CN108500855A - 铣磨工具及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种铣磨工具及制作方法，本发明包括刀具基体；设置于所述刀具基体一端的刀柄，设置于所述刀柄的远离刀具基体端的矩形定位头部；设置于所述刀具基体表面的单层有序排布钎焊金刚石磨粒、低温微量润滑冷却孔和排屑槽；设置于所述刀具基体内部的内冷微量润滑通道，能够规避目前叠层复合材料在加工过程中极易出现的树脂软化、涂覆、烧伤、分层、撕裂、表层划伤等缺陷。

Description

铣磨工具及其制作方法
技术领域
本发明涉及一种用于叠层复合材料超声辅助振动加工的铣磨工具及其制作方法。
背景技术
作为复合材料中应用时间较早、应用范围最广的复合材料之一，碳纤维增强树脂基复合材料(carbon fiber reinforced plastics，CFRP)目前在国防、航空航天领域正逐步推广应用，其具有比强度高、比模量大，抗疲劳、耐腐蚀等优异性能。但是CFRP材料本身具有低剪切强度、高缺陷敏感性、不耐高温等特性，因此CFRP材料往往与轻质的航空材料Al或者Ti通过螺接或者铆接连接使用，以获得更好的综合性能。
作为典型的各向异性和非均匀性材料，CFRP在机械加工过程中极易产生分层、表层撕裂、毛刺、崩边、烧伤等缺陷。金属材料尤其是钛合金在切削过程中剧烈的塑性变形会产生大量切削热富集于切削区域难以排出，导致CFRP材料发生树脂软化、涂覆甚至烧伤等缺陷。
复合材料、叠层复合材料等结构的常见机械加工工具主要为超硬材料(包含PCD、CBN、陶瓷等)焊接刀片式刀具、超硬涂层(包含金刚石涂层、类金刚石涂层、TiAlN等)硬质合金刀具、普通硬质合金刀具，以及近年来出现的“以磨代铣”超硬磨料铣磨工具。超硬材料焊接刀片式刀具由于其昂贵的价格和极高的脆性，一般应用于高端材料、结构的精加工环节；普通硬质合金刀具因其极低的刀具耐用度，已基本在复合材料的高效加工环节淘汰。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于叠层复合材料超声辅助振动加工的铣磨工具及其制作方法，能够规避目前叠层复合材料在加工过程中极易出现的树脂软化、涂覆、烧伤、分层、撕裂、表层划伤等缺陷。
为解决上述问题，本发明提供一种用于叠层复合材料超声辅助振动加工的铣磨工具，包括：
刀具基体；
设置于所述刀具基体一端的刀柄，设置于所述刀柄的远离刀具基体端的矩形定位头部；
设置于所述刀具基体表面的单层有序排布钎焊金刚石磨粒、低温微量润滑冷却孔和排屑槽；
设置于所述刀具基体内部的内冷微量润滑通道。
进一步的，在上述用于叠层复合材料超声辅助振动加工的铣磨工具中，所述排屑槽的外形轮廓与单层有序排布钎焊金刚石磨粒排布轨迹沿刀具基体外圆母线方向、均为正弦函数周期分布，并且所述排屑槽的外形轮廓与单层有序排布钎焊金刚石磨粒呈现交替排布。
进一步的，在上述用于叠层复合材料超声辅助振动加工的铣磨工具中，所述单层有序排布钎焊金刚石磨粒排布轨迹为正弦函数曲线，其中，所述正弦函数曲线的曲线周期、正弦函数幅值按照超声辅助加工轴线振动幅值、加工参数中每齿进给量、磨粒尺寸、复合材料叠层铺设结构确定。
进一步的，在上述用于叠层复合材料超声辅助振动加工的铣磨工具中，所述排屑槽的开槽轮廓为半圆，所述半圆的直径r根据加工条件确定。
进一步的，在上述用于叠层复合材料超声辅助振动加工的铣磨工具中，所述低温微量润滑冷却孔沿着所述排屑槽的轨迹线均布。
本发明提供一种用于叠层复合材料超声辅助振动加工的铣磨工具的制作方法，包括：
选用超高强钢D406A作为刀具基体材料，材料性能要求强度不小于1620Mpa，断裂伸长率不大于8％，刀具基体的外圆通过硬车保证外圆直径Ф20±0.05mm，铣矩形定位头部，保证14±0.03mm×14±0.03mm，长度10mm，以在所述刀具基体一端依次形成刀柄和矩形定位头部；
筛选金刚石磨粒，钎料选用Ag-Cu-Ti混合钎料，在自动混料机中混合充分后待用，在刀具基体表面上涂覆钎焊介质，静置至钎焊介质均匀粘附刀具基体表面，采用磨粒筛选模具，模具定位以矩形定位头部为基准，将金刚石磨粒有序排列在刀具基体上，在刀具基体表面涂覆所述钎料；
于750°真空环境内在刀具基体表面高温焊接成型单层有序排布钎焊金刚石磨粒，采用金刚石修整工具进行对修，保证单层有序排布钎焊金刚石磨粒等高性；
以矩形定位头部定位，在四轴数控机床铣排屑槽；
采用管电极电解加工的方式加工内冷微量润滑通道和均布于排屑槽的低温微量润滑冷却孔。
进一步的，在上述用于叠层复合材料超声辅助振动加工的铣磨工具的制作方法中，以矩形定位头部定位，在四轴数控机床铣排屑槽中，
所述排屑槽的外形轮廓与单层有序排布钎焊金刚石磨粒排布轨迹沿刀具基体外圆母线方向、均为正弦函数周期分布，并且所述排屑槽的外形轮廓与单层有序排布钎焊金刚石磨粒呈现交替排布。
进一步的，在上述用于叠层复合材料超声辅助振动加工的铣磨工具的制作方法中，于750°真空环境内在刀具基体表面高温焊接成型单层有序排布钎焊金刚石磨粒中，
所述单层有序排布钎焊金刚石磨粒排布轨迹为正弦函数曲线，其中，所述正弦函数曲线的曲线周期、正弦函数幅值按照超声辅助加工轴线振动幅值、加工参数中每齿进给量、磨粒尺寸、复合材料叠层铺设结构确定。
进一步的，在上述用于叠层复合材料超声辅助振动加工的铣磨工具的制作方法中，以矩形定位头部定位，在四轴数控机床铣排屑槽中，
所述排屑槽的开槽轮廓为半圆，所述半圆的直径r根据加工条件确定。
进一步的，在上述用于叠层复合材料超声辅助振动加工的铣磨工具的制作方法中，采用管电极电解加工的方式加工内冷微量润滑通道和均布于排屑槽的低温微量润滑冷却孔中，所述低温微量润滑冷却孔沿着所述排屑槽的轨迹线均布。
与现有技术相比，本发明包括刀具基体；设置于所述刀具基体一端的刀柄，设置于所述刀柄的远离刀具基体端的矩形定位头部；设置于所述刀具基体表面的单层有序排布钎焊金刚石磨粒、低温微量润滑冷却孔和排屑槽；设置于所述刀具基体内部的内冷微量润滑通道，能够规避目前叠层复合材料在加工过程中极易出现的树脂软化、涂覆、烧伤、分层、撕裂、表层划伤等缺陷。
附图说明
图1是本发明一实施例的用于叠层复合材料超声辅助振动加工的铣磨工具的整体结构图；
图2是本发明一实施例的用于叠层复合材料超声辅助振动加工的铣磨工具侧视图；
图3是本发明一实施例的用于叠层复合材料超声辅助振动加工的铣磨工具的截面视图；
图4是本发明一实施例的用于叠层复合材料超声辅助振动加工的铣磨工具的剖面视图；
图5为本发明一实施例的用于叠层复合材料超声辅助振动加工的铣磨工具其切削区域沿外圆轮廓展开示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1～4所示，本发明提供一种用于叠层复合材料超声辅助振动加工的铣磨工具，包括：
刀具基体(2)；
设置于所述刀具基体(2)一端的刀柄(1)，设置于所述刀柄(1)的远离刀具基体(2)端的矩形定位头部(4)；
设置于所述刀具基体(2)表面的单层有序排布钎焊金刚石磨粒(3)、低温微量润滑冷却孔(5)和排屑槽(6)；
设置于所述刀具基体(2)内部的内冷微量润滑通道(7)。
具体的，目前超硬涂层硬质合金刀具和超硬磨料铣磨工具已经成为复合材料、叠层复合材料加工领域的主要选择。同时考虑到碳纤维增强复合材料的微观结构特点，超声辅助振动加工方法的高频振动能够有效促进切削弧区碳纤维的微断裂和树脂颗粒的微破碎，避免了普通机械加工过程中碳纤维的整体弯曲变形和分层现象，极大提高了加工质量。
本发明能够规避目前叠层复合材料在加工过程中极易出现的树脂软化、涂覆、烧伤、分层、撕裂、表层划伤等缺陷。
如图5所示，本发明的用于叠层复合材料超声辅助振动加工的铣磨工具一实施例中，所述排屑槽(6)的外形轮廓与单层有序排布钎焊金刚石磨粒(3)排布轨迹沿刀具基体(2)外圆母线方向、均为正弦函数周期分布，并且所述排屑槽的外形轮廓与单层有序排布钎焊金刚石磨粒呈现交替排布。
具体的，①所述的排屑槽(6)的数量与单层有序排布钎焊金刚石磨粒(3)排数一般情况下保持一致。
②所述的单层有序排布钎焊金刚石磨粒(3)彼此沿正弦轨迹线的间距λ可以根据本工具具体加工工艺类别决定，磨粒间距通过模具保证。
针对典型叠层复合材料的粗加工工序、加工弧区恶劣、排屑不易的情况下，磨粒间距λ可设置在0.2～0.4mm。
针对典型叠层复合材料的精加工工序、冷却充分等情况下，磨粒间距λ可按照情况设置小于0.1mm，甚至密排。
在此，通过所述排屑槽的外形轮廓与单层有序排布钎焊金刚石磨粒排布轨迹沿刀具基体外圆母线方向、均为正弦函数周期分布，配合超声辅助振动加工方法，使得磨粒在切削弧区呈现周向和母线方向的双正弦分布，宏观结构的正弦轨迹配合亚微观尺寸的高频正弦振动极大的促进切削弧区碳纤维的微断裂和树脂颗粒的微破碎，避免了普通机械加工过程中碳纤维的整体弯曲变形和分层现象，极大提高了加工质量。
所述排屑槽的外形轮廓与单层有序排布钎焊金刚石磨粒呈现交替排布，有效提高了切削过程的排屑能力，大幅改善切削弧区的加工条件，显著改善了在磨粒负前角加工状态下树脂基体对加工表面的挤压、划擦作用，降低了树脂涂覆、烧伤的现象。
本发明的用于叠层复合材料超声辅助振动加工的铣磨工具一实施例中，所述单层有序排布钎焊金刚石磨粒(3)排布轨迹为正弦函数曲线，其中，所述正弦函数曲线的曲线周期、正弦函数幅值按照超声辅助加工轴线振动幅值、加工参数中每齿进给量、磨粒尺寸、复合材料叠层铺设结构确定。
具体的，针对一般[(135/90/45/0)6]s此类或者类似叠层铺放对称结构，曲线周期T一般情况下要求小于8～15倍的铺层周期厚度，以T800/环氧树脂复合材料为例，单一铺层周期厚度约为0.6mm，因此曲线周期T要求控制在4.8～9mm。
针对不同磨粒尺寸，考虑到制造的难度，对于80#～100#磨粒粒度区间的单层钎焊金刚石工具，曲线周期T可加宽至12～15倍的铺层周期厚度，对于140#～170#磨粒粒度区间的单层钎焊金刚石工具，曲线周期T可加严至8～12倍的铺层周期厚度。
针对不同的加工参数区间，曲线周期T应综合考虑超声辅助加工轴线振动幅值、加工参数中每齿进给量。对于幅值较大、每齿进给量较小的加工参数，曲线周期T应尽量接近最大值，对于幅值较小、每齿进给量较大的加工参数，曲线周期T应尽量接近最小值。
本发明的用于叠层复合材料超声辅助振动加工的铣磨工具一实施例中，所述的排屑槽(6)的开槽轮廓为半圆，所述半圆的直径r根据加工条件确定。
具体的，针对粗加工和磨粒尺寸较大的铣磨工具，所述半圆的直径r应选用较大值，一般控制在1.8～2.7mm。
针对精加工和磨粒尺寸较小的铣磨工具，所述半圆的直径r引选用较小值，一般控制在1mm～1.5mm。
本发明的用于叠层复合材料超声辅助振动加工的铣磨工具一实施例中，所述低温微量润滑冷却孔(5)沿着所述排屑槽(6)的轨迹线均布。
具体的，如图5所示，所述的低温微量润滑冷却孔，其沿着排屑槽轨迹线呈现均布方式。
①所述的低温微量润滑冷却孔，其内孔直径η和孔间距τ根据加工弧区恶劣程度、冷却压力、流量等确定。
对于铝合金类叠层，孔间距τ可根据要求提高至7～9mm，内孔直径η可降低至0.8～1.2mm。
对于钛合金类叠层，由于剧烈的塑性变形带来的高温和切屑阻塞，孔间距τ可降低至5～6mm，内孔直径η可提高至1.5～2.5mm。
在此，通过所述低温微量润滑冷却孔沿着所述排屑槽的轨迹线均布，低温微量润滑冷却流体能够显著降低弧区温度、同时微量润滑气体的循环能够阻断切屑在排屑槽的累积，造成排屑槽功能失效。同时微量润滑液体同样能够改善金属叠层结构材料的切削性，避免干切。
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明。应用对象为Ti/CFRP/Ti三层叠层复合材料，Ti层叠层厚度为8mm，CFRP叠层材料，增强体为T88碳纤维，基体为环氧树脂，铺层结构为[(135/90/45/0)6]s，铺层总数为48层，加工方式为超声辅助振动铣孔。
如图1～4所示，本发明的一种用于叠层复合材料超声辅助振动加工的铣磨工具，主要由刀柄(1)、刀具基体(2)、单层有序排布钎焊金刚石磨粒(3)、矩形定位头部(4)、低温微量润滑冷却孔(5)、排屑槽(6)、内冷微量润滑通道(7)。
步骤1：钎焊金刚石铣磨工具的刀具基体(2)选择
综合考虑刀具基体(2)材料的高频振动谐振性、热稳定性以及硬度等性能，选用超高强钢D406A作为刀具基体(2)材料，材料性能要求强度不小于1620Mpa，断裂伸长率不大于8％，刀具基体(2)的外圆通过硬车保证外圆直径Ф20±0.05mm，铣矩形定位头部，保证14±0.03mm×14±0.03mm，长度10mm，以在所述刀具基体(2)一端依次形成刀柄(1)和矩形定位头部(4)。
步骤2：单层钎焊金刚石磨粒排布
①筛选80#～100#金刚石磨粒；
②钎料选用Ag-Cu-Ti混合钎料，在自动混料机中混合充分后待用；
③在刀具基体(2)表面上涂覆钎焊介质，静置至钎焊介质均匀粘附刀具基体(2)表面；
④采用磨粒筛选模具，模具定位以矩形定位头部(4)为基准，将金刚石磨粒有序排列在刀具基体(2)上；
⑤最终在刀具基体(2)表面涂覆钎料
步骤3：钎焊成型、开刃
①于750°真空环境内在刀具基体(2)表面高温焊接成型单层有序排布钎焊金刚石磨粒(3)；
②工具修整开刃，采用金刚石修整工具进行对修，保证单层有序排布钎焊金刚石磨粒(3)等高性。
步骤4：排屑槽(6)成型加工
按照附图5，以矩形定位头部(4)定位，在四轴数控机床铣排屑槽(6)，排屑槽直径1.8mm
步骤5：低温微量润滑冷却孔(5)电解加工
由于低温微量润滑冷却孔孔径较小，普通机械加工难以胜任。采用管电极电解加工的方式加工内冷微量润滑通道(7)和均布于排屑槽(6)的低温微量润滑冷却孔(5)，至此本发明的一种用于叠层复合材料超声辅助振动加工的铣磨工具加工完成。
本发明包括刀具基体；设置于所述刀具基体一端的刀柄，设置于所述刀柄的远离刀具基体端的矩形定位头部；设置于所述刀具基体表面的单层有序排布钎焊金刚石磨粒、低温微量润滑冷却孔和排屑槽；设置于所述刀具基体内部的内冷微量润滑通道，能够规避目前叠层复合材料在加工过程中极易出现的树脂软化、涂覆、烧伤、分层、撕裂、表层划伤等缺陷。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种铣磨工具，其特征在于，包括：
刀具基体；
设置于所述刀具基体一端的刀柄，设置于所述刀柄的远离刀具基体端的矩形定位头部；
设置于所述刀具基体表面的单层有序排布钎焊金刚石磨粒、低温微量润滑冷却孔和排屑槽；
设置于所述刀具基体内部的内冷微量润滑通道。
2.如权利要求1所述的铣磨工具，其特征在于，所述排屑槽的外形轮廓与单层有序排布钎焊金刚石磨粒排布轨迹沿刀具基体外圆母线方向、均为正弦函数周期分布，并且所述排屑槽的外形轮廓与单层有序排布钎焊金刚石磨粒呈现交替排布。
3.如权利要求1所述的铣磨工具，其特征在于，所述单层有序排布钎焊金刚石磨粒排布轨迹为正弦函数曲线，其中，所述正弦函数曲线的曲线周期、正弦函数幅值按照超声辅助加工轴线振动幅值、加工参数中每齿进给量、磨粒尺寸、复合材料叠层铺设结构确定。
4.如权利要求1所述的铣磨工具，其特征在于，所述排屑槽的开槽轮廓为半圆，所述半圆的直径r根据加工条件确定。
5.如权利要求1所述的铣磨工具，其特征在于，所述低温微量润滑冷却孔沿着所述排屑槽的轨迹线均布。
6.一种铣磨工具的制作方法，其特征在于，包括：
选用超高强钢D406A作为刀具基体材料，材料性能要求强度不小于1620Mpa，断裂伸长率不大于8％，刀具基体的外圆通过硬车保证外圆直径Ф20±0.05mm，铣矩形定位头部，保证14±0.03mm×14±0.03mm，长度10mm，以在所述刀具基体一端依次形成刀柄和矩形定位头部；
筛选金刚石磨粒，钎料选用Ag-Cu-Ti混合钎料，在自动混料机中混合充分后待用，在刀具基体表面上涂覆钎焊介质，静置至钎焊介质均匀粘附刀具基体表面，采用磨粒筛选模具，模具定位以矩形定位头部为基准，将金刚石磨粒有序排列在刀具基体上，在刀具基体表面涂覆所述钎料；
于750°真空环境内在刀具基体表面高温焊接成型单层有序排布钎焊金刚石磨粒，采用金刚石修整工具进行对修，保证单层有序排布钎焊金刚石磨粒等高性；
以矩形定位头部定位，在四轴数控机床铣排屑槽；
采用管电极电解加工的方式加工内冷微量润滑通道和均布于排屑槽的低温微量润滑冷却孔。
7.如权利要求6所述的铣磨工具的制作方法，其特征在于，以矩形定位头部定位，在四轴数控机床铣排屑槽中，
所述排屑槽的外形轮廓与单层有序排布钎焊金刚石磨粒排布轨迹沿刀具基体外圆母线方向、均为正弦函数周期分布，并且所述排屑槽的外形轮廓与单层有序排布钎焊金刚石磨粒呈现交替排布。
8.如权利要求6所述的铣磨工具，其特征在于，于750°真空环境内在刀具基体表面高温焊接成型单层有序排布钎焊金刚石磨粒中，
所述单层有序排布钎焊金刚石磨粒排布轨迹为正弦函数曲线，其中，所述正弦函数曲线的曲线周期、正弦函数幅值按照超声辅助加工轴线振动幅值、加工参数中每齿进给量、磨粒尺寸、复合材料叠层铺设结构确定。
9.如权利要求6所述的铣磨工具，其特征在于，以矩形定位头部定位，在四轴数控机床铣排屑槽中，
所述排屑槽的开槽轮廓为半圆，所述半圆的直径r根据加工条件确定。
10.如权利要求6所述的铣磨工具，其特征在于，采用管电极电解加工的方式加工内冷微量润滑通道和均布于排屑槽的低温微量润滑冷却孔中，所述低温微量润滑冷却孔沿着所述排屑槽的轨迹线均布。
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