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金刚石涂层刀具微细铣削硬质合金的试验研究

关键词 金刚石 , 刀具 , 硬质合金|2018-07-03 09:38:15|技术信息|来源 工具技术
摘要 硬质合金具有硬度高、耐磨性好、耐腐蚀、热膨胀系数小等优点,广泛应用于制造光学玻璃成型、金属拉伸等精密模具和耐磨、耐腐蚀零件。硬质合金模具不仅寿命长,是钢质模具的十几倍甚至上百倍;而...

        硬质合金具有硬度高、耐磨性好、耐腐蚀、热膨胀系数小等优点,广泛应用于制造光学玻璃成型、金属拉伸等精密模具和耐磨、耐腐蚀零件。硬质合金模具不仅寿命长,是钢质模具的十几倍甚至上百倍;而且制品表面质量非常高,注塑成型的玻璃透镜等零件可以达到光学表面质量要求。

        硬质合金加工性能较差,是典型的难加工材料。磨削与电火花加工是两种最常用的硬质合金模具加工手段。随着CBN金刚石等超硬刀具的出现,使得直接切削加工硬质合金成为可能,受到越来越多的关注,国外学者已开展了较多研究。B.Bulla等分析了金刚石车削中加工参数对硬质合金加工表面轮廓的影响,获得最优加工参数后,进一步研究了刀具几何形状对表面粗糙度和刀具磨损的影响。N.Suzuki等进行了金刚石超声椭圆振动车削硬质合金试验,发现相比普通车削,超声椭圆振动车削的表面质量更好,刀具磨损更小,通过试验还加工了具有光学表面质量的微小棱镜、球面透镜等硬质合金模具。

        制造精密、复杂、长寿命的硬质合金模具是衡量国家模具制造水平的重要标志。微细铣削加工技术具有加工效率高、加工材料范围广、可加工三维复杂形状、表面质量高等优点,非常适合加工硬质合金微模具和微小零件,应用前景广阔。本文使用金刚石涂层刀具进行微细铣削硬质合金的试验研究,分析了加工过程中的切削力、表面质量以及刀具磨损。

        1  试验设备与方案

        使用自主搭建的高精密微细铣削机床(见图1),该机床专门为微小型零件的微细铣削加工设计,由大理石床身、进给机构、高速气浮主轴、基于PMAC的运动控制系统等组成。由于微细铣刀直径很小,不容易实现精准对刀,机床配备了显微镜对刀系统,该显微镜还可用于在线监测微细铣削加工过程。

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图1  微细铣削机床

        使用金刚石涂层螺旋刃微细铣刀(见图2a),刀具基体材料为硬质合金,通过化学气相沉积(CVD)涂覆一层金刚石膜。刀柄直径为6mm,刃径为1mm,刃长为2mm,刀具前角为2°,后角为14°,螺旋角为35°。从刀具SEM侧视图中测得刀具的刀尖圆弧半径γε约为11μm(见图2b);从刀具SEM俯视图中测得刀具的刃口圆弧半径γβ约为8μm(见图2c)。

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(a)                                                 (b)

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(c)

图2  金刚石涂层微细铣刀

        使用金刚石涂层刀具在不同加工参数下进行铣直槽加工。试验前工件表面均经过抛光处理,然后固定装夹在Kistler 9256C1测力仪上,采样频率为20kHz。所有试验均采用干切条件,微细铣削试验参数见表1,主轴转速n固定为20000r/min,铣削深度ap选用2μm和4μm两个水平,每齿进给量fz选用范围为0.3-1.5μm。试验后使用超声清洗机对工件进行清洗,使用Mahr表面粗糙度仪沿进给方向测量加工表面粗糙度及微观轮廓曲线,利用电子扫描电镜观察加工表面形貌和刀具磨损形貌。

        2  试验结果与分析

        (1)切削力

        铣削力信号是监测铣削过程的重要参数,可以实时反映刀具磨损状态及加工表面质量。铣削过程中切削厚度连续变化,随铣刀旋转周期性地从零上升到最大然后减小到零,导致铣削力信号也出现波谷和波峰值,从铣削力信号波形中可以观察加工过程中的不均匀切削、振动等异常行为。

        图3为试验测得的铣削力信号波形图,其中Fx是主切削力,Fy是进给力,Fz是轴向力。从铣削力波形图可以看出,铣削过程三个分力中,轴向力Fz的幅值最大,远大于其它两个分力,其次是主切削力Fx,最小的是进给力Fy。分析其原因,微细铣削中的铣削深度ap很小,远小于微细铣刀的刀尖圆弧半径γε,刀具实际参与切削的只有刀尖圆弧底部一小部分,相当于刀具在以很小的主偏角进行切削,导致轴向的铣削力分力很大。

        铣刀每旋转一周,两个对称刀刃会依次参与切削,在铣削力信号周期中表现为两个波峰。从波形图可以看到,两个波峰的幅值并不相同,前半个周期波峰的幅值明显大于后半个周期。这表明在实际铣削过程中,双齿铣刀两个刀刃的切削厚度不同,一个刀刃切除的材料多,另一个刀刃切除的材料少,产生不均匀铣削现象。严重的不均匀铣削会引起铣削力的波动,增加加工过程中的振动,不利于微细铣削加工的稳定进行。

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图3  微细铣削力信号波形

        试验过程中记录了不同微细铣削参数下的铣削力,取刀具旋转周期中最大切削厚度时对应的铣削力峰值为试验结果,图4为X、Y、Z三向分力的测量结果。在相同铣削深度下,铣削力随着每齿进给量fz的增大而上升。主切削力Fx和进给力Fy上升相对比较平缓,在铣削深度ap=2μm和4μm时,主切削力Fx分别从0.44N和0.92N上升到1.34N和2.05N;进给力Fy分别从0.38N和0.81N上升到1.07N和1.49N;轴向力Fz的上升幅度则较大,分别从1.21N和2.45N上升到3.43N和6.87N。同理,铣削深度的增加也会导致铣削力的上升。三向分力中轴向力Fz对铣削参数比较敏感,其原因是微细铣削中每齿进给量fz小于微细铣刀的刃口圆弧半径γβ,使得微细铣刀的底刃后刀面与工件的接触面积相对较大,后刀面上的摩擦力在铣削力中所占比重较大。

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图4  铣削力随加工参数变化曲线

        (2)表面质量

        硬质合金是硬脆材料,在传统切削中通常以脆性断裂形式去除硬脆材料,从而在加工表面产生脆性破坏缺陷,影响加工表面质量。研究表明,控制加工参数,使加工过程中的切削厚度小于某临界值时,脆性材料也能发生塑性变形,得到光洁延性加工表面,称之为延性切削。图5为在ap=2μm、fz=1.2μm时微细铣削硬质合金的表面形貌与轮廓曲线。由图可见,加工表面形貌以刀具几何形状复映为主,分布着清晰的刀痕纹理,由轮廓曲线中可观察到刀齿的进给刀痕,几乎没有脆性破坏缺陷。微细铣削中的实际切削厚度非常小,可以实现硬质合金的延性切削,硬质合金材料以塑性变形的方式被去除,获得良好的加工表面质量。

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(a)表面形貌

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(b)轮廓曲线

图5  加工表面形貌与轮廓

        图6为微细铣削硬质合金的表面粗糙度Ra随加工参数变化曲线。由图可见,由于微细铣削中的延性切削,获得的硬质合金加工表面粗糙度Ra值很小。表面粗糙度Ra随着每齿进给量ap和铣削深度fz的增加而逐渐增大,但每齿进给量对表面粗糙度的影响大于铣削深度的影响。在ap=2μm和fz=0.3μm时,最小表面粗糙度为0.073μm;在ap=4μm和fz=1.5μm时,表面粗糙度增大到最大值0.151μm。

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图6  表面粗糙度随加工参数变化曲线

        (3)刀具磨损

        图7为金刚石涂层微细铣刀加工硬质合金一段距离后的刀具磨损形貌。金刚石涂层微细铣刀两个刀齿的磨损不均匀,一个刀齿严重磨损,一个刀齿轻微磨损,进一步验证了铣削力信号波形中的不均匀铣削现象。

        由于硬质合金的高硬度和耐磨性,切除材料多的刀齿磨损严重,刀尖变钝,刀尖圆弧半径变大(见图7b)。以刀尖崩刃的非逐渐磨损过程为主要特征,可以清晰地看到整个刀尖崩落缺失很大一部分材料,导致金刚石涂层大面积脱落,暴露出刀具基体材料。切除材料少的刀齿磨损轻微,没有发现崩刃现象,刀具表面的摩擦痕迹表明金刚石涂层是缓慢的磨损过程,刀尖依然比较锋利(见图7c)。导致不均匀铣削现象的原因有多种,双齿铣刀本身制造中的对称性误差、刀具的装夹误差以及主轴本身跳动等。

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(a)                                                 (b)

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(c)

图7  刀具磨损形貌

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图8  刀具磨损对表面粗糙度的影响

        图8为表面粗糙度随微细铣削路径变化曲线。由图可知,表面粗糙度Ra随铣削路径的增加而逐步上升。当铣削距离达到700mm前,表面粗糙度上升幅度较大;当铣削距离超过700mm后,表面粗糙度的增幅放缓,铣削1000mm长度后,表面粗糙度Ra达到0.224μm。刀具磨损后不仅导致铣削力增大,对工件的挤压和摩擦也变得更加严重,使硬质合金材料发生脆性破坏的可能性增大,在加工表面上产生脆性破坏缺陷,恶化加工表面质量,表面粗糙度增大。

        小结

        (1)由于铣削深度远小于刀尖圆弧半径,实际参与切削的只有刀尖圆弧底部,导致轴向分力较大。金刚石涂层双齿铣刀的微细铣削中出现了不均匀铣削现象,铣削力随着每齿进给量和铣削深度的增加而上升。

        (2)微细铣削中的实际切削厚度很小,可以实现硬质合金的延性切削,获得良好加工表面质量。表面粗糙度Ra随着每齿进给量和铣削深度的增加逐渐增大。

        (3)不均匀铣削现象导致两个刀刃磨损不均,承载刀刃磨损严重。表面粗糙度随铣削路径的增加逐步变大。

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