金剛石厚膜端銑刀的試驗(yàn)研究
　　2007/12/20/09:38
　　
　　
　　1 引言
　　金剛石刀具的高硬度及其它優(yōu)異性能使其非常適合加工硅合金、鋁合金、銅合金等有色金屬材料以及纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、酚醛樹脂、石墨等非金屬材料。天然金剛石材料由于顆粒較小、價(jià)格昂貴、不易加工等原因，其推廣應(yīng)用受到一定限制。人造聚晶金剛石(PCD)刀具雖然在半精加工、精加工領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，但由于刀片形狀單一、無斷屑槽以及幾何參數(shù)的局限性等，其優(yōu)異性能難以充分發(fā)揮。金剛石厚膜刀具是將沉積的金剛石厚膜焊接在硬質(zhì)合金刀片上制成的新型刀具，具有優(yōu)異的加工性能及較高的性能價(jià)格比。我國對(duì)金剛石厚膜端銑刀的研究、開發(fā)及應(yīng)用目前尚處于起步階段。本文對(duì)金剛石厚膜端銑刀的顯微組織、設(shè)計(jì)與制備以及在超精加工中的應(yīng)用進(jìn)行了試驗(yàn)研究。
　　
　　2 金剛石厚膜的顯微組織分析
　　
　　為研究金剛石厚膜刀具的加工性能，用JSOM35C型掃描電鏡對(duì)國產(chǎn)金剛石厚膜與進(jìn)口PCD復(fù)合片的顯微組織進(jìn)行了對(duì)比測試分析，由兩種材料的顯微組織圖像可知，PCD復(fù)合片的顯微組織為顆粒狀聚晶組織，存在較多空隙，含有許多針狀石墨體；由于在高溫高壓的制備過程中添加了微量粘結(jié)劑，因此其硬度受到一定影響(HK5000～8000)，低于天然金剛石的硬度，但其抗沖擊強(qiáng)度較高；用PCD復(fù)合片制成的刀具刃口上呈現(xiàn)許多不平整的微鋸齒，因此適用于半精加工和精加工，但不適合要求達(dá)到鏡面級(jí)表面精度的超精加工。由圖2可知，金剛石厚膜的顯微組織完整單一，空隙少而細(xì)微，與單晶金剛石相似；由于材料組織完全由金剛石組成，無粘結(jié)劑夾雜，因此具有較高硬度(HK8300)，接近天然金剛石的平均硬度值；如選用適當(dāng)?shù)娜心スに嚕饎偸衲さ毒呖色@得無鋸齒的直線狀刀刃，十分適合鏡面級(jí)表面精度的超精加工。
　　
　　3 端銑刀的設(shè)計(jì)與制備
　　
　　為進(jìn)行對(duì)比切削試驗(yàn)，分別用金剛石厚膜和PCD復(fù)合片制備成具有相同形狀及幾何參數(shù)的端銑刀。經(jīng)優(yōu)選的端銑刀設(shè)計(jì)參數(shù)為：直徑?125mm，刀齒數(shù)為6齒，切深前角3°～8°，徑向前角0°～-5°，主偏角75°；硬質(zhì)合金基體采用YG3X正方形刀片，刀體采用可轉(zhuǎn)位前壓式，刀體厚度、孔徑、連接尺寸等按國家標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。
　　
　　用激光分別將PCD復(fù)合片和金剛石厚膜切割為三角形小片，用專用工裝將YG3X硬質(zhì)合金刀片磨削成與三角形膜片尺寸一致的刀槽，以備釬焊時(shí)使用。金剛石厚膜與一般金屬及其合金之間具有很高的界面能，難以被一般的低熔點(diǎn)合金所浸潤，且金剛石厚膜可焊性較差。為了提高金剛石厚膜與硬質(zhì)合金基體之間的可焊性，采用了特制的高強(qiáng)度銀銅合金焊料，并采用硬質(zhì)合金低溫釬焊工藝焊接金剛石厚膜刀片和PCD刀片。分別將釬焊好的刀片進(jìn)行同級(jí)別表面精度的刃磨，半精刃磨時(shí)選用高強(qiáng)度、粗粒度的金剛石砂輪，精刃磨時(shí)選用細(xì)粒度的金剛石砂輪，刀具刀尖圓弧則采用工裝自動(dòng)刃磨。端銑刀經(jīng)裝配、調(diào)試后，其軸向和徑向圓跳動(dòng)控制在0.002mm 范圍內(nèi)。
　　
　　4 切削試驗(yàn)
　　
　　加工機(jī)床：BI-266型數(shù)控銑床；測量儀器：M4P表面粗糙度測量儀；工件材料：LY12鋁合金；切削方式：干切削。在相同切削用量下分別用金剛石厚膜端銑刀和PCD端銑刀銑削LY12鋁合金并對(duì)試件表面粗糙度進(jìn)行測量。試驗(yàn)結(jié)果見表1。銑削加工結(jié)束后，用100倍顯微鏡對(duì)金剛石厚膜端銑刀和PCD端銑刀的6個(gè)刀齒進(jìn)行了檢查，發(fā)現(xiàn)每個(gè)刀齒經(jīng)過6000 多次切削沖擊載荷(6個(gè)刀齒共承受36000 次沖擊)后，刀齒均無崩刃現(xiàn)象發(fā)生。試驗(yàn)結(jié)果證明，采用合理刀頭幾何形狀的金剛石厚膜刀具不僅具有PCD端銑刀的優(yōu)點(diǎn)，而且可實(shí)現(xiàn)大平面的超精加工。
　　表1 金剛石厚膜端銑刀和PCD端銑刀對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果
　　刀具 工件 切削用量 工件表面粗糙度
　　Ra(μm)
　　切削速度(m/min) 切深(mm) 走刀量(mm/r)
　　金剛石厚膜端銑刀 LY12鋁合金 157 0.02 0.02 0.10
　　PCD端銑刀 LY12鋁合金 157 0.02 0.02 0.40
　　
　　5 結(jié)論
　　
　　金剛石厚膜材料的顯微組織與天然單晶金剛石類似。金剛石厚膜刀具適用于超精切削加工，可部分替代昂貴的天然單晶金剛石刀具。
　　
　　幾何形狀及參數(shù)設(shè)計(jì)合理的金剛石厚膜端銑刀可承受切削載荷的反復(fù)沖擊，有效解決有色金屬及其合金材料的大平面、超大平面超精加工難題，銑削加工有色金屬材料大平面工件時(shí)可獲得鏡面精度的加工效果。
　　
　　金剛石厚膜端銑刀不僅可應(yīng)用于精密型加工機(jī)床，也可應(yīng)用于普通銑床，可獲得較好加工效益，具有推廣應(yīng)用價(jià)值。