銑削覆膜砂用微型硬質合金銑刀磨損規律的研究

隨著人們對復雜化鑄型需求的不斷增加，對鑄型內細微尺寸結構的精度要求也越來越高。傳統的有模鑄造已經無法滿足人們對復雜鑄型的需要,近年來興起的數字化無模鑄造技術,通過數控銑削工藝或3D打印工藝實現了由三維CAD模型直接驅動鑄型制造,因不需要模具而縮短了鑄造流程,實現了數字化鑄造。

受利用PCD刀具加工砂型的方式應用*為廣。但是受PCD刀具的*小直徑限制,加工具有細小尺寸結構的鑄型時無法使用PCD刀具進行加工,所以仍需利用微徑涂層銑刀對這類工件進行銑削加工。因此,針對微型銑刀在加工覆膜砂時的可靠性、耐用性及微型銑削技術在加工鑄型時的加工效率及加工后表面質量及尺寸精度的研究具有十分重要的意義。

目前,利用微型銑刀片加工金屬材料以及利用大直徑銑刀加工非金屬鑄型材料的研究較為廣泛。楊凱等3使用 DEFORM-3D軟件建立了三維微細銑削加工模型,利用該模型動態模擬了硬質合金微徑銑刀銑削加工金屬材料時刀具的磨損形態。童利東等研究了利用0.5mm直徑的涂層硬質合金銑刀加工金屬材料時的磨損機理及刀具耐用度與切削速度的關系。李錫文等3提出了小直徑銑刀在銑削刀片金屬材料時的銑刀磨損量評價指標。馬淋淋等(6研究了利用20mm直徑的高速鋼刀具銑削樹脂砂鑄型過程中刀具的磨損行為。

但是針對微型銑刀加工覆膜砂鑄型的加工工藝研究尚少。本文設計刀具磨損試驗,對加工過程中刀具磨損前后其表面元素及形貌的變化進行了觀測與分析,給出了微型銑刀壽命的判定依據。并且在其它參數不變的條件下,建立了主軸轉速與刀具壽命之間的雙對數關系式,提出了微型銑刀磨損機理,為微型銑刀磨損規律研究提供了理論基礎。

2、試驗方法

試驗采用三軸立式數控銑床,*大主軸轉速24000/min,*大進給速度900 mm/min。刀具磨損的檢測設備為光學影像測量儀及掃描電鏡。根據前期試驗可知，刀具在銑削過程中,切削速度V對刀具使用壽命T的影響*大。在銑刀中,切削刃不過銑刀中心軸線的齒為短齒,短齒在銑削過程中比長齒更易磨損。當短齒表面的涂層完全磨損脫落后,此時已無法分辨出短齒上的切削刃、后刀面及其它典型的刀具表面形貌。

因此,當刀具短齒上的涂層完全磨損脫落時,刀具達到其使用壽命可知,涂層銑刀在銑削覆膜砂過程中的刀具形貌變化趨勢可以分為三個階段。第yi階段轉角區域從鋒利的尖角狀磨損為圓弧狀。第二階段:主后刀面由于和覆膜砂材料有較大的相對速度，剝離的砂礫與后刀面上的涂層之間發生劇烈摩擦,導致主后刀面上的涂層大量脫落并形成劃痕。而副后刀面上的涂層則由曲邊三角形狀變為曲邊梯形狀。第三階段:短齒上的涂層已完全脫落,長齒上的涂層殘留部分則在銑削過程中處于與砂礫接觸頻率較少的位置。此時已無法分辨出短齒上的切削刃、后刀面及其它典型的刀具表面形貌。本文以此判定刀具已達到其使用壽命,此時刀具不宜再進行銑削加工。

為了定量地探究刀具在銑削過程中的具體形貌變化以及切削速度與刀具使用壽命的數值關系,本文設計了7組單因素刀具磨損試驗。采用不同的主軸轉速銑削覆膜砂平面,每加工25(覆膜砂移除量達到1100mm3)后進行一次刀具形貌的拍照與測量。為了保證試驗數據的可靠性,每組轉速的刀具均做3次,*后得到磨損時間的平均值作為*終的刀具壽命時間。本次試驗中只考慮切削速度對刀具壽命的影響。

為了解在*大進給速度下刀具的磨損情況,試驗選取了機床的*大進給速度。根據前期的試驗發現,m微型銑刀在*大進給速度下銑削覆膜砂材料時,為確保刀具不斷裂,*大軸向銑削深度應不大于1mm;為保證加工表面質量,銑削覆膜砂的銑削寬度不應大于0.3mm。試驗使用70目的覆膜砂粒,加熱保溫至150℃、保溫3h,由此工藝制作出的砂型抗拉強度在2MPa左右。

3試驗結果分析

3.1刀具磨損宏觀形貌

在銑削試驗過程中,每隔一定時間利用光學影像測量儀對刀具進行一次測量。如圖2所示,通過測量發現,刀具的磨損首先由刀尖轉角區處開始,該區域隨著加工時長的增加由鋒利磨損至圓弧狀。在相同的時間內,隨著切削速度的增加,其轉角區的磨損量也隨之增加。轉角區磨損開始后,隨著銑削時間的增加,刀具主后刀面開始磨損。通過觀察檢測發現,在相同時間內,銑削覆膜砂時銑刀的后刀面磨損量遠大于銑削金屬時的磨損量,所以,不能以傳統的后刀面磨損量指標定義刀具壽命由于覆膜砂顆粒的硬度遠大于銑刀基體和涂層的硬度,銑刀在加工時與體積較大的覆膜砂顆粒高速碰撞,因此與銑削金屬相比在銑削覆膜砂的過程中銑刀刀刃處更易出現崩刃破損現象。在刀具磨損后期,橫刃處也開始發生磨損,由鋒利狀態磨損成圓弧狀。

圖2刀具磨損形貌

圖2a中轉角區的磨損在整個刀具磨損過程中*先發生,這是由于在銑削過程中,該處線速度*大,相同時間內與其它位置相比,該處與砂礫的接觸磨擦頻率*大,并且由于摩擦作用導致該處的涂層在銑削過程中被大量剝落。圖2b中的崩刃發生在主切削刃距刀尖50μm處,該處靠近轉角區域,線速度較大,在加工過程中該處所受的銑削力是刀刃部分中*大的區域,因此該區域在銑削過程中極易發生崩刃情況。圖2c中后刀面磨損區域呈上寬下窄式的分布,即在距刀尖60wm處應力*大,之后隨著距刀尖距離越遠,受力逐漸減小,從而導致后刀面的磨損量也逐漸減小。圖2d中的橫刃處磨損在整個刀具磨損過程的*后階段發生,這是由于在銑削過程中,該處位于刀具中心,其線速度*小。

3.2 銑刀磨損微觀組織分析

利用掃描電鏡觀察銑刀在銑削覆膜砂后的微觀結構,并詳盡地分析了銑刀破損處結構組織的元素。為了與磨損后的銑刀形貌組織進行比較,先觀察未進行過加工的新銑刀表面并且對表面進行能譜分析。新銑刀在未進行加工時涂層完整,刀尖處于鋒利狀態,刀具表面存在較多的顆粒物。通過能譜圖可知,新刀的表面化學成分為Ti、N元素,而作為硬質合金中的粘接相Co與硬質相WC并未被檢測出來?？梢钥闯?在新刀中涂層基本覆蓋了整個刀具的基體。

在銑削刀片過程中發現刀尖處出現了部分形狀不規則且附著在刀具表面的雜質。通過對雜質進行能譜分析,發現其中含有大量的非金屬元素C、0、Si、S等,不存在Ti、W、Co等金屬元素。銑刀在銑削覆膜砂過程中,始終存在著磨粒磨損。由于覆膜砂顆粒的硬度遠大于銑刀涂層及基體的硬度,銑刀在加工過程中,銑刀表面與大量從砂型中脫落下的覆膜砂顆粒相互高速碰撞和摩擦,導致銑刀涂層的脫落消失,并且在銑刀基體及未脫落的涂層上都出現了大量的劃痕。圖5為在銑刀加工過程中銑刀表面磨損的微觀形貌。

銑刀表面磨損的微觀形貌

后刀面形成明顯的劃痕,這是由于覆膜砂材料的主要成分為硬度較高的SiO2,銑刀在銑削覆膜砂材料時類似于砂輪的磨削作用,刀具和砂型不斷接觸且發生摩擦,使得刀具表面溫度有所上升,硬度有所降低,高速旋轉的后刀面與硬度遠大于硬質合金的砂礫不斷劃擦。所以,在刀具銑削覆膜砂材料時,刀具的主要磨損機理為磨粒磨損。

3.3 刀具壽命與切削速度的關系

試驗所得的刀具壽命與切削速度。根據試驗所得到的切削速度和刀具壽命的數值,求其對數值,并在雙對數坐標圖上建立v-的關系曲線,進而求得切削速度與刀具壽命之間的關系式。

4結語

由于微型銑刀加工覆膜砂材料的特殊性,不能以傳統的后刀面磨損寬度的方式來規定刀具磨損的標準。本文定義短齒上的涂層完全磨損脫落時刀具達到其使用壽命。試驗證明:在其它加工參數相同的情況下,刀具壽命與切削速度的對數值呈線性關系。

刀具在銑削覆膜砂過程中主要以磨粒磨損為主,并且在銑削過程中由于砂礫與涂層的高速摩擦,導致銑刀涂層出現大面積的脫落并在刀尖處會附著少量非金屬雜質,這些雜質主要來自于覆膜砂上的樹脂及覆膜砂顆粒。通過耐用度公式及研究涂層銑刀銑削覆膜砂的磨損機理,為微型銑刀磨損規律硏究提供了理論基礎。