CN114101767A - 一种波纹刀具及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及刀具成型的技术领域，更具体地，涉及一种波纹刀具及其制造方法，包括刀柄、刀头和若干刀刃，所述刀头位于所述刀柄的顶端，若干所述刀刃螺旋设置于所述刀头外周壁，若干所述刀刃设有波纹结构，所述刀刃设有螺旋前角，所述螺旋前角的大小为2°～7°。本发明中，刀刃的螺旋前角为2°～7°，螺旋前角小，避免刀刃强度降低而出现崩刃甚至断刀，提高了波纹刀具的寿命；同时，防止刀刃的螺旋前角过大导致刀刃附近散热面积变小，切削温度变高的现象，加快刀具和被加工材料的散热，防止材料与波纹刀具粘连，使刀具钝化，降低波纹刀具的损伤，延长波纹刀具的寿命，提高被加工材料的加工质量，适用于碳纤维及其复合材料的切削加工。
Description
技术领域
本发明涉及刀具成型的技术领域，更具体地，涉及一种波纹刀具及其制造方法。
背景技术
碳纤维及其复合材料具有比强度高、比模量大、减振性能好等优点，在航空航天、汽车、医疗器械、体育器械等领域的应用日益增多。在制作碳纤维及其复合材料时，常采用模压成型、纤维缠绕等方法进行整体塑性，但是该加工方法精确度较差，无法满足精密工件、超精密工件的需求，因此还需进行切削、磨削等后处理加工来获得良好的表面质量。
目前，刀具应用于碳纤维及其复合材料时，因其材料具有各向异性，在切削加工过程中，易产生毛刺、纤维撕裂、分层、崩边等加工缺陷，严重影响了工件的强度和疲劳寿命，以及工件的表面完整性。
中国专利公开了一种密齿精波纹铣刀，包括刀柄和安装在所述刀柄端部的刀头，所述刀头外周壁设置有螺旋型的波纹刃口，所述波纹刃口包括若干齿，每个所述齿均包括设置于顶部的平面以及设置于所述平面两侧的过渡面，该方案中，通过将普通波纹铣刀设置成密齿型，在齿顶设置平面，降低满刀铣削时的阻力，确保了产品的型线和粗糙度，但是该方案中，密齿精波纹铣刀的螺旋前角为32°，波纹刃口强度降低，用于碳纤维及其复合材料的切削加工时，易出现崩刃甚至断刀。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种波纹刀具及其制造方法，减小波纹刀具的螺旋前角，提高刀刃强度，防止出现崩刃和断刀，适用于碳纤维及其复合材料的切削加工。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
提供一种波纹刀具，包括刀柄、刀头和若干刀刃，所述刀头位于所述刀柄的顶端，若干所述刀刃螺旋设置于所述刀头外周壁，若干所述刀刃设有波纹结构，所述刀刃设有螺旋前角，所述螺旋前角的大小为2°～7°。
本发明的波纹刀具，刀刃螺旋设置于刀头外周壁，且刀刃设有波纹结构，可用于切削加工工件，刀刃的螺旋前角为2°～7°，若螺旋前角过小，会导致波纹刀具的切削力变小，刀刃锋利度不足，摩擦力较大，易积屑，加工工件的光洁度低；若螺旋前角过大，会使得刀刃强度降低，出现崩刃甚至断刀的现象，且散热面积小，易升高切削时的温度，对于碳纤维及其复合材料而言，高温会使得材料与刀刃粘连，使刀片钝化，加工质量低，降低波纹刀具的使用寿命，本实施例中，刀刃的螺旋前角的大小为2°～7°，避免刀刃强度降低而出现崩刃甚至断刀，加工碳纤维及其复合材料时，加快铣刀和被加工材料的散热，降低波纹刀具的损伤，延长波纹刀具的寿命，减小加工硬化，抑制积屑瘤的产生，提高被加工工件的加工质量，且可以提高波纹刀具刀刃的锋利度，减小切削变形，降低切削消耗。本发明的波纹刀具，强度高，寿命长，适用于碳纤维及其复合材料的切削加工。
进一步地，所述刀头开设有安装槽，所述刀刃安装于所述安装槽。安装槽除了用于安装刀刃外，还可在波纹刀具用于铣削加工时起到排屑的作用。
进一步地，所述刀刃为左旋设置，且左旋的角度大小为2°～4°。刀刃左旋设置，有利于铣削加工时切下的碎屑的尽快排出。
进一步地，所述刀刃设有后角，所述后角的大小为10°～20°。后角的设置，可以防止刀刃与加工工件上的已加工工面摩擦，保证加工表面的光洁度，同时减少对波纹刀具的磨损，提高波纹刀具的耐用度。
进一步地，所述波纹结构包括若干设于所述刀刃的刃口和刃牙，所述刃口呈圆弧形，相邻所述刃口通过所述刃牙连接，所述刃口的半径为0.25mm～0.3mm，所述刃牙的长度为0.9mm～1mm。通过利用若干刃口减小切削宽度，将整体切屑变成局部切屑，大大降低了刀刃开裂和分层损伤，提高波纹刀具的使用寿命，且通过若干刃牙的设置，提高了铣削加工效率。
进一步地，相邻所述刀刃上对应的刃口之间沿刀头的中心线错位0.5mm～0.6mm设置。保证对加工工件的精细化加工，提高加工工件的成品率，使得被加工材料不起毛刺，光整度高，提高铣削加工效率。
本发明还提供一种波纹刀具的制造方法，包括以下步骤：
S1：准备料棒，对料棒进行段差处理，制成刀头和刀柄；
S2：将若干螺旋前角为2°～7°的刀刃安装于刀头的外周壁，形成初始刀具；
S3：根据设计要求对刀刃进行加工出波纹结构，完成波纹刀具的制造。
本发明的波纹刀具的制造方法，加工出螺旋前角为2°～7°的刀刃，可以提高波纹刀具刀刃的锋利度，减小切削变形，降低切削消耗，减小加工硬化，抑制积屑瘤的产生，提高加工工件的表面质量，且螺旋前角小，避免刀刃强度降低而出现崩刃甚至断刀，提高了波纹刀具的寿命，同时，防止刀刃的螺旋前角过大导致刀刃附近散热面积变小，切削温度变高的现象，加快刀具和被加工材料的散热，降低波纹刀具的损伤，延长波纹刀具的寿命，提高被加工材料的加工质量。本发明的波纹刀具，强度高，寿命长，适用于碳纤维及其复合材料的切削加工。
优选地，步骤S2中，需先在刀头切削加工出若干安装槽，再对刀刃进行校准并用合金粉末粘于安装槽中进行焊接。
步骤S3中，加工波纹结构时，利用激光切削加工刀刃以在刀刃上形成间隔相同的刃口，使相邻刀刃上对应的刃口错位设置，且相邻刃口通过刃牙连接，同时利用激光切削加工刀刃以使刀刃具有10°～20°的后角，防止刀刃与加工工件上的已加工工面摩擦，保证加工表面的光洁度，并提高刀刃的耐用度。
优选地，步骤S3中，加工出波纹结构后，还需要对波纹刀具进行传统砂轮精磨，提高刀刃精度。
本发明的波纹刀具及其制造方法与背景技术相比，产生的有益效果为：
螺旋前角可以提高波纹刀具刀刃的锋利度，减小切削变形，降低切削消耗，减小加工硬化，抑制积屑瘤的产生，提高加工工件的表面质量，且螺旋前角小，避免刀刃强度降低而出现崩刃甚至断刀，提高了波纹刀具的寿命；同时，防止刀刃的螺旋角度过大导致刀刃附近散热面积变小，切削温度变高的现象；适用于碳纤维及其复合材料的切削加工；安装槽的设置，便于波纹刀具进行铣削加工时进行排屑；相邻刀刃上的刃口错位设置，能够对加工工件进行精细化加工，提高加工质量和成品率；将激光加工技术与传统精磨技术相结合，降低波纹刀具的制作成本，提高波纹刀具的加工速度，且提高了波纹刀具的加工精度，对加工工件进行加工时，可以提高加工工面的美观性，波纹刀具性能优良，适宜推广使用。
附图说明
图1为本发明实施例中波纹刀具在第一视角的结构示意图；
图2为图1中A-A处的剖视图；
图3为本发明实施例中波纹结构的结构示意图；
图4为本发明实施例中螺旋前角-切削力关系图；
图5为本发明实施例中波纹刀具的制造流程图；
附图中：1-刀柄；2-刀头；3-安装槽；4-刀刃；41-刃口；42-刃牙。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
实施例一
如图1、图2所示，一种波纹刀具，包括刀柄1、刀头2和若干刀刃4，刀头2位于刀柄1的顶端，若干刀刃4螺旋设置于刀头2外周壁，若干刀刃4设有波纹结构，刀刃4设有螺旋前角，螺旋前角的大小为2°～7°。
上述的波纹刀具，刀刃4螺旋设置于刀头2外周壁，且刀刃4设有波纹结构，可用于切削加工工件，刀刃4的螺旋前角的大小为2°～7°，如图4所示，若螺旋前角过小，会导致波纹刀具的切削力变小，刀刃4锋利度不足，摩擦力较大，易积屑，加工工件的光洁度低；若螺旋前角过大，会使得刀刃4强度降低，出现崩刃甚至断刀的现象，且散热面积小，易升高切削时的温度，对于碳纤维及其复合材料而言，高温会使得材料与刀刃4粘连，使刀片钝化，加工质量低，降低波纹刀具的使用寿命，本实施例中，刀刃4的螺旋前角的大小为2°～7°，避免刀刃4强度降低而出现崩刃甚至断刀，加工碳纤维及其复合材料时，加快刀具和被加工材料的散热，降低波纹刀具的损伤，延长波纹刀具的寿命，减小加工硬化，抑制积屑瘤的产生，提高被加工工件的加工质量，且可以提高波纹刀具刀刃4的锋利度，减小切削变形，降低切削消耗。本发明的波纹刀具，强度高，寿命长，适用于碳纤维及其复合材料的切削加工。
刀柄1和刀头2均为钨钢结构，刀柄1和刀头2的强度高、韧性好，且具有耐热和耐腐蚀等能力。
刀刃4加工碳纤维及其复合材料时，刀刃4磨损大，刀刃4为聚晶金刚石结构，由于聚晶金刚石结构是取向不一的细精粒金刚石烧结体，表现为各向同性，不易沿单一解理面裂开，刀刃4的硬度高、抗压强度高、耐磨性好，适用于对碳纤维及其复合材料进行切削加工，加工时更加轻快，被加工材料不起毛刺，光整度高。
刀头2开设有安装槽3，刀刃4安装于安装槽3，具体地，刀刃4通过合金粉末粘结焊接于安装槽3，安装槽3除了用于安装刀刃4，还可在波纹刀具用于铣削加工时起到排屑的作用。
刀刃4为左旋设置，且左旋的角度大小为2°～4°。刀刃4左旋设置，有利于铣削加工时切下的碎屑的尽快排出。
刀刃4设有后角，后角的大小为10°～20°。后角的设置，可以防止刀刃4与加工工件上的已加工工面摩擦，保证加工表面的光洁度，同时减少对波纹刀具的磨损，提高波纹刀具的耐用度。
如图3所示，波纹结构包括若干设于刀刃4的刃口41和刃牙42，刃口41呈圆弧形，相邻刃口41通过刃牙42连接，刃口41的半径为0.25mm～0.3mm，刃牙42的长度为0.9mm～1mm。本实施例中，通过利用若干刃口41减小切削宽度，将整体切屑变成局部切屑，大大降低了刀刃4开裂和分层损伤，提高波纹刀具的使用寿命，且通过若干刃牙42的设置，提高了铣削加工效率。
相邻刀刃4上对应的刃口41之间沿刀头2的中心线错位0.5mm～.6mm设置，对加工工件进行铣削加工时，同一刀刃4上相邻两个刃口41之间的刃牙42对应的加工面与另一刀刃4上的刃口41对应，保证对加工工件的精细化加工，提高加工工件的成品率，使得被加工材料不起毛刺，光整度高，提高铣削加工效率。
实施例二
本实施例与实施一类似，所不同之处在于，刀刃4包括均匀螺旋设置于刀头2外周壁的第一刀刃、第二刀刃和第三刀刃，且第一刀刃、第二刀刃和第三刀刃的旋向均为左旋，螺旋角度均为3°，螺旋前角为5°，后角为15°，此时，波纹刀具的切削力为106N，刃口41的半径为0.25mm，刃牙42长度为1mm，第一刀刃的端部与其上的第一个刃口41的距离为2mm，第二刀刃的端部与其上的第一个刃口41的距离为2.5mm，第三刀刃的端部与其上的第一个刃口41的距离为3mm，使第二刀刃上的刃口41与第一刀刃、第三刀刃上的对应刃口41错位0.5mm，第一刀刃上的刃口41与第三刀刃上对应的刃口41错位1mm，使得波纹刀具加工时更加稳定，并提高加工效率；相邻刀刃4上的刃口41错位设置，能够对加工工件进行精细化加工，提高加工质量和成品率；且相邻刃口41之间形成刃牙42，刃牙42为平面结构，利用刃牙42可进一步提高波纹刀具进行铣削加工时的加工效率。
实施例三
本实施例与实施例二类似，所不同之处在于，且第一刀刃、第二刀刃和第三刀刃的旋向均为左旋，螺旋角度均为2°，螺旋前角为2°，后角为10°，此时，波纹刀具的切削力为92N，刃口41的半径为0.27mm，刃牙42长度为0.9mm，第一刀刃的端部与其上的第一个刃口41的距离为2mm，第二刀刃的端部与其上的第一个刃口41的距离为2.6mm，第三刀刃的端部与其上的第一个刃口41的距离为3.2mm，使第二刀刃上的刃口41与第一刀刃、第三刀刃上的对应刃口41错位0.6mm，第一刀刃上的刃口41与第三刀刃上对应的刃口41错位1.2mm，使得波纹刀具加工时更加稳定，并提高加工效率；相邻刀刃4上的刃口41错位设置，能够对加工工件进行精细化加工，提高加工质量和成品率；且相邻刃口41之间形成刃牙42，刃牙42为平面结构，利用刃牙42可进一步提高波纹刀具进行铣削加工时的加工效率。
实施例四
本实施例与实施例二类似，所不同之处在于，且第一刀刃、第二刀刃和第三刀刃的旋向均为左旋，螺旋角度均为4°，螺旋前角为7°，后角为20°，此时，波纹刀具的切削力为90N，刃口41的半径为0.3mm，刃牙42长度为0.95mm，第一刀刃的端部与其上的第一个刃口41的距离为2mm，第二刀刃的端部与其上的第一个刃口41的距离为2.55mm，第三刀刃的端部与其上的第一个刃口41的距离为3.1mm，使第二刀刃上的刃口41与第一刀刃、第三刀刃上的对应刃口41错位0.55mm，第一刀刃上的刃口41与第三刀刃上对应的刃口41错位0.95mm，使得波纹刀具加工时更加稳定，并提高加工效率；相邻刀刃4上的刃口41错位设置，能够对加工工件进行精细化加工，提高加工质量和成品率；且相邻刃口41之间形成刃牙42，刃牙42为平面结构，利用刃牙42可进一步提高波纹刀具进行铣削加工时的加工效率。
实施例五
一种波纹刀具的制备方法，如图5所示，包括以下步骤：
(1)准备钨钢料棒，根据实际要求，在段差磨床上设置转速为1000rpm～1200rpm，设置进给量为0.5mm/min～1mm/min，对钨钢料棒进行段差处理，加工出刀头2和刀柄1；
(2)将段差处理后的钨钢料棒套上夹具，安装在五轴数控多功能磨床上，设置砂轮转速为3100rpm～3500rpm，设置进给量为0.05mm/z～0.12mm/z，在刀头2切削加工出三个安装槽3；
(3)将以聚晶金刚石为材料的刀刃4用合金粉末分别粘于安装槽3中形成初始刀具，校准刀刃4安装位置，使刀刃4具有5°的螺旋前角，然后将刀具放入真空焊接机内，持续以750℃加热90min，焊接完成后，等待温度下降，取出初始刀具；
(4)将初始夹具套上夹具，安装在激光五轴加工中心，利用探针定位刀刃4参数和安装角度，利用激光对刀刃4表面无冲击切削加工，根据设计要求加工刀刃4轮廓，激光切削加工形成间隔相同的刃口41，三组刀刃4的端部与其上的第一个刃口41的距离分别为2mm、2.5mm和3mm，使相邻刀刃4上对应的刃口41具有同样的错位，同时利用激光切削加工刀刃4以使刀刃4具有10°～20°的后角。(5)利用传统砂轮精磨技术，将初始刀具放至强力研磨机上进行打磨修正，设置砂轮转速为2000rpm～2200rpm，对刀刃4进行精细研磨。
步骤(2)中，安装槽3除了用于安装刀刃4外，还可在波纹刀具用于铣削加工时起到排屑的作用。
步骤(3)中，对刀刃4安装位置进行校准，可使波纹刀具的精确度更高；待降温后取出初始刀具，避免温度过高对工作人员造成伤害，同时防止因真空焊接机内外温度相差多大，导致取出的波纹刀具的刀刃4变黄，降低刀刃4的硬度和韧性。
步骤(4)中，相邻的刃口41之间形成刃牙42，利用若干刃牙42可提高波纹刀具进行铣削加工时的加工效率；利用对应刃口41之间的错位可使得被加工工件不起毛刺，光整度高，提高加工质量。
步骤(4)中，在波纹刀具进行铣削加工时，利用后角，可以防止刀刃4与加工工件上的已加工工面摩擦，保证加工表面的光洁度，并提高刀刃4的耐用度
本实施例中，将激光加工技术与传统砂轮精磨结合，可以减少加工成本，降低加工时间，提高加工效率，且提高了波纹刀具的加工精度，对加工工件进行加工时，可以提高加工工面的美观性，波纹刀具性能优良，适宜推广使用
在上述具体实施方式的具体内容中，各技术特征可以进行任意不矛盾的组合，为使描述简洁，未对上述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。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种波纹刀具，包括刀柄(1)、刀头(2)和若干刀刃(4)，所述刀头(2)位于所述刀柄(1)的顶端，若干所述刀刃(4)螺旋设置于所述刀头(2)外周壁，若干所述刀刃(4)设有波纹结构，其特征在于，所述刀刃(4)设有螺旋前角，所述螺旋前角的大小为2°～7°。
2.根据权利要求1所述的波纹刀具，其特征在于，所述刀头(2)开设有安装槽(3)，所述刀刃(4)安装于所述安装槽(3)。
3.根据权利要求1所述的波纹刀具，其特征在于，所述刀刃(4)为左旋设置，且左旋的角度大小为2°～4°。
4.根据权利要求1所述的波纹刀具，其特征在于，所述刀刃(4)设有后角，所述后角的大小为10°～20°。
5.根据权利要求1所述的波纹刀具，其特征在于，所述波纹结构包括若干设于所述刀刃(4)的刃口(41)和刃牙(42)，所述刃口(41)呈圆弧形，相邻所述刃口(41)通过所述刃牙(42)连接，所述刃口(41)的半径为0.25mm～0.3mm，所述刃牙(42)的长度为0.9mm～1mm。
6.根据权利要求5所述的波纹刀具，其特征在于，相邻所述刀刃(4)上对应的刃口(41)之间沿刀头(2)的中心线错位0.5mm～0.6mm设置。
7.一种如权利要求1至6任一项所述的波纹刀具的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：准备料棒，对料棒进行段差处理，制成刀头(2)和刀柄(1)；
S2：将若干螺旋前角为2°～7°的刀刃(4)安装于刀头(2)的外周壁，形成初始刀具；
S3：根据设计要求对刀刃(4)进行加工出波纹结构，完成波纹刀具的制造。
8.根据权利要求7所述的波纹刀具的制造方法，其特征在于，步骤S2中，需先在刀头(2)切削加工出若干安装槽(3)，再对刀刃(4)进行校准并用合金粉末粘于安装槽(3)中进行焊接。
9.根据权利要求7所述的波纹刀具的制造方法，其特征在于，步骤S3中，加工波纹结构时，利用激光切削加工刀刃(4)以在刀刃(4)上形成间隔相同的刃口(41)，使相邻刀刃(4)上对应的刃口(41)错位设置，且相邻刃口(41)通过刃牙(42)连接，同时利用激光切削加工刀刃(4)以使刀刃(4)具有10°～20°的后角。
10.根据权利要求7所述的波纹刀具的制造方法，其特征在于，步骤S3中，加工出波纹结构后，还需要对波纹刀具进行传统砂轮精磨。
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