CN113770432B - 加工镍基高温合金的复杂刃形SiAlON陶瓷刀片及盘铣刀刀柄 - Google Patents

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Abstract

本发明属于切削刀具领域，具体涉及一种加工镍基高温合金的复杂刃形SiAlON陶瓷刀片及盘铣刀刀柄。盘铣刀刀柄包括复杂刃形SiAlON陶瓷方刀片、铣刀盘、垫块、垫块上固定螺丝、垫块下固定螺丝、弹簧、压块固定螺丝、压块。所述刀具中垫块由垫块上固定螺丝和垫块下固定螺丝固定在铣刀盘上；复杂刃形SiAlON陶瓷刀片置于垫块的固定槽中，上置压块紧固；铣刀刀柄与复杂刃形SiAlON陶瓷刀片共同构成最终的切削角度。与常规的简单形状陶瓷刀具相比，具有复杂刃形的SiAlON陶瓷刀具在加工镍基高温合金时具有更低的切削温度和切削力，同时刀尖应力也更低，具有更好的切削性能。

Description

加工镍基高温合金的复杂刃形SiAlON陶瓷刀片及盘铣刀刀柄
技术领域
本发明属于切削刀具领域，具体涉及一种加工镍基高温合金的复杂刃形SiAlON陶瓷刀片及盘铣刀刀柄。
背景技术
航空高温合金材料由于具有良好的高温强度、抗氧化性、耐腐蚀能力、疲劳强度、断裂韧性和塑性，能在600℃以上高温环境下承受较大复杂应力，因而在航空、航天、船舶、能源等行业中被广泛应用。但是，高温合金的优异性能也给切削加工提出了更高的要求，由于切削温度高、切削力大等原因导致刀具磨损快、加工效率低、加工成本高。硬质合金刀具具有高的强度和硬度，但是其耐热性较差，使其切削速度非常低，不利于难加工材料整体毛坯高效切削加工的要求。陶瓷刀具具有高硬度、高耐磨性、高耐热性和良好的化学稳定性，在高速切削领域和切削难加工材料方面具有传统刀具无法比拟的优势。SiAlON陶瓷是Al2O3和Si3N4的一种固溶体，具有优异的综合力学性能和良好的高温性能，有研究表明，SiAlON陶瓷铣刀在585m/min的切削速度下高速切削加工高温合金，刀具寿命达到26分钟，约为硬质合金刀具的10倍。对于面向航空发动机高温合金叶片、叶盘、机匣等复杂构件的高效切削加工，SiAlON陶瓷刀具是最具潜力的刀具之一。
由于陶瓷刀具的烧结与制备较为困难，市售的商用陶瓷刀片都以简单平刀面的圆刀片与方刀片为主，同时相关的研究也非常少。然而刀具作为具备既定功能的金属切削用工具，其切削性能除了取决于刀具材料外，还取决与切削过程中的几何参数。对于直接参与切削过程的刀具切削部分，刀具的几何参数会影响刀具、切屑与工件三者之间的变形和相互作用，从而改变切削力、切削热以及刀具的磨损，并影响加工工件的表面完整性以及切屑的卷曲、折断与流向等，对刀具的切削性能及切削效果有重大的影响。因此，合理地优化刀具几何参数对提升刀具切削性能有重大的意义。
在发明人的一项研究中[Dongbo Hong,Juntang Yuan,Zengbin Yin,et.al.Ultrasonic-assisted preparation of complex-shaped ceramic cutting toolsby microwave sintering.2020,Ceramics International,46(12):20183-20190,DOI:10.1016/j.ceramint.2020.05.097]，已通过微波烧结技术仿制硬质合金刀具制备出了具有复杂刃形的陶瓷刀具，同时制备的陶瓷刀具在刀尖与刀身均具有优良的致密度且有优异的力学性能。在发明人另一项研究中[Dongbo Hong,Zengbin Yin,Fuzhou Guo，et.al.Microwave sintering of duplexα/β-SiAlON ceramic cutting inserts:modifying m,n,z values,sintering temperature and excess Y2O3 sinteringadditive.2021.DOI:10.21203/rs.3.rs-515032/v1]，通过微波烧结技术制备了具有优异性能的SiAlON陶瓷刀片。研究表明，在相同的刀片结构(圆刀片)和切削参数(vc＝800m/min,fz＝0.12mm/z,ap＝1.5mm)下，与国外商用SiAlON陶瓷刀片(肯纳KYS30刀片)相比，微波烧结制备的SiAlON陶瓷刀片在高速加工镍基高温合金中刀具寿命提升了75％，显示出了优异的切削性能。
在上述两项研究中，并没有针对陶瓷刀具材料性能和加工对象(高温合金)进行刀具结构的优化。由于陶瓷刀具硬度高而韧性差，因此在加工过程中易断裂破碎，不合适的刀具结构会极大弱化刀具性能。同时，由于镍基高温合金导热性能差，切削热更容易在刀尖聚集，从而减弱刀具性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于加工镍基高温合金的复杂刃形SiAlON刀片及盘铣刀刀柄，能保证刀具在不破裂的情况下提升刀具的切削性能。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种加工镍基高温合金的复杂刃形SiAlON陶瓷刀片，刀片整体呈方形，无后角，刀片四角带圆弧，刀片中心设有通孔，刀片上表面上设有中心凸台和复杂刃形，复杂刃形由依次设置的倒棱、切削刃和圆弧形断屑槽组成，断屑槽的圆弧半径R2为1.0-1.6mm，刀片前角γ1为6-10°，刀尖切削刃宽度L2为0.8-1.6mm，刀尖圆弧半径R1为0.8-1.6mm，倒棱宽度L1为0.04-0.12mm。
进一步的，刀片内切圆直径d1为12-16mm，厚度h为4.5-6.5mm，刀片中心通孔直径d2为4-5mm，主偏角为κr30-75°，中心凸台与刀尖高度差H1为0.1-0.2mm。
进一步的，还包括垫块，铣刀盘，垫块下固定螺丝，垫块上固定螺丝，压块固定螺丝和压块；
通过垫块下固定螺丝和垫块上固定螺丝将垫块安装在铣刀盘上，所述垫块上设有陶瓷刀片安装面，陶瓷刀片放在垫块安装面上，并通过压块和压块固定螺丝将陶瓷刀片夹紧固定在铣刀盘上。
进一步的，还包括弹簧，所述垫块上设有两个沉头孔，分别用于安装垫块下固定螺丝和垫块上固定螺丝，所述垫块上还设有台阶孔，台阶孔的主体为供压块固定螺丝穿过的螺纹孔，弹簧套设在压块固定螺丝外周、并设置在垫块和压块之间。
进一步的，安装刀片的安装面轴向安装角度γz为6-10°，径向安装角度γJ为6-10°。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：
(1)提供了一种具有复杂刃形的SiAlON铣刀刀片，与市售的简单平刀片相比，具有复杂刃形的刀片在切削中时切削力更小、切削温度更低，同时刀尖应力较低，加工中陶瓷刀具不易破碎失效，从而具有更好的切削性能；
(2)复杂刃形的SiAlON铣刀刀片具有断屑槽设计，在加工中可以减小切屑尺寸从而改善加工工况；
(3)在刀片中选择通孔而不是沉头孔，可以减小陶瓷刀具在烧结中沉头孔附近可能出现的裂纹；
(4)盘铣刀刀柄的垫块具有轴向安装角度和径向安装角度，垫块设计为可置换零件，通过更换垫块可以方便的改变刀具安装角度并适用于不同结构刀片。
附图说明
图1为本发明的盘铣刀刀柄爆炸装配图。
图2为本发明的垫块结构示意图。
图3为本发明的铣刀安装角度示意图。
图4为本发明的复杂刃形SiAlON陶瓷刀片三维结构图。
图5为本发明的复杂刃形SiAlON陶瓷刀片二维角度示意图；其中图(a)为俯视图，图(b)为侧视图，图(c)为图(a)的局部放大示意图。
图6为切削仿真结果图；其中(a)为普通平刀面SiAlON刀片等效应力云图，(b)为本发明复杂刃形SiAlON刀片刀尖部分等效应力云图，(c)为普通平刀面SiAlON刀片等效温度云图，(d)为本发明复杂刃形SiAlON刀片刀尖部分等效温度云图。
图7为切削仿真中普通平刀面SiAlON刀片和本发明复杂刃形SiAlON刀片切削力随铣削角度变化的曲线图。
附图标记说明：
1-复杂刃形SiAlON陶瓷方刀片，2-垫块，3-铣刀盘，4-垫块下固定螺丝，5-垫块上固定螺丝，6-弹簧，7-压块固定螺丝，8-压块，21-刀片安装面，22-垫块下固定螺丝安装台阶孔，23-垫块上固定螺丝安装台阶孔，24-压块固定螺丝安装螺纹孔，25-压块夹紧面。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
如图1-5所示，一种用于加工镍基高温合金的复杂刃形SiAlON陶瓷刀片及盘铣刀刀柄，复杂刃形SiAlON陶瓷刀片包括复杂刃形SiAlON陶瓷刀片1、垫块2、铣刀盘3、垫块下固定螺丝4、垫块上固定螺丝5、弹簧6、压块固定螺丝7、压块8。
如图3-5所示，复杂刃形SiAlON陶瓷刀片1，为方形刀片，无后角，刀片四角带圆弧，刀片中心为通孔用于安装定位。刀片的复杂刃形位于上表面，刃形带有倒棱，切削刃以及圆弧形断屑槽，具体表现为四条刃面的凹槽设计。刀片的中心凸台高于切削刃顶点。
如图1-2所示，垫块2用于连接复杂刃形SiAlON陶瓷刀片1以及铣刀盘3。垫块2上具有两个台阶孔，通过垫块下固定螺丝4和垫块上固定螺丝5可以将其固定在铣刀盘3。将垫块2安装在铣刀盘3上后，再将复杂刃形SiAlON陶瓷刀片1放在垫块2的安装面上，上置压块8，通过压块固定螺丝7穿过压块8拧入垫块2上的压块固定螺丝安装螺纹孔可以将复杂刃形SiAlON陶瓷刀片1夹紧，最终固定在铣刀盘3上。此外，在垫块2的螺纹孔与压块8之间装有弹簧6，主要用于调整压紧力。
刀片内切圆直径d1为12.7mm，厚度h为4.76mm，刀片中心通孔直径d2为4.0mm，主偏角为κr45°，断屑槽半径R2为1.0-1.6mm，凸台与刀尖高度差H1为0.1mm，刀具前角γ1为6-10°，刀尖切削刃宽度L2为0.8-1.6mm,刀尖圆弧半径R1为0.8-1.6mm，倒棱宽度L1为0.04-0.12mm。
安装刀片的安装面轴向安装角度γz为6-10°，径向安装角度γJ为6-10°。
实施例1
通过有限元仿真软件Third Wave Advantedge对具有复杂刃形的SiAlON刀片加工镍基高温合金的切削过程进行仿真，并与普通平刀面SiAlON刀具进行对比。
建模参数如下：
刀片：简单平刀面方刀片铣刀与具有复杂刃形的方刀片铣刀；
安装角度：轴向安装角度6°，径向安装角度10°；
刀片本构模型：SiAlON陶瓷；
工件本构模型：Inconel718镍基高温合金；
网格参数：最大网格0.3mm，最小网格0.03mm；
加工类型：逆铣削；
加工参数：切削速度800m/min，进给量0.12mm/z，切深1.5mm，铣削宽度33mm，铣削角度90°；
摩擦系数：0.6。
仿真结果：
由图6可以看出，在相同的加工条件下，具有复杂刃形的SiAlON陶瓷刀片的刀尖部分高应力区域小于平刀面SiAlON陶瓷刀片，这表明刀片磨损和破碎的可能性更低；同时，从温度云图可以看出，具有复杂刃形的SiAlON陶瓷刀片的刀尖部分高温度区域小于平刀面SiAlON陶瓷刀片，说明其散热条件更换，这对刀片性能是有益的。
从图7可以看出，具有复杂刃形的SiAlON陶瓷刀片的刀尖部分切削力显著小于平刀面SiAlON陶瓷刀片。在同样的加工条件下，较低的切削力可以降低刀片的刀尖应力从而提升刀具的切削寿命。
综上，可以表明本发明设计的SiAlON陶瓷刀片具有更适合于加工镍基高温合金的结果，具有极高的市场应用潜力。

Claims (2)

1.一种盘铣刀刀柄，其特征在于，包括刀片、垫块(2)、铣刀盘(3)、垫块下固定螺丝(4)、垫块上固定螺丝(5)、压块固定螺丝(7)、压块(8)和弹簧(6)；
所述刀片为一种加工镍基高温合金的复杂刃形SiAlON陶瓷刀片，刀片整体呈方形，无后角，刀片四角带圆弧，刀片中心设有通孔，刀片上表面上设有中心凸台和复杂刃形，复杂刃形由依次设置的倒棱、切削刃和圆弧形断屑槽组成，断屑槽的圆弧半径R2为1.0-1.6mm，刀片前角γ1为6-10°，刀尖切削刃宽度L2为0.8-1.6mm，刀尖圆弧半径R1为0.8-1.6mm，倒棱宽度L1为0.04-0.12mm；刀片内切圆直径d1为12-16mm，厚度h为4.5-6.5mm，刀片中心通孔直径d2为4-5mm，主偏角为κr30-75°，中心凸台与刀尖高度差H1为0.1-0.2mm；
通过垫块下固定螺丝(4)和垫块上固定螺丝(5)将垫块(2)安装在铣刀盘(3)上，所述垫块(2)上设有陶瓷刀片安装面，陶瓷刀片放在垫块(2)安装面上，并通过压块(8)和压块固定螺丝(7)将陶瓷刀片夹紧固定在铣刀盘(3)上；
所述垫块(2)上设有两个沉头孔，分别用于安装垫块下固定螺丝(4)和垫块上固定螺丝(5)，所述垫块(2)上还设有台阶孔，台阶孔的主体为供压块固定螺丝(7)穿过的螺纹孔，弹簧(6)套设在压块固定螺丝(7)外周、并设置在垫块(2)和压块(8)之间。
2.根据权利要求1所述的盘铣刀刀柄，其特征在于，安装刀片的安装面轴向安装角度γz为6-10°，径向安装角度γJ为6-10°。
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