CN115365775A - 一种大长径比微小径超硬刀具棒料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明中提供一种大长径比微小径超硬刀具棒料,具有过渡段结构,该结构可以对棒料的有效工作部分起到支撑保护作用,提高棒料的整体强度。本发明提出的一种大长径比微小径超硬刀具棒料制备方法,通过结合特殊的切割、焊接工艺,可以制造出有效工作部分长度远大于超硬刀具材料复合片总厚度的超硬刀具棒料,无需定制特殊尺寸超硬刀具材料复合片就可以制造出大长径比微小径超硬刀具棒料,降低了刀具棒料的制作成本,该棒料整体力学性能和加工稳定性更好,更易保证超硬微细刀具的制造质量和切削性能。

Description

一种大长径比微小径超硬刀具棒料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种大长径比微小径超硬刀具棒料及其制备方法,属于刀具制造技术领域。
背景技术
随着高新技术的不断发展,具有复杂结构的微小型零件在国防和民用领域的应用越来越广泛,这些微小型零件多采用高温合金、钛合金、硬质合金、碳化硅陶瓷等典型难加工材料制成,在加工过程中极易造成刀具磨损失效等问题,进而影响零件的加工质量和加工效率。而聚晶金刚石(PCD)、聚晶立方氮化硼(PCBN)等超硬刀具材料具有高强度、高硬度、高耐磨性、高导热系数、热变形小、各向同性等优点,由这类刀具材料所制造的超硬微细刀具耐磨性好且切削刃锋利度高,因此在微小型零件的精密加工方面具有显著优势。
用于制造超硬微细刀具的棒料通常采用三段式(图1(a))或(图1(b))五段式结构,其制造流程主要是采用电火花线切割或激光切割的方式从超硬刀具材料复合片上切割出圆柱复合片块,再将圆柱复合片块与硬质合金刀柄通过高频感应焊接的方式固结,进而得到超硬微细刀具棒料。如图1所示,这种超硬微细刀具棒料通常将焊接区域设置在刀颈处,焊缝越靠近刀柄方向,焊接区域面积越大,超硬刀具棒料的焊接强度越高,但这样用于形成切削刃的超硬刀具棒料的有效工作长度就越短,因此,超硬微细刀具棒料的有效工作长度严重受到超硬刀具材料复合片总厚度的限制。而且,目前市面上常见的超硬刀具材料复合片的总厚度小于8mm,超硬材料层厚度小于1mm,利用市面上常规尺寸的超硬刀具材料复合片难以制造出长径比较大的超硬微细刀具棒料。
发明内容
针对上述技术问题,本发明提供了一种大长径比微小径超硬刀具棒料及其制备方法,可以利用常规尺寸超硬刀具材料复合片制造出长径比10以上的超硬微细刀具棒料。
为了实现上述目的,本发明采用如下技术方案:一种大长径比微小径超硬刀具棒料,包括刀柄、刀颈、过渡段和有效工作部分,是由硬质合金棒材基体和超硬材料样块焊接组合而成。
本发明还提供了一种大长径比微小径超硬刀具棒料制备方法,包括以下步骤:
步骤1:硬质合金棒材基体精磨加工。采用段差磨削方法精磨出三段式硬质合金棒材基体,所述硬质合金棒材基体包括刀柄、刀颈和过渡段,刀颈为圆台结构,刀柄和过渡段为圆柱体结构;
步骤2:超硬材料样块激光/电火花切割加工。超硬刀具材料复合片包括超硬材料层和支撑层,通过激光加工或电火花线切割方法从超硬刀具材料复合片的超硬材料层切割出圆柱体或长方体的超硬材料样块;
步骤3:硬质合金棒材基体端面上微孔加工。利用电火花穿孔机在硬质合金棒材基体的过渡段端面上加工出微小盲孔,为后续插焊工艺预制出焊接孔;所述微小盲孔的截面形状为圆形或正方形,微小盲孔与硬质合金棒材基体同轴;
步骤4:插焊工艺。将超硬材料样块插入微小盲孔中,并在两者间隙中填充满钎焊焊料,采用真空钎焊方法将超硬材料样块与硬质合金棒材基体结合在一起,获得超硬刀具毛坯棒料,露出硬质合金棒材基体外的超硬材料样块部分形成超硬刀具毛坯棒料的有效工作部分;
步骤5:超硬刀具毛坯棒料激光减径加工。采用激光加工的方式对超硬刀具毛坯棒料进行外圆车削减径加工,将有效工作部分减径加工至合适的尺寸,同时修正步骤4中由于插焊工艺带来的硬质合金棒材基体和超硬材料样块的同轴度误差,形成大长径比微小径超硬刀具棒料。
进一步地,所述超硬刀具材料复合片为聚晶金刚石(PCD)复合片或聚晶立方氮化硼(PCBN)复合片。
进一步地,所述微小盲孔的深度L3=(0.3~0.6)L1,L1是超硬刀具棒料有效工作部分的长度;所述微小盲孔的直径d3≤0.8d2,d2是硬质合金棒材基体过渡段的直径;所述过渡段的长度L2=(0.1~0.3)L1
进一步地,所述超硬材料样块的形状与微小盲孔的截面形状对应,即切割出的超硬材料样块为圆柱体时选择截形为圆形的微小盲孔,切割出的超硬材料样块为长方体时选择截形为正方形的微小盲孔。
进一步地,所述大长径比微小径超硬刀具棒料的刀柄直径d0一般为3~4mm,公差等级为h6,有效工作部分的直径d1一般为0.1~1mm,棒料长径比d1/L1≥10。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:
(1)本发明所述的一种大长径比微小径超硬刀具棒料具有过渡段结构,该结构可以对棒料的有效工作部分起到支撑保护作用,提高棒料的整体强度。没有过渡段结构的棒料容易在有效工作部分与刀颈连接处出现严重的应力集中区域,该区域易发生刀具断裂失效,而本发明提出的具有过渡段结构的刀具棒料可以改善大长径比微小径超硬刀具棒料有效工作部分的应力分布情况,降低该部分的最大等效应力,进而提高棒料的强度。
(2)本发明提出的一种大长径比微小径超硬刀具棒料制备方法,通过结合特殊的切割、焊接工艺,可以制造出有效工作部分长度远大于超硬刀具材料复合片总厚度的超硬刀具棒料,无需定制特殊尺寸超硬刀具材料复合片就可以制造出大长径比微小径超硬刀具棒料,降低了刀具棒料的制作成本。
(3)本发明所述的制备方法通过插焊工艺将超硬材料样块与硬质合金棒材基体连接在一起,可以增加超硬材料样块与硬质合金棒材基体的焊接区域面积,提高两者连接部位的强度和刚度,有效避免超硬刀具棒料在后续减径加工、切削刃成型加工过程中易在焊接区域发生断裂失效的问题,同时,基于上述超硬刀具棒料所制备的大长径超硬微细刀具的整体力学性能和加工稳定性更好。
(4)基于本发明所述的制备方法获得的大长径比微小径超硬刀具棒料,其有效工作部分为单一超硬刀具材料,而不是包括超硬材料层和硬质合金支撑层的两层复合材料。由于超硬材料层与硬质合金支撑层不同的物理力学性能,在切削刃成型加工过程中采用相同的工艺参数加工这两层材料时,不可避免的会引起两层材料的加工质量不一致、两层材料过渡区加工缺陷等问题,降低所制备大长径超硬微细刀具的制造质量和切削性能。因此,采用本发明所述的制备方法获得的大长径比微小径超硬刀具棒料更易保证超硬微细刀具的制造质量和切削性能。
附图说明
图1是现有的超硬微细刀具棒料的结构示意图;
图2是本发明的一种大长径比微小径超硬刀具棒料的结构示意图和剖视图;
图3是本发明的一种大长径比微小径超硬刀具棒料的制备流程;
图4是本发明的一种大长径比微小径超硬刀具棒料实物图;
图5是本发明刀具棒料与无过渡段刀具棒料的应力分布仿真结果对比;
图中:1-刀柄,2-刀颈,3-过渡段,4-有效工作部分,5-超硬材料样块,6-硬质合金棒材基体。
具体实施方式
下面结合附图和实施例,对本发明进行详细描述。
如图2所示,一种大长径比微小径超硬刀具棒料,主要由硬质合金棒材基体6和超硬材料样块5焊接组合而成,其特征在于,包括刀柄1、刀颈2、过渡段3和有效工作部分4,其中,刀柄1的直径d0一般为3~4mm,公差等级为h6,有效工作部分4的直径d1一般为0.1~1mm,棒料长径比d1/L1≥10。
图3为上述一种大长径比微小径超硬刀具棒料的制备方法,包括以下步骤:
步骤1:硬质合金棒材基体6精磨加工。采用段差磨削方法精磨出三段式硬质合金棒材基体6,所述硬质合金棒材基体6的刀颈2为圆台结构,刀柄1和过渡段3为圆柱体结构;
步骤2:超硬材料样块5激光/电火花切割加工。超硬刀具材料复合片包括超硬材料层和支撑层,可以为聚晶金刚石(PCD)复合片或聚晶立方氮化硼(PCBN)复合片。通过激光加工或电火花线切割方法从超硬刀具材料复合片的超硬材料层切割出圆柱体或长方体的超硬材料样块5;
步骤3:硬质合金棒材基体6端面上微孔加工。利用电火花穿孔机在硬质合金棒材基体6的过渡段3端面上加工出微小盲孔,为后续插焊工艺预制出焊接孔;所述微小盲孔的截面形状为圆形或正方形,微小盲孔与硬质合金棒材基体6同轴;所述微小盲孔的深度L3=(0.3~0.6)L1,L1是超硬刀具棒料有效工作部分的长度;所述微小盲孔的直径d3≤0.8d2,d2是硬质合金棒材基体6过渡段3的直径;所述过渡段3的长度L2=(0.1~0.3)L1
步骤4:插焊工艺。将超硬材料样5块插入微小盲孔中,并在两者间隙中填充满钎焊焊料,采用真空钎焊方法将超硬材料样块5与硬质合金棒材基体6结合在一起,获得超硬刀具毛坯棒料,露出硬质合金棒材基体6外的超硬材料样块5部分形成超硬刀具毛坯棒料的有效工作部分4。
步骤5:超硬刀具毛坯棒料激光减径加工。采用激光加工的方式对超硬刀具毛坯棒料进行外圆车削减径加工,将有效工作部分4减径加工至合适的尺寸,同时修正步骤4中由于插焊工艺带来的硬质合金棒材基体6和超硬材料样块5的同轴度误差,形成大长径比微小径超硬刀具棒料。
优选地,所述超硬材料样块5的形状与微小盲孔的截面形状对应,即切割出的超硬材料样块5为圆柱体时选择截形为圆形的微小盲孔,切割出的超硬材料样块5为长方体时选择截形为正方形的微小盲孔。
图4为按照上述步骤制备的大长径比微小径超硬刀具棒料实物图,其中,硬质合金棒材基体选择IMC公司的UF12圆棒材料,超硬刀具材料复合片选择元素6公司的CMX850 PCD复合片;刀具整体长度L0=50mm,刀颈锥角θ=30°,刀柄直径d0=3mm;过渡段的直径d2=1.2mm,长度L2=3mm;有效工作部分的直径d1=0.8mm,长度L1=10mm,棒料长径比d1/L1=12.5;微小盲孔的深度L3=4mm,微小盲孔的直径为1mm。
依据图4中刀具棒料的尺寸和材料,建立大长径比微小径超硬刀具棒料的三维几何模型并进行静力学仿真,对比本发明刀具棒料与没有过度段的刀具棒料的应力分布仿真结果(见图5)可知,本发明中具有过渡段结构的刀具棒料的最大等效应力小于没有过渡段结构棒料,因此本发明提出的一种大长径比微小径超硬刀具棒料的整体强度更好。
上述虽然结合附图和实施例对本发明的具体实施方式进行了描述,但并非对本发明保护范围的限制,所述领域技术人员应该明白,在本发明的技术方案的基础上,本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (9)

1.一种大长径比微小径超硬刀具棒料,由硬质合金棒材基体和超硬材料样块焊接组合而成,其特征在于,包括沿轴向依次排布的刀柄、刀颈、过渡段和有效工作部分,其中,刀柄的直径d0=3~4mm,公差等级为h6,有效工作部分的直径d1=0.1~1mm,棒料长径比d1/L1≥10,L1是超硬刀具棒料有效工作部分的长度。
2.根据权利要求1所述的一种大长径比微小径超硬刀具棒料,其特征在于:所述刀颈为圆台结构,所述刀柄和所述过渡段为圆柱体结构。
3.根据权利要求1所述的一种大长径比微小径超硬刀具棒料,其特征在于:所述超硬刀具材料复合片为聚晶金刚石(PCD)复合片或聚晶立方氮化硼(PCBN)复合片。
4.根据权利要求1所述的一种大长径比微小径超硬刀具棒料,其特征在于:所述过渡段的长度L2=(0.1~0.3)L1
5.一种如权利要求1-4任一所述的大长径比微小径超硬刀具棒料的制备方法,包括:
步骤1:通过精磨加工对硬质合金棒材基体进行分段加工形成刀柄、刀颈和过渡段;
步骤2:通过激光加工或电火花线切割方法从超硬刀具材料复合片的超硬材料层切割出圆柱体或长方体的超硬材料样块;
步骤3:利用电火花穿孔机在硬质合金棒材基体的过渡段端面上加工出微小盲孔,该微小盲孔为后续插焊工艺预制出的焊接孔;所述微小盲孔的截面形状为圆形或正方形,微小盲孔与硬质合金棒材基体同轴;
步骤4:将超硬材料样块插入微小盲孔中,并在两者间隙中填充满钎焊焊料,采用真空钎焊方法将超硬材料样块与硬质合金棒材基体结合在一起,获得超硬刀具毛坯棒料,露出硬质合金棒材基体外的超硬材料样块部分形成超硬刀具毛坯棒料的有效工作部分;
步骤5:采用激光加工的方式对超硬刀具毛坯棒料进行外周进行车削加工,将有效工作部分减径加工至合适的尺寸,形成大长径比微小径超硬刀具棒料。
6.根据权利要求5所述的制备方法,其特征在于:所述步骤5中通过激光车削加工将有效工作部分加工至合适尺寸的同时修正步骤4中由于插焊工艺带来的硬质合金棒材基体和超硬材料样块的同轴度误差。
7.根据权利要求5所述的制备方法,其特征在于:所述微小盲孔的深度L3=(0.3~0.6)L1
8.根据权利要求5所述的制备方法,其特征在于:所述微小盲孔的直径d3≤0.8d2,d2是所述过渡段的直径。
9.根据权利要求5所述的制备方法,其特征在于:所述大长径比微小径超硬刀具棒料整体长度L0=50mm,刀颈锥角θ=30°。
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