隨著人們對復(fù)雜化鑄型需求的不斷增加，對鑄型內(nèi)細(xì)微尺寸結(jié)構(gòu)的精度要求也越來越高。傳統(tǒng)的有模鑄造已經(jīng)無法滿足人們對復(fù)雜鑄型的需要,近年來興起的數(shù)字化無模鑄造技術(shù),通過數(shù)控銑削工藝或3D打印工藝實(shí)現(xiàn)了由三維CAD模型直接驅(qū)動鑄型制造,因不需要模具而縮短了鑄造流程,實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化鑄造。

利用PCD刀具加工砂型的方式應(yīng)用*為廣泛。但是受PCD刀具的*小直徑限制,加工具有細(xì)小尺寸結(jié)構(gòu)的鑄型時(shí)無法使用PCD刀具進(jìn)行加工,所以仍需利用微徑涂層銑刀對這類工件進(jìn)行銑削加工。因此,針對微型銑刀在加工覆膜砂時(shí)的可靠性、耐用性及微型銑削技術(shù)在加工鑄型時(shí)的加工效率及加工后表面質(zhì)量及尺寸精度的研究具有十分重要的意義。

目前,利用微型銑刀加工金屬材料以及利用大直徑銑刀加工非金屬鑄型材料的研究較為廣泛。楊凱等使用 DEFORM-3D軟件建立了三維微細(xì)銑削加工模型,利用該模型動態(tài)模擬了硬質(zhì)合金微徑銑刀銑削刀片加工金屬材料時(shí)刀具的磨損形態(tài)。童利東等研究了利用0.5mm直徑的涂層硬質(zhì)合金銑刀加工金屬材料時(shí)的磨損機(jī)理及刀具耐用度與切削速度的關(guān)系。李錫文等提出了小直徑銑刀在銑金屬材料時(shí)的銑刀磨損量評價(jià)指標(biāo)。馬淋淋等研究了利用20mm直徑的高速鋼刀具銑削樹脂砂鑄型過程中刀具的磨損行為。

但是針對微型銑刀加工覆膜砂鑄型的加工工藝研究尚少。本文設(shè)計(jì)刀具磨損試驗(yàn),對加工過程中刀具磨損前后其表面元素及形貌的變化進(jìn)行了觀測與分析,給出了微型銑刀壽命的判定依據(jù)。并且在其它參數(shù)不變的條件下,建立了主軸轉(zhuǎn)速與刀具壽命之間的雙對數(shù)關(guān)系式,提出了微型銑刀磨損機(jī)理,為微型銑刀磨損規(guī)律研究提供了理論基礎(chǔ)。

2試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用山東佳合數(shù)控公司生產(chǎn)的三軸立式數(shù)控銑床,*大主軸轉(zhuǎn)速24000/min,*大進(jìn)給速度900m/min。刀具磨損的檢測設(shè)備為光學(xué)影像測量儀及掃描電鏡。根據(jù)前期試驗(yàn)可知,刀具在銑削過程中,切削速度V。對刀具使用壽命T的影響*大。在銑刀中,切削刃不過銑刀中心軸線的齒為短齒短齒在銑削過程中比長齒更易磨損。當(dāng)短齒表面的涂層完全磨損脫落后,此時(shí)已無法分辨出短齒上的切削刃后刀面及其它典型的刀具表面形貌。

因此,當(dāng)?shù)毒叨听X上的涂層完全磨損脫落時(shí),刀具達(dá)到其使用壽命(見圖1)。

由圖1可知,涂層銑刀在銑削覆膜砂過程中的刀具形貌變化趨勢可以分為三個(gè)階段。第yi階段轉(zhuǎn)角區(qū)域從鋒利的尖角狀磨損為圓弧狀。第二階段:主后刀面由于和覆膜砂材料有較大的相對速度，剝離的砂礫與后刀面上的涂層之間發(fā)生劇烈摩擦,導(dǎo)致主后刀面上的涂層大量脫落并形成劃痕。而副后刀面上的涂層則由曲邊三角形狀變?yōu)榍吿菪螤?。第三階段:短齒上的涂層已完全脫落,長齒上的涂層殘留部分則在銑削過程中處于與砂礫接觸頻率較少的位置。此時(shí)已無法分辨出短齒上的切削刃、后刀面及其它典型的刀具表面形貌。本文以此判定刀具已達(dá)到其使用壽命,此時(shí)刀具不宜再進(jìn)行銑削加工。

3試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1刀具磨損宏觀形貌

在銑削試驗(yàn)過程中,每隔一定時(shí)間利用光學(xué)影像測量儀對刀具進(jìn)行一次測量。如圖2所示,通過測量發(fā)現(xiàn),刀具的磨損首先由刀尖轉(zhuǎn)角區(qū)處開始,該區(qū)域隨著加工時(shí)長的增加由鋒利磨損至圓弧狀。在相同的時(shí)間內(nèi),隨著切削速度的增加,其轉(zhuǎn)角區(qū)的磨損量也隨之增加。轉(zhuǎn)角區(qū)磨損開始后,隨著銑削時(shí)間的增加,刀具主后刀面開始磨損。通過觀察檢測發(fā)現(xiàn),在相同時(shí)間內(nèi),銑削覆膜砂時(shí)銑刀的后刀面磨損量遠(yuǎn)大于銑削金屬時(shí)的磨損量,所以,不能以傳統(tǒng)的后刀面磨損量指標(biāo)定義刀具壽命

由于覆膜砂顆粒的硬度遠(yuǎn)大于銑刀基體和涂層的硬度,銑刀在加工時(shí)與體積較大的覆膜砂顆粒高速碰撞,因此與銑削金屬相比在銑削覆膜砂的過程中銑刀刀刃處更易出現(xiàn)崩刃破損現(xiàn)象。在刀具磨損后期,橫刃處也開始發(fā)生磨損,由鋒利狀態(tài)磨損成圓弧狀。

轉(zhuǎn)角區(qū)的磨損在整個(gè)刀具磨損過程中*先發(fā)生,這是由于在銑削過程中,該處線速度*大,相同時(shí)間內(nèi)與其它位置相比,該處與砂礫的接觸磨擦頻率*大,并且由于摩擦作用導(dǎo)致該處的涂層在銑削過程中被大量剝落。圖2b中的崩刃發(fā)生在主切削刃距刀尖50m處,該處靠近轉(zhuǎn)角區(qū)域,線速度較大,在加工過程中該處所受的銑削力是刀刃部分中*大的區(qū)域,因此該區(qū)域在銑削過程中極易發(fā)生崩刃情況。后刀面磨損區(qū)域呈上寬下窄式的分布,即在距刀尖60um處應(yīng)力*大,之后隨著距刀尖距離越遠(yuǎn),受力逐漸減小,從而導(dǎo)致后刀面的磨損量也逐漸減小。橫刃處磨損在整個(gè)刀具磨損過程的*后階段發(fā)生,這是由于在銑削過程中,該處位于刀具中心,其線速度*小。

3.2銑刀磨損微觀組織分析

利用掃描電鏡觀察銑刀在銑削覆膜砂后的微觀結(jié)構(gòu),并詳盡地分析了銑刀破損處結(jié)構(gòu)組織的元素,為了與磨損后的銑刀形貌組織進(jìn)行比較,先觀察未進(jìn)行過加工的新銑刀表面并且對表面進(jìn)行能譜分析。由圖可見,新銑刀在未進(jìn)行加工時(shí)涂層完整,刀尖處于鋒利狀態(tài),刀具表面存在較多的顆粒物。通過能譜圖可知,新刀的表面化學(xué)成分為Ti、N元素,而作為硬質(zhì)合金中的粘接相Co與硬質(zhì)相WC并未被檢測出來?？梢钥闯?在新刀中涂層基本覆蓋了整個(gè)刀具的基體。

3.3刀具壽命與切削速度的關(guān)系

試驗(yàn)所得的刀具壽命與切削速度數(shù)據(jù)見表2根據(jù)試驗(yàn)所得到的切削速度和刀具壽命的數(shù)值,求其對數(shù)值,并在雙對數(shù)坐標(biāo)圖上建立V-T的關(guān)系曲線,進(jìn)而求得切削速度與刀具壽命之間的關(guān)系式。

由于微型銑刀加工覆膜砂材料的特殊性,不能以傳統(tǒng)的后刀面磨損寬度的方式來規(guī)定刀具磨損的標(biāo)準(zhǔn)。本文定義短齒上的涂層完全磨損脫落時(shí)刀具達(dá)到其使用壽命。試驗(yàn)證明:在其它加工參數(shù)相同的情況下,刀具壽命與切削速度的對數(shù)值呈線性關(guān)系,其刀具耐用度公式為T=152.93/V035。刀具在銑削覆膜砂過程中主要以磨粒磨損為主,并且在銑削過程中由于砂礫與涂層的高速摩擦,導(dǎo)致銑刀涂層出現(xiàn)大面積的脫落并在刀尖處會附著少量非金屬雜質(zhì),這些雜質(zhì)主要來自于覆膜砂上的樹脂及覆膜砂顆粒。通過耐用度公式及研究涂層銑刀銑削覆膜砂的磨損機(jī)理,為微型銑刀磨損規(guī)律研究提供了理論基礎(chǔ)。

(1)在相同銑削加工參數(shù)下,鍛造TC4鈦合金的銑削力F均大于3D打印鈦合金的銑削力F2,且高速銑削時(shí)前者的銑削力下降沒有后者明顯;

(2)在相同加工參數(shù)下,3D打印鈦合金材料的銑削溫度均低于鈦合金鍛件;

(3)相同加工參數(shù)下,3D打印鈦合金材料加工刀具具有較長的壽命;

(4)加工這兩種鈦合金材料時(shí),應(yīng)避免切削速度在60m/mn左右,在條件允許的情況下,可以采用低主軸轉(zhuǎn)速和高進(jìn)給速度。