金刚石厚膜端铣刀的试验研究www.tool-tool.com

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1 引言

金刚石刀具的高硬度及其它优异性能使其非常适合加工硅合金、铝合金、铜合金等有色金属材料以及纤维增强复合材料、酚醛树脂、石墨等非金属材料。天然金刚石材料由于颗粒较小、价格昂贵、不易加工等原因，其推广应用受到一定限制。人造聚晶金刚石(PCD)刀具虽然在半精加工、精加工领域发挥着重要作用，但由于刀片形状单一、无断屑槽以及几何参数的局限性等，其优异性能难以充分发挥。金刚石厚膜刀具是将沉积的金刚石厚膜焊接在硬质合金刀片上制成的新型刀具，具有优异的加工性能及较高的性能价格比。我国对金刚石厚膜端铣刀的研究、开发及应用目前尚处于起步阶段。本文对金刚石厚膜端铣刀的显微组织、设计与制备以及在超精加工中的应用进行了试验研究。

2 金刚石厚膜的显微组织分析

为研究金刚石厚膜刀具的加工性能，用JSOM35C型扫描电镜对国产金刚石厚膜与进口PCD复合片的显微组织进行了对比测试分析，由两种材料的显微组织图像可知，PCD复合片的显微组织为颗粒状聚晶组织，存在较多空隙，含有许多针状石墨体；由于在高温高压的制备过程中添加了微量粘结剂，因此其硬度受到一定影响 (HK5000～8000)，低于天然金刚石的硬度，但其抗冲击强度较高；用PCD复合片制成的刀具刃口上呈现许多不平整的微锯齿，因此适用于半精加工和精加工，但不适合要求达到镜面级表面精度的超精加工。由图2可知，金刚石厚膜的显微组织完整单一，空隙少而细微，与单晶金刚石相似；由于材料组织完全由金刚石组成，无粘结剂夹杂，因此具有较高硬度(HK8300)，接近天然金刚石的平均硬度值；如选用适当的刃磨工艺，金刚石厚膜刀具可获得无锯齿的直线状刀刃，十分适合镜面级表面精度的超精加工。

3 端铣刀的设计与制备

为进行对比切削试验，分别用金刚石厚膜和PCD复合片制备成具有相同形状及几何参数的端铣刀。经优选的端铣刀设计参数为：直径Ø125mm，刀齿数为6齿，切深前角3°～8°，径向前角0°～-5°，主偏角75°；硬质合金基体采用YG3X正方形刀片，刀体采用可转位前压式，刀体厚度、孔径、连接尺寸等按国家标准设计。

用激光分别将PCD复合片和金刚石厚膜切割为三角形小片，用专用工装将YG3X硬质合金刀片磨削成与三角形膜片尺寸一致的刀槽，以备钎焊时使用。金刚石厚膜与一般金属及其合金之间具有很高的界面能，难以被一般的低熔点合金所浸润，且金刚石厚膜可焊性较差。为了提高金刚石厚膜与硬质合金基体之间的可焊性，采用了特制的高强度银铜合金焊料，并采用硬质合金低温钎焊工艺焊接金刚石厚膜刀片和PCD刀片。分别将钎焊好的刀片进行同级别表面精度的刃磨，半精刃磨时选用高强度、粗粒度的金刚石砂轮，精刃磨时选用细粒度的金刚石砂轮，刀具刀尖圆弧则采用工装自动刃磨。端铣刀经装配、调试后，其轴向和径向圆跳动控制在0.002mm 范围内。

4 切削试验

加工机床：BI-266型数控铣床；测量仪器：M4P表面粗糙度测量仪；工件材料：LY12铝合金；切削方式：干切削。在相同切削用量下分别用金刚石厚膜端铣刀和PCD端铣刀铣削LY12铝合金并对试件表面粗糙度进行测量。试验结果见表1。铣削加工结束后，用100倍显微镜对金刚石厚膜端铣刀和PCD端铣刀的6个刀齿进行了检查，发现每个刀齿经过6000 多次切削冲击载荷(6个刀齿共承受36000 次冲击)后，刀齿均无崩刃现象发生。试验结果证明，采用合理刀头几何形状的金刚石厚膜刀具不仅具有PCD端铣刀的优点，而且可实现大平面的超精加工。

表1 金刚石厚膜端铣刀和PCD端铣刀对比试验结果
刀具 工件 切削用量 工件表面粗糙度
Ra(µm)
切削速度(m/min) 切深(mm) 走刀量(mm/r)
金刚石厚膜端铣刀 LY12铝合金 157 0.02 0.02 0.10
PCD端铣刀 LY12铝合金 157 0.02 0.02 0.40
我厂设计生产的6～32齿金刚石厚膜端铣刀已应用于发动机生产现场，实现了“以铣代磨”的高效率、高质量超精加工。

5 结论

金刚石厚膜材料的显微组织与天然单晶金刚石类似。金刚石厚膜刀具适用于超精切削加工，可部分替代昂贵的天然单晶金刚石刀具。

几何形状及参数设计合理的金刚石厚膜端铣刀可承受切削载荷的反复冲击，有效解决有色金属及其合金材料的大平面、超大平面超精加工难题，铣削加工有色金属材料大平面工件时可获得镜面精度的加工效果。

金刚石厚膜端铣刀不仅可应用于精密型加工机床，也可应用于普通铣床，可获得较好加工效益，具有推广应用价值。

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SiCp/Al多相材料的切削加工www.tool-tool.com

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1 引言

SiCp/Al是一种新型的陶瓷/金属系多相材料，由于它的比刚度和比强度高，膨胀系数小，耐热性和尺寸稳定性好，因此在航空航天、汽车制造等行业得到日益广泛的应用。在汽车制造业中，SiCpAl材料最具潜力的应用前景之一是用于制造发动机活塞。采用SiCp/Al制造发动机活塞可减小活塞销孔的磨损，避免因热膨胀引起的“咬死”现象，提高装配精度，减少能耗，提高发动机功率。SiCp/Al材料在德、日、英、美等工业发达国家汽车制造业中的应用已取得了良好效果。我国在这方面的研究开发工作也取得了一定成果。

在SiCp/Al材料中，引入了无机非金属颗粒作为补强第二相，从而大幅度提高了材料的强度、硬度和耐磨性能，但同时也使材料的机械加工性能变差。加工SiCp/Al材料时，刀具磨损严重，耐用度降低，工件尺寸精度和表面质量难以保证，这在一定程度上阻碍了这种新型材料的推广应用。为此，本文通过试验研究，利用常规硬质合金刀具材料设计出一种可采用常规工艺和设备加工SiCp/Al材料的新型刀具。使用证明，采用该刀具加工SiCp/Al材料，可提高刀具耐用度和工件表面质量，降低加工成本。

2 SiCp/Al切削表面成形机理

作为补强第二相引入母体第一相铝合金中的SiC 颗粒是非连续、均匀、无方向性(各向同性)地分布于母体材料中，从而使SiCp/Al材料具有如下切削表面形成机理：在切削力作用下材料产生变形，首先在强度薄弱处和已有缺陷处形成微观裂纹核，然后裂纹根据最小能量原则以极快速度扩展，直至材料断裂，形成原始裂纹表面。切削刃分流点以上的材料经剪切区域成屑流出，分流点和待加工与已加工表面之间的(过渡)原始裂纹表面材料再经钝圆切削刃的推挤、修整和已磨损的副后刀面的熨压形成已加工表面。切削表面并非全部由切削刃直接切出，而是在很大程度上受到原始裂纹表面形成机理的影响。原始裂纹表面的形成具有很大随机性，由材料组织结构决定。因此，SiCp/Al材料的已加工表面分布有颗粒被拔出后留下的凹坑、切削时被压下复又弹起的凸粒、颗粒自然解理表面、挤压及摩擦导致的局部材料侧流扩展(或熔融)表面、晶粒细化和沿切削方向纤维化表面、磨(破)损不平的切削刃复制出的表面等多种结构。

3 刀具磨损与破损机理

由于SiCp/Al材料中SiC颗粒(显微硬度值HV=27GPa)的存在，切削时，常规硬质合金刀具(YG类刀具材料显微硬度值HV=16～18GPa)会很快磨损或破损。切削刃分流点以下的剩切现象使第一相母体材料的弹性恢复顶起裹携着带有微刃的第二相补强颗粒与副后刀面发生剧烈摩擦，造成刀具的磨粒磨损，这是刀具的主要失效形式。这种现象在第二相的粒度及体积分数均较小(如粒度小于15µm，体积分数小于15%)的SiCp/Al材料中，由于弹性恢复趋势强烈而显得尤为明显。

SiCp/Al材料结构中的局部不均匀性和非连续性造成对刀具的冲击，致使主切削刃处发生崩刃现象，崩刃处发现有沿切屑流出方向分布的沟纹，随着切削路径的延长，崩刃处呈钝圆槽形。接近材料外缘处的刀具崩刃程度较低。虽然也存在边界磨损，但发生概率较小。

4 SiCp/Al材料的切削试验

4.1 试验材料

1#材料：SiCpAl(粒度：14µm，体积分数10%)；2#材料：SiCpAl( 粒度40µm，体积分数20%)。两种材料的第一相母体合金均为ZL109。试件经160MPa挤压铸造，制备为中空圆柱体，经T6 热处理。

4.2 试验条

切削机床：CM6140 型精密卧式普通车床；进给量f=0.10mm/r，切削深度ap=0.10mm，切削1#材料切削速度vc1=19.3m/min，切削2#材料切削速度vc2=18.5m/min；采用干式纵向切削。

4.3 试验刀具

加工SiCp/Al多相材料时，磨粒磨损是刀具的主要失效形式，也是造成已加工表面质量恶化的主要原因。根据材料组织结构和加工表面微观形貌特征，笔者认为，只有针对SiCp/Al材料在加工中的弹、塑性变形特点，有效减轻刀具—工件的挤压滑擦，才能减轻刀具磨损，提高刀具耐用度和加工表面质量。

试验结果表明，采用主偏角小于90°(如45°和75°)的外圆车刀切削SiCp/Al材料时，由于切削径向分力和母体材料高弹性变形的作用，刀具—工件接触面发生剧烈挤压和滑擦，很快在副后刀面上磨出磨损带，磨损带挤压在已加工表面上，严重时可引起不规则的中频振颤，振颤“锤击”作用可使已加工表面质量进一步恶化，同时进一步加剧了刀具损坏。如刀具采用90°(或稍大于90°)的主偏角，切削时就能够有效卸去切削径向分力，减轻刀具对材料的挤压以及由此引起的材料弹性恢复。此外，针对材料弹性恢复的不利影响，在副后刀面与刀尖连接处刃磨出一定形状，不仅能够减轻刀具—工件的挤压、滑擦，提高刀具耐用度，还可对已加工表面起到熨平修整作用，提高加工表面质量。

根据上述思路设计了一种新型引导光整刀具。刀具几何形状为：前角γ0=6°，主后角α0=10°，主偏角kr=90°，刃倾角λs=0°，副后角α0’=5°，副偏角kr’=15°，刀尖圆弧半径 rε≤0.20mm；在与rε圆弧相接的副切削刃上刃磨出长度b≤1mm 的大半径( R≈150mm)圆弧，平滑过渡到副切削刃；在副切削刃上刃磨出α01≤-2°、宽度br’≤0.20mm 的负倒棱；在与rε相连的大圆弧的负倒棱下刃磨出R’≈200mm、高度b’≤0.50mm 的外切圆柱面，向下与副后刀面平面圆滑过渡(如图1所示)。

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图1 刀具引导光整面几何形状示意图
这种新型引导光整刀具的关键是刀尖圆弧半径与相连的由R 和R’组成的椭球面(即引导光整面)的形状和高度，该椭球面可引导修整已加工表面的弹性变形恢复和轮廓微观不平度。其它几何参数的设计主要应满足刀具强度和耐冲击性的要求。

试验刀具的材料选用YG8 硬质合金。

4.4 试验结果

试验刀具进入正常磨损阶段后，副后刀面上光滑的引导光整面对已加工表面的微观不平轮廓进行修整。经切削光整后，1#材料已加工表面粗糙度平均值Ra=1.08µm，裸视观察呈无光泽银白色，在显微镜下观察，轮廓顶峰被部分修整，呈钝圆状，加工纹路清晰可见；2#材料已加工表面粗糙度平均值Ra=0.52µm。由于 2#材料的粒度和体积分数均大于1#材料，因此硬度和刚度有所提高，弹塑性变形减弱，表面呈有金属光泽的镜面。用Taylor-Hobson轮廓仪描绘出的使用普通刀具(未在副后刀面上刃磨出引导光整面)和新型引导光整刀具切削2#材料的表面微观轮廓形貌(两种刀具材料均为YG8硬质合金，且几何参数基本相同)。

与普通刀具相比，新型引导光整刀具切削出的表面微观轮廓顶峰和峰谷变化平缓，微观不平度减小。

对新型引导光整刀具的检测显示，切削1#材料15分钟后，刀具上未发现明显的磨损带；继续切削2#材料，在开始的12.5 分钟里，引导光整面的长度b由原来的0.9mm扩展到1.0mm，高度b’由原来的0.4mm扩展到0.5mm，在随后37.5 分钟的切削过程中，未发现磨损带进一步扩大。切削试验中，工件表面粗糙度值基本保持稳定，Ra最大值未超过0.76µm。

5 结论

引导光整刀具是一种适用于切削SiCp/Al多相材料的新型刀具，能有效提高常规材料刀具的耐用度，降低工件表面粗糙度。

新型刀具的光整作用可使已加工表面延展和拉伸，产生塑性流动；挤压作用可弥合表面微观裂纹，减轻应力集中现象，使表面呈残余压应力状态，从而提高零件抗疲劳强度。

SiCp/Al材料的表面加工质量在很大程度上由引导光整面的高度和切削用量决定。其高度应小于轮廓微观不平度的平均高度，以减小母体材料的受压弹形变形；其宽度应大于进给量f，以实现重叠连续光整，使已加工表面获得良好的尺寸精度和表面质量。

对于不同粒度和体积分数的SiCp/Al材料，存在一个引导光整面优化值。可根据材料粒度和体积分数的不同适当修整引导光整面的几何尺寸。本文推荐的引导光整刀具几何尺寸较适合于切削中等粒度和体积分数的SiCp/Al材料，对于粒度和体积分数过大或过小的材料加工效果稍差。

新型引导光整刀具的几何形状较适合直线加工，对于复杂曲面的加工则有其局限性。

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超微细形状加工用刀具www.tool-tool.com

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加工光盘拾波镜片模具的UPC刀具

用UPC刀具对模具进行超精密切削加工正朝着高精度和更加微的加工方向发展。从CD到CD-ROM、MD、DVD，不断发展的光盘种类所需要的拾波镜片模具也不断精密化，因此，加工此类模具的UPC刀具也在不断改进。

随着拾波用非球面镜片塑料化和高精度化的进展，要求加工模具(非电解镀镍材料)的刀具切削刃的轮廓精度(不圆度)必须具有非常高的精度。现在已开始出一种UPC-R刀具，其圆弧切削刃的轮廓精度为50nm(0.05μm，工作范围90°)。这种车刀是为超精密切削加工开发的专用刀具，配用于CNC多轴超精密车床。

随着光盘制品不断向小形化发展，镜片也日趋小型化，曲率也日益减小。UPC刀具的刀尖圆弧半径也由R1.0mm减小至R0.1mm，为获得锋利的切削刃，刀尖角也降至40°以下。

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刀尖圆弧半径为R5μm的UPC-R车刀

随着DVD的问世，为了生产DVD和CD可共用的零件，光学系统更加复杂，镜片也更加微小，包含镜片在内的光学元件数量随之减少。为了将复杂的光学元件功能集中在1个光学元件上，便产生了利用衍射效应的全息元件。

DVD和CD(含CD-ROM)盘面信号的位置各不相同，因此，用来读出信号的激光的焦点聚焦位置也不同，通过镜片将不同位置的两个焦点聚集在一起。具有此种功能的镜片叫做双焦点全息镜片，其中，在非球面镜片位置聚焦一个焦点，通过该非球面镜片上刻制的衍射栅所生成的衍射光，聚焦另一个焦点。加工这种镜片模具的刀具必须具有高精度圆弧切削刃，以便在使用该模具加工非球面镜片时，能够保持极高的轮廓精度。加工微细全息衍射栅时，要求刀具必须具有非常锋利的切削刃。现在已开发出能够满足此种要求的UPC-R刀具，其刀尖圆弧半径为R5μm。当UPC-R刀具刀尖圆弧半径较大，在加工微米级衍射栅时，衍射栅沟槽部位呈现出圆弧形，其光学性能将大为减弱；当刀尖圆弧半径减小至5μm时，加工出的衍射栅沟槽便非常精密，其光学性能大为提高。另外，R5μm的圆弧切削刃轮廓精度达到50nm，这种高精度切削刃通过超高精度机床，可加工出精度极高的非球面形状，其光学性能完全能够达到标准所要求的水平。如要进一步提高双焦镜片的光学性能，则应开发出刀尖圆弧更小(如R1μm)的刀具。

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加工5μm沟槽的UPC-T车刀

DVD这类产品不仅要求双焦点，而且要求图象、信息高密度化和高精度化，正向着小型化、多功能化发展，因此，其光学系统也更加复杂。此种将复杂光学系统集成化的元件称为HOE(Holographic Optical Element)。

在HOE上刻制有许多微米级间隔的细槽，利用光衍射现象，将10余个镜片等光学元件的功能集成在一个HOE上。变更间距和深度，便可自由进行光的分度、偏转和形状的变换。

这些光学元件的加工，过去大都用半导体加工时所采用的光刻蚀技术，但光刻技术所加工出的沟槽底部为圆形，深槽则要分数次刻蚀，因此，常常出现刻蚀不均匀情况，这将降低光的利用率。为解决这一难题，现已开发出一种UPC-T车刀，这种刀具可进行微米级超细沟槽的精密切削加工。

刃尖宽度为5μm的UPC-T车刀，其矩形部位的切深可达10μm。用这种刀具可加工间距为5μm的平行槽。加工时刀具固定，规定切深，工件沿单一方向作直线运动即可完成加工。加工条件为：被加工材料：非电解镀镍模具；机床：超精密CNC车床；刀具：长度8～35L，刃宽5μm；工艺参数：进给速度：1m/min，切削深度：1μm，切削液：电加工用润滑油(雾状冷却)。在这样的条件下，采用UPC刀具加工矩形槽，可获得刻蚀加工无法达到的矩形槽精度。另外，利用UPC刀具加工的模具所生产的塑料光学元件，具有优异的光学性能。

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