CN111113168B - 一种微小径铣磨复合pcd球头铣刀及其刃磨方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种新型微小径铣磨复合PCD球头铣刀及其刃磨方法，所述铣刀整体结构主要由参与切削的PCD球头部分和不参与切削的硬质合金刀颈与刀柄部分组成。PCD球头部分结构设计为单刃球面结构，前刀面是具有负前角的平面，后刀面是球面，切削刃由前刀面与后刀面相交的二维曲线构成，无螺旋槽结构。

Description

一种微小径铣磨复合PCD球头铣刀及其刃磨方法
技术领域
本发明涉及一种微小径铣磨复合PCD球头铣刀及其刃磨方法，属于微细刀具加工技术领域。
背景技术
随着硬质合金等高硬度的难加工材料广泛应用于模具、精密仪器等领域，保证其高质量加工是研究重点之一。其中精密微细铣削技术在难加工材料微小三维复杂特征零件精密加工方面具有显著优势，但硬质合金、高速钢等刀具已不能满足这种难加工材料的加工，所以超硬刀具的设计制造成为了难加工材料精密微细铣削的关键技术之一。其中超硬刀具材料主要包括单晶金刚石、聚晶金刚石(PCD)和聚晶立方氮化硼(PCBN)等，从成本、材料性质以及加工方法方面考虑，最合适的刀具材料为聚晶金刚石(PCD)。同时，考虑PCD制造工艺及材料特点，本发明提出了一种微小径铣磨复合PCD球头铣刀及其刃磨方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种微小径铣磨复合PCD球头铣刀及其刃磨方法，用于硬质合金等难加工材料的高质量微细加工。
一种微小径铣磨复合PCD球头铣刀，主要由参与切削的PCD球头部分和不参与切削的硬质合金刀颈与刀柄组成。其整体结构设计如图1(a)所示。PCD球头部分结构设计为单刃球面结构，前刀面是具有负前角的平面，后刀面是球面，切削刃由前刀面与后刀面相交的二维曲线构成，切削刃上任意一点P的坐标可用方程式(1)表示，无螺旋槽结构，其三维模型设计如图1(b)所示。
Figure BDA0002344223590000021
式(1)中，R为刀具球头部分半径，θ为OP与Z轴的夹角，γ0为前刀面与XOZ平面的夹角，相关位置关系由图1(c)所示。
该刀具结构的设计原理是：一方面该结构特征下的切削刃使PCD铣刀在铣削加工中径向进给时，切削刃上远离刀尖的位置先参与切削，减轻刀尖的磨损程度，并且负前角具有较高的刃口强度，延长刀具寿命；另一方面，球面后刀面的设计能够充分的发挥PCD材料表面金刚石粉末颗粒的研磨特性，其加工特点为铣磨复合，因此能够获得更高的加工质量。
该刀具结构简单，其刃磨方法具体如下：
刀具毛坯棒料为已将前端PCD材料与后端硬质合金材料钎焊完成并经过外圆磨削的圆柱棒料如图2所示，砂轮选用2000#的圆柱型陶瓷结合剂金刚石砂轮，机床各轴运动形式如图3所示。
步骤一，前端PCD外圆精加工，刃磨方法如图4(a)所示。通过X轴往复运动控制刀具棒料圆柱度，通过Y轴进给控制磨削深度以保证成形精度，磨削速度为15～35m/s，磨削深度为1～3μm，进给速度为10～50mm/min；
步骤二，PCD球头部分后刀面刃磨，刃磨方法如图4(b)所示；通过U轴定位棒料端部与砂轮的初始相对位置，通过A轴和W轴旋转插补控制磨削深度和进给速度以保证加工质量，磨削速度为15～35m/s，磨削深度为1～3μm，W轴角速度为π/80～π/20rad/s；
步骤三，PCD球头部分前刀面刃磨，刃磨方法如图4(c)所示；通过U轴和W轴定位棒料与砂轮的初始相对位置以及棒料轴线与砂轮端面的夹角γ0，通过X轴控制进给速度，通过Y轴进给控制磨削深度以保证加工质量，磨削速度为15～35m/s，磨削深度为1～3μm，进给速度为10～50mm/min。
本发明中的微小径铣磨复合PCD球头铣刀结构简单，刃口强度高，易于刃磨成型，容易保证刀具加工质量，能充分利用PCD材料的磨削特性，可用于硬质合金等难加工材料的高质量微细加工。
附图说明
下面结合附图对本发明作详细说明。
图1为本发明的铣磨复合PCD球头铣刀结构示意图；
其中(a)为刀具整体结构示意图，(b)为参与切削的球头部分结构示意图，(c)为切削刃数学模型；
图2为本发明使用的刀具毛坯棒料示意图；
图3为本发明使用的机床各轴运动形式的示意图；
图4为本发明的铣磨复合PCD球头铣刀磨削制备工艺的示意图；其中(a)为外圆精磨工艺的示意图，(b)为后刀面磨削制备工艺的示意图，(c)为前刀面磨削制备工艺的示意图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
本实施例提供了一种微小径铣磨复合PCD球头铣刀，主要由参与切削的PCD球头部分1和不参与切削的硬质合金刀颈2与刀柄3组成。其整体结构设计如图1(a)所示。其中刀具整体长度L＝50mm，刀柄直径D＝3mm，刀颈倾角α＝12°，球头部分直径d＝0.5mm，球头部分长度l＝0.75mm。PCD球头部分结构设计为单刃球面结构，前刀面4是具有负前角的平面，后刀面5是球面，切削刃6由二维曲线构成，切削刃上任意一点P的坐标可用方程式(1)表示，无螺旋槽结构，其三维模型设计如图1(b)所示。
Figure BDA0002344223590000041
式(1)中，R为刀具球头部分半径，θ为OP与Z轴的夹角，γ0为前刀面与XOZ平面的夹角，取刀具前角γ0＝20°，相关位置关系由图1(c)所示。
本实施例还提供一种制备上述微小径铣磨复合PCD球头铣刀的方法，具体包括以下步骤：
刀具毛坯棒料为已将前端PCD材料与后端硬质合金材料钎焊完成并经过外圆磨削的圆柱棒料如图2所示，其中前段PCD部分直径为0.51mm，砂轮选用2000#的圆柱型陶瓷结合剂金刚石砂轮，机床各轴运动形式如图3所示。
步骤一，前端PCD外圆精加工，刃磨方法如图4(a)所示。通过X轴往复运动控制刀具棒料圆柱度，通过Y轴进给控制磨削深度以保证成形精度，磨削速度为25m/s，磨削深度为1μm，进给速度为10mm/min；
步骤二，PCD球头部分后刀面刃磨，刃磨方法如图4(b)所示；通过U轴定位棒料端部与砂轮的初始相对位置，通过A轴和W轴旋转插补控制磨削深度和进给速度以保证加工质量，磨削速度为25m/s，磨削深度为1μm，W轴角速度为π/40rad/s；
步骤三，PCD球头部分前刀面刃磨，刃磨方法如图4(c)所示；通过U轴和W轴定位棒料与砂轮的初始相对位置以及保证棒料轴线与砂轮端面的夹角γ0＝20°，通过X轴控制进给速度，通过Y轴进给控制磨削深度以保证加工质量，磨削速度为25m/s，磨削深度为1μm，进给速度为10mm/min。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (3)

1.一种微小径铣磨复合PCD球头铣刀的刃磨方法，其特征在于，刀具毛坯棒料为已将前端PCD材料与后端硬质合金材料钎焊完成并经过外圆磨削的圆柱棒料，且选用2000#的圆柱型陶瓷结合剂金刚石砂轮进行刃磨，该刃磨方法具体包括以下步骤：
(1)前端PCD外圆精加工，通过X轴往复运动控制刀具棒料圆柱度，通过Y轴进给控制磨削深度以保证成形精度，磨削速度为15～35m/s，磨削深度为1～3μm，进给速度为10～50mm/min；
(2)PCD球头部分后刀面刃磨，通过U轴定位棒料端部与砂轮的初始相对位置，通过A轴和W轴旋转插补控制磨削深度和进给速度以保证加工质量，磨削速度为15～35m/s，磨削深度为1～3μm，W轴角速度为π/80～π/20rad/s；
(3)PCD球头部分前刀面刃磨，通过U轴和W轴定位棒料与砂轮的初始相对位置以及棒料轴线与砂轮端面的夹角，通过X轴控制进给速度，通过Y轴进给控制磨削深度以保证加工质量，磨削速度为15～35m/s，磨削深度为1～3μm，进给速度为10～50mm/min。
2.一种微小径铣磨复合PCD球头铣刀，其采用权利要求1所述的刃磨方法制备，其特征在于，所述微小径铣磨复合PCD球头铣刀主要由参与切削的PCD球头部分和不参与切削的硬质合金刀颈与刀柄组成，PCD球头部分结构设计为单刃球面结构，前刀面是具有负前角的平面，后刀面是球面，切削刃由前刀面与后刀面相交的二维曲线构成，无螺旋槽结构；切削刃上任意一点P的坐标可用方程式(1)表示，
Figure FDA0003308780140000021
式(1)中，R为刀具球头部分半径，θ为OP与Z轴的夹角，γ0为前刀面与XOZ平面的夹角。
3.根据权利要求2所述的微小径铣磨复合PCD球头铣刀，其特征在于，刀具整体长度L＝50mm，刀柄直径D＝3mm，刀颈倾角α＝12°，球头部分直径d＝0.5mm，球头部分长度l＝0.75mm，γ0＝20°。
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