CN113134610A - 粗皮铣刀的制作方法及其五轴数控磨床 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种粗皮铣刀的制作方法及其五轴数控磨床，其特征是通过添加Ce和Y元素，并进行Ar气辅助的快速冷却，制备出面心立方粘结相硬质合金刀具棒料；然后采用五轴数控磨床进行磨制，控制冷却液形成湍流，实现磨削过程中对硬质合金刀具的高效冷却，硬质合金刀具不发生相变；再进行真空去应力热处理以大幅缓解残余应力并进行TiAlN涂层处理，涂层后的粗皮铣刀保持粘结相面心立方结构，其断裂韧性≥8MPa.m1/2。本发明克服了现有粗皮铣刀的韧性不足的问题，可用于各种机械零件的粗加工铣削。
Description
技术领域
本发明涉及一种铣刀的制作方法及其磨床，特别涉及一种粗皮铣刀的制作方法及其五轴数控磨床，属于刀具制造领域。
背景技术
粗皮铣刀是用于铣削粗加工的，具有一个或多个刀齿的旋转刀具。CN201921604804.7公开了一种带分屑槽螺旋铣刀片的粗皮铣刀。该粗皮铣刀具有至少四个螺旋槽，每个螺旋槽内均安装有分屑槽螺旋铣刀片，分屑槽螺旋铣刀片包括刀片本体，刀片本体的工作面上均至少一个分屑槽；同一螺旋槽的铣刀片工作面开设的分屑槽数量相同，通过增加分屑槽，能够把切屑分解成细小的碎片或颗粒，提高单位时间的切屑排出量，使轴向负荷降低，径向加工平稳，振动减少，这样噪音也就大大降低。该技术解决了现有可转位螺旋铣刀片振动大、负荷大、铣刀片噪音大且铁屑颗粒大的问题。
必须指出的是，由于粗皮铣刀主要用于粗加工，切削深度大，刀具负荷、振动大，刀具容易发生局部甚至整体断裂失效。因此，对粗皮铣刀的韧性提出了很高的要求。目前，主要通过改变刀具结构的方式来提高性能。实际上，刀具的性能受到很多因素的影响，刀具结构只是其中一个方面；而且在机械加工中，刀具结构相对固定，寻找提高刀具性能的新制作方法就非常关键。
发明内容
针对目前粗皮铣刀的韧性有待提高的问题，本发明提出在制作过程中进行粘结相成分和烧结工艺控制，形成粘结相为塑韧性好的面心立方结构的硬质合金刀具材料，再对磨削时的冷却参数进行控制，降低冷却液回流实现高效冷却以保持刀具材料中粘结相的面心立方结构；在磨制后进行真空热处理，大幅度降低残余应力；最后进行涂层处理，制备出高韧性的粗皮铣刀。
本发明的粗皮铣刀的制作方法，其特征在于依次包含以下步骤：
(1)面心立方粘结相硬质合金棒料制备：面心立方粘结相硬质合金棒料制备时配料按Co含量为4wt.％～10wt.％，Ce含量为Co含量的30％～40％，Y含量为Co含量的30％～40％，其余为WC；原料粉末经过球磨、喷雾干燥制备成混合料并压制成棒料生坯；棒料生坯在真空烧结炉中升温至1400～1450℃并保温1～2h,烧结结束后，通入流量为5～10L/h的Ar气，使炉温以50℃/min的速度冷却到1000℃，再通入60～65L/h的Ar气使其以20℃/min的速度冷却到400℃，然后随炉冷却，形成面心立方粘结相硬质合金刀具棒料；
(2)粗皮铣刀的数控磨床磨制：采用五轴数控磨床将面心立方粘结相硬质合金刀具棒料磨制成粗皮铣刀的形状和尺寸，磨制时采用金属粘结剂金刚石砂轮，冷却液出口为矩形，矩形长度为砂轮宽度的80％～90％，矩形宽度为2～4mm；冷却液出口与砂轮磨削点之间的距离为30～60mm,冷却液出口距离磨削平面的距离为40～70mm，冷却液出口方向与砂轮圆周面相切，冷却液压力为2～5bar，使冷却液形成湍流，冷却液回流占比≤75％，实现磨削过程中对硬质合金棒料的高效冷却，硬质合金不发生相变，磨制成的粗皮铣刀保持粘结相面心立方结构；
(3)粗皮铣刀的真空去应力热处理：将粗皮铣刀放入真空炉中进行，加热到350～400℃，保温2～3h，然后随炉冷却；此过程重复2～3次以释放粗皮铣刀在烧结、磨削过程中的残余应力，采用XRD检测其残余应力≤50MPa，粗皮铣刀保持粘结相面心立方结构；
(4)粗皮铣刀的TiAlN涂层制备：将热处理后的粗皮铣刀放入磁控溅射涂层炉中，先抽真空到低于5*10-3Pa，然后对炉内加热到350～400℃；再采用Ar离子对粗皮铣刀刻蚀30min；再向炉内通入0.2～0.4Pa的氮气，采用TiAl合金为靶，在粗皮铣刀表面沉积出2～3μm厚的TiAlN涂层，涂层结束后随炉冷却，涂层后的粗皮铣刀保持粘结相面心立方结构，其断裂韧性≥8MPa.m1/2，采用XRD检测其残余应力≤60MPa。
本发明的粗皮铣刀的制作方法，其进一步的特征在于：
(1)配料后将所有原料放入球磨机并加入无水乙醇进行48～72h球磨；球磨结束后，料浆经400目筛网过滤后在85～95℃下进行干燥，获得混合料；混合料在200～400MPa下压制成棒料，棒料烧结时的升温速度为10℃/min，烧结的真空度小于5Pa；
(2)粗皮铣刀的数控磨床磨制时，砂轮转速为20～35m/s；
(3)粗皮铣刀去应力热处理时的升温速度为2～4℃/min,真空度为小于5Pa；
(4)粗皮铣刀沉积TiAlN涂层时，基底施加的偏压为-30V～-60V，TiAl靶功率为1～5kW，沉积时间120～180min。
本发明的粗皮铣刀的制作方法中所用的五轴数控磨床，其进一步的特征在于：
(1)五轴数控磨床由床身、龙门立柱、X轴装置、Y轴装置、Z轴装置、A轴装置、C轴装置、砂轮系统、冷却系统、外壳和操作系统组成；
(2)五轴数控磨床的冷却系统中冷却液出口与砂轮磨削点距离在10～100mm范围可调，与磨削平面之间的距离在10～100mm范围可调，冷却液出口的方向在0～180°范围可调，冷却液压力在1～10bar范围可调。
本发明的优点在于：(1)通过成分控制和烧结冷却过程控制，使硬质合金材料中高温下的面心立方结构粘结相不发生面心到密排六方的马氏体相变，形成在室温下具有面心立方结构粘结相的硬质合金刀具材料。面心比密排六方结构具有更好的塑性和韧性，从而可以改善刀具材料的韧性。(2)采用五轴数控磨床磨制粗皮铣刀的过程中，控制冷却液与磨削点和磨削平面的距离、压力、角度等参数，形成湍流，减少冷却液回流，使磨削过程中的热量能充分带走，实现磨削过程中的硬质合金粗皮铣刀的充分冷却，从而使硬质合金刀具在磨削过程中不发生相变。(3)磨削后采用循环热处理，使残余应力得到释放，在低的残余应力下，涂层过程中不会出现剥落和裂纹，涂层后能保持面心立方结构，使粗皮铣刀具有低的残余应力和高的断裂韧性。
附图说明
图1本发明的粗皮铣刀制作方法示意图
具体实施方式
实例1：
(1)面心立方粘结相硬质合金棒料制备：面心立方粘结相硬质合金棒料制备时配料按Co含量为6wt.％，Ce含量为Co含量的32％，Y含量为Co含量的35％，其余为WC；配料后将所有原料放入球磨机并加入无水乙醇进行64h球磨；球磨结束后，料浆经400目筛网过滤后在90℃下进行干燥，获得混合料；混合料在250MPa下压制成棒料；棒料生坯在真空烧结炉中升温至1410℃并保温1h,棒料烧结时的升温速度为10℃/min，烧结的真空度4Pa；烧结结束后，通入流量为8L/h的Ar气，使炉温以50℃/min的速度冷却到1000℃，再通入63L/h的Ar气使其以20℃/min的速度冷却到400℃，然后随炉冷却，形成面心立方粘结相硬质合金刀具棒料；
(2)粗皮铣刀的数控磨床磨制：采用五轴数控磨床将面心立方粘结相硬质合金刀具棒料磨制成粗皮铣刀的形状和尺寸，五轴数控磨床由床身、龙门立柱、X轴装置、Y轴装置、Z轴装置、A轴装置、C轴装置、砂轮系统、冷却系统、外壳和操作系统组成；五轴数控磨床的冷却系统中冷却液出口与砂轮磨削点距离在10～100mm范围可调，与磨削平面之间的距离在10～100mm范围可调，冷却液出口的方向在0～180°范围可调，冷却液压力在1～10bar范围可调。磨制时采用金属粘结剂金刚石砂轮，砂轮转速为25m/s；冷却液出口为矩形，矩形长度为砂轮宽度的80％，矩形宽度为2mm；冷却液出口与砂轮磨削点之间的距离为35mm,冷却液出口距离磨削平面的距离为40mm，冷却液出口方向与砂轮圆周面相切，冷却液压力为2bar，使冷却液形成湍流，冷却液回流占比69％，实现磨削过程中对硬质合金棒料的高效冷却，硬质合金不发生相变，磨制成的粗皮铣刀保持粘结相面心立方结构；
(3)粗皮铣刀的真空去应力热处理：将粗皮铣刀放入真空炉中进行，加热到350℃，保温2h，升温速度为2℃/min,真空度为3Pa；然后随炉冷却；此过程重复3次以释放粗皮铣刀在烧结、磨削过程中的残余应力，采用XRD检测其残余应力48MPa，粗皮铣刀保持粘结相面心立方结构；
(4)粗皮铣刀的TiAlN涂层制备：将热处理后的粗皮铣刀放入磁控溅射涂层炉中，先抽真空到3*10-3Pa，然后对炉内加热到350℃；再采用Ar离子对粗皮铣刀刻蚀30min；再向炉内通入0.25Pa的氮气，采用TiAl合金为靶，基底施加的偏压为-35V，TiAl靶功率为2kW，沉积时间120min，在粗皮铣刀表面沉积出2μm厚的TiAlN涂层，涂层结束后随炉冷却，涂层后的粗皮铣刀保持粘结相面心立方结构，其断裂韧性8.2MPa.m1/2，采用XRD检测其残余应力51MPa。
实例2：
(1)面心立方粘结相硬质合金棒料制备：面心立方粘结相硬质合金棒料制备时配料按Co含量为8wt.％，Ce含量为Co含量的36％，Y含量为Co含量的38％，其余为WC；配料后将所有原料放入球磨机并加入无水乙醇进行72h球磨；球磨结束后，料浆经400目筛网过滤后在92℃下进行干燥，获得混合料；混合料在360MPa下压制成棒料；棒料生坯在真空烧结炉中升温至1430℃并保温1.5h,棒料烧结时的升温速度为10℃/min，烧结的真空度2Pa；烧结结束后，通入流量为6L/h的Ar气，使炉温以50℃/min的速度冷却到1000℃，再通入62L/h的Ar气使其以20℃/min的速度冷却到400℃，然后随炉冷却，形成面心立方粘结相硬质合金刀具棒料；
(2)粗皮铣刀的数控磨床磨制：采用五轴数控磨床将面心立方粘结相硬质合金刀具棒料磨制成粗皮铣刀的形状和尺寸，五轴数控磨床由床身、龙门立柱、X轴装置、Y轴装置、Z轴装置、A轴装置、C轴装置、砂轮系统、冷却系统、外壳和操作系统组成；五轴数控磨床的冷却系统中冷却液出口与砂轮磨削点距离在10～100mm范围可调，与磨削平面之间的距离在10～100mm范围可调，冷却液出口的方向在0～180°范围可调，冷却液压力在1～10bar范围可调。磨制时采用金属粘结剂金刚石砂轮，砂轮转速为32m/s；冷却液出口为矩形，矩形长度为砂轮宽度的90％，矩形宽度为3mm；冷却液出口与砂轮磨削点之间的距离为50mm,冷却液出口距离磨削平面的距离为65mm，冷却液出口方向与砂轮圆周面相切，冷却液压力为4bar，使冷却液形成湍流，冷却液回流占比71％，实现磨削过程中对硬质合金棒料的高效冷却，硬质合金不发生相变，磨制成的粗皮铣刀保持粘结相面心立方结构；
(3)粗皮铣刀的真空去应力热处理：将粗皮铣刀放入真空炉中进行，加热到390℃，保温3h，升温速度为4℃/min,真空度为4Pa；然后随炉冷却；此过程重复2次以释放粗皮铣刀在烧结、磨削过程中的残余应力，采用XRD检测其残余应力45MPa，粗皮铣刀保持粘结相面心立方结构；
(4)粗皮铣刀的TiAlN涂层制备：将热处理后的粗皮铣刀放入磁控溅射涂层炉中，先抽真空到4.5*10-3Pa，然后对炉内加热到380℃；再采用Ar离子对粗皮铣刀刻蚀30min；再向炉内通入0.4Pa的氮气，采用TiAl合金为靶，基底施加的偏压为-550V，TiAl靶功率为4kW，沉积时间170min，在粗皮铣刀表面沉积出3μm厚的TiAlN涂层，涂层结束后随炉冷却，涂层后的粗皮铣刀保持粘结相面心立方结构，其断裂韧性9.6MPa.m1/2，采用XRD检测其残余应力51MPa。
Claims (3)
1.一种粗皮铣刀的制作方法，其特征在于依次包含以下步骤：
(1)面心立方粘结相硬质合金棒料制备：面心立方粘结相硬质合金棒料制备时配料按Co含量为4wt.％～10wt.％，Ce含量为Co含量的30％～40％，Y含量为Co含量的30％～40％，其余为WC；原料粉末经过球磨、喷雾干燥制备成混合料并压制成棒料生坯；棒料生坯在真空烧结炉中升温至1400～1450℃并保温1～2h,烧结结束后，通入流量为5～10L/h的Ar气，使炉温以50℃/min的速度冷却到1000℃，再通入60～65L/h的Ar气使其以20℃/min的速度冷却到400℃，然后随炉冷却，形成面心立方粘结相硬质合金刀具棒料；
(2)粗皮铣刀的数控磨床磨制：采用五轴数控磨床将面心立方粘结相硬质合金刀具棒料磨制成粗皮铣刀的形状和尺寸，磨制时采用金属粘结剂金刚石砂轮，冷却液出口为矩形，矩形长度为砂轮宽度的80％～90％，矩形宽度为2～4mm；冷却液出口与砂轮磨削点之间的距离为30～60mm,冷却液出口距离磨削平面的距离为40～70mm，冷却液出口方向与砂轮圆周面相切，冷却液压力为2～5bar，使冷却液形成湍流，冷却液回流占比≤75％，实现磨削过程中对硬质合金棒料的高效冷却，硬质合金不发生相变，磨制成的粗皮铣刀保持粘结相面心立方结构；
(3)粗皮铣刀的真空去应力热处理：将粗皮铣刀放入真空炉中进行，加热到350～400℃，保温2～3h，然后随炉冷却；此过程重复2～3次以释放粗皮铣刀在烧结、磨削过程中的残余应力，采用XRD检测其残余应力≤50MPa，粗皮铣刀保持粘结相面心立方结构；
(4)粗皮铣刀的TiAlN涂层制备：将热处理后的粗皮铣刀放入磁控溅射涂层炉中，先抽真空到低于5*10-3Pa，然后对炉内加热到350～400℃；再采用Ar离子对粗皮铣刀刻蚀30min；再向炉内通入0.2～0.4Pa的氮气，采用TiAl合金为靶，在粗皮铣刀表面沉积出2～3μm厚的TiAlN涂层，涂层结束后随炉冷却，涂层后的粗皮铣刀保持粘结相面心立方结构，其断裂韧性≥8MPa.m1/2，采用XRD检测其残余应力≤60MPa。
2.根据权利要求1所述的粗皮铣刀的制作方法，其进一步的特征在于：
(1)配料后将所有原料放入球磨机并加入无水乙醇进行48～72h球磨；球磨结束后，料浆经400目筛网过滤后在85～95℃下进行干燥，获得混合料；混合料在200～400MPa下压制成棒料，棒料烧结时的升温速度为10℃/min，烧结的真空度小于5Pa；
(2)粗皮铣刀的数控磨床磨制时，砂轮转速为20～35m/s；
(3)粗皮铣刀去应力热处理时的升温速度为2～4℃/min,真空度为小于5Pa；
(4)粗皮铣刀沉积TiAlN涂层时，基底施加的偏压为-30V～-60V，TiAl靶功率为1～5kW，沉积时间120～180min。
3.粗皮铣刀的制作方法中所用的五轴数控磨床，其进一步的特征在于：
(1)五轴数控磨床由床身、龙门立柱、X轴装置、Y轴装置、Z轴装置、A轴装置、C轴装置、砂轮系统、冷却系统、外壳和操作系统组成；
(2)五轴数控磨床的冷却系统中冷却液出口与砂轮磨削点距离在10～100mm范围可调，与磨削平面之间的距离在10～100mm范围可调，冷却液出口的方向在0～180°范围可调，冷却液压力在1～10bar范围可调。
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