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PCD刀具超精切削表面質(zhì)量的研究

時(shí)間:2011-05-22 16:26:53 來源:未知

1 引言

隨著儀器儀表工業(yè)的發(fā)展，對(duì)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應(yīng)具有很高的幾何尺寸及形位尺寸精度，還應(yīng)具有極好的穩(wěn)定性，以保證整機(jī)的可靠性。

圖1 PCD刀具刃口的SEM照片
近年來，超精密切削加工技術(shù)得到迅速發(fā)展，對(duì)某些有色金屬材料的超精密切削加工精度已接近理論極限精度。但是，目前人們對(duì)超精密加工的微觀切削機(jī)理和切削表面完整性的研究尚不夠深入，加工表面質(zhì)量成為影響超精密零件可靠性的主要因素之一。工件的加工表面質(zhì)量主要通過表面粗糙度、表面顯微硬度、表面殘余應(yīng)力等指標(biāo)來反映。在普通切削加工中，由于加工硬化、表面殘余應(yīng)力等表面質(zhì)量問題引起的形位尺寸變化相對(duì)于零件的尺寸精度要求一般可忽略不計(jì)。但在超精密切削加工中，由于零件精度要求極高，因此任何表面參數(shù)的變化都會(huì)增加零件的不穩(wěn)定性。
天然單晶金剛石刀具(簡(jiǎn)稱SPD刀具)是一種單點(diǎn)刀具，用于超精密切削可獲得理想的加工精度，但因材料稀缺，因此價(jià)格昂貴。人造聚晶金剛石刀具(簡(jiǎn)稱PCD刀具)為多點(diǎn)刀具，與SPD刀具相比價(jià)格低廉。以前我們?cè)鴮?duì)PCD刀具的刃磨及獲得超精加工要求的表面粗糙度的機(jī)理進(jìn)行了研究，本文則對(duì)PCD刀具與SPD刀具在超精密加工中工件表面質(zhì)量的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)研究。

2 試驗(yàn)條件

  1. 刀具幾何參數(shù)
    超精切削加工為微細(xì)加工，切削區(qū)集中于刃口附近的微小區(qū)域，刀具的鋒利程度對(duì)工件已加工表面質(zhì)量具有舉足輕重的影響。因此，對(duì)于超精切削刀具，除宏觀幾何參數(shù)外，反映刀具鋒利度的刃口圓弧半徑是最重要的關(guān)鍵參數(shù)。圖1 所示為試驗(yàn)所用PCD刀具刃口的SEM 照片，其刃口半徑約為0.5µm；試驗(yàn)所用SPD刀具的刃口半徑也約為0.5µm。試驗(yàn)用刀具的幾何參數(shù)如圖2所示。

    圖2 試驗(yàn)用刀具的幾何參數(shù)
  2. 切削條件
    試驗(yàn)機(jī)床：MSG-325 超精密車床
    試驗(yàn)刀具：PCD刀具，SPD刀具(超精加工用刀具)
    工件材料：無氧銅
    切削速度：v=1000r/min
    進(jìn)給量：(分別取不同值)
    切削深度：ap=5µm
    環(huán)境溫度控制：20 ± 0.1℃
    冷卻方式：烴基冷卻液噴霧冷卻

3 測(cè)試結(jié)果

  1. 工件表面粗糙度
    采用英國(guó)Taylor-Hobson 公司生產(chǎn)的Form Talaysurf表面輪廓儀測(cè)量工件已加工表面粗糙度，該儀器采用激光干涉?zhèn)鞲衅骱吞烊粏尉Ы饎偸筋^，測(cè)量精度較高。在不同進(jìn)給量條件下切削無氧銅工件得到的表面粗糙度測(cè)量結(jié)果如圖3所示。

    圖3 工件表面粗糙度測(cè)量值
    圖4 工件表面顯微硬度測(cè)量值
    圖5 工件表面殘余應(yīng)力測(cè)量值
  2. 工件表面顯微硬度
    采用HX-200型顯微硬度計(jì)，在加載50g條件下對(duì)采用不同進(jìn)給量切削時(shí)的工件表面顯微硬度進(jìn)行測(cè)量。圖4所示為用PCD刀具和SPD刀具切削加工得到的表面顯微硬度值隨進(jìn)給量的變化曲線。
  3. 工件表面殘余應(yīng)力
    表面殘余應(yīng)力測(cè)試條件：設(shè)備：RIGAKU數(shù)控X射線應(yīng)力儀；電壓：20kV；電流：0.6mA；X射線照射面積：4×8mm2；應(yīng)力常數(shù)：- 9.4；Ø角：0°，15°，30°，45°；步長(zhǎng)：0.5°；(2#p#分頁標(biāo)題#e#q)min=145°；(2q)max=165°。采用PCD刀具和SPD刀具加工的工件表面殘余應(yīng)力測(cè)試結(jié)果如圖5 所示。

4 測(cè)試結(jié)果分析

  1. 由圖3所示工件表面粗糙度試驗(yàn)曲線可知，當(dāng)進(jìn)給量f≤4µm/r時(shí)，PCD刀具和SPD刀具加工出的工件表面粗糙度均可達(dá)到超精加工表面質(zhì)量要求(Ra≤0.01um)；
  2. 圖4所示表面顯微硬度測(cè)試結(jié)果表明，兩種刀具獲得的工件表面顯微硬度比較接近，都在HV105～HV125之間；
  3. 圖5所示工件表面殘余應(yīng)力曲線表明PCD刀具和SPD刀具獲得的工件表面殘余應(yīng)力均為壓應(yīng)力，SPD刀具的加工表面殘余應(yīng)力變化比較平穩(wěn)。

5 結(jié)論

  1. 在采用金剛石刀具的超精切削加工中，工件表面粗糙度、冷作硬化程度、表面殘余應(yīng)力等表面質(zhì)量指標(biāo)是保證超精密零件高穩(wěn)定性和高可靠性的前提，應(yīng)予以充分重視。
  2. PCD刀具在超精加工無氧銅(f≤4µm/r)時(shí)獲得的表面粗糙度、表面顯微硬度和表面殘余應(yīng)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。