PCD刀具微细铣削硬质合金刀具磨损研究
吴贤;李亮;何宁
【摘 要】使用PCD刀具进行微细铣削硬质合金的刀具磨损试验,研究了PCD微细铣刀的磨损形态和磨损机理.结果表明,PCD微细铣刀的磨损主要集中在刀尖和底刃上,造成刀具磨损的原因主要包括粘结磨损、磨料磨损以及微崩刃.刀具磨损导致硬质合金加工表面粗糙度逐渐增大. 【期刊名称】《机械制造与自动化》 【年(卷),期】2019(000)001 【总页数】4页(P5-7,29)
【关键词】PCD微细铣刀;硬质合金;微细铣削;刀具磨损 【作 者】吴贤;李亮;何宁
【作者单位】南京航空航天大学 机电学院,江苏 南京210016;南京航空航天大学 机电学院,江苏 南京210016;南京航空航天大学 机电学院,江苏 南京210016 【正文语种】中 文 【中图分类】TG54 0 引言
硬质合金由于其优良性能，成为现代制造领域不可缺少的重要材料，不仅被用作刀具材料，还是制造金属拉伸、光学玻璃模压成型等精密模具的理想材料。硬质合金模具不仅寿命长，而且制品表面质量也非常高，模压成型的玻璃透镜、光栅等零件
可以达到光学表面质量要求[1-2]。硬质合金因具有硬度高、韧性低等特点，是典型的难加工材料，加工性能非常差。硬质合金的难加工问题了它在模具行业的广泛应用。
微细铣削技术具有可加工三维复杂形状、表面质量好、加工效率高等优点，非常适合微模具和微结构的微细加工[3-4]。超硬刀具如CBN、金刚石等的出现，扩宽了切削加工材料范围，使得直接微细铣削加工硬质合金成为可能。近年来，硬质合金的切削加工在国内外受到越来越多的关注，学者们已经开展了很多研究。Bulla[5]通过单晶金刚石车削硬质合金试验，研究了加工参数和刀具几何形状对轮廓精度和表面质量的影响。Nath[6-7]通过PCD(聚晶金刚石)刀具超声车削硬质合金试验，分析了加工参数对切削力、刀具磨损以及表面粗糙度的影响，指出超声车削比传统车削的加工效果要好很多。Suzuki[8]利用磨削制备PCD微细铣刀，加工了用于光学玻璃成型的硬质合金微小非球面模具。目前这些研究主要集中于通过优化加工参数来获取光学表面质量，对刀具磨损的深入研究还比较少。本文使用PCD微细铣刀进行刀具磨损试验，研究微细铣削硬质合金过程中的刀具磨损形态和磨损机理，分析刀具磨损对加工表面粗糙度的影响。 1 试验设备与方案
微细铣削试验使用机床为课题组自主搭建的微细铣削机床，如图1所示。该机床由大理石床身、进给机构、高速气浮主轴、基于PMAC的运动控制系统等组成，是专门为微型零件的微细铣削加工而设计的。配备的显微镜图像采集系统既能实现微细铣刀的精准对刀，也可用于在线监测微细铣削加工过程。 图1 微细铣削机床
由于硬质合金的硬度高达HRA～94，只有CBN、金刚石等超硬刀具才能适应硬质合金的切削加工。试验中使用刀具为磨削制备的PCD单齿直刃微细铣刀，如图2所示。刀具直径为0.7 mm，前角为0°，后角为15°，底刃倾角为10°，刀尖
圆弧半径γ为8 μm。使用光学显微镜三维重构PCD微细铣刀的刃口形貌后，测得刃口圆弧半径β为3 μm，刃口十分锋利。 图2 PCD微细铣刀
刀具磨损试验使用PCD微细铣刀对硬质合金进行持续的铣削直槽加工。所有试验均采用干切方式，主轴转速n为20 000r/min，铣削深度ap为4μm，每齿进给量fz为1.2μm。试验后使用超声清洗机对工件进行清洗，使用表面粗糙度仪沿着刀具进给方向测量加工表面粗糙度，利用电子扫描显微镜分析刀具磨损。 2 结果分析与讨论 2.1 刀具磨损形态
在传统铣削中，铣削深度远大于铣刀的刀尖圆弧半径，铣刀侧刃是主要参与加工的切削刃。随着铣削加工的持续进行，将在侧刃后刀面上形成典型的后刀面磨损带。但在微细铣削中，铣削深度(ap=4μm)非常小，通常小于刀尖圆弧半径(γ=8μm)，参与加工的切削刃实际上只有刀尖圆弧底部，因此，刀具磨损也不同于传统铣削。图3所示为PCD微细铣刀加工一段距离后的刀具磨损形态，虚线为刀具的原始形状。由图可见，PCD微细铣刀的刀具磨损主要集中在刀尖和底刃上。刀尖形状由于刀具磨损发生改变，原本锋利的刀尖磨损后在副后刀面上形成一个三角形磨损区域。刀尖被磨钝后，刀尖圆弧半径增大很多。侧刃上的磨损长度较小，底刃上的磨损长度较大，PCD微细铣刀在底刃上磨损要比侧刃上严重很多。前刀面上的磨损轻微，后刀面上的磨损较严重，切削刃由于微细铣削过程中与硬质合金材料的剧烈摩擦而变钝，刃口圆弧半径变大。 图3 PCD微细铣刀磨损形态
图4为PCD微细铣刀在不同铣削路径下的刀具磨损形貌。随着铣削过程的持续进行，铣削距离的逐渐增加，PCD微细铣刀与硬质合金材料不断发生挤压和摩擦，刀具磨损越来越严重。由于硬质合金的高硬度和耐磨性，在铣削路径(l=150mm)
较短时，副后刀面上就已经初步形成一个小范围的三角形磨损面。随后，刀尖不断被磨钝，底刃上的磨损长度逐渐上升，副后刀面上的三角形磨损区域面积也明显变大，说明刀具发生剧烈磨损。微细铣削850mm路径之后，刀尖上已经缺失很大一部分材料，刀具失去锋利性。 图4 PCD微细铣刀磨损过程 2.2 刀具磨损机理
硬质合金材料是由碳化钨硬质颗粒和金属钴通过高温烧结而成，两相组分的硬度相差很大。微细铣削过程中，刀具交替切削两相组分，金属钴易与刀具发生粘结，碳化钨硬质颗粒会刻划刀具表面。PCD微细铣刀在微细铣削硬质合金中的刀具磨损机理主要包括粘结磨损、磨料磨损及微崩刃。
1) 粘结磨损。由图5看出，PCD微细铣刀副后刀面上的磨损区域附有大量粘结物，说明发生了严重粘结磨损。微细铣削中由于每齿进给量很小，实际切削厚度(fz=1.2μm)小于刃口圆弧半径(β=3μm)，切削过程实际上处于负前角切削状态，切削区域的接触应力非常大。当铣刀的副后刀面与工件发生接触干涉和剧烈摩擦时，在较大接触应力作用下，部分硬质合金材料粘附在副后刀面上。然后，随着刀具的运动，粘结物与已加工表面发生严重挤压，被碾压成扁平状，镶嵌到刀具表面，并延伸到周围的刀具表面上，形成大面积的粘结层。 图5 PCD微细铣刀粘结磨损
微细铣削过程中，粘结物随铣刀旋转不断受到循环载荷的机械冲击作用，粘结物与刀具表面贴合不牢固的地方出现裂纹，进而发生脱落，同时带走部分PCD刀具材料。随粘结物剥落的PCD颗粒每次大小不一样，使得剥落后刀具表面坑坑洼洼，很粗糙，并且还遗留少量粘结物。刀具材料剥落后的粗糙表面又有利于下一次粘结物的形成。粘结物周期性的产生、脱落，不断带走刀具材料，造成PCD微细铣刀的粘结磨损。
2) 磨料磨损。在粘结物表面上，可观察到很多细小划痕，这些划痕平行于切削速度方向，如图6所示。硬质合金材料中碳化钨颗粒的硬度很高，耐磨性好。微细铣削过程中，在铣削力的作用下，碳化钨颗粒不断刻划刀具表面，产生均匀分布的细小划痕，导致PCD微细铣刀发生逐渐的磨料磨损。加工过程中，碳化钨颗粒还可能会发生破碎、拔出现象。这些脱落的碳化钨颗粒随刀具运动也在划擦刀具表面，且往往形成相对深的划痕，加剧刀具的磨料磨损。 图6 PCD微细铣刀磨粒磨损
3) 微崩刃。如图7所示，在PCD微细铣刀的前刀面上，还可以观察到微崩刃现象的存在。微细铣削是一个断续的切削过程，刀具转速非常高，每分钟达数万转，PCD微细铣刀在加工过程中受到高频载荷冲击。在粘结强度较低的地方产生微裂纹，随着加工过程的进行，裂纹逐步扩展，最终使得PCD颗粒从刀体上剥落，发生崩刃。由于铣削深度较小，底刃上的崩刃相对较小，没有发现大块的崩刃现象。 图7 PCD微细铣刀微崩刃 2.3 刀具磨损对加工质量的影响
图8为在不同铣削路径下测得的硬质合金加工表面粗糙度。在PCD微细铣刀刚开始切削时，刀具非常锋利，加工表面粗糙度Ra非常小。随铣削距离的增加，PCD微细铣刀不断磨损，表面粗糙度Ra也逐步上升。在铣削路径达到450mm之前，表面粗糙度上升幅度较大，从0.048μm增大到0.207μm。当铣削路径超过450mm之后，表面粗糙度的增幅放缓，铣削850mm长度之后，表面粗糙度Ra甚至达到0.283μm。
图8 表面粗糙度随铣削路径变化曲线
硬质合金作为一种硬脆材料，在传统切削中通常以脆性断裂形式去除，在加工表面上形成脆性破坏缺陷，影响加工表面质量。学者通过研究表明，当加工过程中的切削厚度小于某临界值时，脆性材料也能以塑性变形方式去除，得到光洁延性加工表
面，称之为延性切削[9-10]。微细铣削中的实际切削厚度非常小，在刀具非常锋利的时候，硬质合金是通过延性切削形式去除，得到的表面粗糙度很小。刀具磨损变钝后，不仅会使得加工过程中的铣削力增大，容易产生振动，同时对工件的摩擦和挤压也变得更加剧烈。硬质合金发生脆性破坏的可能性大增，产生凹坑、裂纹等脆性破坏缺陷，得到较大的表面粗糙度。 3 结语
1) PCD微细铣刀的磨损主要集中在刀尖和底刃上。副后刀面上的三角形磨损区域随铣削路径逐渐增大，加工850 mm距离后，刀具失去锋利性。
2) PCD微细铣刀在微细铣削硬质合金中的刀具磨损机理主要包括粘结磨损、磨料磨损以及微崩刃。
3) 刀具磨损导致加工表面粗糙度逐渐增大，铣削850 mm路径后，表面粗糙度从0.048 μm增大到0.283 μm。 参考文献:
【相关文献】
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