聚晶立方氮化硼刀具刃口放電加工工藝研究*

賈云海,李建鋼,朱立新,宋英杰

(1.北京市電加工研究所,北京 100191;2.北京迪蒙特佳工模具技術(shù)有限公司,北京 100191)

近年來,刀具材料有了長足的進(jìn)步,如聚晶立方氮化硼(PCBN)的使用,實(shí)現(xiàn)了硬度在58～62 HRC的工件精密硬態(tài)車削加工[1]。許多硬度超過45 HRC的工件通過硬態(tài)車削,在工件表面質(zhì)量、尺寸和形位公差等方面均達(dá)到了類似于磨削加工的效果。硬態(tài)車削加工優(yōu)于磨削加工的原因在于其加工的靈活性及對(duì)于復(fù)雜幾何尺寸工件加工的便利性[2]。在硬態(tài)干式車削加工過程中,工件在高硬度狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)了精密尺寸的加工,因此,可節(jié)約加工時(shí)間,提高加工效率和表面質(zhì)量,同時(shí)簡化了加工工藝,降低了廢品率[2]。PCBN材料由于具有很高的硬度、較高的耐磨性和熱穩(wěn)定性,使其成為硬態(tài)車削加工常用的刀具材料[1]。

由于電火花加工屬于非接觸式加工,具有工具電極成形簡單、相對(duì)損耗小等優(yōu)勢(shì),可有效應(yīng)用于尖細(xì)刃口和復(fù)雜形狀刃口的PCBN刀具加工,因此成為PCBN刀具的一種主要加工方法。電火花加工是基于脈沖放電蝕除原理的自激放電加工過程,放電蝕除的物理過程是電磁學(xué)、熱力學(xué)、流體動(dòng)力學(xué)等綜合作用的過程[3]。在電火花加工過程中,極間形成脈沖性火花放電,在電火花通道中產(chǎn)生瞬時(shí)高溫,使工件表面形成變質(zhì)層。表面變質(zhì)層的存在,在一定程度上影響了刀具使用壽命,成為除幾何尺寸外的第二大影響刀具壽命的重要因素。而這一變質(zhì)層的厚度、物理機(jī)械性能與工件材料和電加工工藝參數(shù)有直接的關(guān)系。因此,研究電加工工藝參數(shù)與工件表面變質(zhì)層的關(guān)系成為深入研究放電機(jī)理、完善工藝條件、提高脈沖放電質(zhì)量的先決條件。

國內(nèi)外專家、學(xué)者在PCBN刀具和放電加工工藝方面進(jìn)行了許多研究,取得了一定的研究成果。文獻(xiàn)[4]對(duì)放電加工的表面變質(zhì)層做了微結(jié)構(gòu)研究和金相分析。Ghanem[5]指出,變質(zhì)層的硬度是鋼基體硬度的兩倍以上。文獻(xiàn)[6]對(duì)表面變質(zhì)層的成因做了分析,認(rèn)為表面變質(zhì)層可能有以下幾個(gè)來源:工件表面的熔融材料;電極氣化和熔融飛濺物形成的遷移熔融材料;工作液體的熱分解物及加工過程中的氧化物等。文獻(xiàn)[7]選用X200Cr15和50CrV4作為工件材料,研究了電火花加工工藝參數(shù)對(duì)工件表面質(zhì)量的影響,研究結(jié)果表明:增加放電加工能量,工件表面粗糙度值增加,變質(zhì)層厚度也隨之增加。文獻(xiàn)[8]研究了鋼件放電加工后的表面質(zhì)量。Chiang[9]指出,影響材料去除率的兩個(gè)關(guān)鍵因素是放電加工電流和占空因數(shù),放電加工電流和瞬時(shí)脈沖對(duì)電極損耗率和工件表面粗糙度的值均具有重要的影響。

本文從PCBN刀具刃口放電加工試驗(yàn)入手,采用X射線衍射分析儀和電子掃描電鏡,分析研究了放電加工的放電參數(shù)與PCBN刀具刃口變質(zhì)層物相、微觀結(jié)構(gòu)的關(guān)系,得出了通過調(diào)整放電加工參數(shù)可達(dá)到減小變質(zhì)層厚度、提高刀具刃口表面質(zhì)量的結(jié)論。

1 試驗(yàn)設(shè)備及方法

試驗(yàn)樣品選用了粒度為5μm的聚晶立方氮化硼復(fù)合片(BZN 9100)。加工設(shè)備選用了精密數(shù)控電火花超硬刀具磨床(BDM-903)。試驗(yàn)分析儀器選用了SB001型X射線衍射儀和S-4800型掃描電子顯微鏡。

將PCBN復(fù)合片用線切割機(jī)床切割出4片4mm×4mm的菱形樣片,對(duì)切割面采取機(jī)械磨削方式加工,消除線切割加工的影響。然后用超聲波和丙酮溶液清洗、晾干,制成刀具試樣。用精密數(shù)控電火花超硬刀具磨床分別對(duì)其中3個(gè)PCBN刀具樣品表面進(jìn)行電火花粗加工、半精加工、精加工,加工完成后再次清洗、晾干。用X射線衍射儀分別對(duì)4個(gè)PCBN刀具樣品刃口表面進(jìn)行X射線衍射分析,確定加工前后刀具樣品所含物相。X射線測(cè)試以Cu靶Ka輻射線作為入射束,工作電壓為60 kV,工作電流為200 mA,采用連續(xù)掃描測(cè)量模式,掃描角度2θ范圍為20°～99°,波長1.5406A 。最后,用掃描電子顯微鏡對(duì)4個(gè)PCBN刀具樣品刃口表面進(jìn)行表層形貌觀察和能譜分析。試驗(yàn)過程見圖1。

圖1 試驗(yàn)過程

2 X射線衍射分析

利用X射線衍射分析儀對(duì)4件不同方式加工的PCBN刀具進(jìn)行了物相分析,結(jié)果見圖2。從圖中可看出,未加工的 PCBN刀具中主要物相有 BN、Ti2C 、B2Ti、W3N4、Co 等;而電火花粗加工 、半精加工 、精加工后的PCBN刀具中主要物相除了這些以外,還出現(xiàn)了WC、WN和TiO,表明PCBN刀具刃口表面出現(xiàn)一層含有WC、WN和TiO的變質(zhì)層。

圖2 4種不同方式加工的PCBN刀具刃口表面X射線衍射分析圖

3 掃描電鏡分析

為進(jìn)一步分析加工后PCBN刀具刃口變質(zhì)層的情況,對(duì)放電加工后PCBN刀具的刃口表面進(jìn)行掃描電鏡(SEM)觀察,結(jié)果見圖3。

圖3 PCBN刀具刃口表面掃描電鏡分析

可明顯看出,經(jīng)過放電加工后的PCBN刀具刃口表面均出現(xiàn)一層白色的變質(zhì)層電火花粗加工后的變質(zhì)層厚度約為60～78μm,半精加工后的變質(zhì)層厚度約為28～39.5μm,精加工后的變質(zhì)層厚度約為10 ～ 17.5μm 。

為了進(jìn)一步證實(shí)X射線衍射分析結(jié)果,對(duì)試樣作了能譜分析,結(jié)果見圖4。對(duì)比圖4中的譜線分布,可清晰地發(fā)現(xiàn),電火花加工后氧元素的出現(xiàn)及鎢、鈦、碳、氮元素的能譜變化,同時(shí)也發(fā)現(xiàn)電火花加工后銅元素的出現(xiàn),這應(yīng)該與使用了銅電極加工有關(guān)。通過電火花放電加工前后試樣的能譜分析,也證實(shí)了電火花放電加工后,變質(zhì)層中含有WC、WN和TiO等物質(zhì)。

圖4 PCBN刀具刃口表面能譜分析

4 刀具刃口質(zhì)量與放電加工參數(shù)的關(guān)系

試驗(yàn)得到的PCBN樣刀,其電火花加工脈寬與PCBN刀具刃口表面變質(zhì)層厚度的關(guān)系曲線見圖5。從圖中可清楚地看到,隨著電火花加工脈寬的增加,PCBN刀具刃口表面變質(zhì)層的厚度呈非線性增加。脈寬在15μs以下時(shí),變質(zhì)層的厚度增加較平緩;脈寬在40μs以上時(shí),變質(zhì)層厚度迅速增加。同時(shí)還可看出,隨著電火花加工脈寬的增加,PCBN刀具刃口表面粗糙度值呈非線性增加。脈寬在15μs以下時(shí),刀具刃口表面粗糙度值可保持在Ra≤1.6μm;脈寬在40μs以上時(shí),刀具刃口表面粗糙度值迅速增加,即刀具刃口的表面質(zhì)量迅速惡化。

試驗(yàn)采用的電火花加工電流與PCBN刀具刃口表面變質(zhì)層厚度的關(guān)系曲線見圖6。從圖中可清楚地看到,隨著加工電流的增加,PCBN刀具刃口表面變質(zhì)層的厚度呈非線性增加。加工電流在10 A以下時(shí),變質(zhì)層的厚度增加較平緩;加工電流在10～20 A時(shí),變質(zhì)層厚度迅速增加;加工電流在20 A以上時(shí),變質(zhì)層厚度增加減慢,但此時(shí)的變質(zhì)層厚度已在0.05mm以上了。同時(shí)還可看到,隨著加工電流的增加,PCBN刀具刃口表面粗糙度值呈非線性增加。加工電流在20 A以下時(shí),刀具刃口表面粗糙度值可保持在 Ra≤2.5μm;加工電流在20 A以上時(shí),刀具刃口表面粗糙度值迅速增加。

5 結(jié)論

通過分析,可得到以下結(jié)論:

(1)PCBN刀具刃口經(jīng)電火花加工后,不可避免地出現(xiàn)變質(zhì)層。變質(zhì)層中含有WC、WN和TiO等物質(zhì),這些物質(zhì)的出現(xiàn)主要是由于加工過程中的高溫高熱量作用,出現(xiàn)了元素間的置換和氧化。

(2)通過改變電火花加工主要工藝參數(shù),可實(shí)現(xiàn)PCBN刀具刃口表面變質(zhì)層的減少和表面質(zhì)量的提高。一般通過減小加工電流、降低脈寬、減小加工量,可實(shí)現(xiàn)PCBN刀具刃口表面變質(zhì)層厚度的減小。

(3)電火花加工主要工藝參數(shù)與PCBN刀具刃口表面變質(zhì)層的厚度、表面粗糙度不是線性關(guān)系,不能采用一次方程描述,應(yīng)通過大量試驗(yàn)建立經(jīng)驗(yàn)公式。

(4)電火花加工PCBN刀具時(shí),可通過調(diào)整工藝參數(shù)和工藝流程,實(shí)現(xiàn)刀具的精密加工,一般采用粗加工、半精加工、精加工3道工序,可加工出表面變質(zhì)層薄、表面粗糙度值低的刀具。

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