适用于多种材料阵列微槽加工的聚晶金刚石铣槽刀制备

杨吟飞 钟 蠡 李 亮 郝秀清 何 宁

南京航空航天大学机电学院，南京，210016



适用于多种材料阵列微槽加工的聚晶金刚石铣槽刀制备

杨吟飞 钟 蠡 李 亮 郝秀清 何 宁

南京航空航天大学机电学院，南京，210016

结合金刚石飞切刀具和锯片，设计了具有特定形状、尺寸和角度参数的铣槽刀，并采用电火花线切割加工方法制造出了PCD铣槽刀；利用自制PCD铣槽刀进行微细铣削试验，制备出了加工质量良好的典型阵列微槽结构。

微细铣削；多种材料；阵列微槽；聚晶金刚石铣槽刀

0 引言

近年来，航空航天、生物医疗、微电子、光学工程等领域对多种材料加工出的微米级特征尺寸、高精度、高使役性能的微小型产品的需求日益迫切。微结构的主要特征是结构的功能性，即通过一定的单元几何形状和阵列排布形成器件的特定功能，如光学功能、摩擦、润滑、信息存储等。微结构加工质量对微小型零件使役性能产生直接影响。阵列微槽是典型的微结构之一，其加工过程具有如下特点：材料去除量大，通常要求去除约50%的工件材料；阵列微槽一致性、尺寸精度和表面质量要求高。再加上材料特性的影响，如薄铜片的弱刚性、钛合金的难加工性等，使得实现多种材料阵列微槽的高质量加工尤其困难。

微细切削技术具有适用材料范围广、材料去除率高、复杂三维结构或自由曲面加工能力强等优点[1-3]，适用于多种材料阵列微槽的微细加工。目前常用的微细端铣削技术，由于微刀具技术的局限性，不能保持锋利刃口[4]，导致阵列微槽的微细铣削过程中容易因刀具快速磨损而产生表面质量差、毛刺严重、一致性差等问题。因此，开发锋利耐磨的微刀具是实现阵列微槽高质量加工的首要问题，迫切需要制备锋利耐磨的微刀具。

1 铣槽刀的设计

金刚石飞刀切削加工技术具有加工效率高、加工表面质量好等优点，为保证阵列微槽的加工质量和加工效率，本文结合金刚石飞切刀具和锯片，设计了适用于不同材料阵列微槽加工的铣槽刀，可铣削槽宽与刀刃宽度相等的微槽。

根据铣槽刀的设计理念，刀刃形状和刃口锋利程度对微槽加工的表面质量、毛刺、一致性、尺寸精度等具有决定作用，所以选用的刀刃材料必须能制备出锋利耐磨的刃口。硬质合金刀具受刀具材料尺寸效应影响，刃口强度不足，容易磨损，难以保持锋利刃口；涂层硬质合金刀具涂层后刃口圆弧半径增大，且涂层在切削过程中易脱落，无法保持锋利；而PCD材料具有高硬度、高耐磨性、高弹性模量、极小的摩擦因数等优良性能，且其多晶结构具有高黏结相强度[5]，可制作出高硬度、高耐磨性的刃口，在切削过程中能保持刃口锋利。相对于CBN等超硬材料，PCD材料具有更经济的优势，适合制备锋利耐磨的微刀具。选用的PCD材料属性如表1所示。

表1 PCD材料属性

一般微细端铣削的可加工区域由机床行程决定，由图1所示的铣槽刀铣削模式可知，不同于一般微细端铣削，铣槽刀的可加工区域取决于刀柄长度，刀柄设计较一般微细端铣刀长，因此铣槽刀刀柄应具有高刚度。硬质合金具有高弹性模量，相较于高速钢等材料更适合制作刀柄，保证刀柄刚度。本文选用的刀柄材料为YG8硬质合金，其化学成分和材料属性如表2所示。

图1 铣削模式示意简图Fig.1 Schematic diagram of milling model

表2 YG8硬质合金化学成分和材料属性

由文献[3]可知，螺旋刃微刀具由于受到刀具材料、刀具偏摆和刀具刚度等的限制，不适合微细切削，而形状简单的刀刃结构更适用于微细切削。此外，合理的角度选择对微刀具的加工性能影响显著。为减少刀具与工件材料之间的接触，微刀具后角一般为5°～15°；由于铣削过程存在冲击，为保证切削刃强度，0°前角或者负前角的微铣刀更适合微铣削，更有利于获得良好的表面质量[6]。为避免微刀具与工件发生干涉，刀颈采用变截面设计。

针对薄铜片等弱刚性材料的阵列微槽加工，设计了刀刃宽度0.1 mm的单刃铣槽刀，如图2所示，刀刃有效长度为0.4 mm。单刃铣槽刀前刀面高于中心0.8 mm，具有偏心单刃结构，可有效避免刀具偏摆尺寸效应，保证弱刚性铜片加工的尺寸精度。为简化超硬刀刃的成形过程，前刀面设计为简单矩形结构，主副切削刃的前角和后角均为0°。

图2 单刃铣槽刀设计简图Fig.2 Design schematic of slotting tool with a single edge

针对钛合金、纯钨、硬质合金等难加工材料的阵列微槽加工，设计了刀刃宽度0.4 mm的双刃铣槽刀，如图3所示，刀刃有效长度为0.8 mm。该铣槽刀采用双刃结构以保证对称性。微刀具前刀面与中心线平行，主切削刃前角和后角分别为0°和12°，副切削刃前角和后角分别为0°和2°。该刃宽0.4 mm、刃长0.8 mm的铣槽刀可加工较深微槽，前刀面接近刃口部分的梯形设计可避免加工槽深较深时，由于振动等原因引起副切削刃在微槽侧壁产生干涉，从而影响尺寸精度。

图3 双刃铣槽刀设计简图Fig.3 Design schematic of slotting tool with two edges

2 铣槽刀制造

目前常用的微刀具制造方法有聚焦离子束溅射加工、精密磨削和电火花加工方法等。聚焦离子束溅射加工可实现锋利刃口的制备，且基本不受刀具材料限制，但材料去除率低，加工成本高；相对于磨削和聚焦离子束加工，电火花加工过程切削力极小，不会引起刀具弯曲变形，且材料去除率大，从而降低加工成本，因此电火花加工方法适用于微刀具制造。

本文铣槽刀的制造过程主要包括预成形、焊接和最终成形3个步骤，制造过程如图4所示。首先是硬质合金刀柄和PCD复合片的预成形，硬质合金棒料采用电火花线切割加工(wire cut electrical discharge machining, WEDM)方法加工出特定的形状、尺寸；PCD复合片采用WEDM切割成具有特定尺寸、形状的PCD刀片。焊接过程中，钎料的选择要求[7]如下：钎料熔化温度要适当低于母材熔点；钎料与母材之间具有良好的浸润性，可以充分填充焊接间隙；钎料具有稳定均匀的化学成分，且不随时间、温度而变化。由此选择银铜钎料作为焊接剂，其化学成分及熔点如表3所示。此外，使用氩气作为焊接保护气体，在无氧的环境中采样高频响应焊接(high-frequency response welding，HFRW)技术对硬质合金刀柄与PCD刀片进行焊接。最终成形阶段，采用WEDM将PCD刀片切割成具有特定形状、角度和尺寸的刀刃。

图4 微刀具制造过程示意图Fig.4 Schematic diagram of manufacturing process

表3 银铜钎料化学成分及熔点

图5和图6是最终制备出PCD铣槽刀的扫描电子显微镜(scanning electron microscope, SEM)图片，其中图5为刃宽0.1 mm的单刃PCD铣槽刀，图6为刃宽0.4 mm的双刃PCD铣槽刀。图6a为刃宽0.4 mm的双刃PCD铣槽刀一个刀刃的SEM图，由图可知，该刀具刃口锋利、表面质量良好，刃口有少许微崩刃。由莱卡显微镜测得刀具两种刃宽刀具的直径误差均为±0.001 mm。采用莱卡显微镜重构刃口，以测量其刃口圆弧半径，如图6b所示。由刃口重构结果可知，两种铣槽刀平均刃口圆弧半径均为(4±0.35)μm。

图5 单刃PCD铣槽刀的SEM图Fig.5 SEM picture of a single-edged slotting tool

(a)一个刀刃的SEM图(b)显微镜重构刃口形貌图6 双刃PCD铣槽刀Fig.6 A slotting tool of two edges

3 应用

分别采用图5、图6所示自制的PCD铣槽刀进行紫铜、钛合金微细铣削试验，在厚度为0.1 mm的紫铜上成功制备了总体尺寸10 mm×10 mm、微槽和微肋宽度均为100 μm的阵列光栅，如图7所示。在厚度1 mm的钛合金工件上制备了总体尺寸20 mm×20 mm、深度600 μm、微槽宽度和间距均为400 μm的阵列微槽，如图8所示。紫铜光栅平均微槽宽度为101.25 μm，微肋宽度为99.07 μm，毛刺高度为4.23 μm，由此可知，该光栅尺寸精度良好、一致性较好、侧边毛刺较少；钛合金微槽底平均表面粗糙度为0.382 μm，毛刺高度为4.961 μm，由此可知，钛合金微槽底表面质量良好、侧边毛刺较小。

图7 紫铜阵列光栅Fig.7 Arrayed grating of copper

图8 钛合金阵列微槽Fig.8 Micro arrayed slots of titanium alloy

4 结论

(1)针对阵列微槽结构的难加工问题，结合金刚石飞切刀具和锯片，设计了适用于多种材料阵列微槽加工的铣槽刀。根据不同材料的微细切削实际情况，选定了刀具几何结构参数以及刀具材料。

(2)PCD铣槽刀的制造过程主要包含硬质合金刀柄和PCD刀刃预成形、硬质合金刀柄和PCD刀刃的高频响应焊接以及PCD刀刃最终成形3个阶段。加工出刃宽0.1 mm的单刃和刃宽0.4 mm的双刃PCD铣槽刀，刃口圆弧半径均为(4±0.35)μm，具有良好的几何位置精度和表面质量。

(3)采用自制PCD铣槽刀进行了微细铣削试验，制备出平均微槽、微肋宽度分别为101.25 μm和99.07 μm，平均毛刺高度为4.23 μm的紫铜阵列光栅；微槽宽度和间距均为400 μm、槽底平均表面粗糙度为0.382 μm、毛刺高度为4.961 μm的钛合金阵列微槽。

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(编辑 王旻玥)

Fabrication of PCD Slotting Tools Applied to Machine Micro Slot Arrays of Multiple Materials

YANG Yinfei ZHONG Li LI Liang HAO Xiuqing HE Ning

College of Mechanical and Electrical Engineering,Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing,210016

Firstly, slotting tools characterized by specific geometry, sizes and angles were designed from the combination of flying cutting tools and sawing blades. Secondly, the ultra-hard PCD slotting tools were manufactured by wire cut electrical discharge machining. At last, micro slot milling experiments were performed, and typical micro slot arrays were machined by employing the self-fabricated PCD slotting tools.

micro milling; multiple material; micro slot array; polycrystalline diamond(PCD) slotting tool

2016-07-08

国家自然科学基金资助项目(51575268，51405226)

TG5；TH16

10.3969/j.issn.1004-132X.2017.11.002

杨吟飞，男，1982年生。南京航空航天大学机电学院副教授、博士。主要研究方向为先进切削加工技术。钟 蠡，女，1992年生。南京航空航天大学机电学院硕士研究生。李 亮(通信作者)，男，1973年生。南京航空航天大学机电学院教授、博士研究生导师。E-mail：liliang@nuaa.edu.cn。郝秀清，女，1983年生。南京航空航天大学机电学院副研究员、博士。何 宁，男，1959年生。南京航空航天大学机电学院教授、博士研究生导师。