用精密研磨机将刀片块体表面的烧结杂物磨掉，去除余量为50～100um；②然后再使用抛光机进行抛光，可到光亮表面，表面粗糙度Ra小于0.1μm，

此时刀片表层厚度为150-200um；③使用喷砂机对刀片切削刃和刀尖进行喷砂处理，强化切削刃，形成圆弧状切削和刀尖过度刃。由此制得一种梯度功能复合刀片。

本发明的有益效果如下：

(1)通过一步的梯度烧结能够使刀片从粉末坯的两层结构(表层和基体)变为刀片坯块三层梯度结构(表层、亚表层和基体)。刀片的微观结构特点是，亚表层为表层和基体相互扩散而形成，具有较高的金属相含量，起到连接表层和基体作用；刀具力学性能的特点是，表面硬而耐磨、亚表层韧而抗剥落、基体的强而抗断裂的能力。

(2)刀片的表层完全包覆基体，即方形刀片六个面完全为高硬度表面，而内部为基体，实现了一次性制备刀片高硬度的前刀面、后刀面和副后刀面、以及高强度的基体目标。刀具表面硬层的厚度为150～200um，表层HV₂₀硬度为28～30GPa；刀片整体尺寸为16～25×16～25×6～8mm，刀片的强度为1800～2000GPa。

(3)利用本方法制造出的梯度功能复合刀片适用于高速车削不锈钢、模具钢和高温合金，加工效率较高、零件表面质量较优，且成本低，设备及制备工艺简单。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1是本发明的制造方法流程图；

图2是粉末填料及表层和基体封装组合3D打印树脂模具；

图3、图4是复合钢片的微观结构图及元素分布图；

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

下面将结合附图对本发明进行详细说明。

实施例：一种梯度功能复合刀具的制造方法，主要流程如图1所示，包括如下步骤：

(1)将复合粉末按先后填装入预制好的模具中；

(2)将装入模具中的粉末冷压成形，制成刀片粉末坯，该刀片粉末坯包括表层和基体两层结构；

(3)将压制好的刀片粉末坯放入真空烧结中进行梯度烧结，制备出刀片坯块，该坯块包括表层、亚表层和基体三层结构；

(4)将烧结制好的刀片块坯体进行研磨抛光及刃口处理，制造出梯度功能复合刀片。

上述各个步骤具体如下：

(1)刀具材料组份如表1所示。

表1 刀具材料组份配比(wt％)

(2)按照表1的组份配比，分别将表层复合粉和基体复合粉放入盛有硬质合金球的两个球磨桶内，分别加入适量酒精，在球磨机上进行球磨混合24小时干燥并用200目筛过筛，分别制得表层复合粉和基体复合粉，备用。

(3)使用3D精准打印组合模树脂模具分别填装表层和基体粉料：①称量0.85克表层复合粉将带定位孔底模a和方孔圆柱模b装配在一起(前者的凸台与后者的凹槽配合)，然后将定位内实模c装入带定位孔底模上(前者的圆柱凸台与后者圆柱孔配合)，从而实现三者之间的组装，组装后定位内石墨与方孔圆柱模之间的间隙均匀，大小为0.5～1.0mm，将粉料(做表层的)装入模具中并压实；②将带定位孔底模a和定位内实模c一起脱模，于此同时将薄壁套模d压入，待带定位孔底模a和定位内实模c完全脱出时，将凸台定位底模e装入，以封住底口；再称量7.35克基体复合粉，将粉末(做基体的)装入薄壁套模d的内孔中，用柱状实模f压实；③将上述在树脂模具中将封装好的刀片粉末坯一起压入带有方形内孔的等尺寸的高强石墨模具，然后使用20～50吨的压力将刀片粉末坯压实，消除粉末颗粒之间空隙，并将其密封，放入烧结炉，待烧。

(4)对封装坯体进行梯度烧结：使用高抽速真空泵在≤10^-1Pa的真空环境下，采用3℃/min的烧结升温速率，30MPA的烧结压力，当烧结温度升至1500℃时，保温保压30-50min后，停止加热自然冷却至室温，形成梯度功能复合刀片块坯。

(5)将烧制的刀片块坯，首先使用碳化硼磨料对刀片块体表面的烧结杂物进行研磨，去除余量约为50um。然后再金刚石抛光液进行抛光，获得表面粗糙度Ra≤0.1μm的光亮刀面，此时刀片表层厚度约为150um。最后，使用280目白刚玉，在0.25MPa的压力下喷砂处理40秒，对刀片切削刃进行强化处理，获得切削刃过渡半径为30～40um；使用180目白刚玉，在1MPa的压力下喷砂处理100秒，对刀片刀尖进行强化处理，获得刀尖钝圆半径约为0.6mm。

(6)由此，依照本实施案例所制得的梯度功能复合刀片，可参考图1和图2。刀片由表及里的分别TiB2-TiC表层、含高Ni/Co金属相固溶体的亚表层、Ti(C₃N₇)基体，表层具有较高的硬度，亚表层具有较好的联接表层和基体的作用，基体具有较高的强度。刀片的表层HV₂₀硬度为28GPa、刀片的抗弯强度为1800MPa。

上述模具中；所述的带定位孔底模a包括圆盘状的底模，在所述的底模上设有一个圆盘状的凸台，在底模的中心设有定位孔；

所述的方孔圆柱模b包括一个圆柱模，在所述的圆柱模的底面设有内凹的凹槽，在所述的圆柱模的中心设有方孔；

所述的定位内实模c包括一个矩形实心模，在矩形实心模的底部设有一个圆柱凸台；

所述的薄壁套模d为一个矩形的薄壁模；

所述的柱状实模e为一个矩形的实体模；

所述的凸台定位底模f包括圆盘状的底模，在所述的底模上设有一个圆盘状的凸台。

从以上的描述中，可以看出，本申请上述的实施例实现了如下技术效果：

利用本方法可以一次性烧结制备出高性能梯度功能复合刀片；在微观结构上，该刀片的基体为高强度材料，前刀面、后刀面和副后刀面为高硬度材料，基体与刀面表层之间的结合部位为刀片烧结过程中扩散形成的韧化亚表层，起到连接基体与表层的作用；在力学性能上，该刀片具有表层硬度高、亚表层韧性好和整体强度优的特点。本方法制造出的刀片具有大厚度表层，能够极大提高高速切削中刀片刀面的抗磨损性能，满足高速切削对刀具可靠性的使用要求，填补了梯度功能刀片种类的空白；同时，由于本方法只采用一次性制备工艺方法，因此还具有工艺简单和成本低廉的优点。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现，未予以详细说明和局部放大呈现的部分，为现有技术，在此不进行赘述。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和特点相一致的最宽的范围。

Claims (5)

1.一种梯度功能复合刀片的制造方法，其特征在于，主要步骤如下：

步骤1将复合粉末按先后填装入预制好的模具中；

步骤2将装入模具中的粉末冷压成形，制成刀片粉末坯，该刀片粉末坯包括表层和基体两层结构；

步骤3将压制好的刀片粉末坯放入真空烧结炉中进行梯度烧结，制备出刀片坯块，该坯块包括表层、亚表层和基体三层结构；

步骤4将烧结制好的刀片坯块进行研磨抛光及刃口处理，制造出梯度功能复合刀片；

通过3D打印技术精准制造出用于刀片粉末坯填装的组合模具，包括带定位孔底模、方孔圆柱模、定位内实模、薄壁套模、凸台定位底模和柱状实模，共6个模具零件，分别用于填装表层和基体的粉料；

所述的带定位孔底模包括圆盘状的底模，在所述的底模上设有一个圆盘状的凸台，在底模的中心设有定位孔；

所述的方孔圆柱模包括一个圆柱模，在所述的圆柱模的底面设有内凹的凹槽，在所述的圆柱模的中心设有方孔；

所述的定位内实模包括一个矩形实心模，在矩形实心模的底部设有一个圆柱凸台；

所述的薄壁套模为一个矩形的薄壁模；

所述的柱状实模为一个矩形的实体模；

所述的凸台定位底模，包括圆盘状的底模，在所述的底模上设有一个圆盘状的凸台；

表层粉料的填装：首先将带定位孔底模和方孔圆柱模装配在一起，带定位孔底模的凸台与方孔圆柱模的凹槽配合，然后将定位内实模装入方孔圆柱模的方孔内，且定位内实模的圆柱凸台与带定位孔底模上的定位孔配合，从而实现三者之间的组装，组装后定位内实模与方孔圆柱模之间的间隙均匀，大小为0.5～1.0mm，将粉料装入模具中并压实；

基体粉料的填装：将带定位孔底模和定位内实模一起脱模，于此同时将薄壁套模压入到方孔圆柱模，待带定位孔底模和定位内实模完全脱出时，将凸台定位底模装入到方孔圆柱模的底部凹槽内，以封住底口，此时将粉末装入薄壁套模中，用柱状实模压实；

步骤2的过程如下：

将上述在模具中封装好的刀片粉末坯一起压入带有方形内孔的高强石墨模具，然后使用20～50吨的压力将刀片粉末坯压实，消除粉末颗粒之间空隙，并将其密封。

2.如权利要求1所述的梯度功能复合刀片的制造方法，其特征在于，包括刀片粉末坯中表层与基体组分的填装方法，能使刀片从粉末坯的两层结构变为刀片坯块三层梯度结构的梯度烧结方法，刀片坯块制成刀片的制造工艺方法。

3.如权利要求1所述的梯度功能复合刀片的制造方法，其特征在于，粉末坯表层的厚度大小是根据密度、体积和质量之间的关系事先计算和设计，然后使用精密天平精准称量所需的表层和基体的粉体量。

4.如权利要求1所述的梯度功能复合刀片的制造方法，其特征在于，所述步骤(3)中的刀片坯块的梯度烧结过程为：

采用配有高速抽真空泵的烧结炉，在高真空度下实施烧结，烧结升温速率为2-5℃/min，烧结压力为20-40MPa，当温度升至1400-1550℃时，保温保压30-50min后，停止加热自然冷却至室温。

5.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述步骤(4)中的烧制坯块制造成刀片的工艺过程为：

使用高硬度碳化硼研料介质研磨刀片块体，以去除烧结刀片表面的烧结杂物磨掉，并去除50～100um余量，控制刀片层厚度在150-200um；

使用金刚石介质抛光方法将刀片抛光到表面粗糙度Ra≤0.1μm的水平；

使用180～280目的白刚玉、在0.25～1MPa的压力下，经过30～100秒的时间分别对刀片切削刃和刀尖进行喷砂强化处理，消除微观缺陷，形成圆弧过度状切削刃和刀尖过度刃，提高刀片的抗崩刃能力，得到最终的梯度功能复合刀片。