铣削覆膜砂用微型硬质合金铣刀磨损规律的研究

随着人们对复杂化铸型需求的不断增加，对铸型内细微尺寸结构的精度要求也越来越高。传统的有模铸造已经无法满足人们对复杂铸型的需要,近年来兴起的数字化无模铸造技术,通过数控铣削工艺或3D打印工艺实现了由三维CAD模型直接驱动铸型制造,因不需要模具而缩短了铸造流程,实现了数字化铸造。

受利用PCD刀具加工砂型的方式应用*为广。但是受PCD刀具的*小直径限制,加工具有细小尺寸结构的铸型时无法使用PCD刀具进行加工,所以仍需利用微径涂层铣刀对这类工件进行铣削加工。因此,针对微型铣刀在加工覆膜砂时的可靠性、耐用性及微型铣削技术在加工铸型时的加工效率及加工后表面质量及尺寸精度的研究具有十分重要的意义。

目前,利用微型铣刀片加工金属材料以及利用大直径铣刀加工非金属铸型材料的研究较为广泛。杨凯等3使用 DEFORM-3D软件建立了三维微细铣削加工模型,利用该模型动态模拟了硬质合金微径铣刀铣削加工金属材料时刀具的磨损形态。童利东等研究了利用0.5mm直径的涂层硬质合金铣刀加工金属材料时的磨损机理及刀具耐用度与切削速度的关系。李锡文等3提出了小直径铣刀在铣削刀片金属材料时的铣刀磨损量评价指标。马淋淋等(6研究了利用20mm直径的高速钢刀具铣削树脂砂铸型过程中刀具的磨损行为。

但是针对微型铣刀加工覆膜砂铸型的加工工艺研究尚少。本文设计刀具磨损试验,对加工过程中刀具磨损前后其表面元素及形貌的变化进行了观测与分析,给出了微型铣刀寿命的判定依据。并且在其它参数不变的条件下,建立了主轴转速与刀具寿命之间的双对数关系式,提出了微型铣刀磨损机理,为微型铣刀磨损规律研究提供了理论基础。

2、试验方法

试验采用三轴立式数控铣床,*大主轴转速24000/min,*大进给速度900 mm/min。刀具磨损的检测设备为光学影像测量仪及扫描电镜。根据前期试验可知，刀具在铣削过程中,切削速度V对刀具使用寿命T的影响*大。在铣刀中,切削刃不过铣刀中心轴线的齿为短齿,短齿在铣削过程中比长齿更易磨损。当短齿表面的涂层完全磨损脱落后,此时已无法分辨出短齿上的切削刃、后刀面及其它典型的刀具表面形貌。

因此,当刀具短齿上的涂层完全磨损脱落时,刀具达到其使用寿命可知,涂层铣刀在铣削覆膜砂过程中的刀具形貌变化趋势可以分为三个阶段。第yi阶段转角区域从锋利的尖角状磨损为圆弧状。第二阶段:主后刀面由于和覆膜砂材料有较大的相对速度，剥离的砂砾与后刀面上的涂层之间发生剧烈摩擦,导致主后刀面上的涂层大量脱落并形成划痕。而副后刀面上的涂层则由曲边三角形状变为曲边梯形状。第三阶段:短齿上的涂层已完全脱落,长齿上的涂层残留部分则在铣削过程中处于与砂砾接触频率较少的位置。此时已无法分辨出短齿上的切削刃、后刀面及其它典型的刀具表面形貌。本文以此判定刀具已达到其使用寿命,此时刀具不宜再进行铣削加工。

为了定量地探究刀具在铣削过程中的具体形貌变化以及切削速度与刀具使用寿命的数值关系,本文设计了7组单因素刀具磨损试验。采用不同的主轴转速铣削覆膜砂平面,每加工25(覆膜砂移除量达到1100mm3)后进行一次刀具形貌的拍照与测量。为了保证试验数据的可靠性,每组转速的刀具均做3次,*后得到磨损时间的平均值作为*终的刀具寿命时间。本次试验中只考虑切削速度对刀具寿命的影响。

为了解在*大进给速度下刀具的磨损情况,试验选取了机床的*大进给速度。根据前期的试验发现,m微型铣刀在*大进给速度下铣削覆膜砂材料时,为确保刀具不断裂,*大轴向铣削深度应不大于1mm;为保证加工表面质量,铣削覆膜砂的铣削宽度不应大于0.3mm。试验使用70目的覆膜砂粒,加热保温至150℃、保温3h,由此工艺制作出的砂型抗拉强度在2MPa左右。

3试验结果分析

3.1刀具磨损宏观形貌

在铣削试验过程中,每隔一定时间利用光学影像测量仪对刀具进行一次测量。如图2所示,通过测量发现,刀具的磨损首先由刀尖转角区处开始,该区域随着加工时长的增加由锋利磨损至圆弧状。在相同的时间内,随着切削速度的增加,其转角区的磨损量也随之增加。转角区磨损开始后,随着铣削时间的增加,刀具主后刀面开始磨损。通过观察检测发现,在相同时间内,铣削覆膜砂时铣刀的后刀面磨损量远大于铣削金属时的磨损量,所以,不能以传统的后刀面磨损量指标定义刀具寿命由于覆膜砂颗粒的硬度远大于铣刀基体和涂层的硬度,铣刀在加工时与体积较大的覆膜砂颗粒高速碰撞,因此与铣削金属相比在铣削覆膜砂的过程中铣刀刀刃处更易出现崩刃破损现象。在刀具磨损后期,横刃处也开始发生磨损,由锋利状态磨损成圆弧状。

图2刀具磨损形貌

图2a中转角区的磨损在整个刀具磨损过程中*先发生,这是由于在铣削过程中,该处线速度*大,相同时间内与其它位置相比,该处与砂砾的接触磨擦频率*大,并且由于摩擦作用导致该处的涂层在铣削过程中被大量剥落。图2b中的崩刃发生在主切削刃距刀尖50μm处,该处靠近转角区域,线速度较大,在加工过程中该处所受的铣削力是刀刃部分中*大的区域,因此该区域在铣削过程中极易发生崩刃情况。图2c中后刀面磨损区域呈上宽下窄式的分布,即在距刀尖60wm处应力*大,之后随着距刀尖距离越远,受力逐渐减小,从而导致后刀面的磨损量也逐渐减小。图2d中的横刃处磨损在整个刀具磨损过程的*后阶段发生,这是由于在铣削过程中,该处位于刀具中心,其线速度*小。

3.2 铣刀磨损微观组织分析

利用扫描电镜观察铣刀在铣削覆膜砂后的微观结构,并详尽地分析了铣刀破损处结构组织的元素。为了与磨损后的铣刀形貌组织进行比较,先观察未进行过加工的新铣刀表面并且对表面进行能谱分析。新铣刀在未进行加工时涂层完整,刀尖处于锋利状态,刀具表面存在较多的颗粒物。通过能谱图可知,新刀的表面化学成分为Ti、N元素,而作为硬质合金中的粘接相Co与硬质相WC并未被检测出来。可以看出,在新刀中涂层基本覆盖了整个刀具的基体。

在铣削刀片过程中发现刀尖处出现了部分形状不规则且附着在刀具表面的杂质。通过对杂质进行能谱分析,发现其中含有大量的非金属元素C、0、Si、S等,不存在Ti、W、Co等金属元素。铣刀在铣削覆膜砂过程中,始终存在着磨粒磨损。由于覆膜砂颗粒的硬度远大于铣刀涂层及基体的硬度,铣刀在加工过程中,铣刀表面与大量从砂型中脱落下的覆膜砂颗粒相互高速碰撞和摩擦,导致铣刀涂层的脱落消失,并且在铣刀基体及未脱落的涂层上都出现了大量的划痕。图5为在铣刀加工过程中铣刀表面磨损的微观形貌。

铣刀表面磨损的微观形貌

后刀面形成明显的划痕,这是由于覆膜砂材料的主要成分为硬度较高的SiO2,铣刀在铣削覆膜砂材料时类似于砂轮的磨削作用,刀具和砂型不断接触且发生摩擦,使得刀具表面温度有所上升,硬度有所降低,高速旋转的后刀面与硬度远大于硬质合金的砂砾不断划擦。所以,在刀具铣削覆膜砂材料时,刀具的主要磨损机理为磨粒磨损。

3.3 刀具寿命与切削速度的关系

试验所得的刀具寿命与切削速度。根据试验所得到的切削速度和刀具寿命的数值,求其对数值,并在双对数坐标图上建立v-的关系曲线,进而求得切削速度与刀具寿命之间的关系式。

4结语

由于微型铣刀加工覆膜砂材料的特殊性,不能以传统的后刀面磨损宽度的方式来规定刀具磨损的标准。本文定义短齿上的涂层完全磨损脱落时刀具达到其使用寿命。试验证明:在其它加工参数相同的情况下,刀具寿命与切削速度的对数值呈线性关系。

刀具在铣削覆膜砂过程中主要以磨粒磨损为主,并且在铣削过程中由于砂砾与涂层的高速摩擦,导致铣刀涂层出现大面积的脱落并在刀尖处会附着少量非金属杂质,这些杂质主要来自于覆膜砂上的树脂及覆膜砂颗粒。通过耐用度公式及研究涂层铣刀铣削覆膜砂的磨损机理,为微型铣刀磨损规律硏究提供了理论基础。