金剛石涂層刀具微細(xì)銑削硬質(zhì)合金的試驗(yàn)研究

硬質(zhì)合金具有硬度高、耐磨性好、耐腐蝕、熱膨脹系數(shù)小等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于制造光學(xué)玻璃成型、金屬拉伸等精密模具和耐磨、耐腐蝕零件。硬質(zhì)合金模具不僅壽命長(zhǎng)，是鋼質(zhì)模具的十幾倍甚至上百倍；而且制品表面質(zhì)量非常高，注塑成型的玻璃透鏡等零件可以達(dá)到光學(xué)表面質(zhì)量要求。

        硬質(zhì)合金加工性能較差，是典型的難加工材料。磨削與電火花加工是兩種最常用的硬質(zhì)合金模具加工手段。隨著CBN、金剛石等超硬刀具的出現(xiàn)，使得直接切削加工硬質(zhì)合金成為可能，受到越來(lái)越多的關(guān)注，國(guó)外學(xué)者已開展了較多研究。B.Bulla等分析了金剛石車削中加工參數(shù)對(duì)硬質(zhì)合金加工表面輪廓的影響，獲得最優(yōu)加工參數(shù)后，進(jìn)一步研究了刀具幾何形狀對(duì)表面粗糙度和刀具磨損的影響。N.Suzuki等進(jìn)行了金剛石超聲橢圓振動(dòng)車削硬質(zhì)合金試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)相比普通車削，超聲橢圓振動(dòng)車削的表面質(zhì)量更好，刀具磨損更小，通過試驗(yàn)還加工了具有光學(xué)表面質(zhì)量的微小棱鏡、球面透鏡等硬質(zhì)合金模具。

        制造精密、復(fù)雜、長(zhǎng)壽命的硬質(zhì)合金模具是衡量國(guó)家模具制造水平的重要標(biāo)志。微細(xì)銑削加工技術(shù)具有加工效率高、加工材料范圍廣、可加工三維復(fù)雜形狀、表面質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)，非常適合加工硬質(zhì)合金微模具和微小零件，應(yīng)用前景廣闊。本文使用金剛石涂層刀具進(jìn)行微細(xì)銑削硬質(zhì)合金的試驗(yàn)研究，分析了加工過程中的切削力、表面質(zhì)量以及刀具磨損。

        1   試驗(yàn)設(shè)備與方案

        使用自主搭建的高精密微細(xì)銑削機(jī)床（見圖1），該機(jī)床專門為微小型零件的微細(xì)銑削加工設(shè)計(jì)，由大理石床身、進(jìn)給機(jī)構(gòu)、高速氣浮主軸、基于PMAC的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)等組成。由于微細(xì)銑刀直徑很小，不容易實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)對(duì)刀，機(jī)床配備了顯微鏡對(duì)刀系統(tǒng)，該顯微鏡還可用于在線監(jiān)測(cè)微細(xì)銑削加工過程。

圖1   微細(xì)銑削機(jī)床

        使用金剛石涂層螺旋刃微細(xì)銑刀（見圖2a），刀具基體材料為硬質(zhì)合金，通過化學(xué)氣相沉積（CVD）涂覆一層金剛石膜。刀柄直徑為6mm，刃徑為1mm，刃長(zhǎng)為2mm，刀具前角為2°，后角為14°，螺旋角為35°。從刀具SEM側(cè)視圖中測(cè)得刀具的刀尖圓弧半徑γε約為11μm（見圖2b）；從刀具SEM俯視圖中測(cè)得刀具的刃口圓弧半徑γβ約為8μm（見圖2c）。

(a)                                                 (b)

(c)

圖2   金剛石涂層微細(xì)銑刀

        使用金剛石涂層刀具在不同加工參數(shù)下進(jìn)行銑直槽加工。試驗(yàn)前工件表面均經(jīng)過拋光處理，然后固定裝夾在Kistler 9256C1測(cè)力儀上，采樣頻率為20kHz。所有試驗(yàn)均采用干切條件，微細(xì)銑削試驗(yàn)參數(shù)見表1，主軸轉(zhuǎn)速n固定為20000r/min，銑削深度ap選用2μm和4μm兩個(gè)水平，每齒進(jìn)給量fz選用范圍為0.3-1.5μm。試驗(yàn)后使用超聲清洗機(jī)對(duì)工件進(jìn)行清洗，使用Mahr表面粗糙度儀沿進(jìn)給方向測(cè)量加工表面粗糙度及微觀輪廓曲線，利用電子掃描電鏡觀察加工表面形貌和刀具磨損形貌。

        2   試驗(yàn)結(jié)果與分析

        （1）切削力

        銑削力信號(hào)是監(jiān)測(cè)銑削過程的重要參數(shù)，可以實(shí)時(shí)反映刀具磨損狀態(tài)及加工表面質(zhì)量。銑削過程中切削厚度連續(xù)變化，隨銑刀旋轉(zhuǎn)周期性地從零上升到最大然后減小到零，導(dǎo)致銑削力信號(hào)也出現(xiàn)波谷和波峰值，從銑削力信號(hào)波形中可以觀察加工過程中的不均勻切削、振動(dòng)等異常行為。

        圖3為試驗(yàn)測(cè)得的銑削力信號(hào)波形圖，其中Fx是主切削力，F(xiàn)y是進(jìn)給力，F(xiàn)z是軸向力。從銑削力波形圖可以看出，銑削過程三個(gè)分力中，軸向力Fz的幅值最大，遠(yuǎn)大于其它兩個(gè)分力，其次是主切削力Fx，最小的是進(jìn)給力Fy。分析其原因，微細(xì)銑削中的銑削深度ap很小，遠(yuǎn)小于微細(xì)銑刀的刀尖圓弧半徑γε，刀具實(shí)際參與切削的只有刀尖圓弧底部一小部分，相當(dāng)于刀具在以很小的主偏角進(jìn)行切削，導(dǎo)致軸向的銑削力分力很大。

        銑刀每旋轉(zhuǎn)一周，兩個(gè)對(duì)稱刀刃會(huì)依次參與切削，在銑削力信號(hào)周期中表現(xiàn)為兩個(gè)波峰。從波形圖可以看到，兩個(gè)波峰的幅值并不相同，前半個(gè)周期波峰的幅值明顯大于后半個(gè)周期。這表明在實(shí)際銑削過程中，雙齒銑刀兩個(gè)刀刃的切削厚度不同，一個(gè)刀刃切除的材料多，另一個(gè)刀刃切除的材料少，產(chǎn)生不均勻銑削現(xiàn)象。嚴(yán)重的不均勻銑削會(huì)引起銑削力的波動(dòng)，增加加工過程中的振動(dòng)，不利于微細(xì)銑削加工的穩(wěn)定進(jìn)行。

圖3   微細(xì)銑削力信號(hào)波形

        試驗(yàn)過程中記錄了不同微細(xì)銑削參數(shù)下的銑削力，取刀具旋轉(zhuǎn)周期中最大切削厚度時(shí)對(duì)應(yīng)的銑削力峰值為試驗(yàn)結(jié)果，圖4為X、Y、Z三向分力的測(cè)量結(jié)果。在相同銑削深度下，銑削力隨著每齒進(jìn)給量fz的增大而上升。主切削力Fx和進(jìn)給力Fy上升相對(duì)比較平緩，在銑削深度ap=2μm和4μm時(shí)，主切削力Fx分別從0.44N和0.92N上升到1.34N和2.05N；進(jìn)給力Fy分別從0.38N和0.81N上升到1.07N和1.49N；軸向力Fz的上升幅度則較大，分別從1.21N和2.45N上升到3.43N和6.87N。同理，銑削深度的增加也會(huì)導(dǎo)致銑削力的上升。三向分力中軸向力Fz對(duì)銑削參數(shù)比較敏感，其原因是微細(xì)銑削中每齒進(jìn)給量fz小于微細(xì)銑刀的刃口圓弧半徑γβ，使得微細(xì)銑刀的底刃后刀面與工件的接觸面積相對(duì)較大，后刀面上的摩擦力在銑削力中所占比重較大。

圖4   銑削力隨加工參數(shù)變化曲線

        （2）表面質(zhì)量

        硬質(zhì)合金是硬脆材料，在傳統(tǒng)切削中通常以脆性斷裂形式去除硬脆材料，從而在加工表面產(chǎn)生脆性破壞缺陷，影響加工表面質(zhì)量。研究表明，控制加工參數(shù)，使加工過程中的切削厚度小于某臨界值時(shí)，脆性材料也能發(fā)生塑性變形，得到光潔延性加工表面，稱之為延性切削。圖5為在ap=2μm、fz=1.2μm時(shí)微細(xì)銑削硬質(zhì)合金的表面形貌與輪廓曲線。由圖可見，加工表面形貌以刀具幾何形狀復(fù)映為主，分布著清晰的刀痕紋理，由輪廓曲線中可觀察到刀齒的進(jìn)給刀痕，幾乎沒有脆性破壞缺陷。微細(xì)銑削中的實(shí)際切削厚度非常小，可以實(shí)現(xiàn)硬質(zhì)合金的延性切削，硬質(zhì)合金材料以塑性變形的方式被去除，獲得良好的加工表面質(zhì)量。

(a)表面形貌

(b)輪廓曲線

圖5   加工表面形貌與輪廓

        圖6為微細(xì)銑削硬質(zhì)合金的表面粗糙度Ra隨加工參數(shù)變化曲線。由圖可見，由于微細(xì)銑削中的延性切削，獲得的硬質(zhì)合金加工表面粗糙度Ra值很小。表面粗糙度Ra隨著每齒進(jìn)給量ap和銑削深度f(wàn)z的增加而逐漸增大，但每齒進(jìn)給量對(duì)表面粗糙度的影響大于銑削深度的影響。在ap=2μm和fz=0.3μm時(shí)，最小表面粗糙度為0.073μm；在ap=4μm和fz=1.5μm時(shí)，表面粗糙度增大到最大值0.151μm。

圖6   表面粗糙度隨加工參數(shù)變化曲線

        （3）刀具磨損

        圖7為金剛石涂層微細(xì)銑刀加工硬質(zhì)合金一段距離后的刀具磨損形貌。金剛石涂層微細(xì)銑刀兩個(gè)刀齒的磨損不均勻，一個(gè)刀齒嚴(yán)重磨損，一個(gè)刀齒輕微磨損，進(jìn)一步驗(yàn)證了銑削力信號(hào)波形中的不均勻銑削現(xiàn)象。

        由于硬質(zhì)合金的高硬度和耐磨性，切除材料多的刀齒磨損嚴(yán)重，刀尖變鈍，刀尖圓弧半徑變大（見圖7b）。以刀尖崩刃的非逐漸磨損過程為主要特征，可以清晰地看到整個(gè)刀尖崩落缺失很大一部分材料，導(dǎo)致金剛石涂層大面積脫落，暴露出刀具基體材料。切除材料少的刀齒磨損輕微，沒有發(fā)現(xiàn)崩刃現(xiàn)象，刀具表面的摩擦痕跡表明金剛石涂層是緩慢的磨損過程，刀尖依然比較鋒利（見圖7c）。導(dǎo)致不均勻銑削現(xiàn)象的原因有多種，雙齒銑刀本身制造中的對(duì)稱性誤差、刀具的裝夾誤差以及主軸本身跳動(dòng)等。

(a)                                                 (b)

(c)

圖7   刀具磨損形貌

圖8   刀具磨損對(duì)表面粗糙度的影響

        圖8為表面粗糙度隨微細(xì)銑削路徑變化曲線。由圖可知，表面粗糙度Ra隨銑削路徑的增加而逐步上升。當(dāng)銑削距離達(dá)到700mm前，表面粗糙度上升幅度較大；當(dāng)銑削距離超過700mm后，表面粗糙度的增幅放緩，銑削1000mm長(zhǎng)度后，表面粗糙度Ra達(dá)到0.224μm。刀具磨損后不僅導(dǎo)致銑削力增大，對(duì)工件的擠壓和摩擦也變得更加嚴(yán)重，使硬質(zhì)合金材料發(fā)生脆性破壞的可能性增大，在加工表面上產(chǎn)生脆性破壞缺陷，惡化加工表面質(zhì)量，表面粗糙度增大。

        小結(jié)

        （1）由于銑削深度遠(yuǎn)小于刀尖圓弧半徑，實(shí)際參與切削的只有刀尖圓弧底部，導(dǎo)致軸向分力較大。金剛石涂層雙齒銑刀的微細(xì)銑削中出現(xiàn)了不均勻銑削現(xiàn)象，銑削力隨著每齒進(jìn)給量和銑削深度的增加而上升。

        （2）微細(xì)銑削中的實(shí)際切削厚度很小，可以實(shí)現(xiàn)硬質(zhì)合金的延性切削，獲得良好加工表面質(zhì)量。表面粗糙度Ra隨著每齒進(jìn)給量和銑削深度的增加逐漸增大。

        （3）不均勻銑削現(xiàn)象導(dǎo)致兩個(gè)刀刃磨損不均，承載刀刃磨損嚴(yán)重。表面粗糙度隨銑削路徑的增加逐步變大。