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PCD刀具后刀面刃磨对切削表面质量、刀具寿命的

发布者:admin 时间:2020-02-29 15:57:00
聚晶金刚石(简称 PCD) 刀具材料不仅具有高硬度、良好的耐磨性,并且具有各向同性、导电性、可焊接性及经济性等优点,因此在加工有色金属及难加工非金属材料领域中得到了广泛的应用。
 
PCD刀具的优良特性使其切削规律与普通刀具的切削规律有所区别 ,本文通过切削试验对PCD刀具加工有色金属时的切削表面质量和刀具寿命进行了研究。
 

 
 
一、PCD刀具切削模型
 
如图1所示,切削过程中,在刀具和工件材料的相对运动中,切削刃ABC段与加工工件相接触起切削作用,而对加工工件表面起直接作用的刃口为图中的AB段。
 
而对于PCD刀具来说,其加工的工件一般为弹塑性较大的有色金属,所以加工工件表面被AB段刀刃挤压后会产生弹性恢复与刀具后刀面完全接触(其接触面域如图2所示),在后刀面对其施加的法向力和摩擦力的作用下发生塑性变形和弹性变形 ,最终流离刀具后刀面形成加工工件表面。
从PCD刀具切削模型的分析可知,已加工表面是工件材料经刀刃挤压后回弹与刀具后刀面相互作用形成的。对于普通刀具而言,由于刀具材料的硬度、耐磨性及后刀面光洁度不够,这种相互作用增大了刀具与工件间的摩擦,最终加速刀具的磨损,大大降低了加工表面质量。
 
而PCD刀具后刀面一般相当光滑,且PCD材料具有高的硬度及耐磨性,所以PCD刀具的后刀面对加工工件表面起着熨压的重要作用,尤其是在切削有色金属时,由于材质较软,弹塑性较大,这种熨压作用更为突出,所以PCD刀具的后刀面刃磨质量直接影响着加工工件的表面质量,提高PCD刀具后刀面刃磨质量非常有利于提高加工工件表面质量。

二、切削试验
 
试验在普通车床上进行,采用三把刃磨表面质量不同的PCD刀具进行了切削加工表面质量对比试验及刀具磨损对比试验!
 
1、切削刀具分类
验用三把PCD刀具分别记为一号刀、二号刀、三号刀。刀具几何参数均为γ0 = 0°、α0 = 6°、λs = 0°、κr =45°、κr’= 45°、rε= 014mm。

图3分别为三把PCD刀具靠近刃口处的后刀面表面形貌扫描电镜图。由图可见,一号刀后刀面非常平滑,表面质量最好;二号刀后刀面存在较多磨痕;而三号刀后刀面出现了较多凹坑 ,表面质量最差。
2、切削工件材料
本试验加工工件分别选用含硅量10%的薄铝管和含硅量9%的铸铝棒。薄铝管便于制备样品以实现用扫描电镜观察切削加工表面的形貌,用于切削加工表面质量对比的试验;铸铝棒切削过程中不用经常更换工件,方便省时,用于刀具磨损对比试验。

三、试验结果及分析
 
1、切削表面质量分析
图4分别为三把PCD刀具切削薄铝管所得切削表面形貌图,三把刀切削薄铝管时切削用量均为v = 5315m/ min,f =011mm/ r,ap = 011mm。由于铝管直径较小以及受机床性能限制,所以切削速度选得比较低。
 
由图4可见,在一个刀具几何复映区内,一号刀所得切削表面相当光滑,几乎看不到划痕;二号刀所得切削表面上划痕较为明显;三号刀所得切削表面的划痕则非常明显。

由PCD刀具的切削模型可知,PCD刀具的后刀面对切削表面有熨压作用,一号PCD刀具的后刀面表面质量好,光洁度高,所以加工工件表面经其熨压后,表面也较光滑,但由于硅铝合金中Si粒子的存在,必然导致加工工件表面出现微细划痕,因此图 4a 中还隐约可以看到一些划痕。
 
二号PCD 刀具的后刀面存在较多的磨痕,因此在后刀面对切削表面熨压时 ,必然将后刀面形貌复映到工件表面 ,虽然工件表面与刀具后刀面的相对运动中将出现复映的错位抵消现象使加工工件表面质量得到改善,但如图4b所示,二号刀切削所得表面上的划痕仍较为明显。
 
三号PCD刀具后刀面存在很多蜂窝眼状的凹坑,切削时,加工工件表面材料在后刀面熨压作用下发生弹塑性变形,由于工件材料铝较软,必然使其在塑性流动过程中被强行压入后刀面的凹坑中,发生机械镶嵌作用。这些镶嵌材料经过不断的挤压后将变得很硬,并突出后刀面形成微刃划伤被加工表面。最终这些镶嵌材料可能会带着部分刀具材料脱落,而这些脱落颗粒也将划伤工件表面或嵌入在切削表面上。本切削试验由于切削距离比较短,所以三号刀所加工出的切削表面只是出现非常明显的划痕,而未出现残留物。

2、刀具磨损分析
图5为三把PCD刀具切削铝棒后刀具后刀面的磨损形貌图。试验中三把刀的切削距离相等,均为5800m;切削用量也相等,均为:v=34218m/ min, f=011mm,ap= 012mm。

由图5可见,一号PCD刀和二号PCD刀在切削5800m后几乎没有后刀面磨损;而三号PCD刀则出现了较大的后刀面磨损。由 PCD刀具的切削模型可知,PCD 刀具的后刀面对切削加工表面有着熨压的作用,因物体的相互作用,切削表面必然也对 PCD刀具后刀面起到磨损的作用。

由于PCD刀具材料的硬度和耐磨性特别好,在PCD刀具表面特性没有遭到严重破坏的情况下,硅铝合金对PCD刀具表面的这种磨损作用几乎很小,因此一号和二号PCD刀在切削5800m后几乎没有出现后刀面磨损;而三号PCD刀具后刀面蜂窝状凹坑很多,甚至出现了PCD块的剥落,已经严重破坏了PCD刀具材料的结构特性。 
结论
(1) PCD刀具后刀面的刃磨质量对加工工件表面质量有着直接影响,后刀面表面质量越高,在被加工表面刀具几何复映区内留下的划痕越少,被加工表面质量越高。
 
(2)PCD刀具材料的硬度及耐磨性极高,刀具寿命长。一般情况下刀具刃磨时在后刀面留下的磨痕对刀具寿命的影响很小,只有在刃磨时使PCD刀具后刀面表面质量严重受损,如出现了凹坑、PCD块的剥落或表面热损伤严重以致后刀面产生了较厚的软化层等情况下才会使PCD刀具的寿命大大降低。
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