PCD刀具超精切削表面质量的研究

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1 引言

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随着仪器仪表工业的发展，对具有良好表面完整性的超精密零件的需求日益增加。超精密切削加工零件不但应具有很高的几何尺寸及形位尺寸精度，还应具有极好的稳定性，以保证整机的可靠性。
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图1 PCD刀具刃口的SEM照片

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近年来，超精密切削加工技术得到迅速发展，对某些有色金属材料的超精密切削加工精度已接近理论极限精度。但是，目前人们对超精密加工的微观切削机理和切削表面完整性的研究尚不够深入，加工表面质量成为影响超精密零件可靠性的主要因素之一。工件的加工表面质量主要通过表面粗糙度、表面显微硬度、表面残余应力等指标来反映。在普通切削加工中，由于加工硬化、表面残余应力等表面质量问题引起的形位尺寸变化相对于零件的尺寸精度要求一般可忽略不计。但在超精密切削加工中，由于零件精度要求极高，因此任何表面参数的变化都会增加零件的不稳定性。

天然单晶金刚石刀具(简称SPD刀具)是一种单点刀具，用于超精密切削可获得理想的加工精度，但因材料稀缺，因此价格昂贵。人造聚晶金刚石刀具(简称PCD刀具)为多点刀具，与SPD刀具相比价格低廉。以前我们曾对PCD刀具的刃磨及获得超精加工要求的表面粗糙度的机理进行了研究，本文则对PCD刀具与SPD刀具在超精密加工中工件表面质量的实现进行了对比试验研究。 0 ?& ~! A: k! S- z/ ~* Z

2 试验条件

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1. 刀具几何参数
   超精切削加工为微细加工，切削区集中于刃口附近的微小区域，刀具的锋利程度对工件已加工表面质量具有举足轻重的影响。因此，对于超精切削刀具，除宏观几何参数外，反映刀具锋利度的刃口圆弧半径是最重要的关键参数。图1 所示为试验所用PCD刀具刃口的SEM 照片，其刃口半径约为0.5µm；试验所用SPD刀具的刃口半径也约为0.5µm。试验用刀具的几何参数如图2所示。
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   图2 试验用刀具的几何参数

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2. 切削条件 6 _; ~8 T- K8 g& E
   试验机床：MSG-325 超精密车床 - }, V) K9 y s# D
   试验刀具：PCD刀具，SPD刀具(超精加工用刀具) 8 q. l0 g! B+ o, y2 n b
   工件材料：无氧铜 ' H5 L; `% r) _# ^$ R
   切削速度：v=1000r/min }- j4 Y( ~8 D! j
   进给量：(分别取不同值) 3 v0 `, l; N& s3 O
   切削深度：ap=5µm
   环境温度控制：20 ± 0.1℃ `* ^; c/ M/ D- F4 X G4 g: K, |
   冷却方式：烃基冷却液喷雾冷却

3 测试结果

1. 工件表面粗糙度
   采用英国Taylor-Hobson 公司生产的Form Talaysurf表面轮廓仪测量工件已加工表面粗糙度，该仪器采用激光干涉传感器和天然单晶金刚石探头，测量精度较高。在不同进给量条件下切削无氧铜工件得到的表面粗糙度测量结果如图3所示。
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   图3 工件表面粗糙度测量值

   图4 工件表面显微硬度测量值

   图5 工件表面残余应力测量值

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2. 工件表面显微硬度 ; e7 W; ?% z2 ^# @
   采用HX-200型显微硬度计，在加载50g条件下对采用不同进给量切削时的工件表面显微硬度进行测量。图4所示为用PCD刀具和SPD刀具切削加工得到的表面显微硬度值随进给量的变化曲线。
3. 工件表面残余应力
   表面残余应力测试条件：设备：RIGAKU数控X射线应力仪；电压：20kV；电流：0.6mA；X射线照射面积：4×8mm²；应力常数：- 9.4；Ø角：0°，15°，30°，45°；步长：0.5°；(2q)_min=145°；(2q)_max=165°。采用PCD刀具和SPD刀具加工的工件表面残余应力测试结果如图5 所示。

4 测试结果分析

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1. 由图3所示工件表面粗糙度试验曲线可知，当进给量f≤4µm/r时，PCD刀具和SPD刀具加工出的工件表面粗糙度均可达到超精加工表面质量要求(Ra≤0.01um)；
2. 图4所示表面显微硬度测试结果表明，两种刀具获得的工件表面显微硬度比较接近，都在HV105～HV125之间； * Q" k- J& T; n! i1 Z
3. 图5所示工件表面残余应力曲线表明PCD刀具和SPD刀具获得的工件表面残余应力均为压应力，SPD刀具的加工表面残余应力变化比较平稳。

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5 结论

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1. 在采用金刚石刀具的超精切削加工中，工件表面粗糙度、冷作硬化程度、表面残余应力等表面质量指标是保证超精密零件高稳定性和高可靠性的前提，应予以充分重视。
2. PCD刀具在超精加工无氧铜(f≤4µm/r)时获得的表面粗糙度、表面显微硬度和表面残余应力均非常接近。因此在超精切削加工中PCD刀具可在一定程度上替代SPD刀具。