金刚石涂层刀具微细铣削硬质合金的试验研究

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。

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）。

(a)                                                 (b)

(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。

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。

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。

(a)表面形貌

(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。

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。

(a)                                                 (b)

(c)

图7  刀具磨损形貌

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。