Технический анализ микро-фрезерования на твердосплавном материале с помощью резаков PCD

Цементированный карбид обладает высокой твердостью, хорошей износостойкостью, коррозионной стойкостью и малым коэффициентом теплового расширения. Он широко используется в производстве прецизионных форм, таких как формование оптического стекла, волочение металла, а также износостойких и коррозионностойких деталей. Пресс-форма из цементированного карбида не только имеет длительный срок службы, более чем в десять и даже в сотни раз больше, чем стальная пресс-форма, но также имеет очень высокое качество поверхности изделий. Стеклянная линза и другие детали, изготовленные методом литья под давлением, могут соответствовать требованиям к качеству оптической поверхности.

Цементированный карбид обычно плохо поддается механической обработке из-за его плохой обрабатываемости. Шлифование и электроэрозионная обработка являются двумя наиболее часто используемыми методами обработки штампов из цементированного карбида. С появлением CBN, алмаза и других сверхтвердых инструментов появилась возможность резать цементированный карбид напрямую, что привлекает все больше и больше внимания. Зарубежные ученые провели дополнительные исследования. Б. булла и др. Проанализировано влияние параметров механической обработки на профиль поверхности твердого сплава при алмазном точении. После получения оптимальных параметров обработки дополнительно изучалось влияние геометрии инструмента на шероховатость поверхности и износ инструмента. Н. Судзуки и соавт. Проведены эксперименты по алмазной ультразвуковой эллиптической вибрационной токарной обработке твердых сплавов. Было обнаружено, что качество поверхности при ультразвуковой эллиптической вибрационной токарной обработке лучше, чем при обычной токарной обработке, а износ инструмента меньше. В ходе экспериментов также были изготовлены штампы из твердого сплава, такие как микропризма и сферическая линза с оптическим качеством поверхности.

Это важный показатель для измерения уровня производства национального штампа для изготовления точного, сложного и долговечного штампа из цементированного карбида. Технология микрофрезерования имеет преимущества высокой эффективности обработки, широкого спектра обрабатываемых материалов, обработки сложной трехмерной формы, высокого качества поверхности и так далее. Он очень подходит для обработки микроштампов и микродеталей из цементированного карбида и имеет широкую перспективу применения. В этой статье инструменты с алмазным покрытием используются для микрофрезерования твердых сплавов. Анализируются сила резания, качество поверхности и износ инструмента.

Испытательное оборудование и график экспериментов по микроизмельчению PDC

Используется самодельный высокоточный микрофрезерный станок (см. рис. 1). Станок специально разработан для микрофрезерования мелких и микродеталей. Он состоит из мраморного основания, механизма подачи, высокоскоростного шпинделя воздушной флотации, системы управления движением на основе PMAC и т. д. Из-за небольшого диаметра микрофрезы добиться точной настройки инструмента непросто. Станок оснащен системой наладки инструмента под микроскопом, которую также можно использовать для онлайн-контроля процесса микрофрезерования.

Рис. 1 микрофрезерный станок

Используйте микрофрезу с алмазным покрытием и спиральной кромкой (см. рис. 2а). Основным материалом фрезы является твердый сплав, а слой алмазной пленки покрыт химическим осаждением из паровой фазы (CVD). Диаметр ручки 6 мм, диаметр лезвия 1 мм, длина лезвия 2 мм, передний угол инструмента 2°, задний угол 14°, угол спирали 35°. Радиус дуги вершины инструмента γ ε, измеренный со стороны РЭМ, составляет около 11 мкм (см. рис. 2б); радиус дуги кромки инструмента γ β, измеренный с помощью РЭМ сверху, составляет около 8 мкм (см. рис. 2C).

(а) (б)

(с)

 Рис. 2. Микрофрезы с алмазным покрытием

Инструменты с алмазным покрытием используются для фрезерования прямых канавок при различных параметрах обработки. Перед испытанием поверхность заготовки шлифуют, затем закрепляют и зажимают на измерительном приборе, частота дискретизации 20 кГц. Все испытания проводятся в условиях сухого резания. См. Таблицу 1 для параметров теста на микрофрезерование. Скорость шпинделя n зафиксирована на уровне 20000 об/мин, глубина фрезерования AP составляет 2 мкм и 4 мкм, а скорость подачи каждого зуба FZ составляет 0,3-1,5 мкм. После испытаний для очистки использовалась машина ультразвуковой очистки. заготовка. Измеритель шероховатости поверхности Mahr использовался для измерения шероховатости обработанной поверхности и кривой микропрофиля вдоль направления подачи. Морфологию обработанной поверхности и морфологию износа инструмента наблюдали с помощью СЭМ.

Результаты испытаний и анализ микрофрезерования PCD

Сигнал усилия фрезерования является важным параметром для мониторинга процесса фрезерования, который может отражать состояние износа инструмента и качество обрабатываемой поверхности в режиме реального времени. В процессе фрезерования толщина реза непрерывно изменяется, увеличиваясь от нуля до максимума, а затем периодически уменьшаясь до нуля при вращении фрезы, что приводит к возникновению волнообразной впадины и волнообразного пика сигнала усилия фрезерования. По форме волны сигнала усилия фрезерования мы можем наблюдать ненормальное поведение, такое как неравномерное резание и вибрация в процессе обработки.

Рис. 3 представляет собой диаграмму формы сигнала усилия фрезерования, измеренного при испытании, где Fx — основная сила резания, Fy — сила подачи, а Fz — осевая сила. Из кривой силы фрезерования видно, что амплитуда осевой силы Fz является наибольшей из трех составляющих процесса фрезерования, намного больше, чем две другие составляющие, за которыми следуют основная сила резания Fx и минимальная сила подачи Fy. Причина в том, что глубина фрезерования AP при микрофрезеровании очень мала, что намного меньше, чем радиус дуги вершины γ ε микрофрезы. В резании фактически участвует только небольшая часть нижней части дуги вершины, что эквивалентно резанию с малым основным углом отклонения, что приводит к большой осевой составляющей усилия фрезерования.

При каждом обороте фрезы в резании будут последовательно участвовать две симметричные режущие кромки, что показывает два волновых пика в период сигнала усилия фрезерования. Из осциллограммы видно, что амплитуды двух пиков неодинаковы, а амплитуды первой половины периода явно больше, чем второй половины. Это показывает, что в реальном процессе фрезерования толщина реза двух режущих кромок фрезы с двумя зубьями различна, одна режущая кромка имеет больше материалов, а другая режущая кромка имеет меньше материалов, что приводит к явлению неравномерного фрезерования. Серьезное неравномерное фрезерование вызовет колебание усилия фрезерования, увеличит вибрацию в процессе обработки, что не способствует стабильности микрофрезерования.

Рис. 3. Форма сигнала усилия микрофрезерования

Усилия измельчения при различных параметрах микроизмельчения регистрируются во время теста ﹣. За результат испытаний принимается пиковое значение усилия фрезерования, соответствующее максимальной толщине резания в цикле вращения инструмента, а результаты измерения составляющих X, y и Z показаны на рис. 4. При одной и той же глубине фрезерования усилие фрезерования увеличивается с увеличением подачи FZ каждого зуба. Основная сила резания Fx и сила подачи Fy возрастают относительно плавно. При глубине фрезерования ap=2 м и 4 м основная сила резания Fx возрастает с 0,44 Н и 0,92 Н до 1,34 Н и 2,05 Н соответственно, а сила подачи Fy увеличивается с 1,34 Н и второй до «Но». ” и “тот”; осевая сила увеличивается с большой амплитудой, от «ци» и «к» к «к». Точно так же увеличение глубины фрезерования также приведет к увеличению усилия фрезерования. Осевая сила FZ в трехсторонней составляющей чувствительна к параметрам фрезерования. Это связано с тем, что подача каждого зуба FZ при микрофрезеровании меньше радиуса кромочной дуги γ β микрофрезы, что делает площадь контакта между задней гранью нижней кромки микрофрезы и заготовкой относительно велика, а сила трения на задней поверхности составляет большую часть силы фрезерования.

Рис. 4 кривая изменения усилия фрезерования в зависимости от параметров обработки

Качество поверхности микрофрезерования PCD

Цементированный карбид представляет собой разновидность твердого хрупкого материала. При традиционном резании твердый хрупкий материал обычно удаляется в виде хрупкого излома, что приводит к образованию дефектов хрупкого разрушения на обрабатываемой поверхности и влияет на качество обрабатываемой поверхности. Результаты показывают, что когда параметры обработки контролируются так, чтобы толщина резания была меньше определенного критического значения, хрупкий материал также может иметь пластическую деформацию, и получается гладкая пластичная поверхность обработки, которая называется пластичной резкой. На рисунке 5 показаны морфология поверхности и кривая профиля микроизмельченного твердого сплава при AP = 2 мкм и FZ = 1,2 мкм. Из рисунка видно, что морфология обрабатываемой поверхности в основном отражает геометрию инструмента с четким Марк текстуры распределены. Из кривой контура можно наблюдать отметку инструмента подачи на зубьях инструмента, и почти нет дефекта хрупкого разрушения. При микрофрезеровании фактическая толщина резания очень мала, что позволяет реализовать пластичную резку цементированного карбида. Материал цементированного карбида удаляется путем пластической деформации для получения хорошего качества обрабатываемой поверхности.

(а) геометрия поверхности

(б) контурная кривая

Рисунок 5. Морфология и профиль обработанной поверхности.

На рис. 6 показана кривая шероховатости поверхности Ra микрофрезерного твердого сплава в зависимости от параметров обработки. Из рисунка видно, что значение Ra шероховатости обработанной поверхности твердого сплава очень мало из-за пластичного резания при микрофрезеровании. Шероховатость поверхности Ra увеличивается с увеличением подачи на зуб AP и глубины фрезерования FZ, но влияние подачи на зуб на шероховатость поверхности больше, чем влияние глубины фрезерования. При AP = 2 мкм и FZ = 0,3 мкм минимальная шероховатость поверхности составляет 0,073 мкм; при AP = 4 мкм и FZ = 1,5 мкм максимальная шероховатость поверхности составляет 0,151 мкм.

(б) контур

Фигура 6 форма и контур обрабатываемой поверхности

На рис. 6 представлена кривая изменения шероховатости поверхности Ra микрофрезерного твердого сплава в зависимости от параметров обработки. Из рисунка видно, что значение Ra шероховатости обработанной поверхности твердого сплава очень мало из-за пластичного резания при микрофрезеровании. Шероховатость поверхности Ra увеличивается с увеличением подачи на зуб AP и глубины фрезерования FZ, но влияние подачи на зуб на шероховатость поверхности больше, чем влияние глубины фрезерования. При AP = 2 мкм и FZ = 0,3 мкм минимальная шероховатость поверхности составляет 0,073 мкм; при AP = 4 мкм и FZ = 1,5 мкм максимальная шероховатость поверхности составляет 0,151 мкм.

(а) (б)

(с)

Диаграмма 7 микрогеометрии износа режущего инструмента

Диаграмма 8 Влияние длины фрезерования на шероховатость поверхности

На рис. 8 показана кривая изменения шероховатости поверхности при микрофрезеровании. Из рисунка видно, что шероховатость поверхности Ra постепенно увеличивается с увеличением пути фрезерования. Когда расстояние фрезерования достигает 700 м, шероховатость поверхности значительно увеличивается; при расстоянии фрезерования более 700 мм рост шероховатости поверхности замедляется; при длине фрезерования 1000 мм шероховатость поверхности Ra достигает 0,224 мкм. После износа инструмента увеличивается не только усилие фрезерования, но и выдавливание и трение заготовки становятся более серьезными, что увеличивает вероятность хрупкого разрушения цементированных карбидных материалов, вызывает дефекты хрупкого разрушения на обрабатываемой поверхности, ухудшает качество обработанной поверхности, увеличивает шероховатость поверхности.

Вывод на данный момент

(1) поскольку глубина фрезерования намного меньше радиуса дуги вершины, в резании фактически участвует только нижняя часть дуги вершины, что приводит к большой осевой составляющей. В процессе микрофрезерования двухзубчатой фрезы с алмазным покрытием возникает явление неравномерного фрезерования, и усилие фрезерования увеличивается с увеличением подачи на зуб и глубины фрезерования.

(2) микрофрезерование очень мало, что может обеспечить пластичную резку цементированного карбида и получить хорошее качество поверхности обработки. Шероховатость поверхности Ra увеличивается с увеличением подачи на зуб и глубины фрезерования.

(3) приводит к неравномерному износу двух лопастей и серьезному износу лопастей подшипников. Шероховатость поверхности увеличивается с увеличением пути фрезерования.