聚晶金剛石微細(xì)立銑刀制造技術(shù)研究

□ 張 堯 □ 吳春艷 □ 蘭 鴿

新疆工程學(xué)院 電氣與信息工程系 烏魯木齊 830091

微細(xì)銑削技術(shù)是微細(xì)切削技術(shù)的重點(diǎn)研究方向，因具有高效率、高柔性、能加工復(fù)雜三維形狀和多種材料的特點(diǎn),已成為一個非常活躍的研究熱點(diǎn)［1］。微細(xì)銑削機(jī)理與傳統(tǒng)常規(guī)銑削機(jī)理相似，即使用微細(xì)銑刀去除工件材料形成加工表面。本文針對聚晶金剛石 （Poly Crystalline Diamond，PCD）微細(xì)立銑刀尺寸特點(diǎn)，提出PCD微細(xì)立銑刀總體制造方案并對制備工藝進(jìn)行研究。

1 PCD微細(xì)立銑刀總體制造方案

目前商品化的微細(xì)立銑刀絕大多數(shù)是傳統(tǒng)的螺旋立銑刀，此類微細(xì)立銑刀采用精密磨削技術(shù)加工成形。對于本文所要制造的PCD微細(xì)立銑刀而言，由于聚晶金剛石具有高硬度特點(diǎn)，精密磨削存在著加工效率低的問題。

1.1 PCD微細(xì)立銑刀整體結(jié)構(gòu)的確定

傳統(tǒng)的硬質(zhì)合金微細(xì)立銑刀制造是采用精密磨削硬質(zhì)合金棒的方法，使其磨削成形為微細(xì)立銑刀。對于PCD微細(xì)立銑刀而言，其制造僅僅使用精密磨削技術(shù)是很難成形的。PCD微細(xì)立銑刀刀具毛坯的加工是采用PCD復(fù)合片和硬質(zhì)合金棒高頻焊接而成，然后采用電火花線切割使其成形為微細(xì)立銑刀。

1.2 PCD微細(xì)立銑刀制造方案的確定

PCD微細(xì)立銑刀的制造過程主要有以下3個步驟：①PCD復(fù)合片和硬質(zhì)合金棒的切割，即采用電火花線切割技術(shù)在PCD復(fù)合片上切割出具有一定形狀及尺寸要求（3 mm×3 mm）的PCD刀片和25 mm長的硬質(zhì)合金棒；②PCD刀片與硬質(zhì)合金刀柄的結(jié)合，即對PCD刀片、硬質(zhì)合金刀柄的待結(jié)合面進(jìn)行機(jī)械、化學(xué)處理，采用高頻感應(yīng)釬焊工藝將刀片焊接到刀柄上；③PCD微細(xì)立銑刀刀刃成形，即采用電火花線切割技術(shù)對PCD微細(xì)立銑刀毛坯進(jìn)行加工，使其成為具有一定結(jié)構(gòu)參數(shù)的微細(xì)立銑刀。

▲圖1 PCD微銑刀制造過程示意圖

PCD微細(xì)立銑刀制造過程如圖1所示，其中：圖1（a）為PCD復(fù)合片 （由PCD和硬質(zhì)合金基體復(fù)合而成）；圖 1（b）為 PCD 復(fù)合片的電火花線切割；圖 1（c）為PCD刀片與硬質(zhì)合金刀柄的高頻釬焊；圖1（d）為PCD微銑刀刀刃成形；圖1（e）為具有一定刀刃形狀的PCD微細(xì)立銑刀。

2 PCD復(fù)合片和硬質(zhì)合金棒的電火花線切割

PCD復(fù)合片和硬質(zhì)合金棒的電火花線切割是加工PCD微細(xì)立銑刀的第一步關(guān)鍵技術(shù)，PCD復(fù)合片的加工技術(shù)有多種，其中最常用的技術(shù)有：PCD復(fù)合片精密磨削、PCD復(fù)合片電火花線切割、PCD復(fù)合片激光切割等。本文采用電火花線切割技術(shù)對其加工。

2.1 材料與設(shè)備

材料采用美國邦德公司生產(chǎn)的型號為BDM004的PCD復(fù)合片，此復(fù)合片的平均粒徑為4 μm，其導(dǎo)電性能良好，便于電火花線切割加工。采用株洲硬質(zhì)合金集團(tuán)有限公司的YL10.2（D3×L100）型硬質(zhì)合金圓棒作為微細(xì)立銑刀的刀柄。電火花線切割設(shè)備是AGIE公司生產(chǎn)的CHALLENGE ECUT 2F慢走絲線切割機(jī)床，其加工精度為2 μm，能夠滿足微銑刀直徑在200～500 μm之間的加工要求。

2.2 PCD刀片和硬質(zhì)合金刀柄的線切割成形

本文選用硬質(zhì)合金圓棒的直徑為3 mm，所以在進(jìn)行PCD復(fù)合片電火花線切割時，可以選擇3 mm×3 mm的正方形或直徑為3 mm的圓形。PCD復(fù)合片的電火花線切割如圖2所示，圖中的D為考慮了電極絲直徑和放電間隙在內(nèi)的走絲軌跡間隔，其值為：

式中：D為考慮了電極絲直徑和放電間隙在內(nèi)的走絲軌跡間隔；DPCD為電火花線切割正方形的邊長；d電極絲為電極絲的直徑；L為電極絲放電間隙。

▲圖2 PCD復(fù)合片的電火花線切割示意圖

3 PCD刀片與硬質(zhì)合金刀柄的高頻釬焊

PCD復(fù)合片的基體是硬質(zhì)合金材料，其對釬料的浸潤性較差，難以保證焊接質(zhì)量。鎳鉻釬料對于硬質(zhì)合金有著很好的浸潤效果，但是由于PCD層的耐熱溫度在700℃左右，其耐熱溫度較低，而鎳鉻釬料熔化溫度在1 000℃左右，此溫度會導(dǎo)致PCD層與硬質(zhì)合金層之間因熱膨脹系數(shù)相差較大而產(chǎn)生焊接應(yīng)力。所以必須找到既能保證焊接強(qiáng)度又能保證較低焊接溫度的焊接工藝，高頻釬焊能滿足上述要求，因此在PCD刀片焊接中得到廣泛應(yīng)用。

3.1 實(shí)驗(yàn)材料與設(shè)備

高頻釬焊的實(shí)驗(yàn)材料有：切割好的PCD復(fù)合片、銀基焊膏、銀焊片、切割好的硬質(zhì)合金刀柄、金相砂紙、無水乙醇。本實(shí)驗(yàn)涉及到的試驗(yàn)設(shè)備有：金相水磨機(jī)、超聲波清洗器、專用PCD微細(xì)立銑刀刀柄焊接夾具（自制）、高頻感應(yīng)加熱設(shè)備（自制感應(yīng)加熱圈）、紅外測溫儀。金相水磨機(jī)用于打磨PCD復(fù)合片的硬質(zhì)合金基底和硬質(zhì)合金圓棒，從而去除PCD復(fù)合片和硬質(zhì)合金棒待結(jié)合面上的氧化層；超聲波清洗器用于清洗打磨過的PCD復(fù)合片和硬質(zhì)合金刀柄，去除表面雜質(zhì)；紅外測溫儀用于測量高頻釬焊過程中加熱區(qū)域的溫度變化。

3.2 實(shí)驗(yàn)步驟

PCD復(fù)合片高頻釬焊由以下三步驟組成。

（1）高頻釬焊的前置準(zhǔn)備。高頻釬焊的前置準(zhǔn)備主要有：PCD復(fù)合片和硬質(zhì)合金刀柄的機(jī)械打磨，PCD復(fù)合片和硬質(zhì)合金刀柄的超聲清洗，PCD微細(xì)立銑刀刀柄焊接專用夾具的制備，高頻感應(yīng)焊接銅圈的制作［2］等。

（2）高頻釬焊。按照從下到上的順序，將待結(jié)合面涂有銀焊膏的PCD復(fù)合片、銀焊片、硬質(zhì)合金刀柄依次固定在PCD微細(xì)立銑刀刀柄焊接專用夾具上，要求保證PCD復(fù)合片中心與硬質(zhì)合金刀柄的軸線重合，然后采用高頻感應(yīng)釬焊進(jìn)行焊接，焊接完成后在空氣中慢慢冷卻。高頻釬焊過程中的溫度控制和釬料選擇尤為重要，本實(shí)驗(yàn)選用的釬焊材料為銀基焊片，焊接過程中的溫度控制曲線如圖3所示，由圖可知，其升溫速率或降溫速率Tt≤100℃/s，最高溫度Tmax≤770℃，保溫時間t=10 s。

▲圖3 高頻釬焊過程中的溫度控制曲線

（3）高頻釬焊的后置處理。高頻釬焊的后置處理是指微細(xì)立銑刀刀柄表面雜質(zhì)和焊接縫隙附近焊瘤的去除。高頻釬焊的后置處理主要是為后續(xù)工藝（PCD微細(xì)立銑刀的刀刃成形）作準(zhǔn)備。后續(xù)工藝是采用電火花線切割加工使其成形的，電火花加工要求工件必須具有良好的導(dǎo)電性，而高頻釬焊后的刀柄由于其表面存在雜質(zhì)而導(dǎo)電性差，所以必須進(jìn)行高頻釬焊的后置處理。后置處理的主要方法是采用金相砂紙打磨PCD微細(xì)立銑刀刀柄表面，去除表面雜質(zhì)和焊縫焊瘤。

4 PCD微細(xì)立銑刀的刀刃成形

4.1 加工設(shè)備

電火花線切割設(shè)備是由AGIE公司生產(chǎn)的CHALLENGE ECUT 2F 慢走絲線切 割機(jī)床［3］，該機(jī) 床屬于高精密低速走絲電火花線切割機(jī)床，具有高速、精密、微細(xì)加工功能，其最大切割速度為300 mm2/min，定位精度≤0.005 mm，最佳表面粗糙度Ra≤0.2 μm，絲徑范圍在0.03～0.3 mm，能夠滿足微銑刀直徑在200～500 μm之間的加工要求。

▲圖4 聚晶金剛石微細(xì)立銑刀的刀刃成形具體工藝步驟

▲圖5 刀刃直徑0.5 mm的Δ型PCD微細(xì)立銑刀

4.2 刀刃成形步驟

PCD微細(xì)立銑刀的刀刃成形具體工藝步驟如圖4所示，其中圖 4（a）為 PCD 微銑刀刀具毛坯；圖 4（b）為刀具毛坯側(cè)面線切割步驟一；圖4（c）為PCD微細(xì)立銑刀繞刀具軸線旋轉(zhuǎn)100°；圖4（d）為PCD微細(xì)立銑刀線切割步驟二；圖4（e）為PCD微細(xì)立銑刀繞刀具軸線旋轉(zhuǎn) 20°；圖 4（f）為 PCD 微細(xì)立銑刀繞徑向旋轉(zhuǎn) 20°；圖4（g）為PCD微細(xì)立銑刀線切割步驟三。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

在光學(xué)顯微鏡下刀刃直徑0.5 mm的Δ型PCD微細(xì)立銑刀如圖5所示，其中，主切削刃前刀面如圖 5（a）所示，主切削刃后刀面凹坑如圖5（b）所示，圖5（c）為主切削刃前刀面局部放大，圖 5（d）為主切削刃后刀面刀尖處放大。經(jīng)過測量得知，PCD微細(xì)立銑刀具有良好的幾何位置精度，但是其刀刃邊緣和刀具表面具有明顯的電極絲凹坑，且凹坑直徑在100 μm左右，表面質(zhì)量較差。具體原因是在精加工過程中，電極絲的放電能量太低，加工時斷時續(xù)，從而形成鋸齒狀刀刃。對于電火花線切割后刀具表面質(zhì)量較差的問題，可以從兩個方面考慮。一方面，可以研究線切割的工藝參數(shù)對其成形的影響，進(jìn)一步提高刀具品質(zhì)；另一方面，可以考慮利用在線電解修正砂輪（ELID）磨削技術(shù)對其磨削處理，提高刀具表面質(zhì)量。

6 結(jié)束語

本文提出PCD微細(xì)立銑刀的總體制造方案，確定制造過程中的3個主要步驟：PCD復(fù)合片的切割、PCD刀片與硬質(zhì)合金刀柄的結(jié)合、PCD微銑刀刀刃成形，并且對于每一個工藝步驟進(jìn)行具體研究討論，探究提高PCD微細(xì)立銑刀的制造技術(shù)。

［1］ 李迎.微銑削加工技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢［J］.電子機(jī)械工程,2008,24（6）:26-32.

［2］ 王適,張弘,于宏圖.聚晶金剛石復(fù)合片高頻感應(yīng)釬焊的試驗(yàn)研究［J］.工具技術(shù),2002,36（8）:19-22.

［3］ 趙星.基于AGIE CHALLENGE ECUT 2F機(jī)床的微細(xì)電火花線切割加工技術(shù)實(shí)踐研究 ［D］.南京：南京航空航天大學(xué)，2006.