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PCD刀具超精切削表面質量的研究

時間:2011-05-22 16:26:53 來源:未知

1 引言

隨著儀器儀表工業的發展，對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具有很高的幾何尺寸及形位尺寸精度，還應具有極好的穩定性，以保證整機的可靠性。

圖1 PCD刀具刃口的SEM照片
近年來，超精密切削加工技術得到迅速發展，對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，目前人們對超精密加工的微觀切削機理和切削表面完整性的研究尚不夠深入，加工表面質量成為影響超精密零件可靠性的主要因素之一。工件的加工表面質量主要通過表面粗糙度、表面顯微硬度、表面殘余應力等指標來反映。在普通切削加工中，由于加工硬化、表面殘余應力等表面質量問題引起的形位尺寸變化相對于零件的尺寸精度要求一般可忽略不計。但在超精密切削加工中，由于零件精度要求極高，因此任何表面參數的變化都會增加零件的不穩定性。
天然單晶金剛石刀具(簡稱SPD刀具)是一種單點刀具，用于超精密切削可獲得理想的加工精度，但因材料稀缺，因此價格昂貴。人造聚晶金剛石刀具(簡稱PCD刀具)為多點刀具，與SPD刀具相比價格低廉。以前我們曾對PCD刀具的刃磨及獲得超精加工要求的表面粗糙度的機理進行了研究，本文則對PCD刀具與SPD刀具在超精密加工中工件表面質量的實現進行了對比試驗研究。

2 試驗條件

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

    圖2 試驗用刀具的幾何參數
  2. 切削條件
    試驗機床：MSG-325 超精密車床
    試驗刀具：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
    進給量：(分別取不同值)
    切削深度：ap=5µm
    環境溫度控制：20 ± 0.1℃
    冷卻方式：烴基冷卻液噴霧冷卻

3 測試結果

  1. 工件表面粗糙度
    采用英國Taylor-Hobson 公司生產的Form Talaysurf表面輪廓儀測量工件已加工表面粗糙度，該儀器采用激光干涉傳感器和天然單晶金剛石探頭，測量精度較高。在不同進給量條件下切削無氧銅工件得到的表面粗糙度測量結果如圖3所示。

    圖3 工件表面粗糙度測量值
    圖4 工件表面顯微硬度測量值
    圖5 工件表面殘余應力測量值
  2. 工件表面顯微硬度
    采用HX-200型顯微硬度計，在加載50g條件下對采用不同進給量切削時的工件表面顯微硬度進行測量。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給量的變化曲線。
  3. 工件表面殘余應力
    表面殘余應力測試條件：設備：RIGAKU數控X射線應力儀；電壓：20kV；電流：0.6mA；X射線照射面積：4×8mm2；應力常數：- 9.4；Ø角：0°，15°，30°，45°；步長：0.5°；(2#p#分頁標題#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力測試結果如圖5 所示。

4 測試結果分析

  1. 由圖3所示工件表面粗糙度試驗曲線可知，當進給量f≤4µm/r時，PCD刀具和SPD刀具加工出的工件表面粗糙度均可達到超精加工表面質量要求(Ra≤0.01um)；
  2. 圖4所示表面顯微硬度測試結果表明，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力曲線表明PCD刀具和SPD刀具獲得的工件表面殘余應力均為壓應力，SPD刀具的加工表面殘余應力變化比較平穩。

5 結論

  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、表面殘余應力等表面質量指標是保證超精密零件高穩定性和高可靠性的前提，應予以充分重視。
  2. PCD刀具在超精加工無氧銅(f≤4µm/r)時獲得的表面粗糙度、表面顯微硬度和表面殘余應力均非常接近。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。