聚晶立方氮化硼刀具刃口放電加工工藝研究*

賈云海,李建鋼,朱立新,宋英杰

(1.北京市電加工研究所,北京 100191;2.北京迪蒙特佳工模具技術有限公司,北京 100191)

近年來,刀具材料有了長足的進步,如聚晶立方氮化硼(PCBN)的使用,實現了硬度在58～62 HRC的工件精密硬態車削加工[1]。許多硬度超過45 HRC的工件通過硬態車削,在工件表面質量、尺寸和形位公差等方面均達到了類似于磨削加工的效果。硬態車削加工優于磨削加工的原因在于其加工的靈活性及對于復雜幾何尺寸工件加工的便利性[2]。在硬態干式車削加工過程中,工件在高硬度狀態下實現了精密尺寸的加工,因此,可節約加工時間,提高加工效率和表面質量,同時簡化了加工工藝,降低了廢品率[2]。PCBN材料由于具有很高的硬度、較高的耐磨性和熱穩定性,使其成為硬態車削加工常用的刀具材料[1]。

由于電火花加工屬于非接觸式加工,具有工具電極成形簡單、相對損耗小等優勢,可有效應用于尖細刃口和復雜形狀刃口的PCBN刀具加工,因此成為PCBN刀具的一種主要加工方法。電火花加工是基于脈沖放電蝕除原理的自激放電加工過程,放電蝕除的物理過程是電磁學、熱力學、流體動力學等綜合作用的過程[3]。在電火花加工過程中,極間形成脈沖性火花放電,在電火花通道中產生瞬時高溫,使工件表面形成變質層。表面變質層的存在,在一定程度上影響了刀具使用壽命,成為除幾何尺寸外的第二大影響刀具壽命的重要因素。而這一變質層的厚度、物理機械性能與工件材料和電加工工藝參數有直接的關系。因此,研究電加工工藝參數與工件表面變質層的關系成為深入研究放電機理、完善工藝條件、提高脈沖放電質量的先決條件。

國內外專家、學者在PCBN刀具和放電加工工藝方面進行了許多研究,取得了一定的研究成果。文獻[4]對放電加工的表面變質層做了微結構研究和金相分析。Ghanem[5]指出,變質層的硬度是鋼基體硬度的兩倍以上。文獻[6]對表面變質層的成因做了分析,認為表面變質層可能有以下幾個來源:工件表面的熔融材料;電極氣化和熔融飛濺物形成的遷移熔融材料;工作液體的熱分解物及加工過程中的氧化物等。文獻[7]選用X200Cr15和50CrV4作為工件材料,研究了電火花加工工藝參數對工件表面質量的影響,研究結果表明:增加放電加工能量,工件表面粗糙度值增加,變質層厚度也隨之增加。文獻[8]研究了鋼件放電加工后的表面質量。Chiang[9]指出,影響材料去除率的兩個關鍵因素是放電加工電流和占空因數,放電加工電流和瞬時脈沖對電極損耗率和工件表面粗糙度的值均具有重要的影響。

本文從PCBN刀具刃口放電加工試驗入手,采用X射線衍射分析儀和電子掃描電鏡,分析研究了放電加工的放電參數與PCBN刀具刃口變質層物相、微觀結構的關系,得出了通過調整放電加工參數可達到減小變質層厚度、提高刀具刃口表面質量的結論。

1 試驗設備及方法

試驗樣品選用了粒度為5μm的聚晶立方氮化硼復合片(BZN 9100)。加工設備選用了精密數控電火花超硬刀具磨床(BDM-903)。試驗分析儀器選用了SB001型X射線衍射儀和S-4800型掃描電子顯微鏡。

將PCBN復合片用線切割機床切割出4片4mm×4mm的菱形樣片,對切割面采取機械磨削方式加工,消除線切割加工的影響。然后用超聲波和丙酮溶液清洗、晾干,制成刀具試樣。用精密數控電火花超硬刀具磨床分別對其中3個PCBN刀具樣品表面進行電火花粗加工、半精加工、精加工,加工完成后再次清洗、晾干。用X射線衍射儀分別對4個PCBN刀具樣品刃口表面進行X射線衍射分析,確定加工前后刀具樣品所含物相。X射線測試以Cu靶Ka輻射線作為入射束,工作電壓為60 kV,工作電流為200 mA,采用連續掃描測量模式,掃描角度2θ范圍為20°～99°,波長1.5406A 。最后,用掃描電子顯微鏡對4個PCBN刀具樣品刃口表面進行表層形貌觀察和能譜分析。試驗過程見圖1。

圖1 試驗過程

2 X射線衍射分析

利用X射線衍射分析儀對4件不同方式加工的PCBN刀具進行了物相分析,結果見圖2。從圖中可看出,未加工的 PCBN刀具中主要物相有 BN、Ti2C 、B2Ti、W3N4、Co 等;而電火花粗加工 、半精加工 、精加工后的PCBN刀具中主要物相除了這些以外,還出現了WC、WN和TiO,表明PCBN刀具刃口表面出現一層含有WC、WN和TiO的變質層。

圖2 4種不同方式加工的PCBN刀具刃口表面X射線衍射分析圖

3 掃描電鏡分析

為進一步分析加工后PCBN刀具刃口變質層的情況,對放電加工后PCBN刀具的刃口表面進行掃描電鏡(SEM)觀察,結果見圖3。

圖3 PCBN刀具刃口表面掃描電鏡分析

可明顯看出,經過放電加工后的PCBN刀具刃口表面均出現一層白色的變質層電火花粗加工后的變質層厚度約為60～78μm,半精加工后的變質層厚度約為28～39.5μm,精加工后的變質層厚度約為10 ～ 17.5μm 。

為了進一步證實X射線衍射分析結果,對試樣作了能譜分析,結果見圖4。對比圖4中的譜線分布,可清晰地發現,電火花加工后氧元素的出現及鎢、鈦、碳、氮元素的能譜變化,同時也發現電火花加工后銅元素的出現,這應該與使用了銅電極加工有關。通過電火花放電加工前后試樣的能譜分析,也證實了電火花放電加工后,變質層中含有WC、WN和TiO等物質。

圖4 PCBN刀具刃口表面能譜分析

4 刀具刃口質量與放電加工參數的關系

試驗得到的PCBN樣刀,其電火花加工脈寬與PCBN刀具刃口表面變質層厚度的關系曲線見圖5。從圖中可清楚地看到,隨著電火花加工脈寬的增加,PCBN刀具刃口表面變質層的厚度呈非線性增加。脈寬在15μs以下時,變質層的厚度增加較平緩;脈寬在40μs以上時,變質層厚度迅速增加。同時還可看出,隨著電火花加工脈寬的增加,PCBN刀具刃口表面粗糙度值呈非線性增加。脈寬在15μs以下時,刀具刃口表面粗糙度值可保持在Ra≤1.6μm;脈寬在40μs以上時,刀具刃口表面粗糙度值迅速增加,即刀具刃口的表面質量迅速惡化。

試驗采用的電火花加工電流與PCBN刀具刃口表面變質層厚度的關系曲線見圖6。從圖中可清楚地看到,隨著加工電流的增加,PCBN刀具刃口表面變質層的厚度呈非線性增加。加工電流在10 A以下時,變質層的厚度增加較平緩;加工電流在10～20 A時,變質層厚度迅速增加;加工電流在20 A以上時,變質層厚度增加減慢,但此時的變質層厚度已在0.05mm以上了。同時還可看到,隨著加工電流的增加,PCBN刀具刃口表面粗糙度值呈非線性增加。加工電流在20 A以下時,刀具刃口表面粗糙度值可保持在 Ra≤2.5μm;加工電流在20 A以上時,刀具刃口表面粗糙度值迅速增加。

5 結論

通過分析,可得到以下結論:

(1)PCBN刀具刃口經電火花加工后,不可避免地出現變質層。變質層中含有WC、WN和TiO等物質,這些物質的出現主要是由于加工過程中的高溫高熱量作用,出現了元素間的置換和氧化。

(2)通過改變電火花加工主要工藝參數,可實現PCBN刀具刃口表面變質層的減少和表面質量的提高。一般通過減小加工電流、降低脈寬、減小加工量,可實現PCBN刀具刃口表面變質層厚度的減小。

(3)電火花加工主要工藝參數與PCBN刀具刃口表面變質層的厚度、表面粗糙度不是線性關系,不能采用一次方程描述,應通過大量試驗建立經驗公式。

(4)電火花加工PCBN刀具時,可通過調整工藝參數和工藝流程,實現刀具的精密加工,一般采用粗加工、半精加工、精加工3道工序,可加工出表面變質層薄、表面粗糙度值低的刀具。

[1]Mills B.Recent developments in cutting tool materials[J].Journal of Materials Processing Technology,1996,56(1-4):16-23.

[2]Cook M W,Bossom P K.Trends and recent developments in the material manufacture and cutting tool application of polycrystalline diamond and polycrystalline cubic boron nitride[J].International Journal of Refractory Metals and Hard Materials,2000,18(2-3):147-152.

[3]Kechagias J,Iakovakis V,Katsanos M,et al.EDM electrode manufacture using rapid tooling:a review[J].Journal of Materials Science,2008,43(8):2522-2535.

[4]Stevens L,Kruth J P,Van Humbeeck J.Microstructural investigation and metallographic analysis of white layer of a surface machined by electro discharge machining[C]//Proceedings of the ISEM XI.Lausanne,1995:849-862.

[5]Ghanem F,Braham C,Sidhom H.Influence of steel type on electrical diacharge machined surface integrity[J].Journal of Materials Processing Technology,2003,142(1):163-173.

[6]Cusanelli G,Hessler-Wyser A,Bobard F,et al.Microstructure at submicron scale of the white layer produced by EDM technique[J].Journal of Materials Processing Technology,2004,149(1-3):289-295.

[7]Boujelbene M,Bayraktar E,Tebni W,et al.Influence of machining parameters on the surface integrity in electrical discharge machining[J].Archives of Materials Science and Engineering,2009,37(2):110-116.

[8]BleysP,Kruth J P,Lauwers B,et al.Surface and sub-surface quality of steel after EDM[J].Advanced Engineering Materials,2006,8(1-2):15-25.

[9]Chiang K T.Modeling and analysis of the effects of machining parameters on the performance characteristics in the EDM process of Al2O3+TiC mixed ceramic[J].The International Journal of Advanced Manufacturing Technology,2008,37(5-6):523-533.