專利名稱：用于高速切削強(qiáng)化工藝的特種銑刀設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一項(xiàng)特種銑削刀片設(shè)計(jì)方法，特別是一種用于制備高疲勞壽命工 作表面的專用工具(特種端面銑削刀具)的設(shè)計(jì)方法，屬于表面改性與工具設(shè)計(jì) 技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
歷史統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)與失效分析表明，機(jī)械零部件的失效大多發(fā)生于表面，或者 是先從表面開始，并以循環(huán)損傷(空洞或剪切帶)或微裂紋萌生的形式，逐漸 向內(nèi)部發(fā)展，最后導(dǎo)致斷裂。作為提高工件表面機(jī)械性能和抗蝕性能的各種工藝方法的總稱，按表面 強(qiáng)化技術(shù)的物理化學(xué)過程，目前工業(yè)界所使用的表面強(qiáng)化手段大致可以分為表 面形變強(qiáng)化、表面熱處理強(qiáng)化、化學(xué)熱處理強(qiáng)化、表面冶金強(qiáng)化、以及表面薄 膜強(qiáng)化等若干類。但這些方法也都有其使用的局限性與不足。上述強(qiáng)化技術(shù)均需在傳統(tǒng)機(jī) 械加工獲得理想尺寸形狀之后，在較為復(fù)雜的工藝設(shè)備中，通過相對(duì)繁瑣的工 藝流程對(duì)工件進(jìn)行強(qiáng)化處理，這不但增加了生產(chǎn)工序的復(fù)雜度，也必將提高工 件的生產(chǎn)成本，降低企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)。對(duì)于噴丸、擠壓等表面形變強(qiáng)化工藝而 言，金屬表面獲得理想殘余應(yīng)力場分布的部分代價(jià)，將是該加工表面的表面質(zhì) 量(尤其是表面粗糙度)有所降低。金屬切削過程就本質(zhì)上而言是一種金屬受擠壓而發(fā)生彈、塑性變形，進(jìn) 而發(fā)生斷裂的過程。隨著刀具-切屑、刀具-工件之間摩擦的發(fā)生與切屑變形 的發(fā)展，在三個(gè)切削變形區(qū)內(nèi)將會(huì)產(chǎn)生大量的切削熱與極高的切削力。因此， 在切削變形區(qū)附近，依靠切削力效應(yīng)與切削熱效應(yīng)的共同作用，工件加工表面 存在有發(fā)生表面強(qiáng)化的客觀物理?xiàng)l件。切削加工是絕大多數(shù)重要工作表面的最終加工形式。如果能夠在工件余 量切除階段就可以對(duì)加工表面進(jìn)行強(qiáng)化與改性處理，從而省去諸如噴丸、滾壓、 熱處理、涂覆等強(qiáng)化工藝，對(duì)于提高生產(chǎn)效率、降低制造成本將具有重要應(yīng)用 價(jià)值。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中所存在的問題與不足，提供了一種依靠機(jī)械加工自身 所伴生的切削熱與切削力效應(yīng)，能夠在金屬表面實(shí)現(xiàn)與噴丸強(qiáng)化相同效果的表面 機(jī)械強(qiáng)化工藝及其專用工具(特種銑削刀具)的設(shè)計(jì)方法。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明首先對(duì)機(jī)械加工中所使用的切 削刀具主要工作角度與刃口幾何形狀進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，增大金屬晶粒的擠壓與拉伸 的程度，實(shí)現(xiàn)對(duì)第三剪切變形區(qū)(即工件加工表面層)金相組織的微晶細(xì)化與壓 應(yīng)力場生成。之后，根據(jù)工件材料的原始組織結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)切削用量進(jìn)行優(yōu)化選 擇，控制加工表面的熱源運(yùn)動(dòng)規(guī)律，從而獲得高殘余壓應(yīng)力場分布的高疲勞壽命 加工表面。以下對(duì)本發(fā)明的制備方法作進(jìn)一步的說明，具體內(nèi)容如下 (1)選擇合理的刀具材料與切削幾何參數(shù)考慮到陶瓷與CBN刀具的硬度高、耐磨性好、尤其高溫性能好、化學(xué)穩(wěn)定 性強(qiáng)，當(dāng)工件材料為體心立方結(jié)構(gòu)材料(合金鋼、不銹鋼等)時(shí)，首先選擇具有 高硬度、高韌性的陶瓷或CBN刀具材料。當(dāng)加工的工件材料為純金屬或有色金 屬材料，硬質(zhì)合金刀具也能夠滿足本方法的使用要求。今刀具幾何參數(shù)選擇刀具切削部分的幾何參數(shù)影響著工件材料的變形與摩擦，不僅決定了作用于 加工表面的正壓力的大小，而且對(duì)于切削變形區(qū)的熱效應(yīng)場形狀也有重要作用。為保證切削時(shí)的刃口強(qiáng)度，主切削刃的刃傾角約為-15°~-20°。主切削刃 上的負(fù)倒棱寬度6n約為0.3 0.5mtn、倒棱角度約為20°~30°。過渡切削刃的寬度 約為1.5~2mm。修光刃的寬度為2~4mm,倒棱寬度約為0.1~0.2mm、倒棱角度 約為20° 30°。主切削刃的主偏角《r需控制在45°~75°之間，過渡刃偏角i&s=20°,修光 刃偏角i&尸0。。刀尖圓弧需在1.6 3.5mm范圍內(nèi)。最后，在過渡刃與修光刃的 后刀面上需磨制出寬度0.1 ~ 0.2mm, 0°角的平面。平面粗糙度需低于Ra 0.1 y m。今刀具刃口修磨首先，使用粒度450的油石修磨修光刃部分。修光刃上需磨制出寬度 0.1 0.2mrn, 0。角的平面，平面粗糙度需低于RaO.l)am。當(dāng)修光刃磨出后，沿修 光刃開出副后角，最后再將主切削刃、過渡刃以及修光刃的交接處修研出半徑為 2-3.5mm的圓弧面。刀具刃口修磨與切削用量的組合是否合理，應(yīng)以試切時(shí)的切屑形貌是否為細(xì)長螺旋屑為判斷依據(jù)。 今特種刀片在刀盤中的配比工業(yè)生產(chǎn)中的端面銑削所用的刀盤多為多齒刀盤。若將全部刀片均換為本發(fā) 明所提及的特種刀片，則切削過程的穩(wěn)定性將變差，易出現(xiàn)切削振顫現(xiàn)象。為此, 需將特種刀片與標(biāo)準(zhǔn)刀片間隔排列安裝。加工高硬度材料時(shí)，選擇4:1配比安排 刀片，加工中低硬度材料時(shí)，選擇2:1配比安排刀片。 (2)優(yōu)化切削工藝參數(shù)隨著切削刃在工件表面高速移動(dòng)，切削變形與摩擦過程在刃口區(qū)所累計(jì)的 切削熱效應(yīng)區(qū)也將快速移動(dòng)?？刂迫锌趨^(qū)域的快速移動(dòng)的目的在于控制熱源(刃 口區(qū))周圍的熱傳播效應(yīng)。通過對(duì)切削參數(shù)進(jìn)行工藝優(yōu)化，不僅能夠改變切削變形區(qū)的熱源峰值強(qiáng)度 值，而且能夠控制瞬態(tài)熱源的移動(dòng)速度。本發(fā)明需要增加瞬態(tài)熱源的移動(dòng)速度 和成比例增大熱源功率，確保加工表面區(qū)域材料組織加熱到超過工件材料原始組織相變溫度Ac3以上。該熱效應(yīng)區(qū)的長度與熱源移動(dòng)速度成正比例，其寬度趨近一個(gè)極限值(純金屬材料為0.1-0.3nrni，合金鋼材料為0.2-0.5mm)。當(dāng) 熱源移動(dòng)速度，也就是切削線速度，超過一定范圍后(純金屬材料為560~770 m/min,合金鋼材料為180~240m/min),工件表面的熱傳播將主要在垂直于熱 源運(yùn)動(dòng)的方向進(jìn)行。此時(shí)，需控制切削深度與進(jìn)給量的比例不能超過2 5。 本發(fā)明具有實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著進(jìn)步，該制備方法簡單，成本低廉，適用條件廣泛，已在有色純金屬和合金材料(含不銹鋼、高、低碳鋼)表面層獲得與常規(guī) 噴丸類似甚至更優(yōu)的殘余壓應(yīng)力場分布與顯微硬度分布。所制備的加工表面具有 良好的綜合性能，如耐磨性、疲勞強(qiáng)度、耐蝕性等，可以直接服役于高應(yīng)力與交 變載荷作用的工作表面。鑒于上述特點(diǎn)，本發(fā)明具有良好的巿場應(yīng)用前景和商業(yè)價(jià)值。
權(quán)利要求
1. 一種用于高速切削強(qiáng)化工藝的特種銑削刀具的設(shè)計(jì)方法與加工工藝，其特征在于所述的設(shè)計(jì)方法與工藝包括通過改變銑削刀片(或刀齒)的主要工作角度、刃口形狀，以及該刀片(或刀齒)在刀盤(或刀體)中重組排列位置，獲得加工余量高效去除率的同時(shí)，在第三剪切變形區(qū)(即工件加工表面層)實(shí)現(xiàn)劇烈塑性變形與晶粒細(xì)化，并結(jié)合工件材料原始組織結(jié)構(gòu)，調(diào)整切削用量的組合，控制切削變形區(qū)域的熱源移動(dòng)規(guī)律，獲得具有殘余壓應(yīng)力場分布的高疲勞壽命加工表面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于高速切削強(qiáng)化工藝的特種銑削刀具的設(shè)計(jì)方法與加工 工藝，其特征在于:為保證刀具在切削時(shí)的刃口強(qiáng)度，主切削刃的刃傾角約為-15°~-20。，主切削刃上的負(fù)倒棱寬度brl約為0.3 0.5mm、倒棱角度約為20°~30°，過渡切削刃 的寬度約為1.5 2mm,修光刃的寬度為2~4mm,倒棱寬度約為0.1~0.2mm、倒棱角度約 為20o~30o。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于高速切削強(qiáng)化工藝的特種銑削刀具的設(shè)計(jì)方法與加工 工藝，其特征在于:主切削刃的主偏角Kr需控制在45。 ~75°之間，過渡刃偏角Krs二20 °,修光刃偏角Krl-0。，刀尖圓弧需在1.6-3.5mm范圍內(nèi)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于高速切削強(qiáng)化工藝的特種銑削刀具的設(shè)計(jì)方法與加工 工藝，其特征在于:使用粒度450的油石修磨修光刃部分，修光刃上需磨制出寬度0.1 0.2mm， 0。角的平面，平面粗糙度需低于Ra O.lpm。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的用于高速切削強(qiáng)化工藝的特種銑削刀具的設(shè)計(jì)方法與加工 工藝，其特征在于:當(dāng)修光刃磨出后，沿修光刃開出副后角，最后再將主切削刃、過渡 刃以及修光刃的交接處修研出半徑為2-3.5mm的圓弧面,刀具刃口修磨與切削用量的 組合是否合理，應(yīng)以試切時(shí)的切屑形貌是否為細(xì)長螺旋屑為判斷依據(jù)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的用于髙速切削強(qiáng)化工藝的特種銑削刀具的設(shè)計(jì)方法與加工 工藝，其特征是，需將特種刀片與標(biāo)準(zhǔn)刀片間隔排列安裝。加工高硬度材料時(shí)，選擇 4:1配比安排刀片，加工中低硬度材料時(shí)，選擇2:1配比安排刀片。7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的用于高速切削強(qiáng)化工藝的特種銑削刀具的設(shè)計(jì)方法與加工 工藝，其特征是，通過增加熱源移動(dòng)速度和成比例增大熱功率，確保加工表面區(qū)域材料 組織加熱到超過工件材料原始組織相變溫度AC3以上。該熱效應(yīng)區(qū)的長度與熱源移動(dòng) 速度成比例增加，其寬度趨近一個(gè)極限值(純金屬材料為0.1-0.3mm,合金鋼材料為 0.2~0.5mm)。當(dāng)熱源移動(dòng)速度超過一定范圍后(純金屬材料為560 ~ 770 m/min,合 金鋼材料為180~240m/min),工件表面的熱傳播將主要在垂直于熱源運(yùn)動(dòng)的方向進(jìn) 行。此時(shí)，需控制切削深度與進(jìn)給量的比例不能超過2 5。
全文摘要
本發(fā)明為用于高速切削強(qiáng)化工藝的特種銑削刀具設(shè)計(jì)方法，特別是用于制備高疲勞壽命工作表面的專用工具的設(shè)計(jì)方法，包括刀齒幾何設(shè)計(jì)與刀片安裝配比兩部分。對(duì)切削刀具主要工作角度與刃口幾何形狀進(jìn)行設(shè)計(jì)，增大金屬晶粒的擠壓與拉伸的程度，實(shí)現(xiàn)第三剪切變形區(qū)的微晶細(xì)化與壓應(yīng)力場生成。再根據(jù)工件材料的原始組織結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，選擇切削用量，控制加工表面的熱源運(yùn)動(dòng)規(guī)律，從而獲得高殘余壓應(yīng)力場分布的高疲勞壽命加工表面。
文檔編號(hào)B23C5/02GK101229597SQ200710117738
公開日2008年7月30日 申請(qǐng)日期2007年6月22日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月22日
發(fā)明者龐思勤, 王西彬, 趙文祥, 龍震海 申請(qǐng)人:北京理工大學(xué)