CN112355373A

CN112355373A - 一种微刃切削刀具及其制造方法

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Publication number: CN112355373A
Application number: CN202011158325.4A
Authority: CN
Inventors: 王成勇; 李伟秋; 颜炳姜; 胡小月; 郑李娟
Original assignee: Guangdong University of Technology; Conprofe Technology Group Co Ltd
Current assignee: Guangdong University of Technology; Conprofe Technology Group Co Ltd
Priority date: 2020-10-26
Filing date: 2020-10-26
Publication date: 2021-02-12
Also published as: WO2022089158A1

Abstract

本发明涉及一种微刃切削刀具及其制造方法，所述微刃切削刀具包括刀柄及与其连接的刀头，所述刀头上设置有复数个切削刃，所述刀头远离刀柄的一端上具有复数个切削刃，所述切削刃的刃口在宏观上为长直刃或者曲线刃，在微观上具有随机分布的不规则锯齿状的微刃，所述微刃的宽度和深度的范围均为5μm～20μm，相邻的两个所述切削刃之间具有排屑槽。所述微刃切削刀具在宏观上进行铣削加工，而在微观下，刃口上分布的不规则微小锯齿模拟磨削加工特性对材料进行微量磨削，复数个切削刃在加工中进行去除路径多次重叠，两种加工方式复合实现难加工硬脆材料的超精加工。

Description

一种微刃切削刀具及其制造方法

技术领域

本发明涉及切削刀具技术领域，具体地来说，是一种微刃切削刀具及其制造方法。

背景技术

高速切削加工技术是一项集高效、优质、低耗于一身的先进制造技术，切削刀具是高速切削的关键；高速切削刀具包括硬质合金、涂层刀具、陶瓷、立方氮化硼和金刚石刀具等。其中，刀具切削刃是在切削加工中与材料直接接触的部分，切削刃的形式对其物理性能和切削性能起到至关重要的作用，是影响加工质量及刀具寿命影响的关键。

在刀具的制造过程中，刃磨是获得成品刀具必须经过的一道加工工序。刃磨是在加工出刀具基本形状后，对刀具切削刃进行精加工，以获得高质量高直线度高完整度以及合适的几何角度的一种加工工序；传统刃磨通常使用砂轮进行磨削加工，现在随着技术的发展还可以使用磨料射流、激光、离子束、电化学等方法进行加工。

随着现代技术的发展，制造业也在高速发展，对零件的材料选择和加工质量要求越来越高，加工件表面质量要达到纳米级粗糙度，加工尺寸也越来越小，这对加工刀具提出了更高的要求。普遍使用的加工刀具已经无法实现超精加工要求，因此对新的刀具形貌设计及制造方法提出了新的要求。要实现超精加工，切削刃的设计和加工方法选择尤为重要，理论上，要获得高加工质量高寿命的刀具，切削刃必须具有高直线度及高完整度，即在宏观条件下，切削刃呈长直刃或者大曲率曲线刃，在微观下呈现高精度直刃，刃口越锋利越好且不能有崩缺及凸起，这样才不会使加工表面形成损伤。但是实际上在加工中，切削刃与工件呈线接触形式，过于锋利的刀具在接触的一瞬间切削刃会受到瞬时机械冲击的作用，在这种极大的力的作用下刃口极容易直接崩缺，因此在实际加工过程中通常需要给刀具切削刃进行倒圆角的设计，就是让刃口拥有一定的圆弧度，使刀具的切削刃不会在接触到材料的一瞬间产生崩缺。但是切削刃圆角设计在某种程度上是降低了刀具锋利度的。

为实现刀具既有较高的锋利度又有高的刚度，实现刀具质量与寿命的统一，很多学者都对刀具切削刃进行了大量的研究，但是查阅文献可知，现有对刀具切削刃的设计都集中在宏观刃口设计上，包括刀具前后角度、断屑槽、前后刀面微结构等，对刃口的加工质量要求追求高直线度及钝圆形式与半径设计，并未对刃口的微观形貌进行详细的研究。

发明内容

基于此，有必要针对上述技术问题，提出一种微刃切削刀具及制造方法，实现针对石墨、陶瓷、蓝宝石、玻璃等难加工硬脆材料高表面质量、低损伤的超精加工。

上述目的通过以下方案实现：

一种微刃切削刀具，其包括刀柄及与其连接的刀头，所述刀头上设置有复数个切削刃，所述切削刃的刃口在宏观上呈现为长直刃或者曲线刃，在微观上具有随机分布的不规则的锯齿状的微刃，所述微刃的宽度和深度为5μm～20μ m，相邻的两个所述切削刃之间具有排屑槽。

进一步的，所述微刃用于在切削过程中与材料加工面直接接触，并参与切削过程。

进一步的，所述切削刃的刃宽为0.015mm～0.05mm，所述切削刃的深度为1mm～4mm。

进一步的，所述切削刃的数量为8～100个。

进一步的，所述切削刃的前角为～10°～+10°，所述切削刃的后角为15°～50°。

进一步的，所述微刃切削刀具为球刀、圆鼻刀、平底刀、侧铣刀、倒角刀中的一种。

进一步的，所述刀头的材质为PCD、MCD、PCBN、硬质合金、陶瓷中的一种。

进一步的，所述刀头的外径为1mm～25mm。

一种所述微刃切削刀具的制造方法，包括以下步骤：

确定微刃切削刀具整体刀具结构，选择切削刃的刃型及参数；

对刀头胚料进行粗加工，获得具有复数个切削刃的刀头，所述切削刃的刃口在宏观上为长直刃或者曲线刃；

对所述切削刃进行精加工，在切削刃刃口加工出微观上呈现随机分布的不规则锯齿状的微刃，所述微刃的宽度和深度均为5μm～20μm。

进一步的，所述精加工为磨削、磨料射流、激光、离子束、电火花加工任意一种或其组合加工。

有别于传统切削刀具一味追求切削刃直线度及精度，使刀具在加工中受到大的瞬时冲击而降低加工质量和寿命，而本发明结合铣削与磨削的加工特点，使切削刀具在宏观上保持一定的直线度(宏观上无锯齿)，在微观下(微米级尺度)具有随机分布的不规则锯齿状的微刃。

本发明的微刃切削刀具包括了复数个切削刃，所述切削刃在宏观上进行铣削加工，在加工中进行去除路径多次重叠，而在微观下，刃口上分布的不规则微小锯齿状的微刃模拟磨削加工特性对材料进行微量磨削，所述微刃的宽度和深度均在5μm～20μm范围内，相对于普通的铣刀加工，加工材料后续磨削耗时较短，且微刃位于切削刃上，相对更适于进行复杂零件的加工，所以两种加工方式复合可实现难加工硬脆材料的超精加工。此外，由于所述微刃切削刀具具有复数个切削刃，在刀具旋转一周且切削量一定时，相对于切削刃数量较少的刀具，其单个切削刃的切削量降低；同时，刃口在微观下具有随机分布不规则的锯齿状微刃，其相对来说没有那么锋利，所以不易出现崩缺，进而提高了所述微刃切削刀具的使用寿命。

附图说明

图1为实施例1中的微刃切削刀具结构示意图；

图2为图1中俯视图；

图3为图2的A～A截面的剖视图；

图4为图3中S处的放大图；

图5为图1中微刃切削刀具的SEM图；

图6为实施例3中的微刃切削刀具在切削过程中材料表面划痕示意图；

图中，100～微刃切削刀具，1～刀头，2～刀柄，3～切削刃，4～排屑槽，5～微刃，200～微刃切削刀具，21～刀头，23～切削刃。

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，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

实施例1

请结合参考图1～4，本实施例中提供一种微刃切削刀具100，包括刀柄2和与其连接的刀头1，且所述刀头1上具有复数个切削刃3，相邻两个切削刃3之间形成排屑槽4，所述排屑槽4用于及时排出切削加工产生的切屑；所述切削刃 3的刃口在宏观上呈曲线刃，在微观上具有随机分布的不规则的锯齿状的微刃5，即不借助放大工具时(即宏观上观察)，所述切削刃3的刃口呈曲线，无缺口，但经放大后，在微米级尺寸下(即微观上观察)，刃口上具有锯齿状的微刃5，且两相邻所述微刃5之间的间距可相等，也可不等(即微刃5在所述刃口上随机分布)，以及各微刃5的尺寸不完全相同(即微刃5是不规则的)。所述微刃的宽度和深度的均在5μm～20μm范围内，所述微刃的宽度，具体是指锯齿状微刃的底端的宽度，所述微刃的深度是指锯齿状微刃的顶端至底端的垂直距离。上述微刃5的尺寸过小时起不到磨削的效果，引起加工精度下降，而微刃5尺寸过大会导致切削效果较差，所以将微刃5的尺寸限定在5μm～20μm范围内，从而保证磨削的效果，进而提高加工精度，同时保证切削的效果。而且所述微刃切削刀具100具有复数个切削刃3，相对于切削刃数量较少的刀具，其减少了单刃切削量，每个切削刃3相对磨损较少；同时刃口上在微观尺度下具有随机分布不规则的锯齿状的微刃，因此其相对来说没有那么锋利，不易出现崩缺，所以延长了所述微刃切削刀具100的使用寿命。当然在其他实施例中，所述切削刃的刃口在宏观上也可为长直刃。

有别于传统铣削刀具一味追求切削刃直线度及精度，上述微刃切削刀具100 宏观上还是保持一定的直线度，微观上切削刃3的刃口上具有一定尺寸随机分布的不规则锯齿状的微刃5，加工工件时，所述微刃用于在切削过程中与材料加工面直接接触，并参与切削过程；由于加工区域的部分重叠，导致刀头1上的微刃在加工材料上形成多个划痕，形成类似磨削加工中磨粒与材料加工的形式，即所述微刃切削刀具100能够对加工材料进行微量磨削，结合刀具的铣削，使用上述微刃切削刀具100加工时能够同时实现铣削和磨削的复合加工；普通铣刀加工材料后，需要辅助磨削加工以提高加工精度，但磨削耗时较长，而且磨削加工范围与路径有一定的局限性，不适合进行复杂零件的加工；相对于上述普通铣刀加工，由于本实施例中的所述微刃切削刀具100能够同时实现铣削与磨削的复合加工，相对减少了后续的磨削加工的时间，以及微刃位于切削刃的刃口上，拓展了磨削的加工范围和路径，相对更适合进行复杂零件的加工，从而实现针对石墨、陶瓷、蓝宝石、玻璃等难加工硬脆材料高表面质量、低损伤的超精加工。

请参见图2，该实施例中所述微刃切削刀具100的切削刃3是曲线刃，无缺口(宏观观察)；如图5所示，所述微刃切削刀具100刃口上随机分布有不规则的锯齿状的微刃5(微观观察)，当加工工件时，这些微刃5可起到微量磨削的作用。

进一步的，参见图4，切削刃的深度a为1mm～4mm，切削刃的深度过大将导致微刃起不到磨削的效果，进而影响加工精度，而切削刃的深度过小会导致切削效果较差，所以本实施例中把切削刃的深度范围设定为1mm～4mm，既能保证较高的加工精度，也可达到较佳的切削效果。

进一步的，所述切削刃3的数量为8～100个。切削刃数量过多将提高刀具加工难度，过少会降低切削效果。适当增加切削刃的数量，可使得切削刃在加工中的去除路径多次重叠，进而增强微刃磨削的效果，提高加工精度，以及减少单刃切削量，降低刀具磨损程度。

进一步的，如图1所示，所述微刃切削刀具100为圆鼻刀。当然在其他实施方式中，也可为球刀、平底刀、侧铣刀、倒角刀中的一种。

进一步的，如图1所示，所述刀头1的外径d为1mm～25mm。刃长L为 1.0mm～4.0mm，刃长是指切削刃3的刃口长度，其处于前述理想范围，保证切削刃3的有效作用范围，使之具有理想的切削效率。

进一步的，如图4所示，所述切削刃3的前角α₀为～10°～+10°，所述切削刃的后角γ₀为15°～50°。

进一步的，请参见图4，所述切削刃的刃宽b为0.015～0.05mm。刃宽是指切削刃3的刃口宽度，其处于前述理想范围，既能保证切削刃3的强度，使之具有较佳的使用寿命，又能保证较佳的切削效率。

进一步的，所述微刃切削刀具100的刀头1的材质为PCD，当然，在其他实施方式中，也可为MCD、PCBN、硬质合金、陶瓷中的一种。

进一步的，所述刀头1的螺旋角为0～65°。所述刀头1的螺旋角即切削刃 3的螺旋角，是指切削刃3的螺旋角度。具体的，当所述微刃切削刀具为球刀时，球刀上的副切削刃的螺旋角可为0°。

为对比本实施例中的微刃切削刀具的加工性能，对比例采用范霍恩金刚石涂层铣刀(荷兰范霍恩硬质合金刀具公司，标记为2#)和IMC涂层铣刀(德国来宝IMC，标记为3#)，上述两种刀具均为石墨加工中常用刀具，使用上述两种刀具和本实施例中微刃切削刀具100(标记为1#)在相同试验条件下对POCO～XL 石墨进行平面铣削加工，测试结果如下表1所示。(其中，1#的型号：

2#的型号：VHGTC304006004L20，3#的型号： IMCVHGSB042060)

表1 1#～3#测试结果对比

从表1中可知，相同的主轴转速下，1#刀具(本实施例的微刃切削刀具100)，累积加工3520m的石墨试坯时，所述微刃切削刀具仍旧未失效，且此时Z向轮廓度偏差仅为0.026mm(Z向轮廓度偏差常作为判断刀具磨损的定性指标，且该值达到0.04mm时即认定刀具失效)，以及加工面表面粗糙度Ra仅为0.1935μm；而2#刀具，累积加工880m的石墨试坯时Z向轮廓度偏差已达到0.04mm，即 2#刀具失效，以及加工面表面粗糙度Ra已经达到了0.2640μm；对于3#刀具，累积加工1540m的石墨试坯时Z向轮廓度偏差已达到0.1mm，即3#刀具失效，以及加工面表面粗糙度Ra达到了0.1580μm。即本实施例中的微刃切削刀具100 相对于上述2#和3#刀具，加工精度有一定程度的改善，且使用寿命得到很大的提高。

实施例2

本实施例公开一种微刃切削刀具的加工方法，该加工方法包括以下步骤：

确定微刃切削刀具的整体刀具结构，然后选择切削刃的刃型及参数，所述参数包括螺旋角、钻尖角度、刃长、槽长等；

对所述切削刃进行精加工，在切削刃刃口加工出微观上呈现随机分布的不规则锯齿状的微刃，所述微刃的宽度和深度的范围均为5μm～20μm。

通过控制相关加工参数，即可通过上述制造方法得到所述微刃切削刀具。

进一步的，所述粗加工为机械加工、磨削加工、激光、电化学任意一种或其组合加工。

实施例3

在该实施例中，微刃切削刀具200的微刃在切削过程中与材料加工面直接接触，并参与切削过程，切削刃23与加工材料接触时，随着刀具旋转，所述切削刃23上的微刃在加工面上形成微米尺度不规则划痕，而且切削刃23为复数个，以及加工区域的部分重叠，所述切削刃23上的所有微刃引起加工材料上的划痕多次重复(如图6所示)，形成类似磨削加工中磨粒与材料加工的形式，即所述微刃切削刀具200能够对材料进行微量磨削，结合刀具的铣削，且加工过程中多刃路径叠加进行加工，使用上述微刃切削刀具200加工时能够同时实现铣削和磨削的复合加工，从而实现针对石墨、陶瓷、蓝宝石、玻璃等难加工硬脆材料高表面质量、低损伤的超精加工。

在该实施例中，所述微刃切削刀具200为平底铣刀，切削刃为长直刃，且其结构参数符合实施例1中的限定。

本发明实现切削磨削复合加工，既具有铣削加工的灵活性与高效率，又具有磨削加工的高精度，两种加工方式复合可以高效高质实现难加工硬脆材料的超精加工。而且刃口相对现有的刀具并没有那么锋利，加工工件时不易崩缺和凸起，且相对磨损较少，延长了微刃切削刀具的使用寿命。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims

1.一种微刃切削刀具，其包括刀柄及与其连接的刀头，所述刀头上设置有复数个切削刃，其特征在于：所述切削刃的刃口在宏观上呈现为长直刃或者曲线刃，在微观上具有随机分布不规则的锯齿状的微刃，所述微刃的宽度和深度的范围均为5μm～20μm，相邻的两个所述切削刃之间具有排屑槽。

2.根据权利要求1所述的微刃切削刀具，其特征在于，所述微刃用于在切削过程中与材料加工面直接接触，并参与切削过程。

3.根据权利要求1所述的微刃切削刀具，其特征在于，所述切削刃的刃宽为0.015mm～0.05mm，所述切削刃的深度为1mm～4mm。

4.根据权利要求1所述的微刃切削刀具，其特征在于，所述切削刃的数量为8～100个。

5.根据权利要求1所述的微刃切削刀具，其特征在于，所述切削刃的前角的范围为～10°～+10°，所述切削刃的后角的范围为15°～50°。

6.根据权利要求1所述的微刃切削刀具，其特征在于，所述微刃切削刀具为球刀、圆鼻刀、平底刀、侧铣刀、倒角刀中的一种。

7.根据权利要求1所述的微刃切削刀具，其特征在于，所述刀头的材质为PCD、MCD、PCBN、硬质合金、陶瓷中的一种。

8.根据权利要求1所述的微刃切削刀具，其特征在于，所述刀头的外径为1mm～25mm。

9.一种如权利要求1所述的微刃切削刀具的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

确定微刃切削刀具的整体刀具结构，选择切削刃的刃型及参数；

对所述切削刃进行精加工，在切削刃的刃口上加工出微观上呈现随机分布的不规则锯齿状的微刃，所述微刃的宽度和深度的范围均为5μm～20μm。

10.根据权利要求9所述的微刃切削刀具的制造方法，其特征在于，所述精加工为磨削、磨料射流、激光、离子束、电火花加工任意一种或其组合加工。