CN102172823A

CN102172823A - 一种用于加工碳纤维增强塑料的多刃pcd铣刀及其制造方法

Info

Publication number: CN102172823A
Application number: CN2011100066842A
Authority: CN
Inventors: 王永国; 颜香平; 陈孝光; 刘钢
Original assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Current assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2011-01-13
Filing date: 2011-01-13
Publication date: 2011-09-07

Abstract

本发明涉及的是一种用于加工碳纤维增强塑料的多刃PCD铣刀及其制造方法，具体的说是硬质合金或钢质刀体的多刃聚晶金刚石（PCD）铣刀及其制造方法，由硬质合金或钢质刀体（含排屑槽和刀片槽）和焊接在刀片槽上的若干个PCD刀片组成。这种PCD刀具是铣削碳纤维增强塑料的理想刀具。用这种刀具加工碳纤维增强塑料复合材料时能得到比传统的涂层硬质合金刀具和涂层高速钢刀具更高的加工精度，更长的刀具寿命，更低的表面粗糙度和毛刺，更高的切削速度和加工效率。

Description

一种用于加工碳纤维增强塑料的多刃PCD铣刀及其制造方法

技术领域

本发明涉及的是机械加工技术领域，针对碳纤维增强塑料（CFRP）铣削加工的一种用于加工碳纤维增强塑料的多刃PCD铣刀及其制造方法。

背景技术

CFRP复合材料具有轻质、高强度、高的抗疲劳强度和抗热强度以及几乎为零的热膨胀系数等优良特性，被广泛应用于航空航天，汽车，高端体育器材等领域。特别是在飞机制造领域占有越来越重要的地位，其可以明显减轻飞机的重量，提高飞机性能。目前，空中客车A380总量的15%是碳纤维复合材料，而复合材料在美国B787 飞机上的用量甚至大于50%。

由于碳纤维增强塑料（CFRP）基体中含有纤维硬质成分，所以在切削碳纤维增强塑料的时候刀具必须具有很高的抗磨损能力以及足够的强度。另外碳纤维增强塑料（CFRP）本身具有各向异性，这也导致切削过程中切屑并非通过剪切而是通过折断纤维而形成。总之，切削碳纤维增强塑料与金属切削不一样，其在过程中易产生基体开裂、脱胶、分层、纤维断裂等破坏形式，据介绍, 在AV-8B 飞机的制造中, 由于CFRP 钻孔分层、劈裂导致的零件不合格率占全机CFRP 零件不合格率的60% 以上。所以选择一种适合加工碳纤维增强塑料的刀具显的尤为重要。目前加工碳纤维增强塑料主要有传统加工方式和特种加工方式。传统加工方式主要是用高速钢、硬质合金刀具来对碳纤维增强塑料进行切削加工，其中硬质合金比较适用于加工碳纤维增强塑料，通过加工碳纤维复合材料的钻削加工发现，采用硬质合金钻头加工时候分层少，毛刺以及钻头的磨损相对较少，但是刀具寿命短。传统加工刀具加工复合材料的质量越来越难以满足要求，特别是尺寸精度的要求，而且由于刀具和工件之间有接触，加工后会产生残余应力。加工碳纤维复合材料的特种加工方式主要包括激光束加工、高压水切割。其中激光切割的优点在于切缝小、速度快、能大量节省原材料和可以沿任何方向切割出各种复杂的形，而高压水切割主要优点是无切屑粉末飞扬而且切割后的质量高。但是相对于传统加工，特殊加工加工碳纤维增强塑料加工成本高，且操作复杂程度高。最近德国发明了一种加工碳纤维复合材料的新方法，其主要是采用微波加工技术，这种方法可以最大限度的减少废料和污染的产生，但是在加工的过程中对零件的安放要求比较严格。

PCD刀具材料具有硬度高、导热性好、热膨胀系数低、刃口锋利等优点，广泛应用于非金属材料和有色金属材料的高速切削加工。试验证明PCD刀具加工复合材料表现出优良的特性，其加工表面质量好，毛刺少，切削力低，刀具磨损慢寿命长。目前由于人造金刚石技术的发展，PCD刀具成本大幅降低，所以PCD刀具成为复合材料加工的一种理想刀具。

发明内容

本发明针对在现有技术下用于加工碳纤维增强塑料(CFRP)刀具存在的不足，提供一种用于加工碳纤维增强塑料的多刃PCD铣刀及其制造方法，具体的说是硬质合金或钢质刀体的多刃PCD铣刀及其制造方法，其排屑槽为直型或斜型，在刀体的刀片槽内高频焊接PCD刀片。

本发明是通过以下技术方案实现的：一种用于加工碳纤维增强塑料的多刃PCD铣刀及其制造方法，包括刀体、和若干个刀片，其特征在于所述刀片通过焊接形式沿刀体的中心轴线布置于刀体的刀槽中，有排屑槽位于刀片的前刀面一侧，并连接着刀片。

加工方法：首先将硬质合金刀体或钢质刀体进行加工，包括刀柄夹持部分外圆磨削，直型或斜型排屑槽的加工，PCD刀片槽的加工，然后在刀片槽上进行PCD片焊接，使用慢走丝切割机对PCD片分别进行粗、精线切割，最后在高精度金刚石磨床上对切削刃进行精密磨削实现刀具制造。

所述的刀柄外圆磨削是指：采用精密数控磨床将硬质合金或钢质刀柄的夹持部分磨削出圆跳动达到5微米以内的刀柄。

所述的直型或斜型排屑槽的加工是指利用金刚石砂轮（硬质合金刀体）或铣刀（钢质刀体）在刀体上磨削（或铣削）出排屑槽。

所述的PCD刀片槽的加工是指利用金刚石砂轮（硬质合金刀体）或铣刀（钢质刀体）在刀体上磨削（或铣削）出刀片槽。

所述的PCD片焊接是指：通过高频焊机将PCD刀片焊接到硬质合金（或钢质）刀柄的刀片槽内。

所述的使用慢走丝切割机对PCD片分别进行粗、精线切割指：

1）粗加工：对PCD片进行粗加工，预留出0.02mm的余量的刀片轮廓；

2）精加工：对PCD刀片进行精加工，预留出0.005mm的磨削余量的刀片轮廓；

所述的对切削刃进行精密磨削是指：利用金刚石砂轮在高精度金刚石磨床上磨削出表面粗糙度Ra达到0.02，跳动达到2~5微米的切削刃。

铣刀包括刀体和PCD刀片，在刀体上开有直的或斜的排屑槽和相应的PCD刀片槽，PCD刀片焊接在刀片槽里面。

所述的刀片为PCD复合片制成。

所述的PCD复合片的厚度为1~3mm。

所述的排屑槽为直槽或斜槽，斜槽时槽与轴线的夹角为8~12°。

本发明具有以下优点：可以高速切削复合材料，切削速度比硬质合金高3~10倍，转速最高可达15000rpm以上。表面粗糙度（Ra）可以降到0.8以下，边缘毛刺长度可以减小到10um。在同样的切削参数下，本发明的铣刀切削寿命是硬质合金刀具寿命的4~20倍，切削力是硬质合金刀具1/4~1/2，并且进给力平稳，振动小。解决了其他传统刀具的寿命短，加工效率低和质量差的问题。

附图说明

图1为刀具的正视图。

图2为未焊接刀片时刀体的左视图。

图3为刀具的左视图

图4为刀具排屑槽偏置情况下的左视图。

图5为带有斜槽的刀具俯视图。

图6刀片的等轴侧图。

图7为刀片的A向视图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细的说明，所有的实施都是以本发明技术方案为前提进行的，并且给出详细的实施过程和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。本发明的优先实施则结合附图详述如下：

实施例1（以2刃硬质合金刀体直槽PCD铣刀为例）

如图1和图3所示，本实例包括刀体（1）和PCD刀片（4），其中刀体（1）主要由排屑槽（2）和PCD刀片槽（3）组成。

所述刀体（1）采用精密数控磨床进行磨削外圆，圆跳动达到5微米以内。

所述的刀片（3）由PCD制成的，两个刀片的厚度相同，都为1~3mm。如图6和图7所示。刀片（3）主要包括前刀面（6），后刀面（5），切削刃（7）。刀片的前角为0°，径向后角β为4°~12°。轴向后角α为7°~9°。合理的后角的设置可以提高刀具的寿命。切削刃（7）位于前刀面6和后刀面5的交线上。PCD刀片采用高频焊机焊接在刀槽中，使用红外测温设备构成的闭环温度控制系统来控制温度。焊接完毕保温20分钟，保温时间如果太短，低于10分钟，会出现PCD刀片的断裂。保温时间过长直接影响加工生产效率。然后通过慢走丝切割机对PCD刀片线切割以达到要求。粗加工参数：脉冲电压180v，脉冲电流37A，磨削深度≤1mm。精加工参数：脉冲电压160V，脉冲电流6A，磨削深度≤0.05mm。最后利用金刚石砂轮在高精度金刚石磨床上磨削出表面粗糙度Ra达到0.02，跳动达到2~5微米的切削刃。

本铣刀主要用于复合材料的铣边和铣孔。切削速度可以在2000~15000rpm.,进给速度400~2400mm/min,粗糙度可达Ra0.8，边缘毛刺长度可以减小到10um。在同样的切削参数下，寿命是硬质合金刀具寿命的4~20倍，切削力是硬质合金刀具1/4~1/2，并且进给力平稳，振动小。解决了其他传统刀具的寿命低，加工效率和质量差的问题。

实施例2

所述排屑槽4为斜槽，与中心线成θ角，θ一般为8~12°。另外其圆周角φ为90~105°，可以根据排屑实际情况调整圆周角φ以保证排屑的顺畅，如图3所示。由于刀槽与排屑槽相连，且刀片的前刀面6不通过轴心，故在切削的时候刀具有前角。本实施例的其他方式与实施例1相同。

实施例3

所述的排屑槽4为直槽，其与中心线平行，其采用刀槽偏离中心面一段距离来K，K的值可以根据需要的情况来设置，如图4所示。也就是刀片的前刀面（6）不在对称平面上，即不通过轴心。这样刀具在进行切削加工的时候也会有前角，如图4所示的γ角。本实施例的其他方式与实施例1相同。

实施例4

所述的刀片（3）有四片，刀片（3）主要包括前刀面（6），后刀面（5），切削刃（7）。刀片（3）厚度为1~3mm，刀片的前角为0°，径向后角β为4°~12°。轴向后角α为7°~9°。切削刃（7）位于前刀面（6）和后刀面（5）的交线上。所述的四片刀片实行非均匀分布，这样可以减少刀具加工过程中的振动，提高加工质量。本实施例的其他实施方式与实施例1相同。

实施例5

上述铣刀的制造方法步骤：

1、刀片（3）通过高频焊接在刀片槽内，焊接完毕保温20分钟。最后通过慢走丝切割机对PCD刀片线切割以达到要求。

2、使用慢走丝切割机对PCD刀分别进行粗、精线切割。其分为：

3、对切削刃进行精密磨削加工，其是指：利用金刚石砂轮在高精度金刚石磨床上磨削出表面粗糙度Ra达到0.02，跳动达到2~5微米的切削刃（7）。

2）精加工：对PCD刀片进行精加工，预留出0.005mm的磨削余量的刀片轮廓。

Claims

1.一种用于加工碳纤维增强塑料的多刃PCD铣刀及其制造方法，包括刀体（1）、和若干个刀片（3），其特征在于所述刀片（3）通过焊接形式沿刀体（1）的中心轴线布置于刀体（1）的刀槽中，有排屑槽（2）位于刀片（3）的前刀面一侧，并连接着刀片（3）。

2.根据权利要求1所述的一种用于加工碳纤维增强塑料的多刃PCD铣刀，其特征在于所述构成刀体（1）的材料是硬质合金或钢质。

3.根据权利要求1所述的一种用于加工碳纤维增强塑料的多刃PCD铣刀，其特征在于所述刀片（3）厚度为1~3mm，主要包括前刀面（6），后刀面（5），切削刃（7）；刀片的前角为-3°~0°，径向后角β为4°~12°；轴向后角α为7°~9°；切削刃（7）位于前刀面（6）和后刀面（5）的交线上。

4.根据权利要求1所述的一种用于加工碳纤维增强塑料的多刃PCD铣刀，其特征在于排屑槽（2）为斜槽，其与中心线的夹角θ为8~12°；或者排屑槽（2）为直槽，且排屑槽（2）偏置一段距离的情况下刀具切削也具有前角。

5.根据权利要求1所述的一种用于加工碳纤维增强塑料的多刃PCD铣刀，排屑槽的角度φ为90°~105°。

6.根据权利要求1所述的一种用于加工碳纤维增强塑料的多刃PCD铣刀的制造方法，其特征在于所述刀片（3）是通过高频焊接在刀片槽内，焊接完毕保温20分钟；最后通过慢走丝切割机对PCD刀片线切割以达到要求。

7.根据权利要求6所述的一种用于加工碳纤维增强塑料的多刃PCD铣刀的制造方法，其特征在于使用慢走丝切割机对PCD片分别进行粗、精线切割指：

8.根据权利要求7中所述的一种用于加工碳纤维增强塑料的多刃PCD铣刀的制造方法，其特征在于切削刃需要进行精密磨削加工，其是指：利用金刚石砂轮在高精度金刚石磨床上磨削出表面粗糙度Ra达到0.02，跳动达到2~5微米的切削刃（7）。