CN107138752B - 一种切削40CrMnMo的涂层硬质合金前刀面梳齿形微槽车刀 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种切削40CrMnMo的涂层硬质合金前刀面梳齿形微槽车刀。包括前刀面（1），前刀面（1）的边缘设有副切削刃（2）和主切削刃（3），前刀面（1）的切削刃近域（4）处设有“一”字型结构微槽（5），“一”字型结构微槽（5）与副切削刃（2）间设有“条纹型”微槽阵列（7），“一”字型结构微槽（5）与主切削刃（3）间设有“波纹型”微槽阵列（6）。本发明具有降低切削温度和提高刀具耐用度的特点。

Description

一种切削40CrMnMo的涂层硬质合金前刀面梳齿形微槽车刀

技术领域

本发明涉及一种切削加工领域用的车刀刀片，特别是一种切削40CrMnMo的涂层硬质合金前刀面梳齿形微槽车刀。

背景技术

切削加工是机械制造业材料去除的主要手段，而切削刀具的好坏直接影响了切削加工的效率及加工质量。在切削加工中，切削刃作为去除材料的主要部位，切削刃及切削刃附近的前刀面区域(切削刃近域，刀具前刀面上靠近切削刃的微小区域，如图3中椭圆圈出的区域)的工作环境最为恶劣，而其结构又直接关系到刀具的耐用度，所以合理的切削刃近域微织构设计对提升刀具的切削性能尤为重要。干切削作为一种生态友好型切削加工方式，减少了切削液的大量使用，降低了企业制造成本和环境污染。但切削加工时，刀具温度会急剧升高，前刀面的温升尤为明显，这不仅会降低刀具的耐用度，而且还会降低加工质量。表面微织构应用到刀具结构设计上已经成为一种趋势。表面微织构可以改善切削加工中刀屑接触区域的摩擦状况，可以有效降低刀屑接触表面的摩擦力，从而减少切削热的产生，达到降低切削温度的效果。目前行业中将表面微织构应用到刀具结构设计上多以降低切削力，减少刀屑接触区域的摩擦系数或降低刀具磨损为直接目的，对以降低切削温度为直接目的研究甚少。

发明内容

本发明提供一种切削40CrMnMo的涂层硬质合金前刀面梳齿形微槽车刀。本发明具有降低切削温度和提高刀具耐用度特点。

本发明的技术方案：一种切削40CrMnMo的涂层硬质合金前刀面梳齿形微槽车刀，包括前刀面，前刀面的边缘设有副切削刃和主切削刃，前刀面的切削刃近域处设有“一”字型结构微槽，“一”字型结构微槽与副切削刃间设有“条纹型”微槽阵列，“一”字型结构微槽与主切削刃间设有“波纹型”微槽阵列。

前述的切削40CrMnMo的涂层硬质合金前刀面梳齿形微槽车刀中，所述的“波纹型”微槽阵列距刀尖的距离为0.5mm～0.55mm,“波纹型”微槽阵列的总阵列长度L₁为4.2～4.5mm，阵列宽度W为0.15mm～0.16mm,阵列间距为单个微槽的宽度k₂为0.1039mm～0.1732mm。

前述的切削40CrMnMo的涂层硬质合金前刀面梳齿形微槽车刀中，所述“波纹型”微槽阵列的单个微槽的形状由四段相同圆弧构成，圆弧半径R为0.03～0.05mm,对应的弧度θ为50°～70°，单个微槽的方向沿流屑角的方向，流屑角的大小为2.379～2.38°。

前述的切削40CrMnMo的涂层硬质合金前刀面梳齿形微槽车刀中，所述的“条纹型”微槽阵列沿副切削刃方向的阵列长度L₂为0.8mm～0.85mm,条纹型”微槽阵列在阵列宽度方向垂直于副切削刃，条纹型”微槽阵列靠近副切削刃的端部距副切削刃的距离h为0.06mm～0.065mm，条纹型”微槽阵列的最大宽度K为0.36mm～0.37mm。

前述的切削40CrMnMo的涂层硬质合金前刀面梳齿形微槽车刀中，所述的“条纹型”微槽阵列的单个微槽的长度L₃为0.085mm～0.36mm，宽k₁为0.03～0.05mm,深度d处于单个微槽底面的的垂直方向上，深度d为0.03～0.04mm。

前述的切削40CrMnMo的涂层硬质合金前刀面梳齿形微槽车刀中，沿垂直于主后刀面的方向观察，所述的“波纹型”微槽阵列呈连续的波纹型。

有益效果：与现有技术相比，本发明通过对切削高强度合金钢40CrMnMo的硬质合金微槽车刀的二次结构化设计，即在该硬质合金微槽车刀前刀面的呈“一”字型结构的微槽与主副切削刃之间置入合适的微结构(在呈“一”字型结构的微槽与主切削刃之间置入“波纹型”微槽阵列，与副切削刃之间置入“条纹型”微槽阵列)，使刀具在切削高强度合金钢40CrMnMo时，刀-屑实际接触区域(该区域位于切削刃近域)的温度降低从而有效提高刀具的耐用度。刀具在切削过程中，刀-屑接触区会产生局部高温高压，促使刀-屑接触界面发生剧烈摩擦，进而产生大量切削热；同时第一变形区因受到明显的应力应变作用，工件材料的抗剪切变形功几乎全部转化为切削热，经过热量的传递，最终导致刀具切削温度的升高。本发明的车刀在切削过程中，“一”字型结构微槽的存在增大了切屑与刀具前刀面接触面积(由图6-8可知，本发明刀-屑几乎为全接触)，降低了刀具在刀-屑接触处区的正应力；“一”字型结构微槽的存在改变了刀具切削过程的热力耦合作用，改变了第一变形区应力应变状态，降低切削热的产生；申请人通过切削高强度合金钢40CrMnMo的大量实验分析发现，在沿主切削刃方向上距离刀尖0.5mm～0.55mm处，呈“一”字型结构的微槽与主切削刃之间置入“波纹型”微槽阵列，单个波纹的每段圆弧半径0.03～0.05mm(最优为0.04mm),每段圆弧对应的弧度为50°～70°(最优为60°)，呈“一”字型结构的微槽与副切削刃之间置入“条纹型”微槽阵列，单个条纹的宽度为0.03～0.04mm(最优为0.04mm)，深度为0.03～0.04mm(最优为0.04mm)时，该涂层硬质合金梳齿形混合结构微槽车刀在满足飞秒激光加工工艺强度要求的前提下，有较明显降温效果，主要是因为：1)波纹型微槽的存在进一步增大了切屑与刀具前刀面接触面积，从而增大了刀屑接触面间的传热面积，有效的减小了刀屑接触表面的切削温度；同时降低了刀具在刀-屑接触处区的正应力，使得原本刀-屑接触区部分内摩擦区域转化为外摩擦区域即粘结摩擦区转化为滑动摩擦区，由于内摩擦区域是刀具热量的主要来源，该区域的减小导致了刀具温度降低；除此之外，波纹型微槽的方向沿流屑角的方向，对切屑的流出具有一定的疏导作用，减小了切屑流动过程中的阻力，使切屑更加顺畅的流出，从而减小了切削热的产生；2)条纹型微槽的存在则减少了切屑与刀具前刀面的接触面积，减小了刀屑接触表面的摩擦力，从而进一步减少切削热的产生。综合作用使得刀具切削温度得到有效降低，进而有效确保了车刀具的耐用度。

为了能更好证明本发明的有益效果，申请人做了如下实验：使用普通硬质合金车刀(以下简称原车刀)、单一微槽车刀(在原车刀前刀面上置入“一”字型结构微槽的车刀)与本发明车刀(以下简称梳齿形微槽车刀)进行切削高强度合金钢40CrMnMo对比实验。上述的原车刀、单一微槽车刀与梳齿形微槽车刀的每一组对比实验均在相同切削条件(切削用量、刀具几何结构、刀具和工件材料等)下进行，切削条件选用单一微槽车刀的最优切削条件，由于主切削刃在切削过程中起主要切削作用，因此分别选用波纹型微槽半径R对应的三个参数值(0.03mm,0.04mm和0.05mm)中的最优值为参考值，切削高强度合金钢40CrMnMo的对比实验方案及结果分别如表1，2和3所示。实验结果说明：单一微槽车刀的实验中传热系数为1000(N/sec/mm/C)，而本发明的实验中传热系数为1500(N/sec/mm/C)，从实验结果可知，本发明在传热系数为1500(N/sec/mm/C)时具有非常明显的降温效果，所以在传热系数为1000(N/sec/mm/C)时，效果会更加明显，因此本发明与单一微槽车刀及原车刀相比，降温效果更明显。

表1实验结果

表2实验结果

表3实验结果

注：表中“—”表示未见降温效果

综上得知本发明的车刀降温效果非常明显。

附图说明

图1是本发明的俯视图；

图2是图1的M处的结构示意图；

图3是本发明的主视图；

图4是图3的N处的结构示意图；

图5是图2的A-A截面上的结构示意图；

图6是Vc＝115m/min、f＝0.42mm、a_p＝2mm和γ₀为-10°时，波纹型微槽R为0.03mm,θ为60°，条纹型微槽宽为0.03mm,深为0.04时，微槽的刀-屑接触状态图；

图7是Vc＝115m/min、f＝0.42mm、a_p＝2mm和γ₀为-10°时，波纹型微槽R为0.04mm,θ为60°，条纹型微槽宽为0.04mm,深为0.04时，微槽的刀-屑接触状态图；

图8是Vc＝115m/min、f＝0.42mm、a_p＝2mm和γ₀为-10°时，波纹型微槽R为0.05mm,θ为60°，条纹型微槽宽为0.03mm,深为0.04时，微槽的刀-屑接触状态图；

附图中的标记为：1-前刀面，2-副切削刃，3-主切削刃，4-切削刃近域，5-“一”字型结构微槽，6-“波纹型”微槽阵列，7-“条纹型”微槽阵列。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。

实施例1。一种切削40CrMnMo的涂层硬质合金前刀面梳齿形微槽车刀，其构成如图1-5所示，包括前刀面1，前刀面1的边缘设有副切削刃2和主切削刃3，前刀面1的切削刃近域4处设有“一”字型结构微槽5(参见图1)，“一”字型结构微槽5与副切削刃2间设有“条纹型”微槽阵列7(参见图1或2)，“一”字型结构微槽5与主切削刃3间设有“波纹型”微槽阵列6(参见图1或2)。

前述的“波纹型”微槽阵列6距离刀尖为0.5mm～0.55mm(即靠近刀尖的首个“波纹型”微槽与刀尖之间的距离),“波纹型”微槽阵列6的总阵列长度L₁为4.2～4.5mm，阵列宽度W为0.15mm～0.16mm,阵列间距为单个微槽的宽度k₂为0.1039mm～0.1732mm。

参见图4，前述的“波纹型”微槽阵列6的单个微槽的形状由四段相同圆弧构成，圆弧半径R为0.03～0.05mm,对应的弧度θ为50°～70°，优选值为60°，单个微槽的方向沿流屑角的方向，流屑角的大小为2.379°～2.38°。

前述的“条纹型”微槽阵列7沿副切削刃2方向的阵列长度L₂为0.8～0.85mm,条纹型”微槽阵列7在阵列宽度方向垂直于副切削刃2，条纹型”微槽阵列7靠近副切削刃2的端部距副切削刃2的距离h为0.06～0.065mm，条纹型”微槽阵列7的最大宽度K为0.36mm～0.37mm,阵列宽间比为1。

前述的“条纹型”微槽阵列7的单个微槽的长度L3为0.085mm～0.36mm，宽k₁为0.03～0.05mm，优选值为0.04mm，深度d处于单个微槽底面的的垂直方向上，深度d为0.03～0.04mm，优选值为0.04mm(如图5所示)。

沿垂直于主后刀面的方向观察，所述的“波纹型”微槽阵列6呈连续的波纹型。参见图4。

沿垂直于副后刀面的方向观察，所述的“条纹型”微槽阵列7的单个微槽呈条纹型。

前述的切削40CrMnMo的涂层硬质合金前刀面梳齿形微槽车刀前角为-10°。如图5所示。

车刀在切削过程中，“一”字型结构微槽的存在增大了切屑与刀具前刀面接触面积(由图6-8可知，刀-屑几乎为全接触)，降低了刀具在刀-屑接触处区的正应力；“一”字型结构微槽的存在改变了刀具切削过程的热力耦合作用，改变了第一变形区应力应变状态，降低切削热的产生。

Claims (3)

1.一种切削40CrMnMo的涂层硬质合金前刀面梳齿形微槽车刀，其特征在于：包括前刀面(1)，前刀面(1)的边缘设有副切削刃(2)和主切削刃(3)，前刀面(1)的切削刃近域(4)处设有“一”字型结构微槽(5)，“一”字型结构微槽(5)与副切削刃(2)间设有“条纹型”微槽阵列(7)，“一”字型结构微槽(5)与主切削刃(3)间设有“波纹型”微槽阵列(6)；

所述的“波纹型”微槽阵列(6)距刀尖的距离为0.5mm～0.55mm,“波纹型”微槽阵列(6)的总阵列长度L1为4.2～4.5mm，阵列宽度W为0.15mm～0.16mm,阵列间距为单个微槽的宽度k2为0.1039mm～0.1732mm；

所述“波纹型”微槽阵列(6)的单个微槽的形状由四段相同圆弧构成，圆弧半径R为0.03～0.05mm,对应的弧度θ为50°～70°，单个微槽的方向沿流屑角的方向，流屑角的大小为2.379～2.38°；

所述的“条纹型”微槽阵列(7)沿副切削刃(2)方向的阵列长度L2为0.8mm～0.85mm,条纹型”微槽阵列(7)在阵列宽度方向垂直于副切削刃(2)，条纹型”微槽阵列(7)靠近副切削刃(2)的端部距副切削刃(2)的距离h为0.06mm～0.065mm，条纹型”微槽阵列(7)的最大宽度K为0.36mm～0.37mm。

2.根据权利要求1所述的切削40CrMnMo的涂层硬质合金前刀面梳齿形微槽车刀，其特征在于：所述的“条纹型”微槽阵列(7)的单个微槽的长度L3为0.085mm～0.36mm，宽k1为0.03～0.05mm,深度d处于单个微槽底面的的垂直方向上，深度d为0.03～0.04mm。

3.根据权利要求1所述的切削40CrMnMo的涂层硬质合金前刀面梳齿形微槽车刀，其特征在于：沿垂直于主后刀面的方向观察，所述的“波纹型”微槽阵列(6)呈连续的波纹型。

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