激光超聲復合切削硬質合金的刀具磨損及其對工件表面質量的影響
2017-2-8 來源： 河南理工大學機械與動力工程學院 作者：張昌娟，焦鋒。，趙波，牛贏
摘要：基于激光加熱輔助切削和超聲橢圓振動切削提出了激光超聲復合切削加工工藝。采用聚晶立方氮化硼(PCBN)刀具對YGlo硬質合金進行了常規(guī)切削，超聲橢圓振動切削，激光加熱輔助切削和激光超聲復合切削對比試驗。檢測了刀具磨損量、刀具磨損形貌、工件表面粗糙度以及工件表面形貌，并通過掃描電鏡(SEM)對刀具磨損區(qū)域進行了能譜分析，同時研究了激光超聲復合切削硬質合金時PCBN刀具的磨損及其對工件表面質量的影響。最后，與常規(guī)切削、超聲振動切削及激光加熱輔助切削進行了對比試驗。結果表明：激光超聲復合切削時刀具使用壽命顯著增加，加工后的工件表面粗糙度平均值分別降低了79％、60％和64％，且工件表面更加平整光滑。激光超聲復合切削硬質合金時，PcBN刀具的前刀面磨損表現(xiàn)為平滑且均勻的月牙洼磨損，后刀面磨損表現(xiàn)為較窄的三角形磨損帶和較淺的凹坑和劃痕；刀具的失效機理主要為黏接磨損、氧化磨損和磨粒磨損的綜合作用。
關鍵詞：激光超聲復合切削；硬質合金；聚晶立方氮化硼(PCBN)刀具；刀具磨損；表面質量
1.引言
光學零件的模壓成型技術作為一種高精度光學元件加工技術，已成為國際上最先進的光學零件制造技術之一[1]。該項技術需要設計專用的模壓機床，采用高質量的模具和選用合理的工藝參數(shù)，其中高質量成型模具的材料選擇與加工制造成為關鍵。最具代表性的模具材料是以wC等超硬合金為基體，表面涂鍍氮化鈦等薄膜。但由于模具材料硬度高、脆性大，在加工過程中容易產(chǎn)生裂紋，影響工件的加工性能，因此對模具材料加工中所使用的刀具和加工方法提出了較高要求。在這些模具材料的精密加工過程中，除了必需使用高剛性、高分辨率的超精密數(shù)控機床，目前一般采用先磨削加工后拋光精加工成光學鏡面口]。特別是在高精度非球面模具加工中，為了進一步提高精度和減輕磨削的痕跡，必需超精加工的多次反復口]。導致高精度光學零件成型模具的制造成本較高，制約了該技術的進一步發(fā)展。本文將超聲振動切削和激光加熱輔助切削引入到常規(guī)切削中，提出激光超聲復合切削加工工藝，采用PCBN刀具對YGlo硬質合金進行超精密加工實驗研究，來實現(xiàn)硬質合金等硬脆材料的高效超精密制造，對促進光學零件模壓成型技術的實際應用和以經(jīng)濟高效的方式進行光學元器件的加工具有現(xiàn)實意義。
激光加熱輔助切削(Laser Assisted Cut—ting，LAC)是解決硬脆材料、非金屬材料等難加工材料加工的一種新型加工技術¨]。王揚[5]、吳雪峰[6]、鄢銼[7]等人分別對復合材料、氮化硅陶瓷和氧化鋁陶瓷進行了激光加熱輔助切削的理論與試驗研究，有效保證了激光加熱切削硬質脆性材料的工藝要求。然而，激光加熱輔助切削硬脆材料時，熱應力容易使工件加工表面產(chǎn)生微裂紋，從而影響加工質量。針對這一問題，將超聲振動引入到加熱輔助切削過程中形成的熱超聲輔助切削加工技術在難加工材料的高效精密加工中得到應用，但取得的相關研究成果較少。C．Y．Hsu等凹]利用氣焊槍加熱工件，將超聲振動與高溫輔助切削相復合，研究了切削參數(shù)對切削力及工件表面粗糙度的影響。Riaz Muhammad等凹‘1們利用帶狀電阻加熱器加熱工件對熱超聲輔助切削鈦合金進行了普通、超聲、加熱輔助切削及熱超聲輔助切削熱力學特性仿真研究及工件表面粗糙度與切削力試驗研究。因此，目前針對難加工材料熱超聲復合切削的研究主要集中在切削力、切削溫度以及工件表面質量等方面，針對刀具的磨損及其機理方面的研究較少，且加熱工件時的熱源為氣焊槍加熱或加熱器加熱，缺乏關于激光超聲復合切削的研究。
此外，研究人員在使用PCBN刀具切削淬硬鋼、鑄鐵及高溫合金等材料時的刀具磨損機理及切削性能等研究方面取得了較大進展，而有關加工硬質合金時的刀具磨損特性及切削性能等方面的研究相對較少。關佳亮等口婦采用ELID磨削和機械研磨拋光復合技術對硬質合金表面進行了超精密加工試驗，研究了各工藝參數(shù)對加工表面粗糙度的影響，并獲得了表面粗糙度Rn 18 nm的精密加工表面，但沒有涉及刀具磨損的研究。郭銳等[121對硬質合金進行超高速切削，研究了硬質合金在超高速切削過程中達到一定切削速度后切削力不增反降的原理，對刀具磨損也沒有進行研究。鄶吉才[1胡對納米硬質合金刀具進行了在線電解修整(ELID)磨削，研究了納米硬質合金與大理石的摩擦磨損特性，但沒有針對刀具磨損進行研究。鄶吉才、張飛虎[141采用ELID磨削技術對納米硬質合金的磨削性能也進行了試驗研究，分析了磨削工藝參數(shù)對磨削性能的影響，該研究同樣沒有涉及刀具磨損。
由以上文獻可知，針對難加工材料激光超聲復合切削方面的研究和PCBN刀具切削硬質合金時的刀具磨損及其機理方面的研究較少，而在激光超聲復合切削硬質合金的過程中刀具磨損嚴重，且刀具的微量磨損即會導致零件加工質量較差，難以滿足元器件表面質量達到超精密級的光學工程需要。因此，開展激光超聲復合切削硬質合金時的PCBN刀具磨損特性的研究很有必要。本文進行了PCBN刀具常規(guī)切削(ConventionalCutting，CC)、超聲振動切削(Ultrasonically As—sisted Cutting，UAC)、激光加熱輔助切削(LAC)以及激光超聲復合切削(Laser U1trasonicallyAssisted Cutting，LUAC)YGlo硬質合金刀具磨損對比試驗，通過刀具磨損及工件表面質量的觀測，揭示激光超聲復合切削硬質合金時PCBN刀具的磨損規(guī)律及磨損機理，研究刀具磨損對工件表面質量的影響，為PCBN刀具超精密切削硬質合金的應用提供技術支持并指導生產(chǎn)實踐。
2.激光超聲復合切削加工原理
切削原理如圖1所示，激光超聲復合切削加工是在激光加熱輔助切削的基礎上對刀具附加超聲振動的復合加工方法。復合加工中超聲加工和激光加熱輔助加工同時進行，將高功率激光束聚焦在切削刃前的工件表面，在材料被切除前的短時間內(nèi)將局部加熱到較高的溫度，使材料的切削性能在高溫下發(fā)生改變，屈服應力和硬度降低，切削變形從脆性轉變?yōu)樗苄曰蛘邷仕苄?，材料軟化[5。61；同時對刀具施以縱彎復合振動使其以橢圓振動軌跡對工件表面進行切削，以避免刀具后刀面與已加工表面之間的長時間摩擦，同時緩解刀具的崩刃破損和對工件加工質量的不利影響[15|。顯然，激光超聲復合切削加工將激光加熱輔助切削和超聲加工相結合，充分利用超聲加工和熱加工的優(yōu)點，以期在一定程度上減小刀具磨損、降低加工成本、提高加工質量。
圖1激光超聲復合切削原理
圖1中，工件以轉速，z做旋轉運動，同時刀具沿徑向做進給運動，以實現(xiàn)端面切削。將高能激光束打到刀具切削方向的前方對工件進行預加熱，以改善材料的切削特性；同時對切削刀具在切向和徑向分別施以同頻超聲振動^和．廠b，以實現(xiàn)對軟化后的工件材料進行橢圓超聲振動切削。因此，激光超聲復合加工有望實現(xiàn)刀具磨損的降低及提高工件表面質量。
3.實驗
3．1工件與刀具
試驗選用直徑為妒49 mm的YGlo硬質合金軸件，wC含量為90％，Co含量為8％。所用的PCBN菱形刀片型號為DCGW070204、邊長為7mm，根據(jù)刀片尺寸，通過DMG加工中心在變幅桿頂端加工出大小對應的刀槽，用螺釘將PCBN刀片固定在變幅桿上，裝夾后的刀具幾何參數(shù)如表1所示。圖2所示為經(jīng)超景深顯微鏡檢測的切削試驗前的PCBN刀具。
表1刀具幾何參數(shù)
圖2 試驗前的PCI{N刀具
3．2試驗設置
激光超聲復合切削試驗裝置如圖3所示，采用最小分辨率為10 nm的sPHERE360超精密金剛石數(shù)控車床和YAG激光加熱系統(tǒng)。激光加熱系統(tǒng)由激光主機、激光電源、冷卻系統(tǒng)、激光指示定位系統(tǒng)、光纖傳輸系統(tǒng)、導光聚焦系統(tǒng)等組成，將激光器的聚焦裝置通過光纖連接到激光器主機，用支架固定在車床工作臺上，通過對激光頭位置和角度進行調(diào)節(jié)，光斑同刀尖保持一定距離。超聲振動系統(tǒng)包括超聲波發(fā)生器、縱向壓電換能器、開斜槽變幅桿和車刀，可實現(xiàn)加工過程中刀具的二維縱彎復合振動。實驗過程中，將二維超聲振動裝置與測力儀連接在一起固定在機床工作臺上，實現(xiàn)超聲振動裝置和激光聚焦裝置在切削過程中時刻保持同步。
圖3試驗裝置
利用德國歐普士生產(chǎn)的OPTRIS—CT紅外測溫儀在線測量工件表面溫度(見圖3)，通過阻抗分析儀和激光位移傳感器對聲學系統(tǒng)進行振動頻率和振幅測試。實驗參數(shù)如表2所示。
表2 實驗參數(shù)
研究表明，當溫度高于400℃時，硬質合金的硬度大幅度下降，材料被軟化，塑性增強[16。7|。圖4所示為表2實驗條件下的工件加熱區(qū)域縱切面溫度場的分布，同時測得工件表面激光光斑中心的平均溫度為665℃，刀尖點的平均溫度為400℃。在此溫度下，工件材料的可加工性能得到一定改善，同時刀尖也不會因溫度過高而縮短壽命。因此，在室溫下進行傳統(tǒng)切削及二維超聲振動切削試驗，在刀尖平均溫度為400℃左右時進行激光加熱輔助切削和激光超聲復合切削試驗。另外，當開啟超聲波發(fā)生器時為二維超聲振動切削和激光超聲復合切削，關閉超聲波發(fā)生器時為傳統(tǒng)切削和激光加熱輔助切削。在每一種切削條件下使用一把車刀對工件進行端面切削，走刀到直徑37 mm時退刀。每走一段路程后取下刀具，用KEYENC VHX-2000C超景深顯微鏡和SEM掃描電鏡觀測刀具磨損并對刀具磨損區(qū)域進行能譜分析，用白光干涉儀對工件加工表面形貌及表面粗糙度進行檢測。
圖4 工件加熱區(qū)域的溫度場分布
4.試驗結果
圖5～12以及表3中，CC表示普通切削，UAC表示超聲振動切削，LAC表示激光加熱輔助切削，LUAC表示激光超聲復合切削。
4．1刀具后刀面磨損特性
圖5所示為不同切削條件下PCBN刀具切削YGlo硬質合金時的后刀面磨損曲線?？梢钥闯?，從常規(guī)切削、超聲振動切削、激光加熱切削到激光超聲復合切削，切削路程相同時PCBN刀具后刀面磨損量逐漸減小，且4種切削方式下PCBN刀具磨損量隨著切削路程的增加均不斷增大，但不同階段的磨損增長率不同：初期磨損階段4種切削方式后刀面磨損率差別不大；正常磨損階段超聲切削與激光加熱切削磨損量基本相同，而激光超聲復合切削磨損量則明顯減小且持續(xù)時間較長；后期磨損階段，常規(guī)切削、超聲切削及激光加熱切削時刀具磨損速度較快，且磨損量明顯高于激光超聲復合切削。
圖6所示為切削路程分別為283．4 m、368．3m和584．4 m時不同切削條件下的刀具磨損形貌圖。可以看出，4種切削方式下刀具后刀面均形成三角形狀的磨損帶。在切削距離為283．4 m時刀具出現(xiàn)了較大程度的磨損，后刀面磨損帶內(nèi)出現(xiàn)了沿切削方向的溝槽，且常規(guī)切削和激光加熱輔助切削時的磨損程度最為嚴重，其次是超聲振動切削，激光超聲復合切削時刀具后刀面磨損較輕。此時4種切削方式下刀具均處于初期磨損狀態(tài)。
圖6 不同切削距離時的刀具磨損形貌(從左至右，切削距離依次為283．4m、368．3、584．4m)切削距離為368．3 m時，4種切削方式下刀具后刀面磨損帶寬度逐漸增加，后刀面磨損區(qū)域呈現(xiàn)平滑且均勻的狀態(tài)。常規(guī)切削時后刀面磨損帶寬度及長度明顯增加，超聲振動切削時在刀具前刀面近切削刃區(qū)域出現(xiàn)了明顯的月牙洼磨損，激光加熱輔助切削時刀具后刀面磨損區(qū)域近切削刃區(qū)域出現(xiàn)了明顯的溝槽，而激光超聲復合切削時刀具后刀面磨損程度依然較輕。此時刀具處于正常磨損階段。
切削距離達到584．4 m時，4種切削條件下的刀具前、后刀面磨損形貌分別如圖7、圖8所示?？梢钥闯?，刀具磨損程度繼續(xù)增加，刀具后刀面磨損帶的寬度持續(xù)增大，且磨損帶內(nèi)溝槽的數(shù)量及深度均增加。其中，常規(guī)切削時磨損最為嚴重，前刀面近切削刃處出現(xiàn)了脆性剝落且后帶面磨損帶內(nèi)甚至出現(xiàn)了裂紋；超聲振動切削時由于刀尖部位受高頻斷續(xù)沖擊，刀具前刀面近切削刃附近出現(xiàn)了片狀脫落[181；激光加熱輔助切削時近切削刃處出現(xiàn)了崩刃現(xiàn)象，且后刀面磨損帶內(nèi)的溝槽深度較深。另外，激光加熱輔助切削及激光超聲復合切削時刀具后刀面磨損帶內(nèi)均出現(xiàn)了不同程度的“麻斑”現(xiàn)象。此時，激光超聲復合切削時刀具仍然處于正常磨損階段，而另外3種切削方式下刀具均已處于劇烈磨損階段。
圖7 切削距離為j84．4 m時的刀具前刀面磨損形貌
圖8切削距離為584．4m時的刀具后刀面磨損形貌
4．2 刀具磨損對工件表面質量的影響
圖9所示為切削路程增加時不同切削方式下的工件表面粗糙度?？梢钥闯?，在相同的加工工藝參數(shù)下，從常規(guī)切削、超聲振動切削、激光加熱輔助切削到激光超聲復合切削，加工后的工件表面粗糙度值呈現(xiàn)減小的趨勢，激光超聲復合切削時表面粗糙度值最小。試驗中，當切削距離為100．08 m時4種切削方式下獲得的表面粗糙度值均最小，但與常規(guī)切削、超聲振動切削以及激光超聲復合切削相比，激光超聲復合切削所獲得的表面粗糙度Rn值分別降低約68％、42％和14％，整個切削路程中獲得的表面粗糙度平均值分別降低79％、60％和64％。
圖9不同切削距離時的工件表面粗糙度
另外，隨著切削路程的增加，4種切削方式下的工件表面粗糙度值均增加，其中激光超聲復合切削時工件表面粗糙度值的變化較小。常規(guī)切削時在切削距離達到444 m之前以及超聲振動切削及激光超聲復合切削方式下切削距離未超過584 m時，工件表面粗糙度值隨著切削距離的增加僅有小幅上升，說明刀具磨損處于平緩穩(wěn)定的
圖11 不同切削距離時的切削力
承受著高溫高壓的作用，擴散和氧化成為前刀面磨損中的主要原因[1 9|。隨著切削距離的增加，刀具前后刀面受到一定程度的磨損致使刀具的鋒利性下降，從而在一定程度上降低了前刀面上近切削刃處的應力集中；此外，切削過程中較小的切削用量以及工件材料的高硬度與低塑性的特性使得在刀具前刀面上不會存留大量的切屑，使得切屑底部與前刀面之間的相對運動對刀具前刀面磨損的影響較??；但是，由于PCBN是由無數(shù)微小而無方向性的CBN單晶組成，在CBN聚晶過程中通過觸媒或添加劑向材料中擴散進去的“雜質”(如Si、Ca、Cu等元素)存在于晶界間，致使晶界處的強度較低，聚晶體的實際強度遠低于其理論值，刀具切削刃在切削力的作用下容易產(chǎn)生微小單晶顆粒脫落的現(xiàn)象，即微裂解，而多個CBN顆粒的剝落則形成了崩刃現(xiàn)象。
切削過程中刀具后刀面與工件已加工表面之間的擠壓、摩擦、彈性恢復以及相對運動形成了兩者之間復雜的相互作用力和較高的切削溫度。在切削的初始階段，刀具較好的鋒利性使得后刀面與已加工表面之間的實際接觸面積較小，因此，兩者之間的作用力較小。但是，由于PCBN刀具由CBN顆粒和黏結相燒結而成，硬質合金中的硬質點對刀具后刀面的刮擦、研磨作用使得作為粘結相的金屬材料產(chǎn)生磨損，從而致使刀具中的CBN顆粒突露出表面，受到?jīng)_擊或因松動，CBN顆粒很容易產(chǎn)生剝落。因此，在切削路程的初始階段，磨粒磨損和粘接劑磨損成為刀具磨損的主要原因，從而導致刀具后刀面呈現(xiàn)出分布有不同程度凹坑和刀痕的磨損亮帶。隨著切削距離的增加，后刀面與已加工表面之間的實際接觸面積以及后刀面磨損量均逐漸增大，且后刀面磨損量的增加又使得刀具實際后角減小，再加上PCBN車刀較大的負倒棱前角使得切屑的流出方向幾乎接近后刀面，這些因素導致刀具后刀面承受的作用力明顯增加，而這又進一步降低了刀具的磨損和工件表面質量，刀具后刀面呈現(xiàn)出明顯的劃痕、凹坑以及麻斑現(xiàn)象。圖12及表3為4種切削方式下通過SEM對PCBN刀具后刀面磨損區(qū)域近切削刃處進行能譜分析結果。
圖12刀具后刀面磨損區(qū)域能譜
表3刀具后刀面磨損區(qū)域能譜
分析圖12及表3，4種切削方式下元素質量分數(shù)的變化說明4種切削方式下刀具與工件之間產(chǎn)生了元素間的相互擴散，這使得CBN的惰性不斷降低，與合金元素的親和傾向增加，當?shù)毒?、切屑以及工件之間的作用力及溫度達到一定程度時，就產(chǎn)生了PCBN刀具的黏接磨損，而刀具材料中金屬Ni的存在則會進一步增強三者之間的黏接強度，從而加劇了黏接磨損，易導致切削刃微崩刃或崩刃。同時，在激光加熱輔助切削和激光超聲復合切削時O元素的大幅增加說明切削過程中較高的溫度使得Co元素和空氣中的O元素發(fā)生化學反應以及CBN中的氮元素會被氧元素替換，容易在刀具磨損邊緣形成氧化膜，切削時受工件表面冷硬層及硬質點的連續(xù)擠壓摩擦，從而造成刀具后刀面的氧化磨損，當磨損量達到一定程度時，就會形成氧化磨損溝槽。另外，PCBN刀具中B元素的大幅減小，特別是在常規(guī)切削、激光加熱輔助切削及激光超聲復合切削時刀具后刀面未能檢測到B元素，證明此處已被黏接的工件材料覆蓋，刀具出現(xiàn)不同程度的黏接磨損。而超聲切削及激光超聲復合切削時Ti、A1等元素的減小說明由于超聲高頻斷續(xù)沖擊的作用，刀具出現(xiàn)了不同程度的磨粒磨損。
因此，常規(guī)切削YGlO硬質合金時，磨粒磨損和黏接磨損是PCBN刀具的主要磨損形式；超聲振動切削時，刀具的主要磨損形式為磨粒磨損；激光加熱輔助切削時，刀具的磨損由黏接磨損和氧化磨損共同作用產(chǎn)生；而激光超聲復合切削時，黏接磨損、氧化磨損和磨粒磨損共同導致了刀具的磨損。
5.結論
本文通過超聲振動切削和激光加熱輔助切削復合加工工藝，利用PCBN刀具對YGlo硬質合金進行了激光超聲復合超精密切削。結果表明：隨著切削路程的增加，4種切削方式下的刀具磨損量及工件表面粗糙度值均增加，其中激光超聲復合切削時變化較小。對比普通切削、超聲橢圓振動切削和激光加熱輔助切削，激光超聲復合切削YGlo硬質合金時PCBN刀具使用壽命明顯增加，工件加工后的表面粗糙度平均值分別降低79％、60％和64％。普通切削和超聲橢圓振動切削硬質合金時PCBN刀具前刀面上呈現(xiàn)出不同程度的脆性剝落和片狀剝落，而激光加熱輔助切削及激光超聲復合切削硬質合金時PCBN刀具易于在刃口產(chǎn)生崩刃；4種切削方式下刀具后刀面磨損形式主要表現(xiàn)為三角形狀的磨損帶以及磨損表面上的凹坑和劃痕，其中，激光超聲復合切削時磨損帶較窄且凹坑和劃痕較淺。切削YGlo硬質合金時，PCBN刀具承受著機械、擴散、黏接、氧化和微裂解的綜合作用，激光超聲復合切削YGlo硬質合金時PCBN刀具的磨損主要是黏接磨損、氧化磨損和磨粒磨損共同作用的結果。
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