Technische Analyse des Mikromahlens auf Hartmetallmaterial mit PCD-Schneidern 1

Hartmetall hat den Rand einer hohen Härte, einer guten Verschleißfestigkeit, Korrosionsbeständigkeit und eines kleinen Wärmeausdehnungskoeffizienten. Es wird häufig bei der Herstellung von Präzisionsformen wie optischer Glasumformung, Metallzeichnung sowie verschleißfesten und korrosionsbeständigen Teilen verwendet. Hartmetallformen haben nicht nur eine lange Lebensdauer, mehr als das Zehnfache oder sogar das Hundertfache der Lebensdauer von Stahlformen, sondern auch eine sehr hohe Oberflächenqualität der Produkte. Die Glaslinse und andere Teile des Spritzgusses können die Anforderungen an die optische Oberflächenqualität erfüllen.

Hartmetall ist aufgrund seiner schlechten Bearbeitbarkeit typischerweise schwer zu bearbeiten. Schleifen und Erodieren sind zwei der am häufigsten verwendeten Bearbeitungsmethoden für Hartmetallwerkzeuge. Mit dem Auftreten von CBN, Diamant und anderen superharten Werkzeugen ist es möglich, Hartmetall direkt zu schneiden, was immer mehr Aufmerksamkeit erregt. Ausländische Wissenschaftler haben mehr Forschung betrieben. B. bulla et al. Analyse des Einflusses von Bearbeitungsparametern auf das Oberflächenprofil von Hartmetall beim Diamantdrehen. Nachdem die optimalen Bearbeitungsparameter ermittelt wurden, wurde der Einfluss der Werkzeuggeometrie auf die Oberflächenrauheit und den Werkzeugverschleiß weiter untersucht. N. Suzuki et al. Durchführung von elliptischen Diamant-Ultraschall-Vibrationsdrehversuchen an Hartmetall. Es wurde festgestellt, dass die Oberflächenqualität des elliptischen Ultraschall-Vibrationsdrehens besser ist als die des normalen Drehens und der Werkzeugverschleiß geringer ist. Durch die Experimente wurden auch die Hartlegierungswerkzeuge wie Mikroprisma und sphärische Linse mit optischer Oberflächenqualität bearbeitet.

Es ist ein wichtiges Zeichen, das Herstellungsniveau der nationalen Matrize zu messen, um die präzise, komplexe und langlebige Hartmetalldüse herzustellen. Die Mikromahltechnologie bietet die Vorteile einer hohen Bearbeitungseffizienz, einer breiten Palette von Bearbeitungsmaterialien, einer dreidimensionalen komplexen Form, einer hohen Oberflächenqualität usw. Es eignet sich sehr gut zur Bearbeitung von Mikrowerkzeugen und Mikroteilen aus Hartmetall und hat eine breite Anwendungsperspektive. In diesem Artikel werden diamantbeschichtete Werkzeuge zum Mikromahlen von Hartmetall verwendet. Die Schnittkraft, Oberflächenqualität und der Werkzeugverschleiß werden analysiert.

Testausrüstung und Versuchsplan für das PDC-Mikromahlen

Es wird die selbstgebaute hochpräzise Mikromühle verwendet (siehe Abbildung 1). Die Werkzeugmaschine ist speziell für das Mikrofräsen von Klein- und Mikroteilen konzipiert. Es besteht aus Marmorbett, Vorschubmechanismus, Hochgeschwindigkeits-Luftflotationsspindel, Bewegungssteuerungssystem auf PMAC-Basis usw. Aufgrund des geringen Durchmessers des Mikromahlfräsers ist es nicht einfach, eine genaue Werkzeugeinstellung zu erzielen. Die Werkzeugmaschine ist mit einem Mikroskopwerkzeug-Einstellsystem ausgestattet, mit dem der Mikromahlprozess auch online überwacht werden kann.

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Abbildung 1 Mikromahlmaschine

Verwenden Sie einen diamantbeschichteten Mikrofräser mit Spiralkante (siehe Abb. 2a). Das Grundmaterial des Fräsers ist eine Hartlegierung, und eine Diamantfilmschicht wird durch chemische Gasphasenabscheidung (CVD) beschichtet. Der Griffdurchmesser beträgt 6 mm, der Klingendurchmesser 1 mm, die Klingenlänge 2 mm, der vordere Winkel des Werkzeugs 2 °, der hintere Winkel 14 ° und der Spiralwinkel 35 °. Der aus der REM-Seitenansicht gemessene Bogenradius γ ε der Werkzeugspitze beträgt etwa 11 um (siehe Fig. 2b); Der aus der REM-Draufsicht gemessene Bogenradius des Werkzeugkantenbogens & ggr; & bgr; beträgt etwa 8 & mgr; m (siehe 2C).

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(a) (b)

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(c)

 Abbildung 2 Diamantbeschichteter Mikromahlfräser

Diamantbeschichtete Werkzeuge werden verwendet, um die geraden Nuten unter verschiedenen Bearbeitungsparametern zu fräsen. Vor dem Test wird die Oberfläche des Werkstücks poliert, dann am Messgerät befestigt und festgeklemmt, und die Abtastfrequenz beträgt 20 kHz. Alle Tests werden unter trockenen Schnittbedingungen durchgeführt. In Tabelle 1 finden Sie die Testparameter für das Mikromahlen. Die Spindeldrehzahl n ist auf 20000 U / min festgelegt, die Frästiefe AP beträgt 2 & mgr; m und 4 & mgr; m und die Vorschubgeschwindigkeit jedes Zahns FZ beträgt 0,3–1,5 & mgr; M. Nach dem Test wurde eine Ultraschallreinigungsmaschine zum Reinigen verwendet das Werkstück. Das Mahr-Oberflächenrauheitsmessgerät wurde verwendet, um die bearbeitete Oberflächenrauheit und die Mikroprofilkurve entlang der Vorschubrichtung zu messen. Die bearbeitete Oberflächenmorphologie und die Werkzeugverschleißmorphologie wurden durch SEM beobachtet.

Testergebnisse und Analyse von PCD Mikromahlen

Das Fräskraftsignal ist ein wichtiger Parameter zur Überwachung des Fräsprozesses, der den Werkzeugverschleißstatus und die Qualität der Bearbeitungsoberfläche in Echtzeit widerspiegeln kann. Während des Fräsprozesses ändert sich die Schnittdicke kontinuierlich, was von Null auf das Maximum ansteigt und dann periodisch mit der Drehung des Fräsers auf Null abnimmt, was zu dem Wellentrog und der Wellenspitze des Fräskraftsignals führt. Anhand der Wellenform des Fräskraftsignals können wir abnormale Verhaltensweisen wie ungleichmäßiges Schneiden und Vibrationen während des Bearbeitungsprozesses beobachten.

Fig. 3 ist ein Wellenformdiagramm eines durch einen Test gemessenen Fräskraftsignals, wobei Fx die Hauptschneidkraft ist, Fy die Vorschubkraft ist und Fz die Axialkraft ist. Aus der Wellenform der Fräskraft ist ersichtlich, dass die Amplitude der Axialkraft Fz in den drei Komponenten des Fräsprozesses die größte ist, weitaus größer als die beiden anderen Komponenten, gefolgt von der Hauptschneidkraft Fx und der minimalen Vorschubkraft Fy. Der Grund ist, dass die Frästiefe AP beim Mikromahlen sehr klein ist, was weitaus kleiner ist als der Radius des Spitzenbogens γ & epsi; des Mikromahlfräsers. Nur ein kleiner Teil des Bodens des Spitzenbogens ist tatsächlich am Schneiden beteiligt, was dem Schneiden mit einem kleinen Hauptablenkwinkel entspricht, was zu einer großen axialen Fräskraftkomponente führt.

Bei jeder Umdrehung des Fräsers nehmen nacheinander zwei symmetrische Schneidkanten am Schneiden teil, was zwei Wellenspitzen in der Fräskraftsignalperiode zeigt. Aus dem Oszillogramm ist ersichtlich, dass die Amplituden der beiden Spitzen nicht gleich sind und die Amplituden der Periode der ersten Hälfte offensichtlich größer als die der zweiten Hälfte sind. Dies zeigt, dass beim tatsächlichen Fräsprozess die Schnittdicke von zwei Schneidkanten des Doppelzahnfräsers unterschiedlich ist, eine Schneidkante mehr Materialien aufweist, die andere Schneidkante weniger Materialien aufweist, was zu einem ungleichmäßigen Fräsphänomen führt. Schweres ungleichmäßiges Fräsen führt zu Schwankungen der Fräskraft und erhöht die Vibration während des Bearbeitungsprozesses, was der Stabilität des Mikromahlens nicht förderlich ist.

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Abbildung 3 Wellenform des Mikromahlkraftsignals

Die Fräskräfte unter verschiedenen Mikromahlparametern werden während des Tests aufgezeichnet. Der Spitzenwert der Fräskraft, der der maximalen Schnittdicke im Werkzeugdrehzyklus entspricht, wird als Testergebnis verwendet, und die Messergebnisse der X-, y- und Z-Komponenten sind in Abbildung 4 dargestellt. Bei gleicher Frästiefe die Fräskraft steigt mit zunehmender Vorschubgeschwindigkeit FZ jedes Zahnes. Die Hauptschneidkraft Fx und die Vorschubkraft Fy steigen relativ sanft an. Wenn die Frästiefe ap = 2 m und 4 m beträgt, steigt die Hauptschneidkraft Fx von 0,44 N und 0,92 N auf 1,34 N bzw. 2,05 N, und die Vorschubkraft Fy steigt von 1,34 N und die zweite auf „Ho " und der"; Die Axialkraft nimmt um eine große Amplitude zu, von "Qi" und "the" bis "the". In ähnlicher Weise führt die Erhöhung der Frästiefe auch zu einer Erhöhung der Fräskraft. Die Axialkraft FZ in der Dreiwegekomponente ist empfindlich gegenüber den Fräsparametern. Der Grund ist, dass die Vorschubgeschwindigkeit jedes Zahns FZ beim Mikromahlen kleiner ist als der Kantenbogenradius γβ des Mikromahlfräsers, wodurch die Kontaktfläche zwischen der Rückseite der Unterkante des Mikromahlfräsers und dem Werkstück hergestellt wird relativ groß, und die Reibungskraft auf der Rückseite macht einen großen Anteil der Fräskraft aus.

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Abb. 4 Kurve der Fräskraft, die sich mit den Bearbeitungsparametern ändert

Oberflächenqualität von PCD Mikromahlen

Hartmetall ist eine Art hartes sprödes Material. Beim herkömmlichen Schneiden wird das harte spröde Material normalerweise in Form eines Sprödbruchs entfernt, was zu Sprödbruchfehlern auf der bearbeiteten Oberfläche führt und die Qualität der bearbeiteten Oberfläche beeinträchtigt. Die Ergebnisse zeigen, dass, wenn die Bearbeitungsparameter so gesteuert werden, dass die Schnittdicke unter einem bestimmten kritischen Wert liegt, das spröde Material auch eine plastische Verformung aufweisen kann und die glatte duktile Bearbeitungsoberfläche erhalten wird, die als duktiles Schneiden bezeichnet wird. 5 zeigt die Oberflächenmorphologie und Profilkurve von mikrogemahlenem Hartmetall bei AP = 2 & mgr; m und FZ = 1,2 & mgr; M. Aus der Figur ist ersichtlich, dass die Bearbeitungsoberflächenmorphologie hauptsächlich die Reflexion der Werkzeuggeometrie mit klarem Werkzeug ist Markieren Sie die Textur verteilt. Anhand der Konturkurve kann die Vorschubwerkzeugmarkierung der Werkzeugzähne beobachtet werden, und es liegt fast kein Sprödbruchfehler vor. Beim Mikromahlen ist die tatsächliche Schnittdicke sehr gering, wodurch das duktile Schneiden von Hartmetall realisiert werden kann. Das Hartmetallmaterial wird im Wege einer plastischen Verformung entfernt, um eine gute Qualität der Bearbeitungsoberfläche zu erhalten.

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(A) Geometrie der Oberfläche

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(b) Konturkurve

Abbildung 5 bearbeitete Oberflächenmorphologie und Profil

Fig. 6 zeigt die Kurve der Oberflächenrauheit Ra von Mikrofräsen von Hartmetall mit Bearbeitungsparametern. Aus der Figur ist ersichtlich, dass der Ra-Wert der bearbeiteten Oberflächenrauheit von Hartmetall aufgrund des duktilen Schneidens beim Mikromahlen sehr gering ist. Die Oberflächenrauheit Ra nimmt mit zunehmendem Vorschub pro Zahn AP und Frästiefe FZ zu, aber die Auswirkung des Vorschubs pro Zahn auf die Oberflächenrauheit ist größer als die der Frästiefe. Wenn AP = 2 & mgr; m und FZ = 0,3 & mgr; m ist, beträgt die minimale Oberflächenrauheit 0,073 & mgr; m; Wenn AP = 4 & mgr; m und FZ = 1,5 & mgr; m ist, beträgt die maximale Oberflächenrauheit 0,151 & mgr; M.

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(b) Kontur

Zahl 6 Form und Umriss der bearbeiteten Oberfläche

Fig. 6 zeigt die Änderungskurve der Oberflächenrauheit Ra von Mikrofräsen von Hartmetall mit Bearbeitungsparametern. Aus der Figur ist ersichtlich, dass der Ra-Wert der bearbeiteten Oberflächenrauheit von Hartmetall aufgrund des duktilen Schneidens beim Mikromahlen sehr gering ist. Die Oberflächenrauheit Ra nimmt mit zunehmendem Vorschub pro Zahn AP und Frästiefe FZ zu, aber die Auswirkung des Vorschubs pro Zahn auf die Oberflächenrauheit ist größer als die der Frästiefe. Wenn AP = 2 & mgr; m und FZ = 0,3 & mgr; m ist, beträgt die minimale Oberflächenrauheit 0,073 & mgr; m; Wenn AP = 4 & mgr; m und FZ = 1,5 & mgr; m ist, beträgt die maximale Oberflächenrauheit 0,151 & mgr; M.

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(a) (b)

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(c)

Diagramm.7 Mikrogeometrie des Verschleißes am Schneidwerkzeug

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Abbildung 8 Einfluss der Fräslänge auf die Oberflächenrauheit

Fig. 8 zeigt die Kurve der Oberflächenrauheit, die sich mit dem Mikromahlweg ändert. Aus der Figur ist ersichtlich, dass die Oberflächenrauheit Ra mit zunehmendem Fräsweg allmählich zunimmt. Wenn der Fräsabstand 700 m m erreicht, nimmt die Oberflächenrauheit stark zu; Wenn der Fräsabstand 700 mm überschreitet, verlangsamt sich die Zunahme der Oberflächenrauheit. Wenn die Fräslänge 1000 mm beträgt, erreicht die Oberflächenrauheit Ra 0,224 & mgr; M. Nach dem Werkzeugverschleiß nimmt nicht nur die Fräskraft zu, sondern auch die Extrusion und Reibung des Werkstücks wird schwerwiegender, was die Möglichkeit eines Sprödbruchs von Zement erhöht Hartmetallmaterialien verursachen Sprödbruchfehler auf der bearbeiteten Oberfläche, verschlechtern die bearbeitete Oberflächenqualität und erhöhen die Oberflächenrauheit.

Fazit bisher

(1) Da die Frästiefe weit kleiner als der Radius des Spitzenbogens ist, ist nur der Boden des Spitzenbogens tatsächlich am Schneiden beteiligt, was zu einer großen axialen Komponente führt. Beim Mikromahlprozess eines diamantbeschichteten Doppelzahnfräsers tritt ein Phänomen des ungleichmäßigen Fräsens auf, und die Fräskraft nimmt mit zunehmendem Vorschub pro Zahn und Frästiefe zu.

(2) Das Mikromahlen ist sehr klein, wodurch ein duktiles Schneiden von Hartmetall realisiert und eine gute Oberflächenqualität der Bearbeitung erzielt werden kann. Die Oberflächenrauheit Ra nimmt mit zunehmendem Vorschub pro Zahn und Frästiefe zu.

(3) führt zu ungleichmäßigem Verschleiß zweier Schaufeln und starkem Verschleiß der Lagerschaufeln. Die Oberflächenrauheit nimmt mit zunehmendem Fräsweg zu.

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