適用于多種材料陣列微槽加工的聚晶金剛石銑槽刀制備

楊吟飛 鐘 蠡 李 亮 郝秀清 何 寧

南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，南京，210016

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適用于多種材料陣列微槽加工的聚晶金剛石銑槽刀制備

楊吟飛 鐘 蠡 李 亮 郝秀清 何 寧

南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，南京，210016

結(jié)合金剛石飛切刀具和鋸片，設(shè)計了具有特定形狀、尺寸和角度參數(shù)的銑槽刀，并采用電火花線切割加工方法制造出了PCD銑槽刀；利用自制PCD銑槽刀進(jìn)行微細(xì)銑削試驗(yàn)，制備出了加工質(zhì)量良好的典型陣列微槽結(jié)構(gòu)。

微細(xì)銑削；多種材料；陣列微槽；聚晶金剛石銑槽刀

0 引言

近年來，航空航天、生物醫(yī)療、微電子、光學(xué)工程等領(lǐng)域?qū)Χ喾N材料加工出的微米級特征尺寸、高精度、高使役性能的微小型產(chǎn)品的需求日益迫切。微結(jié)構(gòu)的主要特征是結(jié)構(gòu)的功能性，即通過一定的單元幾何形狀和陣列排布形成器件的特定功能，如光學(xué)功能、摩擦、潤滑、信息存儲等。微結(jié)構(gòu)加工質(zhì)量對微小型零件使役性能產(chǎn)生直接影響。陣列微槽是典型的微結(jié)構(gòu)之一，其加工過程具有如下特點(diǎn)：材料去除量大，通常要求去除約50%的工件材料；陣列微槽一致性、尺寸精度和表面質(zhì)量要求高。再加上材料特性的影響，如薄銅片的弱剛性、鈦合金的難加工性等，使得實(shí)現(xiàn)多種材料陣列微槽的高質(zhì)量加工尤其困難。

微細(xì)切削技術(shù)具有適用材料范圍廣、材料去除率高、復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)或自由曲面加工能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[1-3]，適用于多種材料陣列微槽的微細(xì)加工。目前常用的微細(xì)端銑削技術(shù)，由于微刀具技術(shù)的局限性，不能保持鋒利刃口[4]，導(dǎo)致陣列微槽的微細(xì)銑削過程中容易因刀具快速磨損而產(chǎn)生表面質(zhì)量差、毛刺嚴(yán)重、一致性差等問題。因此，開發(fā)鋒利耐磨的微刀具是實(shí)現(xiàn)陣列微槽高質(zhì)量加工的首要問題，迫切需要制備鋒利耐磨的微刀具。

1 銑槽刀的設(shè)計

金剛石飛刀切削加工技術(shù)具有加工效率高、加工表面質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)，為保證陣列微槽的加工質(zhì)量和加工效率，本文結(jié)合金剛石飛切刀具和鋸片，設(shè)計了適用于不同材料陣列微槽加工的銑槽刀，可銑削槽寬與刀刃寬度相等的微槽。

根據(jù)銑槽刀的設(shè)計理念，刀刃形狀和刃口鋒利程度對微槽加工的表面質(zhì)量、毛刺、一致性、尺寸精度等具有決定作用，所以選用的刀刃材料必須能制備出鋒利耐磨的刃口。硬質(zhì)合金刀具受刀具材料尺寸效應(yīng)影響，刃口強(qiáng)度不足，容易磨損，難以保持鋒利刃口；涂層硬質(zhì)合金刀具涂層后刃口圓弧半徑增大，且涂層在切削過程中易脫落，無法保持鋒利；而PCD材料具有高硬度、高耐磨性、高彈性模量、極小的摩擦因數(shù)等優(yōu)良性能，且其多晶結(jié)構(gòu)具有高黏結(jié)相強(qiáng)度[5]，可制作出高硬度、高耐磨性的刃口，在切削過程中能保持刃口鋒利。相對于CBN等超硬材料，PCD材料具有更經(jīng)濟(jì)的優(yōu)勢，適合制備鋒利耐磨的微刀具。選用的PCD材料屬性如表1所示。

表1 PCD材料屬性

一般微細(xì)端銑削的可加工區(qū)域由機(jī)床行程決定，由圖1所示的銑槽刀銑削模式可知，不同于一般微細(xì)端銑削，銑槽刀的可加工區(qū)域取決于刀柄長度，刀柄設(shè)計較一般微細(xì)端銑刀長，因此銑槽刀刀柄應(yīng)具有高剛度。硬質(zhì)合金具有高彈性模量，相較于高速鋼等材料更適合制作刀柄，保證刀柄剛度。本文選用的刀柄材料為YG8硬質(zhì)合金，其化學(xué)成分和材料屬性如表2所示。

圖1 銑削模式示意簡圖Fig.1 Schematic diagram of milling model

表2 YG8硬質(zhì)合金化學(xué)成分和材料屬性

由文獻(xiàn)[3]可知，螺旋刃微刀具由于受到刀具材料、刀具偏擺和刀具剛度等的限制，不適合微細(xì)切削，而形狀簡單的刀刃結(jié)構(gòu)更適用于微細(xì)切削。此外，合理的角度選擇對微刀具的加工性能影響顯著。為減少刀具與工件材料之間的接觸，微刀具后角一般為5°～15°；由于銑削過程存在沖擊，為保證切削刃強(qiáng)度，0°前角或者負(fù)前角的微銑刀更適合微銑削，更有利于獲得良好的表面質(zhì)量[6]。為避免微刀具與工件發(fā)生干涉，刀頸采用變截面設(shè)計。

針對薄銅片等弱剛性材料的陣列微槽加工，設(shè)計了刀刃寬度0.1 mm的單刃銑槽刀，如圖2所示，刀刃有效長度為0.4 mm。單刃銑槽刀前刀面高于中心0.8 mm，具有偏心單刃結(jié)構(gòu)，可有效避免刀具偏擺尺寸效應(yīng)，保證弱剛性銅片加工的尺寸精度。為簡化超硬刀刃的成形過程，前刀面設(shè)計為簡單矩形結(jié)構(gòu)，主副切削刃的前角和后角均為0°。

圖2 單刃銑槽刀設(shè)計簡圖Fig.2 Design schematic of slotting tool with a single edge

針對鈦合金、純鎢、硬質(zhì)合金等難加工材料的陣列微槽加工，設(shè)計了刀刃寬度0.4 mm的雙刃銑槽刀，如圖3所示，刀刃有效長度為0.8 mm。該銑槽刀采用雙刃結(jié)構(gòu)以保證對稱性。微刀具前刀面與中心線平行，主切削刃前角和后角分別為0°和12°，副切削刃前角和后角分別為0°和2°。該刃寬0.4 mm、刃長0.8 mm的銑槽刀可加工較深微槽，前刀面接近刃口部分的梯形設(shè)計可避免加工槽深較深時，由于振動等原因引起副切削刃在微槽側(cè)壁產(chǎn)生干涉，從而影響尺寸精度。

圖3 雙刃銑槽刀設(shè)計簡圖Fig.3 Design schematic of slotting tool with two edges

2 銑槽刀制造

目前常用的微刀具制造方法有聚焦離子束濺射加工、精密磨削和電火花加工方法等。聚焦離子束濺射加工可實(shí)現(xiàn)鋒利刃口的制備，且基本不受刀具材料限制，但材料去除率低，加工成本高；相對于磨削和聚焦離子束加工，電火花加工過程切削力極小，不會引起刀具彎曲變形，且材料去除率大，從而降低加工成本，因此電火花加工方法適用于微刀具制造。

本文銑槽刀的制造過程主要包括預(yù)成形、焊接和最終成形3個步驟，制造過程如圖4所示。首先是硬質(zhì)合金刀柄和PCD復(fù)合片的預(yù)成形，硬質(zhì)合金棒料采用電火花線切割加工(wire cut electrical discharge machining, WEDM)方法加工出特定的形狀、尺寸；PCD復(fù)合片采用WEDM切割成具有特定尺寸、形狀的PCD刀片。焊接過程中，釬料的選擇要求[7]如下：釬料熔化溫度要適當(dāng)?shù)陀谀覆娜埸c(diǎn)；釬料與母材之間具有良好的浸潤性，可以充分填充焊接間隙；釬料具有穩(wěn)定均勻的化學(xué)成分，且不隨時間、溫度而變化。由此選擇銀銅釬料作為焊接劑，其化學(xué)成分及熔點(diǎn)如表3所示。此外，使用氬氣作為焊接保護(hù)氣體，在無氧的環(huán)境中采樣高頻響應(yīng)焊接(high-frequency response welding，HFRW)技術(shù)對硬質(zhì)合金刀柄與PCD刀片進(jìn)行焊接。最終成形階段，采用WEDM將PCD刀片切割成具有特定形狀、角度和尺寸的刀刃。

圖4 微刀具制造過程示意圖Fig.4 Schematic diagram of manufacturing process

表3 銀銅釬料化學(xué)成分及熔點(diǎn)

圖5和圖6是最終制備出PCD銑槽刀的掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope, SEM)圖片，其中圖5為刃寬0.1 mm的單刃PCD銑槽刀，圖6為刃寬0.4 mm的雙刃PCD銑槽刀。圖6a為刃寬0.4 mm的雙刃PCD銑槽刀一個刀刃的SEM圖，由圖可知，該刀具刃口鋒利、表面質(zhì)量良好，刃口有少許微崩刃。由萊卡顯微鏡測得刀具兩種刃寬刀具的直徑誤差均為±0.001 mm。采用萊卡顯微鏡重構(gòu)刃口，以測量其刃口圓弧半徑，如圖6b所示。由刃口重構(gòu)結(jié)果可知，兩種銑槽刀平均刃口圓弧半徑均為(4±0.35)μm。

圖5 單刃PCD銑槽刀的SEM圖Fig.5 SEM picture of a single-edged slotting tool

(a)一個刀刃的SEM圖(b)顯微鏡重構(gòu)刃口形貌圖6 雙刃PCD銑槽刀Fig.6 A slotting tool of two edges

3 應(yīng)用

分別采用圖5、圖6所示自制的PCD銑槽刀進(jìn)行紫銅、鈦合金微細(xì)銑削試驗(yàn)，在厚度為0.1 mm的紫銅上成功制備了總體尺寸10 mm×10 mm、微槽和微肋寬度均為100 μm的陣列光柵，如圖7所示。在厚度1 mm的鈦合金工件上制備了總體尺寸20 mm×20 mm、深度600 μm、微槽寬度和間距均為400 μm的陣列微槽，如圖8所示。紫銅光柵平均微槽寬度為101.25 μm，微肋寬度為99.07 μm，毛刺高度為4.23 μm，由此可知，該光柵尺寸精度良好、一致性較好、側(cè)邊毛刺較少；鈦合金微槽底平均表面粗糙度為0.382 μm，毛刺高度為4.961 μm，由此可知，鈦合金微槽底表面質(zhì)量良好、側(cè)邊毛刺較小。

圖7 紫銅陣列光柵Fig.7 Arrayed grating of copper

圖8 鈦合金陣列微槽Fig.8 Micro arrayed slots of titanium alloy

4 結(jié)論

(1)針對陣列微槽結(jié)構(gòu)的難加工問題，結(jié)合金剛石飛切刀具和鋸片，設(shè)計了適用于多種材料陣列微槽加工的銑槽刀。根據(jù)不同材料的微細(xì)切削實(shí)際情況，選定了刀具幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)以及刀具材料。

(2)PCD銑槽刀的制造過程主要包含硬質(zhì)合金刀柄和PCD刀刃預(yù)成形、硬質(zhì)合金刀柄和PCD刀刃的高頻響應(yīng)焊接以及PCD刀刃最終成形3個階段。加工出刃寬0.1 mm的單刃和刃寬0.4 mm的雙刃PCD銑槽刀，刃口圓弧半徑均為(4±0.35)μm，具有良好的幾何位置精度和表面質(zhì)量。

(3)采用自制PCD銑槽刀進(jìn)行了微細(xì)銑削試驗(yàn)，制備出平均微槽、微肋寬度分別為101.25 μm和99.07 μm，平均毛刺高度為4.23 μm的紫銅陣列光柵；微槽寬度和間距均為400 μm、槽底平均表面粗糙度為0.382 μm、毛刺高度為4.961 μm的鈦合金陣列微槽。

[1] 陳明君,陳妮,何寧,等. 微銑削加工機(jī)理研究新進(jìn)展[J]. 機(jī)械工程學(xué)報, 2014, 50(4):61-71. CHEN Mingjun, CHEN Ni, HE Ning, et al. Research Progress of Micro-milling Processing Mechanism[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2014, 50(4):61-71.

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(編輯 王旻玥)

Fabrication of PCD Slotting Tools Applied to Machine Micro Slot Arrays of Multiple Materials

YANG Yinfei ZHONG Li LI Liang HAO Xiuqing HE Ning

College of Mechanical and Electrical Engineering,Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing,210016

Firstly, slotting tools characterized by specific geometry, sizes and angles were designed from the combination of flying cutting tools and sawing blades. Secondly, the ultra-hard PCD slotting tools were manufactured by wire cut electrical discharge machining. At last, micro slot milling experiments were performed, and typical micro slot arrays were machined by employing the self-fabricated PCD slotting tools.

micro milling; multiple material; micro slot array; polycrystalline diamond(PCD) slotting tool

2016-07-08

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51575268，51405226)

TG5；TH16

10.3969/j.issn.1004-132X.2017.11.002

楊吟飛，男，1982年生。南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院副教授、博士。主要研究方向?yàn)橄冗M(jìn)切削加工技術(shù)。鐘 蠡，女，1992年生。南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院碩士研究生。李 亮(通信作者)，男，1973年生。南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院教授、博士研究生導(dǎo)師。E-mail：liliang@nuaa.edu.cn。郝秀清，女，1983年生。南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院副研究員、博士。何 寧，男，1959年生。南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院教授、博士研究生導(dǎo)師。