超硬材料網

　　摘要：對金剛石厚膜和PCD復合片的顯微組織進行了對比分析，用優化設計的金剛石厚膜和PCD端銑刀進行了切削試驗，證明金剛石厚膜端銑刀可實現“以銑代磨”超精鏡面加工。
　　1 引言
　　金剛石刀具的高硬度及其它優異性能使其非常適合加工硅合金、鋁合金、銅合金等有色金屬材料以及纖維增強復合材料、酚醛樹脂、石墨等非金屬材料。天然金剛石材料由于顆粒較小、價格昂貴、不易加工等原因，其推廣應用受到一定限制。人造聚晶金剛石(PCD)刀具雖然在半精加工、精加工領域發揮著重要作用，但由于刀片形狀單一、無斷屑槽以及幾何參數的局限性等，其優異性能難以充分發揮。金剛石厚膜刀具是將沉積的金剛石厚膜焊接在硬質合金刀片上制成的新型刀具，具有優異的加工性能及較高的性能價格比。我國對金剛石厚膜端銑刀的研究、開發及應用目前尚處于起步階段。本文對金剛石厚膜端銑刀的顯微組織、設計與制備以及在超精加工中的應用進行了試驗研究。
　　2 金剛石厚膜的顯微組織分析
　　為研究金剛石厚膜刀具的加工性能，用JSOM35C型掃描電鏡對國產金剛石厚膜與進口PCD復合片的顯微組織進行了對比測試分析，兩種材料的顯微組織圖像分別如圖1、圖2所示。

圖1 PCD復合片的顯微組織

　　圖2 金剛石厚膜的顯微組織
　　由圖1可知，PCD復合片的顯微組織為顆粒狀聚晶組織，存在較多空隙，含有許多針狀石墨體；由于在高溫高壓的制備過程中添加了微量粘結劑，因此其硬度受到一定影響(HK5000～8000)，低于天然金剛石的硬度，但其抗沖擊強度較高；用PCD復合片制成的刀具刃口上呈現許多不平整的微鋸齒，因此適用于半精加工和精加工，但不適合要求達到鏡面級表面精度的超精加工。由圖2可知，金剛石厚膜的顯微組織完整單一，空隙少而細微，與單晶金剛石相似；由于材料組織完全由金剛石組成，無粘結劑夾雜，因此具有較高硬度(HK8300)，接近天然金剛石的平均硬度值；如選用適當的刃磨工藝，金剛石厚膜刀具可獲得無鋸齒的直線狀刀刃，十分適合鏡面級表面精度的超精加工。3 端銑刀的設計與制備
　　
　　
　　
　　為進行對比切削試驗，分別用金剛石厚膜和PCD復合片制備成具有相同形狀及幾何參數的端銑刀。經優選的端銑刀設計參數為：直徑Ø125mm，刀齒數為6齒，切深前角3°～8°，徑向前角0°～-5°，主偏角75°；硬質合金基體采用YG3X正方形刀片，刀體采用可轉位前壓式，刀體厚度、孔徑、連接尺寸等按國家標準設計。
　　
　　用激光分別將PCD復合片和金剛石厚膜切割為三角形小片，用專用工裝將YG3X硬質合金刀片磨削成與三角形膜片尺寸一致的刀槽，以備釬焊時使用。金剛石厚膜與一般金屬及其合金之間具有很高的界面能，難以被一般的低熔點合金所浸潤，且金剛石厚膜可焊性較差。為了提高金剛石厚膜與硬質合金基體之間的可焊性，采用了特制的高強度銀銅合金焊料，并采用硬質合金低溫釬焊工藝焊接金剛石厚膜刀片和PCD刀片。分別將釬焊好的刀片進行同級別表面精度的刃磨，半精刃磨時選用高強度、粗粒度的金剛石砂輪，精刃磨時選用細粒度的金剛石砂輪，刀具刀尖圓弧則采用工裝自動刃磨。端銑刀經裝配、調試后，其軸向和徑向圓跳動控制在0.002mm 范圍內。4 切削試驗
　　
　　
　　
　　加工機床：BI-266型數控銑床；測量儀器：M4P表面粗糙度測量儀；工件材料：LY12鋁合金；切削方式：干切削。在相同切削用量下分別用金剛石厚膜端銑刀和PCD端銑刀銑削LY12鋁合金并對試件表面粗糙度進行測量。試驗結果見表1。圖3 所示為金剛石厚膜端銑刀的銑削過程；圖4 所示為金剛石厚膜端銑刀的外形和加工出的超精鏡面工件。銑削加工結束后，用100倍顯微鏡對金剛石厚膜端銑刀和PCD端銑刀的6個刀齒進行了檢查，發現每個刀齒經過6000 多次切削沖擊載荷(6個刀齒共承受36000 次沖擊)后，刀齒均無崩刃現象發生。試驗結果證明，采用合理刀頭幾何形狀的金剛石厚膜刀具不僅具有PCD端銑刀的優點，而且可實現大平面的超精加工。
 

圖3 金剛石厚膜端銑刀的銑削過程

　　圖4 金剛石厚膜端銑刀和加工的超精鏡面工件
　　我廠設計生產的6～32齒金剛石厚膜端銑刀已應用于發動機生產現場，實現了“以銑代磨”的高效率、高質量超精加工。
　　5 結論
　　金剛石厚膜材料的顯微組織與天然單晶金剛石類似。金剛石厚膜刀具適用于超精切削加工，可部分替代昂貴的天然單晶金剛石刀具。
　　幾何形狀及參數設計合理的金剛石厚膜端銑刀可承受切削載荷的反復沖擊，有效解決有色金屬及其合金材料的大平面、超大平面超精加工難題，銑削加工有色金屬材料大平面工件時可獲得鏡面精度的加工效果。
　　金剛石厚膜端銑刀不僅可應用于精密型加工機床，也可應用于普通銑床，可獲得較好加工效益，具有推廣應用價值。