本發(fā)明涉及機(jī)械加工相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域，具體的說，是涉及一種梯度功能刀片的制造方法。

背景技術(shù)：

高速切削技術(shù)是一種先進(jìn)現(xiàn)代制造技術(shù)，已被廣泛地應(yīng)用到航空航天、汽車與船舶和軍事武器等制造領(lǐng)域，刀具技術(shù)是高速切削的關(guān)鍵技術(shù)之一。目前，工業(yè)生產(chǎn)中大量使用涂層刀具，即一種力學(xué)性能和微觀結(jié)構(gòu)具有梯度功能變化的刀片。該種刀片一般是通過物理或化學(xué)氣相沉積工藝在高強(qiáng)度基體上沉積一層或多層耐磨或隔熱材料物質(zhì)，使得刀片的表面具有較高的硬度和良好的耐熱性，而刀片的整體卻具有良好的抗斷裂性能和抗沖擊性能，從而改善刀具的切削性能，提高刀具壽命。無論如何，涂層與基體的理化性質(zhì)差異使得刀片表面涂層的厚度很難超過20um，因為過厚的涂層極易在基體和涂層之間產(chǎn)生熱應(yīng)力而形成界面裂紋；同時，切削加工中刀片前刀面月牙洼磨損的深度往往能夠達(dá)到150um，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了刀片表面涂層的厚度。可見，在難加工材料的高速切削加工中刀片薄的表面涂層很容易磨損或剝落，造成刀具壽命短和加工效率低。雖然在涂層之前對基體進(jìn)行梯度燒結(jié)處理，改善了基體與涂層的結(jié)合力，但涂層厚度始終受到限制，并且高速加工中涂層一旦剝落，刀具即無法重磨使用，同時該類刀具從基體制備到涂層涂覆，工藝較復(fù)雜，成本較高。因此研制一種具有大厚度的表面厚層、且表層與基體具有強(qiáng)連接能力的梯度功能復(fù)合刀片，并提高切削中刀片前后刀面的抗磨能力及表層的抗剝落能力，具有很重要的理論和實際意義。

專利cn103949647a公開了一種自擴(kuò)散梯度功能復(fù)合刀具材料及其制備方法。將超細(xì)ti(c5n5)粉、超細(xì)wc粉、納米ni粉和納米mo粉球磨制得基體復(fù)合粉體；將tib2-tic共晶粉、al2o3粉、超細(xì)vc粉和納米ni粉球磨制得表層復(fù)合粉體；首先稱取少許表層復(fù)合粉體置于石墨模具中壓實，然后再稱取基體復(fù)合粉體置于壓實的表層復(fù)合坯體之上再壓實，最后稱取少許表層復(fù)合粉體置于壓實的基體復(fù)合坯體之上再壓實；放入真空高溫?zé)Y(jié)爐內(nèi)直接加熱并緩慢加壓燒成。該種刀具材料由表及里具有三層顯微結(jié)構(gòu)：表層、亞表層和基體。本發(fā)明通過擴(kuò)散燒結(jié)制備出層間組分相容性和界面結(jié)合良好的自擴(kuò)散梯度功能復(fù)合刀具材料，其具有表層硬而耐磨、亞表層韌而抗表層剝落、整體強(qiáng)而抗斷裂的特點。專利cn106216687a公開了一種梯度碳化鎢基微納復(fù)合刀具材料及其制備方法。采用碳化鎢、碳化鈦、氧化鋁、碳化釩、碳化鉻、石墨烯、聚乙烯吡咯烷酮為原料，梯度層包括對稱的5層、自表及里，碳化鎢比例減小，碳化鈦比例增大，氧化鋁比例增大；采用二維材料石墨烯增韌亞微米碳化鎢基體，納米a12o3及tic負(fù)載到石墨烯表面。制備方法包括：混合料球磨→干燥過篩→壓制成型→真空熱壓燒結(jié)。其特征是：梯度層包括對稱的5層，自表及里，碳化鎢比例增大，碳化鈦比例減小，氧化鋁比例減小。

上述兩個專利都是梯度功能復(fù)合刀具材料，即刀具材料沿某一方向上組織和性能呈現(xiàn)梯度變化；其要點都在于刀具材料而不是刀片，且其所能夠?qū)崿F(xiàn)的材料力學(xué)性能和微觀結(jié)構(gòu)的梯度變化是單一方向的(一維方向)；如果使用這樣的刀具材料制造刀片，那么它只能在刀片的前刀面上鋪有高硬度表層，難以在其他刀面上鋪有高硬度表層。本專利研制的梯度功能復(fù)合刀片能夠?qū)崿F(xiàn)力學(xué)性能和微觀結(jié)構(gòu)在三維方向上的梯度功能變化，從而能夠使刀片的前刀面、后刀面和副后刀面同時鋪有高硬度表層，對提高刀具的使用壽命非常有利。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)不足，提供一種梯度功能復(fù)合刀片的制備方法。利用本方法可以一次性燒結(jié)制備出高性能梯度功能復(fù)合刀片；在微觀結(jié)構(gòu)上，該刀片的基體為高強(qiáng)度材料，前刀面、后刀面和副后刀面為高硬度材料，基體與刀面表層之間的結(jié)合部位為刀片燒結(jié)過程中擴(kuò)散形成的韌化亞表層，起到連接基體與表層的作用；在力學(xué)性能上，該刀片具有表層硬度高、亞表層韌性好和整體強(qiáng)度優(yōu)的特點。本方法制造出的刀片具有大厚度表層，能夠極大提高高速切削中刀片刀面的抗磨損性能，滿足高速切削對刀具可靠性的使用要求，填補(bǔ)了梯度功能刀片種類的空白；同時，由于本方法只采用一次性制備工藝方法，因此還具有工藝簡單和成本低廉的優(yōu)點。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為：

一種梯度功能復(fù)合刀片的制造方法(如圖1)，主要步驟如下：

(1)將復(fù)合粉末按先后填裝入預(yù)制好的模具中；

(2)將裝入模具中的粉末冷壓成形，制成刀片粉末坯，該刀片粉末坯包括表層和基體兩層結(jié)構(gòu)；

(3)將壓制好的刀片粉末坯放入真空燒結(jié)中進(jìn)行梯度燒結(jié)，制備出刀片坯塊，該坯塊包括表層、亞表層和基體三層結(jié)構(gòu)；

(4)將燒結(jié)制好的刀片塊坯體進(jìn)行研磨拋光及刃口處理，制造出梯度功能復(fù)合刀片。

上述的方法中，優(yōu)選的是，所述梯度功能復(fù)合刀片的制造方法包括：刀片粉末坯中表層與基體組分的填裝方法，能使刀片從粉末坯的兩層結(jié)構(gòu)(表層和基體)變?yōu)榈镀鲏K三層梯度結(jié)構(gòu)(表層、亞表層和基體)的梯度燒結(jié)方法，刀片坯塊制成刀片的制造工藝方法。

上述的方法中，優(yōu)選的是，所述步驟(1)中的模具為：通過3d打印技術(shù)精準(zhǔn)制造出用于刀片粉末坯填裝的組合模具，包括帶定位孔底模、方孔圓柱模、定位內(nèi)實模、薄壁套模、凸臺定位底模和柱狀實模，共6個模具零件，分別用于填裝表層和基體的粉料。

所述的帶定位孔底模包括圓盤狀的底模，在所述的底模上設(shè)有一個圓盤狀的凸臺，在底模的中心設(shè)有定位孔；

所述的方孔圓柱模包括一個圓柱模，在所述的圓柱模的底面設(shè)有內(nèi)凹的凹槽，在所述的圓柱模的中心設(shè)有方孔；

所述的定位內(nèi)實模包括一個矩形實心模，在矩形實心模的底部設(shè)有一個圓柱凸臺；

所述的薄壁套模為一個矩形的薄壁模；

所述的柱狀實模為一個矩形的實體模；

所述的凸臺定位底模，包括圓盤狀的底模，在所述的底模上設(shè)有一個圓盤狀的凸臺。

上述的方法中，優(yōu)選的是，所述步驟(1)中的粉料質(zhì)量：按照表層厚度為200～300um設(shè)計，基體體積大小按照略小與標(biāo)準(zhǔn)刀片的體積大小設(shè)計，由此根據(jù)密度、體積和質(zhì)量之間的關(guān)系，使用精密天平精準(zhǔn)稱量所需的表層和基體的粉體重量。

上述的方法中，優(yōu)選的是，所述步驟(1)中的粉料填裝過程為：

表層粉料的填裝：首先將帶定位孔底模和方孔圓柱模裝配在一起，帶定位孔底模的凸臺與方孔圓柱模的凹槽配合，然后將定位內(nèi)實模裝入方孔圓柱模的方孔內(nèi)，且定位內(nèi)實模的圓柱凸臺與帶定位孔底模上的定位孔配合，從而實現(xiàn)三者之間的組裝，組裝后定位內(nèi)實模與方孔圓柱模之間的間隙均勻，大小為0.5～1.0mm，將粉料(做表層的)裝入模具中并壓實。

基體粉料的填裝：將帶定位孔底模和定位內(nèi)實模一起脫模，于此同時將薄壁套模壓入到方孔圓柱模，待帶定位孔底模和定位內(nèi)實模完全脫出時，將凸臺定位底模裝入到方孔圓柱模的底部凹槽內(nèi)，以封住底口，此時將粉末(做基體的)裝入薄壁套模中，用柱狀實模壓實。

上述的方法中，優(yōu)選的是，所述步驟(2)中的刀片粉料坯的冷壓過程為：將上述在樹脂模具中封裝好的刀片粉末坯一起壓入帶有方形內(nèi)孔的高強(qiáng)石墨模具，然后使用20～50噸的壓力將刀片粉末坯壓實，消除粉末顆粒之間空隙，并將其密封，放入燒結(jié)爐，待燒。

上述的方法中，優(yōu)選的是，所述步驟(3)中的刀片坯塊的梯度燒結(jié)過程為：為盡可能多的排除粉體顆粒空隙之間的氣體，提高燒制刀片的致密度，采用高抽速真空噴，在高真空度下實施燒結(jié)，燒結(jié)升溫速率為2-5℃/min，燒結(jié)壓力為20-40mpa，當(dāng)溫度升至1400-1550℃時，保溫保壓30-50min后，停止加熱自然冷卻至室溫。

上述的方法中，優(yōu)選的是，所述步驟(4)中的燒制坯塊制造成刀片的工藝過程為：①將燒制的刀片塊體，首先使用精密研磨機(jī)將刀片塊體表面的燒結(jié)雜物磨掉，去除余量為50～100um；②然后再使用拋光機(jī)進(jìn)行拋光，可到光亮表面，表面粗糙度ra小于0.1μm，

此時刀片表層厚度為150-200um；③使用噴砂機(jī)對刀片切削刃和刀尖進(jìn)行噴砂處理，強(qiáng)化切削刃，形成圓弧狀切削和刀尖過度刃。由此制得一種梯度功能復(fù)合刀片。

本發(fā)明的有益效果如下：

(1)通過一步的梯度燒結(jié)能夠使刀片從粉末坯的兩層結(jié)構(gòu)(表層和基體)變?yōu)榈镀鲏K三層梯度結(jié)構(gòu)(表層、亞表層和基體)。刀片的微觀結(jié)構(gòu)特點是，亞表層為表層和基體相互擴(kuò)散而形成，具有較高的金屬相含量，起到連接表層和基體作用；刀具力學(xué)性能的特點是，表面硬而耐磨、亞表層韌而抗剝落、基體的強(qiáng)而抗斷裂的能力。

(2)刀片的表層完全包覆基體，即方形刀片六個面完全為高硬度表面，而內(nèi)部為基體，實現(xiàn)了一次性制備刀片高硬度的前刀面、后刀面和副后刀面、以及高強(qiáng)度的基體目標(biāo)。刀具表面硬層的厚度為150～200um，表層hv20硬度為28～30gpa；刀片整體尺寸為16～25×16～25×6～8mm，刀片的強(qiáng)度為1800～2000gpa。

(3)利用本方法制造出的梯度功能復(fù)合刀片適用于高速車削不銹鋼、模具鋼和高溫合金，加工效率較高、零件表面質(zhì)量較優(yōu)，且成本低，設(shè)備及制備工藝簡單。

附圖說明

構(gòu)成本申請的一部分的說明書附圖用來提供對本申請的進(jìn)一步理解，本申請的示意性實施例及其說明用于解釋本申請，并不構(gòu)成對本申請的不當(dāng)限定。

圖1是本發(fā)明的制造方法流程圖；

圖2是粉末填料及表層和基體封裝組合3d打印樹脂模具；

圖3、圖4是復(fù)合鋼片的微觀結(jié)構(gòu)圖及元素分布圖；

具體實施方式

應(yīng)該指出，以下詳細(xì)說明都是例示性的，旨在對本申請?zhí)峁┻M(jìn)一步的說明。除非另有指明，本文使用的所有技術(shù)和科學(xué)術(shù)語具有與本申請所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員通常理解的相同含義。

需要注意的是，這里所使用的術(shù)語僅是為了描述具體實施方式，而非意圖限制根據(jù)本申請的示例性實施方式。如在這里所使用的，除非上下文另外明確指出，否則單數(shù)形式也意圖包括復(fù)數(shù)形式，此外，還應(yīng)當(dāng)理解的是，當(dāng)在本說明書中使用術(shù)語“包含”和/或“包括”時，其指明存在特征、步驟、操作、器件、組件和/或它們的組合。

下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。

實施例：一種梯度功能復(fù)合刀具的制造方法，主要流程如圖1所示，包括如下步驟：

(1)將復(fù)合粉末按先后填裝入預(yù)制好的模具中；

(2)將裝入模具中的粉末冷壓成形，制成刀片粉末坯，該刀片粉末坯包括表層和基體兩層結(jié)構(gòu)；

(3)將壓制好的刀片粉末坯放入真空燒結(jié)中進(jìn)行梯度燒結(jié)，制備出刀片坯塊，該坯塊包括表層、亞表層和基體三層結(jié)構(gòu)；

(4)將燒結(jié)制好的刀片塊坯體進(jìn)行研磨拋光及刃口處理，制造出梯度功能復(fù)合刀片。

上述各個步驟具體如下：

(1)刀具材料組份如表1所示。

表1刀具材料組份配比(wt％)

(2)按照表1的組份配比，分別將表層復(fù)合粉和基體復(fù)合粉放入盛有硬質(zhì)合金球的兩個球磨桶內(nèi)，分別加入適量酒精，在球磨機(jī)上進(jìn)行球磨混合24小時干燥并用200目篩過篩，分別制得表層復(fù)合粉和基體復(fù)合粉，備用。

(3)使用3d精準(zhǔn)打印組合模樹脂模具分別填裝表層和基體粉料：①稱量0.85克表層復(fù)合粉將帶定位孔底模a和方孔圓柱模b裝配在一起(前者的凸臺與后者的凹槽配合)，然后將定位內(nèi)實模c裝入帶定位孔底模上(前者的圓柱凸臺與后者圓柱孔配合)，從而實現(xiàn)三者之間的組裝，組裝后定位內(nèi)石墨與方孔圓柱模之間的間隙均勻，大小為0.5～1.0mm，將粉料(做表層的)裝入模具中并壓實；②將帶定位孔底模a和定位內(nèi)實模c一起脫模，于此同時將薄壁套模d壓入，待帶定位孔底模a和定位內(nèi)實模c完全脫出時，將凸臺定位底模e裝入，以封住底口；再稱量7.35克基體復(fù)合粉，將粉末(做基體的)裝入薄壁套模d的內(nèi)孔中，用柱狀實模f壓實；③將上述在樹脂模具中將封裝好的刀片粉末坯一起壓入帶有方形內(nèi)孔的等尺寸的高強(qiáng)石墨模具，然后使用20～50噸的壓力將刀片粉末坯壓實，消除粉末顆粒之間空隙，并將其密封，放入燒結(jié)爐，待燒。

(4)對封裝坯體進(jìn)行梯度燒結(jié)：使用高抽速真空泵在≤10^-1pa的真空環(huán)境下，采用3℃/min的燒結(jié)升溫速率，30mpa的燒結(jié)壓力，當(dāng)燒結(jié)溫度升至1500℃時，保溫保壓30-50min后，停止加熱自然冷卻至室溫，形成梯度功能復(fù)合刀片塊坯。

(5)將燒制的刀片塊坯，首先使用碳化硼磨料對刀片塊體表面的燒結(jié)雜物進(jìn)行研磨，去除余量約為50um。然后再金剛石拋光液進(jìn)行拋光，獲得表面粗糙度ra≤0.1μm的光亮刀面，此時刀片表層厚度約為150um。最后，使用280目白剛玉，在0.25mpa的壓力下噴砂處理40秒，對刀片切削刃進(jìn)行強(qiáng)化處理，獲得切削刃過渡半徑為30～40um；使用180目白剛玉，在1mpa的壓力下噴砂處理100秒，對刀片刀尖進(jìn)行強(qiáng)化處理，獲得刀尖鈍圓半徑約為0.6mm。

(6)由此，依照本實施案例所制得的梯度功能復(fù)合刀片，可參考圖1和圖2。刀片由表及里的分別tib2-tic表層、含高ni/co金屬相固溶體的亞表層、ti(c3n7)基體，表層具有較高的硬度，亞表層具有較好的聯(lián)接表層和基體的作用，基體具有較高的強(qiáng)度。刀片的表層hv20硬度為28gpa、刀片的抗彎強(qiáng)度為1800mpa。

上述模具中；所述的帶定位孔底模a包括圓盤狀的底模，在所述的底模上設(shè)有一個圓盤狀的凸臺，在底模的中心設(shè)有定位孔；

所述的方孔圓柱模b包括一個圓柱模，在所述的圓柱模的底面設(shè)有內(nèi)凹的凹槽，在所述的圓柱模的中心設(shè)有方孔；

所述的定位內(nèi)實模c包括一個矩形實心模，在矩形實心模的底部設(shè)有一個圓柱凸臺；

所述的薄壁套模d為一個矩形的薄壁模；

所述的柱狀實模e為一個矩形的實體模；

所述的凸臺定位底模f包括圓盤狀的底模，在所述的底模上設(shè)有一個圓盤狀的凸臺。

從以上的描述中，可以看出，本申請上述的實施例實現(xiàn)了如下技術(shù)效果：

利用本方法可以一次性燒結(jié)制備出高性能梯度功能復(fù)合刀片；在微觀結(jié)構(gòu)上，該刀片的基體為高強(qiáng)度材料，前刀面、后刀面和副后刀面為高硬度材料，基體與刀面表層之間的結(jié)合部位為刀片燒結(jié)過程中擴(kuò)散形成的韌化亞表層，起到連接基體與表層的作用；在力學(xué)性能上，該刀片具有表層硬度高、亞表層韌性好和整體強(qiáng)度優(yōu)的特點。本方法制造出的刀片具有大厚度表層，能夠極大提高高速切削中刀片刀面的抗磨損性能，滿足高速切削對刀具可靠性的使用要求，填補(bǔ)了梯度功能刀片種類的空白；同時，由于本方法只采用一次性制備工藝方法，因此還具有工藝簡單和成本低廉的優(yōu)點。

對所公開的實施例的上述說明，使本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)或使用本發(fā)明。對實施例的多種修改對本領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本發(fā)明的精神或范圍的情況下，在其它實施例中實現(xiàn)，未予以詳細(xì)說明和局部放大呈現(xiàn)的部分，為現(xiàn)有技術(shù)，在此不進(jìn)行贅述。因此，本發(fā)明將不會被限制于本文所示的這些實施例，而是要符合與本文所公開的原理和特點相一致的最寬的范圍。