金剛石涂層刀具微細銑削硬質(zhì)合金的試驗研究

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，廣泛應用于制造光學玻璃成型、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，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到光學表面質(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，受到越來越多的關注，國外學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，進一步研究了刀具幾何形狀對表面粗糙度和刀具磨損的影響。N.Suzuki等進行了金剛石超聲橢圓振動車削硬質(zhì)合金試驗，發(fā)現(xiàn)相比普通車削，超聲橢圓振動車削的表面質(zhì)量更好，刀具磨損更小，通過試驗還加工了具有光學表面質(zhì)量的微小棱鏡、球面透鏡等硬質(zhì)合金模具。

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

        1   試驗設備與方案

        使用自主搭建的高精密微細銑削機床（見圖1），該機床專門為微小型零件的微細銑削加工設計，由大理石床身、進給機構、高速氣浮主軸、基于PMAC的運動控制系統(tǒng)等組成。由于微細銑刀直徑很小，不容易實現(xiàn)精準對刀，機床配備了顯微鏡對刀系統(tǒng)，該顯微鏡還可用于在線監(jiān)測微細銑削加工過程。

圖1   微細銑削機床

        使用金剛石涂層螺旋刃微細銑刀（見圖2a），刀具基體材料為硬質(zhì)合金，通過化學氣相沉積（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   金剛石涂層微細銑刀

        使用金剛石涂層刀具在不同加工參數(shù)下進行銑直槽加工。試驗前工件表面均經(jīng)過拋光處理，然后固定裝夾在Kistler 9256C1測力儀上，采樣頻率為20kHz。所有試驗均采用干切條件，微細銑削試驗參數(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兩個水平，每齒進給量fz選用范圍為0.3-1.5μm。試驗后使用超聲清洗機對工件進行清洗，使用Mahr表面粗糙度儀沿進給方向測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   試驗結果與分析

        （1）切削力

        銑削力信號是監(jiān)測銑削過程的重要參數(shù)，可以實時反映刀具磨損狀態(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，導致銑削力信號也出現(xiàn)波谷和波峰值，從銑削力信號波形中可以觀察加工過程中的不均勻切削、振動等異常行為。

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

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

圖3   微細銑削力信號波形

        試驗過程中記錄了不同微細銑削參數(shù)下的銑削力，取刀具旋轉(zhuǎn)周期中最大切削厚度時對應的銑削力峰值為試驗結果，圖4為X、Y、Z三向分力的測量結果。在相同銑削深度下，銑削力隨著每齒進給量fz的增大而上升。主切削力Fx和進給力Fy上升相對比較平緩，在銑削深度ap=2μm和4μm時，主切削力Fx分別從0.44N和0.92N上升到1.34N和2.05N；進給力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導致銑削力的上升。三向分力中軸向力Fz對銑削參數(shù)比較敏感，其原因是微細銑削中每齒進給量fz小于微細銑刀的刃口圓弧半徑γβ，使得微細銑刀的底刃后刀面與工件的接觸面積相對較大，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，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時微細銑削硬質(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給刀痕，幾乎沒有脆性破壞缺陷。微細銑削中的實際切削厚度非常小，可以實現(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隨著每齒進給量ap和銑削深度fz的增加而逐漸增大，但每齒進給量對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，最小表面粗糙度為0.073μm；在ap=4μm和fz=1.5μm時，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。金剛石涂層微細銑刀兩個刀齒的磨損不均勻，一個刀齒嚴重磨損，一個刀齒輕微磨損，進一步驗證了銑削力信號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刀尖崩落缺失很大一部分材料，導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稱性誤差、刀具的裝夾誤差以及主軸本身跳動等。

(a)                                                 (b)

(c)

圖7   刀具磨損形貌

圖8   刀具磨損對表面粗糙度的影響

        圖8為表面粗糙度隨微細銑削路徑變化曲線。由圖可知，表面粗糙度Ra隨銑削路徑的增加而逐步上升。當銑削距離達到700mm前，表面粗糙度上升幅度較大；當銑削距離超過700mm后，表面粗糙度的增幅放緩，銑削1000mm長度后，表面粗糙度Ra達到0.224μm。刀具磨損后不僅導致銑削力增大，對工件的擠壓和摩擦也變得更加嚴重，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

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

        （2）微細銑削中的實際切削厚度很小，可以實現(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隨著每齒進給量和銑削深度的增加逐漸增大。

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