适用于铺粉式增减材复合制造的铣削刀具及减材加工方法

技术领域

本发明适用于铺粉式增减材复合制造的铣削刀具及减材加工方法，涉及铺粉式增减材复合制造工具技术领域，尤其涉及一种适用于铺粉式增减材复合制造的铣削刀具及减材加工方法。

背景技术

铺粉式增减材复合制造结合了激光粉末床熔融增材和精密铣削减材的优势，能快速制备出不同材料的高精度、高质量复杂零件，缩短制造周期，降低生产成本，具有广阔的应用前景。该技术在减材加工过程中产生的切屑会不可避免地落到增减材交替界面上，并在后续铺粉过程中与增材粉末混杂。由于每次的铺粉层厚仅40-70μm，粉末平均尺寸约为40μm，这些未加控制的大切屑在后续铺粉过程中，严重影响铺粉质量，进而导致零件界面组织的不均匀，影响构件性能。因此，发展一种新型切削刀具及减材方法，使得切屑粉末化，对保证后续铺粉质量、提高铺粉式增减材复合制造构件的性能具有重要意义。

目前，在切削加工领域，控制切屑形貌大多是通过改变切削要素来实现的，但这样需要综合考虑如材料硬度、强度，刀具性能等多方面因素，通过多次试验来获取最优参数，需要耗费大量时间精力。因此有不少学者提出了基于微刃刀具来控制切屑形态的方法。专利(公告号：CN201609771U)提出了面向钛合金加工的新型刀具微刃结构，根据粗、精加工要求选择优化的刀具前角和后角，从而减少钛合金切削加工力，控制钛合金切屑的形貌和运动特性。但该刀具加工产生的切屑尺寸仍然过大，不满足粉末化的要求。专利(公告号：CN212310955U)一种间断微刃微细铣削刀具，采用螺旋双刃结构并在两个刀齿侧刃加工出空间交错的微刃，微刃的刃口钝圆半径减小，耕犁作用降低，更容易形成切屑且有效提高了微细切削过程的稳定性。但该刀具在铣削过程中存在一定的进给运动，空间交错的微刃无法有效保障增减材复合制造所要求的加工精度，难以控制切屑与粉末的尺寸在同一量级。除此之外，以上刀具由于自身尺寸结构受限，难以满足复杂零件的内流道、孔、悬垂面等一类细微特征结构的三轴式精加工。

针对上述现有技术中所存在的问题，研究设计一种新型的适用于铺粉式增减材复合制造的铣削刀具及减材加工方法，从而克服现有技术中所存在的问题是十分必要的。

发明内容

根据上述现有技术提出的微刃刀具无法保证切屑粉末化要求，刀具自身尺寸结构受限，难以满足复杂零件的内流道、孔、悬垂面等一类细微特征结构的三轴式精加工，空间交错的微刃无法保证加工精度，减材加工效率较低等技术问题，而提供一种适用于铺粉式增减材复合制造的铣削刀具和减材加工方法。本发明中的铣削刀具基于微刃控制切屑形态，增加刀齿厚度以加工出多排微刃并列的结构，并结合提出的减材加工方法来精准控制切屑尺寸，将切屑粉末化以减少其对铺粉质量和增减材交替界面组织均匀性的影响，事先对被加工零件特征部位的倾角进行测量，根据其倾角选取不同倾角的刀头，实现成形加工，保证加工精度、提高加工效率。

本发明采用的技术手段如下：

一种适用于铺粉式增减材复合制造的铣削刀具，包括：刀头、刀颈和刀柄；

进一步地，刀头为T型刀头，由切削部和连接部组成；

进一步地，切削部由四个刀齿构成；在每个刀齿的后刀面上加工出若干个尺寸相同的微槽；若干个微槽将每一个刀齿又划分成若干个尺寸相同的微刃。

进一步地，刀齿成螺旋状结构；

进一步地，刀齿后刀面上的微刃宽度w

进一步地，刀头包括：垂直式刀头、悬垂式刀头和斜坡式刀头；

进一步地，垂直式刀头的切削部的纵向剖面是两侧边为垂直的矩形面，其加工出来的产品边缘为垂直面；

进一步地，悬垂式刀头的切削部的纵向剖面是两侧边为由上至下向外倾斜的斜坡面，其加工出来的产品边缘为悬垂面；

进一步地，斜坡式刀头的切削部的纵向剖面是两侧边为由上至下向内倾斜的悬垂面，其加工出来的产品边缘为斜坡面。

进一步地，微刃的前角γ

进一步地，微刃可进一步细化分为端刃和侧刃，端刃位于微刃底部，用以提高其切削性能，侧刃位于微刃前刀面与后刀面的交界处，用于垂直面、悬垂面和倾斜面等特征的精加工。

进一步地，两个相邻刀齿的首尾之间设置有排屑槽。

进一步地，切削部、连接部、刀颈和刀杆为一体成形加工而成；

进一步地，切削部的厚度为L

进一步地，连接部的长度为L

进一步地，刀颈的长度为L

进一步地，刀杆的长度为L

进一步地，L

进一步地，L

进一步地，刀颈斜面与轴线方向的夹角ψ为5°-75°之间；

进一步地，刀杆底部边缘设有45°的倒角。

进一步地，减材加工方法适用于三轴式的铣削加工，减材环节处于两次连续增材环节之间，减材加工自上而下进行；在加工过程中，控制水平方向每次切削深度为50μm，循环几次直到表面精度达到要求，是为一次减材加工。

进一步地，三轴式的铣削加工时，切削部首先轴向移动到被加工零件的水平面上，之后朝着被加工零件的加工表面径向移动进行减材加工，加工完成后朝着被加工零件反方向退刀，完成第一次铣削加工；第一次加工完成后，铣刀切削部向下移动(w

进一步地，完成第二次铣削加工后，铣刀向下移动L

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明提供的适用于铺粉式增减材复合制造的铣削刀具，该刀具基于微刃设计来控制切屑形态，采用的T型刀头由切削部和连接部组成，切削部的刀齿后刀面上加工出数道微刃用以细化切屑，通过控制刀齿厚度来提高加工效率，连接部与带有倾角的刀颈连接，以避免与加工零件干涉；该结构具有对复杂零件内流道、孔、悬垂面等一类细微特征结构的三轴式精加工的优势，根据被加工零件特征部位的倾斜角来选取不同倾角的刀头，实现成形加工，降低成本，保证加工精度的同时提高加工效率；

2、本发明提供的适用于铺粉式增减材复合制造的铣削刀具的减材加工方法，该方法适用于三轴式铣削减材加工，在减材加工过程中，通过控制水平方向的切削深度和轴向的移动距离，对粗糙的增材表面进行精加工，并结合铣削刀具切削部的微刃结构实现切屑粉末化的技术要求。

综上所述，应用本发明的技术方案解决了现有技术中微刃刀具无法满足切屑粉末化要求，刀具自身尺寸结构受限，难以实现复杂零件内流道、孔和悬垂面等一类细微特征结构的三轴式精加工，以及空间交错的微刃无法保证加工精度、减材加工效率较低等问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明铣削刀具结构示意图；

图2为本发明刀头结构示意图；

图3为本发明图2中I部放大示意图；

图4为本发明刀头侧视图；

图5为本发明图4中S部放大示意图；

图6为本发明刀颈放大示意图；

图7为本发明减材加工方式示意图；

图8为本发明图7中A部放大示意图；

图9为本发明图7中B部放大示意图；

图10为本发明垂直式刀头结构示意图；

图11为本发明悬垂式刀头结构示意图；

图12为本发明斜坡式刀头结构示意图。

图中：1、切削部 2、连接部 3、刀颈 4、刀杆 5、刀齿 6、微刃7、微槽 8、端刃 9、侧刃 10、排屑槽 11、被加工零件 12、加工表面13、未加工表面 14、垂直式刀头 15、悬垂式刀头 16、斜坡式刀头a、第一次铣削加工示意图b、第一次铣削加工完成后效果图c、第二次铣削加工示意图d、第二次铣削加工完成后效果图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

如图1所示，本发明提供了一种适用于铺粉式增减材复合制造的铣削刀具，包括：刀头、刀颈3和刀柄4；

如图1、2所示，刀头为T型刀头，由切削部1和连接部2组成；切削部1由四个刀齿5构成；在每个刀齿5的后刀面上加工出若干个尺寸相同的微槽7；若干个微槽7将每一个刀齿5又划分成若干个尺寸相同的微刃6。

切削部1、连接部2、刀颈3和刀杆4为一体成形加工而成；刀杆4底部边缘设有45°的倒角；切削部1的厚度为L

如图2所示，刀齿5成螺旋状结构；刀齿5后刀面上的微刃6宽度w

如图10-12所示，刀头包括：垂直式刀头14、悬垂式刀头15和斜坡式刀头16；垂直式刀头14的切削部1的纵向剖面是两侧边为垂直的矩形面，其加工出来的产品边缘为垂直面；悬垂式刀头15的切削部1的纵向剖面是两侧边为由上至下向外倾斜的斜坡面，其加工出来的产品边缘为悬垂面；斜坡式刀头16的切削部1的纵向剖面是两侧边为由上至下向内倾斜的悬垂面，其加工出来的产品边缘为斜坡面。

如图5所示，微刃6的前角γ

如图3所示，微刃6可进一步细化分为端刃8和侧刃9，端刃8位于微刃6底部，用以提高其切削性能，侧刃9位于微刃前刀面与后刀面的交界处，用于垂直面、悬垂面和倾斜面等特征的精加工。

如图4所示，两个相邻刀齿5的首尾之间设置有排屑槽10。

如图6所示，刀颈3斜面与轴线方向的夹角ψ为5°-75°之间。

如图7-9所示，减材加工方法适用于三轴式的铣削加工，减材环节处于两次连续增材环节之间，减材加工自上而下进行；在加工过程中，控制水平方向每次切削深度为50μm，循环几次直到表面精度达到要求，是为一次减材加工。

如图7-9所示，三轴式的铣削加工时，切削部1首先轴向移动到被加工零件11的水平面上，之后朝着被加工零件11的加工表面12径向移动进行减材加工，如图7(a)所示；加工完成后朝着被加工零件11反方向退刀，完成第一次铣削加工，加工效果如图7(b)所示；第一次加工完成后，铣刀切削部1向下移动(w

如图7-9所示，完成第二次铣削加工后，铣刀向下移动L

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。