金刚石厚膜端铣刀的试验研究

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1 引言

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金刚石刀具的高硬度及其它优异性能使其非常适合加工硅合金、铝合金、铜合金等有色金属材料以及纤维增强复合材料、酚醛树脂、石墨等非金属材料。天然金刚石材料由于颗粒较小、价格昂贵、不易加工等原因，其推广应用受到一定限制。人造聚晶金刚石(PCD)刀具虽然在半精加工、精加工领域发挥着重要作用，但由于刀片形状单一、无断屑槽以及几何参数的局限性等，其优异性能难以充分发挥。金刚石厚膜刀具是将沉积的金刚石厚膜焊接在硬质合金刀片上制成的新型刀具，具有优异的加工性能及较高的性能价格比。我国对金刚石厚膜端铣刀的研究、开发及应用目前尚处于起步阶段。本文对金刚石厚膜端铣刀的显微组织、设计与制备以及在超精加工中的应用进行了试验研究。 x, y6 f* p- I8 k* z1 w/ v

2 金刚石厚膜的显微组织分析

为研究金刚石厚膜刀具的加工性能，用JSOM35C型扫描电镜对国产金刚石厚膜与进口PCD复合片的显微组织进行了对比测试分析，两种材料的显微组织图像分别如图1、图2所示。 5 P% n4 }/ c+ t3 W% b/ W4 y _" G# z, Y8 |9 c* G) K2 o) p$ m7 x- G

图1 PCD复合片的显微组织

图2 金刚石厚膜的显微组织

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由图1可知，PCD复合片的显微组织为颗粒状聚晶组织，存在较多空隙，含有许多针状石墨体；由于在高温高压的制备过程中添加了微量粘结剂，因此其硬度受到一定影响(HK5000～8000)，低于天然金刚石的硬度，但其抗冲击强度较高；用PCD复合片制成的刀具刃口上呈现许多不平整的微锯齿，因此适用于半精加工和精加工，但不适合要求达到镜面级表面精度的超精加工。由图2可知，金刚石厚膜的显微组织完整单一，空隙少而细微，与单晶金刚石相似；由于材料组织完全由金刚石组成，无粘结剂夹杂，因此具有较高硬度(HK8300)，接近天然金刚石的平均硬度值；如选用适当的刃磨工艺，金刚石厚膜刀具可获得无锯齿的直线状刀刃，十分适合镜面级表面精度的超精加工。 # A; Y" s4 D: q& a$ ]" T

3 端铣刀的设计与制备

为进行对比切削试验，分别用金刚石厚膜和PCD复合片制备成具有相同形状及几何参数的端铣刀。经优选的端铣刀设计参数为：直径Ø125mm，刀齿数为6齿，切深前角3°～8°，径向前角0°～-5°，主偏角75°；硬质合金基体采用YG3X正方形刀片，刀体采用可转位前压式，刀体厚度、孔径、连接尺寸等按国家标准设计。 + v! ?" F2 \- n y+ Y; y# y9 g5 H

用激光分别将PCD复合片和金刚石厚膜切割为三角形小片，用专用工装将YG3X硬质合金刀片磨削成与三角形膜片尺寸一致的刀槽，以备钎焊时使用。金刚石厚膜与一般金属及其合金之间具有很高的界面能，难以被一般的低熔点合金所浸润，且金刚石厚膜可焊性较差。为了提高金刚石厚膜与硬质合金基体之间的可焊性，采用了特制的高强度银铜合金焊料，并采用硬质合金低温钎焊工艺焊接金刚石厚膜刀片和PCD刀片。分别将钎焊好的刀片进行同级别表面精度的刃磨，半精刃磨时选用高强度、粗粒度的金刚石砂轮，精刃磨时选用细粒度的金刚石砂轮，刀具刀尖圆弧则采用工装自动刃磨。端铣刀经装配、调试后，其轴向和径向圆跳动控制在0.002mm 范围内。 / Z8 z; J% c% G6 z* t/ i+ A( K3 y

4 切削试验

加工机床：BI-266型数控铣床；测量仪器：M4P表面粗糙度测量仪；工件材料：LY12铝合金；切削方式：干切削。在相同切削用量下分别用金刚石厚膜端铣刀和PCD端铣刀铣削LY12铝合金并对试件表面粗糙度进行测量。试验结果见下表。图3 所示为金刚石厚膜端铣刀的铣削过程；图4 所示为金刚石厚膜端铣刀的外形和加工出的超精镜面工件。铣削加工结束后，用100倍显微镜对金刚石厚膜端铣刀和PCD端铣刀的6个刀齿进行了检查，发现每个刀齿经过6000 多次切削冲击载荷(6个刀齿共承受36000 次冲击)后，刀齿均无崩刃现象发生。试验结果证明，采用合理刀头几何形状的金刚石厚膜刀具不仅具有PCD端铣刀的优点，而且可实现大平面的超精加工。 - E$ i3 y8 B- O: m5 b9 s$ u1 f/ j6 n R0 [" l$ U8 W3 `" W8 O! c7 C) q y0 V E: m+ x! T+ I! J5 w' B3 B! o; h# ]( p$ d6 p- F: k* T* h+ c$ d0 J; w5 @& g0 g2 S- ?7 P6 r. Z5 @# m; [2 x- }9 ?3 P( n H, Z4 N% C7 t) E; v1 ?9 j+ R

表  金刚石厚膜端铣刀和PCD端铣刀对比试验结果

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)
金刚石厚膜端铣刀	LY12铝合金	157	0.02	0.02	0.10
PCD端铣刀	LY12铝合金	157	0.02	0.02	0.40

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图3 金刚石厚膜端铣刀的铣削过程

图4 金刚石厚膜端铣刀和加工的超精镜面工件

我厂设计生产的6～32齿金刚石厚膜端铣刀已应用于发动机生产现场，实现了“以铣代磨”的高效率、高质量超精加工。

5 结论

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1. 金刚石厚膜材料的显微组织与天然单晶金刚石类似。金刚石厚膜刀具适用于超精切削加工，可部分替代昂贵的天然单晶金刚石刀具。 : {1 S1 u5 D- H% p8 R& M, e* O
2. 几何形状及参数设计合理的金刚石厚膜端铣刀可承受切削载荷的反复冲击，有效解决有色金属及其合金材料的大平面、超大平面超精加工难题，铣削加工有色金属材料大平面工件时可获得镜面精度的加工效果。 ' `1 M0 n# E) v8 g5 d
3. 金刚石厚膜端铣刀不仅可应用于精密型加工机床，也可应用于普通铣床，可获得较好加工效益，具有推广应用价值。