適用于多種材料陣列微槽加工的聚晶金剛石銑槽刀制備

楊吟飛 鐘 蠡 李 亮 郝秀清 何 寧

南京航空航天大學機電學院，南京，210016

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適用于多種材料陣列微槽加工的聚晶金剛石銑槽刀制備

楊吟飛 鐘 蠡 李 亮 郝秀清 何 寧

南京航空航天大學機電學院，南京，210016

結合金剛石飛切刀具和鋸片，設計了具有特定形狀、尺寸和角度參數的銑槽刀，并采用電火花線切割加工方法制造出了PCD銑槽刀；利用自制PCD銑槽刀進行微細銑削試驗，制備出了加工質量良好的典型陣列微槽結構。

微細銑削；多種材料；陣列微槽；聚晶金剛石銑槽刀

0 引言

近年來，航空航天、生物醫療、微電子、光學工程等領域對多種材料加工出的微米級特征尺寸、高精度、高使役性能的微小型產品的需求日益迫切。微結構的主要特征是結構的功能性，即通過一定的單元幾何形狀和陣列排布形成器件的特定功能，如光學功能、摩擦、潤滑、信息存儲等。微結構加工質量對微小型零件使役性能產生直接影響。陣列微槽是典型的微結構之一，其加工過程具有如下特點：材料去除量大，通常要求去除約50%的工件材料；陣列微槽一致性、尺寸精度和表面質量要求高。再加上材料特性的影響，如薄銅片的弱剛性、鈦合金的難加工性等，使得實現多種材料陣列微槽的高質量加工尤其困難。

微細切削技術具有適用材料范圍廣、材料去除率高、復雜三維結構或自由曲面加工能力強等優點[1-3]，適用于多種材料陣列微槽的微細加工。目前常用的微細端銑削技術，由于微刀具技術的局限性，不能保持鋒利刃口[4]，導致陣列微槽的微細銑削過程中容易因刀具快速磨損而產生表面質量差、毛刺嚴重、一致性差等問題。因此，開發鋒利耐磨的微刀具是實現陣列微槽高質量加工的首要問題，迫切需要制備鋒利耐磨的微刀具。

1 銑槽刀的設計

金剛石飛刀切削加工技術具有加工效率高、加工表面質量好等優點，為保證陣列微槽的加工質量和加工效率，本文結合金剛石飛切刀具和鋸片，設計了適用于不同材料陣列微槽加工的銑槽刀，可銑削槽寬與刀刃寬度相等的微槽。

根據銑槽刀的設計理念，刀刃形狀和刃口鋒利程度對微槽加工的表面質量、毛刺、一致性、尺寸精度等具有決定作用，所以選用的刀刃材料必須能制備出鋒利耐磨的刃口。硬質合金刀具受刀具材料尺寸效應影響，刃口強度不足，容易磨損，難以保持鋒利刃口；涂層硬質合金刀具涂層后刃口圓弧半徑增大，且涂層在切削過程中易脫落，無法保持鋒利；而PCD材料具有高硬度、高耐磨性、高彈性模量、極小的摩擦因數等優良性能，且其多晶結構具有高黏結相強度[5]，可制作出高硬度、高耐磨性的刃口，在切削過程中能保持刃口鋒利。相對于CBN等超硬材料，PCD材料具有更經濟的優勢，適合制備鋒利耐磨的微刀具。選用的PCD材料屬性如表1所示。

表1 PCD材料屬性

一般微細端銑削的可加工區域由機床行程決定，由圖1所示的銑槽刀銑削模式可知，不同于一般微細端銑削，銑槽刀的可加工區域取決于刀柄長度，刀柄設計較一般微細端銑刀長，因此銑槽刀刀柄應具有高剛度。硬質合金具有高彈性模量，相較于高速鋼等材料更適合制作刀柄，保證刀柄剛度。本文選用的刀柄材料為YG8硬質合金，其化學成分和材料屬性如表2所示。

圖1 銑削模式示意簡圖Fig.1 Schematic diagram of milling model

表2 YG8硬質合金化學成分和材料屬性

由文獻[3]可知，螺旋刃微刀具由于受到刀具材料、刀具偏擺和刀具剛度等的限制，不適合微細切削，而形狀簡單的刀刃結構更適用于微細切削。此外，合理的角度選擇對微刀具的加工性能影響顯著。為減少刀具與工件材料之間的接觸，微刀具后角一般為5°～15°；由于銑削過程存在沖擊，為保證切削刃強度，0°前角或者負前角的微銑刀更適合微銑削，更有利于獲得良好的表面質量[6]。為避免微刀具與工件發生干涉，刀頸采用變截面設計。

針對薄銅片等弱剛性材料的陣列微槽加工，設計了刀刃寬度0.1 mm的單刃銑槽刀，如圖2所示，刀刃有效長度為0.4 mm。單刃銑槽刀前刀面高于中心0.8 mm，具有偏心單刃結構，可有效避免刀具偏擺尺寸效應，保證弱剛性銅片加工的尺寸精度。為簡化超硬刀刃的成形過程，前刀面設計為簡單矩形結構，主副切削刃的前角和后角均為0°。

圖2 單刃銑槽刀設計簡圖Fig.2 Design schematic of slotting tool with a single edge

針對鈦合金、純鎢、硬質合金等難加工材料的陣列微槽加工，設計了刀刃寬度0.4 mm的雙刃銑槽刀，如圖3所示，刀刃有效長度為0.8 mm。該銑槽刀采用雙刃結構以保證對稱性。微刀具前刀面與中心線平行，主切削刃前角和后角分別為0°和12°，副切削刃前角和后角分別為0°和2°。該刃寬0.4 mm、刃長0.8 mm的銑槽刀可加工較深微槽，前刀面接近刃口部分的梯形設計可避免加工槽深較深時，由于振動等原因引起副切削刃在微槽側壁產生干涉，從而影響尺寸精度。

圖3 雙刃銑槽刀設計簡圖Fig.3 Design schematic of slotting tool with two edges

2 銑槽刀制造

目前常用的微刀具制造方法有聚焦離子束濺射加工、精密磨削和電火花加工方法等。聚焦離子束濺射加工可實現鋒利刃口的制備，且基本不受刀具材料限制，但材料去除率低，加工成本高；相對于磨削和聚焦離子束加工，電火花加工過程切削力極小，不會引起刀具彎曲變形，且材料去除率大，從而降低加工成本，因此電火花加工方法適用于微刀具制造。

本文銑槽刀的制造過程主要包括預成形、焊接和最終成形3個步驟，制造過程如圖4所示。首先是硬質合金刀柄和PCD復合片的預成形，硬質合金棒料采用電火花線切割加工(wire cut electrical discharge machining, WEDM)方法加工出特定的形狀、尺寸；PCD復合片采用WEDM切割成具有特定尺寸、形狀的PCD刀片。焊接過程中，釬料的選擇要求[7]如下：釬料熔化溫度要適當低于母材熔點；釬料與母材之間具有良好的浸潤性，可以充分填充焊接間隙；釬料具有穩定均勻的化學成分，且不隨時間、溫度而變化。由此選擇銀銅釬料作為焊接劑，其化學成分及熔點如表3所示。此外，使用氬氣作為焊接保護氣體，在無氧的環境中采樣高頻響應焊接(high-frequency response welding，HFRW)技術對硬質合金刀柄與PCD刀片進行焊接。最終成形階段，采用WEDM將PCD刀片切割成具有特定形狀、角度和尺寸的刀刃。

圖4 微刀具制造過程示意圖Fig.4 Schematic diagram of manufacturing process

表3 銀銅釬料化學成分及熔點

圖5和圖6是最終制備出PCD銑槽刀的掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope, SEM)圖片，其中圖5為刃寬0.1 mm的單刃PCD銑槽刀，圖6為刃寬0.4 mm的雙刃PCD銑槽刀。圖6a為刃寬0.4 mm的雙刃PCD銑槽刀一個刀刃的SEM圖，由圖可知，該刀具刃口鋒利、表面質量良好，刃口有少許微崩刃。由萊卡顯微鏡測得刀具兩種刃寬刀具的直徑誤差均為±0.001 mm。采用萊卡顯微鏡重構刃口，以測量其刃口圓弧半徑，如圖6b所示。由刃口重構結果可知，兩種銑槽刀平均刃口圓弧半徑均為(4±0.35)μm。

圖5 單刃PCD銑槽刀的SEM圖Fig.5 SEM picture of a single-edged slotting tool

(a)一個刀刃的SEM圖(b)顯微鏡重構刃口形貌圖6 雙刃PCD銑槽刀Fig.6 A slotting tool of two edges

3 應用

分別采用圖5、圖6所示自制的PCD銑槽刀進行紫銅、鈦合金微細銑削試驗，在厚度為0.1 mm的紫銅上成功制備了總體尺寸10 mm×10 mm、微槽和微肋寬度均為100 μm的陣列光柵，如圖7所示。在厚度1 mm的鈦合金工件上制備了總體尺寸20 mm×20 mm、深度600 μm、微槽寬度和間距均為400 μm的陣列微槽，如圖8所示。紫銅光柵平均微槽寬度為101.25 μm，微肋寬度為99.07 μm，毛刺高度為4.23 μm，由此可知，該光柵尺寸精度良好、一致性較好、側邊毛刺較少；鈦合金微槽底平均表面粗糙度為0.382 μm，毛刺高度為4.961 μm，由此可知，鈦合金微槽底表面質量良好、側邊毛刺較小。

圖7 紫銅陣列光柵Fig.7 Arrayed grating of copper

圖8 鈦合金陣列微槽Fig.8 Micro arrayed slots of titanium alloy

4 結論

(1)針對陣列微槽結構的難加工問題，結合金剛石飛切刀具和鋸片，設計了適用于多種材料陣列微槽加工的銑槽刀。根據不同材料的微細切削實際情況，選定了刀具幾何結構參數以及刀具材料。

(2)PCD銑槽刀的制造過程主要包含硬質合金刀柄和PCD刀刃預成形、硬質合金刀柄和PCD刀刃的高頻響應焊接以及PCD刀刃最終成形3個階段。加工出刃寬0.1 mm的單刃和刃寬0.4 mm的雙刃PCD銑槽刀，刃口圓弧半徑均為(4±0.35)μm，具有良好的幾何位置精度和表面質量。

(3)采用自制PCD銑槽刀進行了微細銑削試驗，制備出平均微槽、微肋寬度分別為101.25 μm和99.07 μm，平均毛刺高度為4.23 μm的紫銅陣列光柵；微槽寬度和間距均為400 μm、槽底平均表面粗糙度為0.382 μm、毛刺高度為4.961 μm的鈦合金陣列微槽。

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(編輯 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

國家自然科學基金資助項目(51575268，51405226)

TG5；TH16

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

楊吟飛，男，1982年生。南京航空航天大學機電學院副教授、博士。主要研究方向為先進切削加工技術。鐘 蠡，女，1992年生。南京航空航天大學機電學院碩士研究生。李 亮(通信作者)，男，1973年生。南京航空航天大學機電學院教授、博士研究生導師。E-mail：liliang@nuaa.edu.cn。郝秀清，女，1983年生。南京航空航天大學機電學院副研究員、博士。何 寧，男，1959年生。南京航空航天大學機電學院教授、博士研究生導師。