金屬陶瓷微細(xì)銑刀的制造及其切削性能研究.pdf

1、隨著微/納米科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展，以形狀與尺寸微小為特征的微機(jī)械已成為微觀領(lǐng)域中的一種高新裝備，其在航天、精密儀器、生物醫(yī)療等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。微細(xì)加工技術(shù)促進(jìn)了微機(jī)械技術(shù)的發(fā)展，目前微細(xì)加工技術(shù)主要有LIGA、聚焦離子束、微電火花和微細(xì)切削等加工方法。微細(xì)銑削技術(shù)屬于微細(xì)切削加工方法的一種，其具有三維加工能力強(qiáng)、加工效率高、加工成本低和應(yīng)用對象范圍廣的特點(diǎn)。目前用于制造微細(xì)銑刀的材質(zhì)主要有硬質(zhì)合金和金剛石，尚無采用陶瓷材質(zhì)制造微細(xì)銑

2、刀的研究報(bào)道。硬質(zhì)合金微銑刀硬度偏低、耐磨性偏差、尺寸精度保持性弱;PCD微銑刀可制造性能偏差;相比之下，金屬陶瓷在尺寸精度保持性和可制造性優(yōu)于前兩者，如能研制陶瓷微細(xì)銑刀，則能解決難加工微型零件的制造難題，同時(shí)填補(bǔ)其在微細(xì)刀具研究領(lǐng)域的空白。由此，本研究開展了金屬陶瓷材質(zhì)微細(xì)銑刀的設(shè)計(jì)與制造技術(shù)研究，并成功研制出直徑為φ0.5～φ1.0 mm的金屬陶瓷微細(xì)銑刀（規(guī)則刃形系列和螺旋刃形系列），并用于硬鋁微槽加工，獲得了良好的加工效果。本

3、課題開展了如下研究:
　　從宏觀和微觀兩方面開展了金屬陶瓷材料具備制作刀具，尤其是微細(xì)銑刀的可行性研究。研究了三種Ti(C7N3)基金屬陶瓷連續(xù)濕式切削加工模具鋼、不銹鋼和哈氏合金的切削性能，優(yōu)選出最佳適合作為刀具材料的Ti(C7N3)/TaC/WC金屬陶瓷，并選用該種金屬陶瓷作為制造加工微細(xì)銑刀的材質(zhì)。研究Ti(C7N3)/TaC/WC金屬陶瓷材料的微沖擊性能、裂紋擴(kuò)展和顯微硬度，結(jié)果表明:Ti(C7N3)/TaC/WC金屬陶瓷

4、材料的裂紋擴(kuò)展系數(shù)N、R分別為36、131805。通過納米壓痕法分析金屬陶瓷材料的顯微硬度，壓力為1N時(shí)，金屬陶瓷材料硬度為29 GPa，且金屬陶瓷材料的顯微硬度隨著壓痕加載力的增大而減小。
　　通過建立微細(xì)銑刀刀尖變形的數(shù)學(xué)模型，優(yōu)選微細(xì)銑刀各個(gè)部分的比值使得微細(xì)銑刀整體變形較小。基于有限元分析方法，觀察金屬陶瓷微細(xì)銑刀的不同刀尖幾何結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變。利用熱壓燒結(jié)、精密磨削和慢走絲線電火花切割技術(shù)開展了規(guī)則刃形金屬陶瓷微細(xì)銑刀制造

5、技術(shù)研究，成功制造出直徑為φ1.0 mm和φ0.5 mm，刀尖幾何結(jié)構(gòu)為三棱柱、四棱柱、五棱柱和六棱柱的微細(xì)銑刀。通過熱壓燒結(jié)、無心磨削和精密磨削技術(shù)，開展了螺旋刃形金屬陶瓷微細(xì)銑刀制造技術(shù)的研究，成功制造出直徑為φ1.0 mm、φ0.8 mm和φ0.5 mm的螺旋刃形金屬陶瓷微細(xì)銑刀，利用最小二乘法方法擬合出三種不同直徑大小的金屬陶瓷微細(xì)銑刀，對應(yīng)的切削刃圓弧半徑分別為4.125μm、4.319μm和3.89μm。
　　研究了金

6、屬陶瓷微細(xì)銑刀切削加工LY12時(shí)的切削性能。結(jié)果表明，直徑為φ1.0 mm的規(guī)則刃形金屬陶瓷微細(xì)銑刀在切削加工時(shí)，刀尖與工件存在嚴(yán)重的擠壓現(xiàn)象，工件已加工表面質(zhì)量較差;直徑為φ0.5 mm的規(guī)則刃形金屬陶瓷微細(xì)銑刀切削加工LY12時(shí)，加工效果優(yōu)于直徑為φ1.0 mm的微細(xì)銑刀，在切削參量為n=20000 r/min，ap=2μm，f=4μm/z時(shí)，工件已加工表面粗糙度為0.92μm。利用單因素試驗(yàn)法，優(yōu)化出直徑為φ1.0 mm螺旋刃形金

7、屬陶瓷微細(xì)銑刀切削加工LY12時(shí)的切削參數(shù)，最優(yōu)切削用量為n=30000 r/min，ap=100μm，f=2μm/z，在此切削用量下切削加工50 min后，金屬陶瓷微細(xì)銑刀直徑磨損量為3.13％，已加工工件表面粗糙度為440 nm。對比研究了金屬陶瓷微細(xì)銑刀和硬質(zhì)合金微細(xì)銑刀的切削性能，研究發(fā)現(xiàn)硬質(zhì)合金微細(xì)銑刀在此切削用量下，刀尖產(chǎn)生了嚴(yán)重的斷裂現(xiàn)象。研究了金屬陶瓷微細(xì)銑刀切削加工LY12的失效形式和失效機(jī)理，結(jié)果表明，直徑為φ1.0