专利名称：用于高速切削强化工艺的特种铣刀设计方法
技术领域：
本发明涉及一项特种铣削刀片设计方法，特别是一种用于制备高疲劳寿命工 作表面的专用工具(特种端面铣削刀具)的设计方法，属于表面改性与工具设计 技术领域。
背景技术：
历史统计数据与失效分析表明，机械零部件的失效大多发生于表面，或者 是先从表面开始，并以循环损伤(空洞或剪切带)或微裂紋萌生的形式，逐渐 向内部发展，最后导致断裂。作为提高工件表面机械性能和抗蚀性能的各种工艺方法的总称，按表面 强化技术的物理化学过程，目前工业界所使用的表面强化手段大致可以分为表 面形变强化、表面热处理强化、化学热处理强化、表面冶金强化、以及表面薄 膜强化等若干类。但这些方法也都有其使用的局限性与不足。上述强化技术均需在传统机 械加工获得理想尺寸形状之后，在较为复杂的工艺设备中，通过相对繁瑣的工 艺流程对工件进行强化处理，这不但增加了生产工序的复杂度，也必将提高工 件的生产成本，降低企业的经济效应。对于喷丸、挤压等表面形变强化工艺而 言，金属表面获得理想残余应力场分布的部分代价，将是该加工表面的表面质 量(尤其是表面粗糙度)有所降低。金属切削过程就本质上而言是一种金属受挤压而发生弹、塑性变形，进 而发生断裂的过程。随着刀具-切屑、刀具-工件之间摩擦的发生与切屑变形 的发展，在三个切削变形区内将会产生大量的切削热与极高的切削力。因此， 在切削变形区附近，依靠切削力效应与切削热效应的共同作用，工件加工表面 存在有发生表面强化的客观物理条件。切削加工是绝大多数重要工作表面的最终加工形式。如果能够在工件余 量切除阶段就可以对加工表面进行强化与改性处理，从而省去诸如喷丸、滚压、 热处理、涂覆等强化工艺，对于提高生产效率、降低制造成本将具有重要应用 价值。发明内容本发明针对现有技术中所存在的问题与不足，提供了一种依靠机械加工自身 所伴生的切削热与切削力效应，能够在金属表面实现与喷丸强化相同效果的表面 机械强化工艺及其专用工具(特种铣削刀具)的设计方法。本发明是通过以下技术方案予以实现。本发明首先对机械加工中所使用的切 削刀具主要工作角度与刃口几何形状进行合理设计，增大金属晶粒的挤压与拉伸 的程度，实现对第三剪切变形区(即工件加工表面层)金相组织的微晶细化与压 应力场生成。之后，根据工件材料的原始组织结构特点，对切削用量进行优化选 择，控制加工表面的热源运动规律，从而获得高残余压应力场分布的高疲劳寿命 加工表面。以下对本发明的制备方法作进一步的说明，具体内容如下 (1)选择合理的刀具材料与切削几何参数考虑到陶瓷与CBN刀具的硬度高、耐磨性好、尤其高温性能好、化学稳定 性强，当工件材料为体心立方结构材料(合金钢、不锈钢等)时，首先选择具有 高硬度、高韧性的陶瓷或CBN刀具材料。当加工的工件材料为纯金属或有色金 属材料，硬质合金刀具也能够满足本方法的使用要求。今刀具几何参数选择刀具切削部分的几何参数影响着工件材料的变形与摩擦，不仅决定了作用于 加工表面的正压力的大小，而且对于切削变形区的热效应场形状也有重要作用。为保证切削时的刃口强度，主切削刃的刃倾角约为-15°~-20°。主切削刃 上的负倒棱宽度6n约为0.3 0.5mtn、倒棱角度约为20°~30°。过渡切削刃的宽度 约为1.5~2mm。修光刃的宽度为2~4mm,倒棱宽度约为0.1~0.2mm、倒棱角度 约为20° 30°。主切削刃的主偏角《r需控制在45°~75°之间，过渡刃偏角i&s=20°,修光 刃偏角i&尸0。。刀尖圆弧需在1.6 3.5mm范围内。最后，在过渡刃与修光刃的 后刀面上需磨制出宽度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。修光刃上需磨制出宽度 0.1 0.2mrn, 0。角的平面，平面粗糙度需低于RaO.l)am。当修光刃磨出后，沿修 光刃开出副后角，最后再将主切削刃、过渡刃以及修光刃的交接处修研出半径为 2-3.5mm的圆弧面。刀具刃口修磨与切削用量的组合是否合理，应以试切时的切屑形貌是否为细长螺旋屑为判断依据。 今特种刀片在刀盘中的配比工业生产中的端面铣削所用的刀盘多为多齿刀盘。若将全部刀片均换为本发 明所提及的特种刀片，则切削过程的稳定性将变差，易出现切削振颤现象。为此, 需将特种刀片与标准刀片间隔排列安装。加工高硬度材料时，选择4:1配比安排 刀片，加工中低硬度材料时，选择2:1配比安排刀片。 (2)优化切削工艺参数随着切削刃在工件表面高速移动，切削变形与摩擦过程在刃口区所累计的 切削热效应区也将快速移动。控制刃口区域的快速移动的目的在于控制热源(刃 口区)周围的热传播效应。通过对切削参数进行工艺优化，不仅能够改变切削变形区的热源峰值强度 值，而且能够控制瞬态热源的移动速度。本发明需要增加瞬态热源的移动速度 和成比例增大热源功率，确保加工表面区域材料组织加热到超过工件材料原始组织相变温度Ac3以上。该热效应区的长度与热源移动速度成正比例，其宽度趋近一个极限值(纯金属材料为0.1-0.3nrni，合金钢材料为0.2-0.5mm)。当 热源移动速度，也就是切削线速度，超过一定范围后(纯金属材料为560~770 m/min,合金钢材料为180~240m/min),工件表面的热传播将主要在垂直于热 源运动的方向进行。此时，需控制切削深度与进给量的比例不能超过2 5。 本发明具有实质性特点和显著进步，该制备方法简单，成本低廉，适用条件广泛，已在有色纯金属和合金材料(含不锈钢、高、低碳钢)表面层获得与常规 喷丸类似甚至更优的残余压应力场分布与显微硬度分布。所制备的加工表面具有 良好的综合性能，如耐磨性、疲劳强度、耐蚀性等，可以直接服役于高应力与交 变载荷作用的工作表面。鉴于上述特点，本发明具有良好的巿场应用前景和商业价值。
权利要求
1. 一种用于高速切削强化工艺的特种铣削刀具的设计方法与加工工艺，其特征在于所述的设计方法与工艺包括通过改变铣削刀片(或刀齿)的主要工作角度、刃口形状，以及该刀片(或刀齿)在刀盘(或刀体)中重组排列位置，获得加工余量高效去除率的同时，在第三剪切变形区(即工件加工表面层)实现剧烈塑性变形与晶粒细化，并结合工件材料原始组织结构，调整切削用量的组合，控制切削变形区域的热源移动规律，获得具有残余压应力场分布的高疲劳寿命加工表面。
2.根据权利要求1所述的用于高速切削强化工艺的特种铣削刀具的设计方法与加工 工艺，其特征在于:为保证刀具在切削时的刃口强度，主切削刃的刃倾角约为-15°~-20。，主切削刃上的负倒棱宽度brl约为0.3 0.5mm、倒棱角度约为20°~30°，过渡切削刃 的宽度约为1.5 2mm,修光刃的宽度为2~4mm,倒棱宽度约为0.1~0.2mm、倒棱角度约 为20o~30o。
3. 根据权利要求2所述的用于高速切削强化工艺的特种铣削刀具的设计方法与加工 工艺，其特征在于:主切削刃的主偏角Kr需控制在45。 ~75°之间，过渡刃偏角Krs二20 °,修光刃偏角Krl-0。，刀尖圆弧需在1.6-3.5mm范围内。
4. 根据权利要求1所述的用于高速切削强化工艺的特种铣削刀具的设计方法与加工 工艺，其特征在于:使用粒度450的油石修磨修光刃部分，修光刃上需磨制出宽度0.1 0.2mm， 0。角的平面，平面粗糙度需低于Ra O.lpm。
5. 根据权利要求4所述的用于高速切削强化工艺的特种铣削刀具的设计方法与加工 工艺，其特征在于:当修光刃磨出后，沿修光刃开出副后角，最后再将主切削刃、过渡 刃以及修光刃的交接处修研出半径为2-3.5mm的圆弧面,刀具刃口修磨与切削用量的 组合是否合理，应以试切时的切屑形貌是否为细长螺旋屑为判断依据。
6. 根据权利要求4所述的用于髙速切削强化工艺的特种铣削刀具的设计方法与加工 工艺，其特征是，需将特种刀片与标准刀片间隔排列安装。加工高硬度材料时，选择 4:1配比安排刀片，加工中低硬度材料时，选择2:1配比安排刀片。7.根据权利要求4所述的用于高速切削强化工艺的特种铣削刀具的设计方法与加工 工艺，其特征是，通过增加热源移动速度和成比例增大热功率，确保加工表面区域材料 组织加热到超过工件材料原始组织相变温度AC3以上。该热效应区的长度与热源移动 速度成比例增加，其宽度趋近一个极限值(纯金属材料为0.1-0.3mm,合金钢材料为 0.2~0.5mm)。当热源移动速度超过一定范围后(纯金属材料为560 ~ 770 m/min,合 金钢材料为180~240m/min),工件表面的热传播将主要在垂直于热源运动的方向进 行。此时，需控制切削深度与进给量的比例不能超过2 5。
全文摘要
本发明为用于高速切削强化工艺的特种铣削刀具设计方法，特别是用于制备高疲劳寿命工作表面的专用工具的设计方法，包括刀齿几何设计与刀片安装配比两部分。对切削刀具主要工作角度与刃口几何形状进行设计，增大金属晶粒的挤压与拉伸的程度，实现第三剪切变形区的微晶细化与压应力场生成。再根据工件材料的原始组织结构特点，选择切削用量，控制加工表面的热源运动规律，从而获得高残余压应力场分布的高疲劳寿命加工表面。
文档编号B23C5/02GK101229597SQ200710117738
公开日2008年7月30日 申请日期2007年6月22日 优先权日2007年6月22日
发明者庞思勤, 王西彬, 赵文祥, 龙震海 申请人:北京理工大学