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          PCD刀具后刀面刃磨對切削表面質量、刀具壽命的

          發布者:admin 時間:2020-02-29 15:57:00
          聚晶金剛石(簡稱 PCD) 刀具材料不僅具有高硬度、良好的耐磨性,并且具有各向同性、導電性、可焊接性及經濟性等優點,因此在加工有色金屬及難加工非金屬材料領域中得到了廣泛的應用。
           
          PCD刀具的優良特性使其切削規律與普通刀具的切削規律有所區別 ,本文通過切削試驗對PCD刀具加工有色金屬時的切削表面質量和刀具壽命進行了研究。
           

           
           
          一、PCD刀具切削模型
           
          如圖1所示,切削過程中,在刀具和工件材料的相對運動中,切削刃ABC段與加工工件相接觸起切削作用,而對加工工件表面起直接作用的刃口為圖中的AB段。
           
          而對于PCD刀具來說,其加工的工件一般為彈塑性較大的有色金屬,所以加工工件表面被AB段刀刃擠壓后會產生彈性恢復與刀具后刀面完全接觸(其接觸面域如圖2所示),在后刀面對其施加的法向力和摩擦力的作用下發生塑性變形和彈性變形 ,最終流離刀具后刀面形成加工工件表面。
          從PCD刀具切削模型的分析可知,已加工表面是工件材料經刀刃擠壓后回彈與刀具后刀面相互作用形成的。對于普通刀具而言,由于刀具材料的硬度、耐磨性及后刀面光潔度不夠,這種相互作用增大了刀具與工件間的摩擦,最終加速刀具的磨損,大大降低了加工表面質量。
           
          而PCD刀具后刀面一般相當光滑,且PCD材料具有高的硬度及耐磨性,所以PCD刀具的后刀面對加工工件表面起著熨壓的重要作用,尤其是在切削有色金屬時,由于材質較軟,彈塑性較大,這種熨壓作用更為突出,所以PCD刀具的后刀面刃磨質量直接影響著加工工件的表面質量,提高PCD刀具后刀面刃磨質量非常有利于提高加工工件表面質量。

          二、切削試驗
           
          試驗在普通車床上進行,采用三把刃磨表面質量不同的PCD刀具進行了切削加工表面質量對比試驗及刀具磨損對比試驗!
           
          1、切削刀具分類
          驗用三把PCD刀具分別記為一號刀、二號刀、三號刀。刀具幾何參數均為γ0 = 0°、α0 = 6°、λs = 0°、κr =45°、κr’= 45°、rε= 014mm。

          圖3分別為三把PCD刀具靠近刃口處的后刀面表面形貌掃描電鏡圖。由圖可見,一號刀后刀面非常平滑,表面質量最好;二號刀后刀面存在較多磨痕;而三號刀后刀面出現了較多凹坑 ,表面質量最差。
          2、切削工件材料
          本試驗加工工件分別選用含硅量10%的薄鋁管和含硅量9%的鑄鋁棒。薄鋁管便于制備樣品以實現用掃描電鏡觀察切削加工表面的形貌,用于切削加工表面質量對比的試驗;鑄鋁棒切削過程中不用經常更換工件,方便省時,用于刀具磨損對比試驗。

          三、試驗結果及分析
           
          1、切削表面質量分析
          圖4分別為三把PCD刀具切削薄鋁管所得切削表面形貌圖,三把刀切削薄鋁管時切削用量均為v = 5315m/ min,f =011mm/ r,ap = 011mm。由于鋁管直徑較小以及受機床性能限制,所以切削速度選得比較低。
           
          由圖4可見,在一個刀具幾何復映區內,一號刀所得切削表面相當光滑,幾乎看不到劃痕;二號刀所得切削表面上劃痕較為明顯;三號刀所得切削表面的劃痕則非常明顯。

          由PCD刀具的切削模型可知,PCD刀具的后刀面對切削表面有熨壓作用,一號PCD刀具的后刀面表面質量好,光潔度高,所以加工工件表面經其熨壓后,表面也較光滑,但由于硅鋁合金中Si粒子的存在,必然導致加工工件表面出現微細劃痕,因此圖 4a 中還隱約可以看到一些劃痕。
           
          二號PCD 刀具的后刀面存在較多的磨痕,因此在后刀面對切削表面熨壓時 ,必然將后刀面形貌復映到工件表面 ,雖然工件表面與刀具后刀面的相對運動中將出現復映的錯位抵消現象使加工工件表面質量得到改善,但如圖4b所示,二號刀切削所得表面上的劃痕仍較為明顯。
           
          三號PCD刀具后刀面存在很多蜂窩眼狀的凹坑,切削時,加工工件表面材料在后刀面熨壓作用下發生彈塑性變形,由于工件材料鋁較軟,必然使其在塑性流動過程中被強行壓入后刀面的凹坑中,發生機械鑲嵌作用。這些鑲嵌材料經過不斷的擠壓后將變得很硬,并突出后刀面形成微刃劃傷被加工表面。最終這些鑲嵌材料可能會帶著部分刀具材料脫落,而這些脫落顆粒也將劃傷工件表面或嵌入在切削表面上。本切削試驗由于切削距離比較短,所以三號刀所加工出的切削表面只是出現非常明顯的劃痕,而未出現殘留物。

          2、刀具磨損分析
          圖5為三把PCD刀具切削鋁棒后刀具后刀面的磨損形貌圖。試驗中三把刀的切削距離相等,均為5800m;切削用量也相等,均為:v=34218m/ min, f=011mm,ap= 012mm。

          由圖5可見,一號PCD刀和二號PCD刀在切削5800m后幾乎沒有后刀面磨損;而三號PCD刀則出現了較大的后刀面磨損。由 PCD刀具的切削模型可知,PCD 刀具的后刀面對切削加工表面有著熨壓的作用,因物體的相互作用,切削表面必然也對 PCD刀具后刀面起到磨損的作用。

          由于PCD刀具材料的硬度和耐磨性特別好,在PCD刀具表面特性沒有遭到嚴重破壞的情況下,硅鋁合金對PCD刀具表面的這種磨損作用幾乎很小,因此一號和二號PCD刀在切削5800m后幾乎沒有出現后刀面磨損;而三號PCD刀具后刀面蜂窩狀凹坑很多,甚至出現了PCD塊的剝落,已經嚴重破壞了PCD刀具材料的結構特性。 
          結論
          (1) PCD刀具后刀面的刃磨質量對加工工件表面質量有著直接影響,后刀面表面質量越高,在被加工表面刀具幾何復映區內留下的劃痕越少,被加工表面質量越高。
           
          (2)PCD刀具材料的硬度及耐磨性極高,刀具壽命長。一般情況下刀具刃磨時在后刀面留下的磨痕對刀具壽命的影響很小,只有在刃磨時使PCD刀具后刀面表面質量嚴重受損,如出現了凹坑、PCD塊的剝落或表面熱損傷嚴重以致后刀面產生了較厚的軟化層等情況下才會使PCD刀具的壽命大大降低。
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