一种梯度功能复合刀片的制造方法技术

本发明专利技术涉及一种梯度功能复合刀片的制造方法，涉及机械切削刀具的制造及其刀片成型相关技术领域。利用3D打印技术制造出组合装料模具，实现了表层和基体的填料和封装。通过一步的梯度烧结，利用不同层间组分的物质传输和元素扩散，能够使刀片从粉末坯的两层结构变为刀片坯块三层梯度结构，刀片的表层完全包覆基体。刀片的微观结构特点是，亚表层为表层和基体相互扩散而形成，具有较高的金属相含量，起到连接表层和基体作用；刀具力学性能的特点是，表面硬而耐磨、亚表层韧而抗剥落、基体的强而抗断裂的能力。利用本方法制造出的梯度功能复合刀片适用于高速车削不锈钢、模具钢和高温合金，加工效率较高、零件表面质量较优。

Method for manufacturing functionally gradient composite blade

The invention relates to a manufacturing method of a functionally gradient composite blade, which relates to the manufacture of mechanical cutting tools and the related technical field of blade shaping. Using 3D printing technology to make a composite charging mold, to achieve the surface and matrix packing and packaging. Through the gradient sintering step, using different interlayer material transfer and composition diffusion, can make the blade from the two layer structure of powder billet into the blade block three layer gradient structure, the blade surface completely coated substrate. The microstructure characteristics of blade, subsurface surface and the matrix formed by mutual diffusion, has high content of metal, to connect the surface and the matrix effect; characteristics of tool mechanical properties, surface hard and abrasion resistant, toughness and surface spalling, matrix and strong ability of anti cracking. The functionally gradient composite blade manufactured by the method is suitable for high speed turning of stainless steel, mould steel and high temperature alloy, and has higher processing efficiency and better surface quality of parts.

【技术实现步骤摘要】
一种梯度功能复合刀片的制造方法
本专利技术涉及机械加工相关
，具体的说，是涉及一种梯度功能刀片的制造方法。
技术介绍
高速切削技术是一种先进现代制造技术，已被广泛地应用到航空航天、汽车与船舶和军事武器等制造领域，刀具技术是高速切削的关键技术之一。目前，工业生产中大量使用涂层刀具，即一种力学性能和微观结构具有梯度功能变化的刀片。该种刀片一般是通过物理或化学气相沉积工艺在高强度基体上沉积一层或多层耐磨或隔热材料物质，使得刀片的表面具有较高的硬度和良好的耐热性，而刀片的整体却具有良好的抗断裂性能和抗冲击性能，从而改善刀具的切削性能，提高刀具寿命。无论如何，涂层与基体的理化性质差异使得刀片表面涂层的厚度很难超过20um，因为过厚的涂层极易在基体和涂层之间产生热应力而形成界面裂纹；同时，切削加工中刀片前刀面月牙洼磨损的深度往往能够达到150um，这远远超过了刀片表面涂层的厚度。可见，在难加工材料的高速切削加工中刀片薄的表面涂层很容易磨损或剥落，造成刀具寿命短和加工效率低。虽然在涂层之前对基体进行梯度烧结处理，改善了基体与涂层的结合力，但涂层厚度始终受到限制，并且高速加工中涂层一旦剥落，刀具即无法重磨使用，同时该类刀具从基体制备到涂层涂覆，工艺较复杂，成本较高。因此研制一种具有大厚度的表面厚层、且表层与基体具有强连接能力的梯度功能复合刀片，并提高切削中刀片前后刀面的抗磨能力及表层的抗剥落能力，具有很重要的理论和实际意义。专利CN103949647A公开了一种自扩散梯度功能复合刀具材料及其制备方法。将超细Ti(C5N5)粉、超细WC粉、纳米Ni粉和纳米Mo粉球磨制得基体复合粉体；将TiB2-TiC共晶粉、Al2O3粉、超细VC粉和纳米Ni粉球磨制得表层复合粉体；首先称取少许表层复合粉体置于石墨模具中压实，然后再称取基体复合粉体置于压实的表层复合坯体之上再压实，最后称取少许表层复合粉体置于压实的基体复合坯体之上再压实；放入真空高温烧结炉内直接加热并缓慢加压烧成。该种刀具材料由表及里具有三层显微结构：表层、亚表层和基体。本专利技术通过扩散烧结制备出层间组分相容性和界面结合良好的自扩散梯度功能复合刀具材料，其具有表层硬而耐磨、亚表层韧而抗表层剥落、整体强而抗断裂的特点。专利CN106216687A公开了一种梯度碳化钨基微纳复合刀具材料及其制备方法。采用碳化钨、碳化钛、氧化铝、碳化钒、碳化铬、石墨烯、聚乙烯吡咯烷酮为原料，梯度层包括对称的5层、自表及里，碳化钨比例减小，碳化钛比例增大，氧化铝比例增大；采用二维材料石墨烯增韧亚微米碳化钨基体，纳米A12O3及TiC负载到石墨烯表面。制备方法包括：混合料球磨→干燥过筛→压制成型→真空热压烧结。其特征是：梯度层包括对称的5层，自表及里，碳化钨比例增大，碳化钛比例减小，氧化铝比例减小。上述两个专利都是梯度功能复合刀具材料，即刀具材料沿某一方向上组织和性能呈现梯度变化；其要点都在于刀具材料而不是刀片，且其所能够实现的材料力学性能和微观结构的梯度变化是单一方向的(一维方向)；如果使用这样的刀具材料制造刀片，那么它只能在刀片的前刀面上铺有高硬度表层，难以在其他刀面上铺有高硬度表层。本专利研制的梯度功能复合刀片能够实现力学性能和微观结构在三维方向上的梯度功能变化，从而能够使刀片的前刀面、后刀面和副后刀面同时铺有高硬度表层，对提高刀具的使用寿命非常有利。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服现有技术不足，提供一种梯度功能复合刀片的制备方法。利用本方法可以一次性烧结制备出高性能梯度功能复合刀片；在微观结构上，该刀片的基体为高强度材料，前刀面、后刀面和副后刀面为高硬度材料，基体与刀面表层之间的结合部位为刀片烧结过程中扩散形成的韧化亚表层，起到连接基体与表层的作用；在力学性能上，该刀片具有表层硬度高、亚表层韧性好和整体强度优的特点。本方法制造出的刀片具有大厚度表层，能够极大提高高速切削中刀片刀面的抗磨损性能，满足高速切削对刀具可靠性的使用要求，填补了梯度功能刀片种类的空白；同时，由于本方法只采用一次性制备工艺方法，因此还具有工艺简单和成本低廉的优点。为了实现上述目的，本专利技术采取的技术方案为：一种梯度功能复合刀片的制造方法(如图1)，主要步骤如下：(1)将复合粉末按先后填装入预制好的模具中；(2)将装入模具中的粉末冷压成形，制成刀片粉末坯，该刀片粉末坯包括表层和基体两层结构；(3)将压制好的刀片粉末坯放入真空烧结中进行梯度烧结，制备出刀片坯块，该坯块包括表层、亚表层和基体三层结构；(4)将烧结制好的刀片块坯体进行研磨抛光及刃口处理，制造出梯度功能复合刀片。上述的方法中，优选的是，所述梯度功能复合刀片的制造方法包括：刀片粉末坯中表层与基体组分的填装方法，能使刀片从粉末坯的两层结构(表层和基体)变为刀片坯块三层梯度结构(表层、亚表层和基体)的梯度烧结方法，刀片坯块制成刀片的制造工艺方法。上述的方法中，优选的是，所述步骤(1)中的模具为：通过3D打印技术精准制造出用于刀片粉末坯填装的组合模具，包括带定位孔底模、方孔圆柱模、定位内实模、薄壁套模、凸台定位底模和柱状实模，共6个模具零件，分别用于填装表层和基体的粉料。所述的带定位孔底模包括圆盘状的底模，在所述的底模上设有一个圆盘状的凸台，在底模的中心设有定位孔；所述的方孔圆柱模包括一个圆柱模，在所述的圆柱模的底面设有内凹的凹槽，在所述的圆柱模的中心设有方孔；所述的定位内实模包括一个矩形实心模，在矩形实心模的底部设有一个圆柱凸台；所述的薄壁套模为一个矩形的薄壁模；所述的柱状实模为一个矩形的实体模；所述的凸台定位底模，包括圆盘状的底模，在所述的底模上设有一个圆盘状的凸台。上述的方法中，优选的是，所述步骤(1)中的粉料质量：按照表层厚度为200～300um设计，基体体积大小按照略小与标准刀片的体积大小设计，由此根据密度、体积和质量之间的关系，使用精密天平精准称量所需的表层和基体的粉体重量。上述的方法中，优选的是，所述步骤(1)中的粉料填装过程为：表层粉料的填装：首先将带定位孔底模和方孔圆柱模装配在一起，带定位孔底模的凸台与方孔圆柱模的凹槽配合，然后将定位内实模装入方孔圆柱模的方孔内，且定位内实模的圆柱凸台与带定位孔底模上的定位孔配合，从而实现三者之间的组装，组装后定位内实模与方孔圆柱模之间的间隙均匀，大小为0.5～1.0mm，将粉料(做表层的)装入模具中并压实。基体粉料的填装：将带定位孔底模和定位内实模一起脱模，于此同时将薄壁套模压入到方孔圆柱模，待带定位孔底模和定位内实模完全脱出时，将凸台定位底模装入到方孔圆柱模的底部凹槽内，以封住底口，此时将粉末(做基体的)装入薄壁套模中，用柱状实模压实。上述的方法中，优选的是，所述步骤(2)中的刀片粉料坯的冷压过程为：将上述在树脂模具中封装好的刀片粉末坯一起压入带有方形内孔的高强石墨模具，然后使用20～50吨的压力将刀片粉末坯压实，消除粉末颗粒之间空隙，并将其密封，放入烧结炉，待烧。上述的方法中，优选的是，所述步骤(3)中的刀片坯块的梯度烧结过程为：为尽可能多的排除粉体颗粒空隙之间的气体，提高烧制刀片的致密度，采用高抽速真空喷，在高真空度下实施烧结，烧结升温速率为2-5℃/min，烧结压力为20-40MPa，当温度升至14本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种梯度功能复合刀片的制造方法，其特征在于，主要步骤如下：步骤1将复合粉末按先后填装入预制好的模具中；步骤2将装入模具中的粉末冷压成形，制成刀片粉末坯，该刀片粉末坯包括表层和基体两层结构；步骤3将压制好的刀片粉末坯放入真空烧结中进行梯度烧结，制备出刀片坯块，该坯块包括表层、亚表层和基体三层结构；步骤4将烧结制好的刀片块坯体进行研磨抛光及刃口处理，制造出梯度功能复合刀片。

【技术特征摘要】
1.一种梯度功能复合刀片的制造方法，其特征在于，主要步骤如下：步骤1将复合粉末按先后填装入预制好的模具中；步骤2将装入模具中的粉末冷压成形，制成刀片粉末坯，该刀片粉末坯包括表层和基体两层结构；步骤3将压制好的刀片粉末坯放入真空烧结中进行梯度烧结，制备出刀片坯块，该坯块包括表层、亚表层和基体三层结构；步骤4将烧结制好的刀片块坯体进行研磨抛光及刃口处理，制造出梯度功能复合刀片。2.如权利要求1所述的梯度功能复合刀片的制造方法，其特征在于，包括刀片粉末坯中表层与基体组分的填装方法，能使刀片从粉末坯的两层结构变为刀片坯块三层梯度结构的梯度烧结方法，刀片坯块制成刀片的制造工艺方法。3.如权利要求1所述的梯度功能复合刀片的制造方法，其特征在于，粉末坯表层的厚度大小是根据密度、体积和质量之间的关系事先计算和设计，然后使用精密天平精准称量所需的表层和基体的粉体量。4.如权利要求1所述的梯度功能复合刀片的制造方法，其特征在于，通过3D打印技术精准制造出用于刀片粉末坯填装的组合模具，包括带定位孔底模、方孔圆柱模、定位内实模、薄壁套模、凸台定位底模和柱状实模，共6个模具零件，分别用于填装表层和基体的粉料。5.如权利要求4所述的梯度功能复合刀片的制造方法，其特征在于，所述的带定位孔底模包括圆盘状的底模，在所述的底模上设有一个圆盘状的凸台，在底模的中心设有定位孔；所述的方孔圆柱模包括一个圆柱模，在所述的圆柱模的底面设有内凹的凹槽，在所述的圆柱模的中心设有方孔；所述的定位内实模包括一个矩形实心模，在矩形实心模的底部设有一个圆柱凸台；所述的薄壁套模为一个矩形的薄壁模；所述的柱状实模为一个矩形的实体模；所述的凸台定位底模，包括圆盘状的底模，在所述的底模上设有一个圆盘状的凸台。6.如权利要求5所述的梯度功能复合刀片的制造方法，其特征在于，表层粉料的填装：首先将带定位孔底模和方孔圆柱模装配...

【专利技术属性】
技术研发人员：邹斌，季文彬，黄传真，姚鹏，刘含莲，朱洪涛，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东,37