一種超硬材料刀具表面凹坑微織構(gòu)紋理的新型加工方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及機(jī)械加工領(lǐng)域，具體的說是一種超硬材料刀具表面凹坑微織構(gòu)紋理的 新型加工方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 刀具材料及其刃磨品質(zhì)是決定高速切削加工效率、質(zhì)量和成本的關(guān)鍵因素之一。 加工過程尤其高速切削過程中刀具的磨損不可避免，是刀具失效的主要原因之一，因此提 高硬度和耐磨性是現(xiàn)代高效綠色加工對(duì)刀具的要求。以F^D (Polycrystalline Diamond，聚 晶金剛石）為代表的超硬材料具備極高的硬度和耐磨性，可以提高刀具的品質(zhì)，但超硬材 料本身具備的高硬度及耐磨性的特點(diǎn)使得這類刀具的高效精密刃磨非常困難，其刃磨品質(zhì) 直接決定著刀具的壽命及機(jī)加工的精度。而現(xiàn)代摩擦學(xué)和仿生學(xué)證實(shí)具有一定非光滑形態(tài) 的高性能的表面織構(gòu)具有更好的抗磨減摩性能。因此除了材料本身的性能，刀具抗磨減摩 空間的提升還可以通過在其切削面加工出具有一定形貌的表面織構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。因此，一種新 型的超硬材料刀具表面凹坑織構(gòu)紋理加工方法的提出就具有很重要的工程實(shí)用意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的在于提供一種超硬材料刀具表面凹坑微織構(gòu)紋理的新型加工方法， 它能夠提高刀具表面凹坑微織構(gòu)紋理的加工效率和品質(zhì)。
[0004] 所述超聲振動(dòng)-電火花-磨削復(fù)合加工平臺(tái)，整體由大理石底座1、X-Y工作臺(tái)2、 Z軸進(jìn)給電機(jī)3、Z軸旋轉(zhuǎn)電機(jī)4、X軸進(jìn)給電機(jī)5、Y軸進(jìn)給電機(jī)6組成；大理石底座1固定 在工作臺(tái)上，X-Y工作臺(tái)2通過伺服電機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)X-Y軸的平面運(yùn)動(dòng)；Z軸進(jìn)給電機(jī)3通過 上下移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)加工裝置中電極絲的進(jìn)給；Z軸旋轉(zhuǎn)電機(jī)4通過超聲振動(dòng)電源的脈沖控制， 實(shí)現(xiàn)加工過程的電極絲的振動(dòng)、旋轉(zhuǎn)；X軸進(jìn)給電機(jī)5、Y軸進(jìn)給電機(jī)6通過伺服電機(jī)控制實(shí) 現(xiàn)X軸方向、Y軸方向的直線進(jìn)給。
[0005] 第一階段效率驅(qū)動(dòng)階段，即加工初始階段，在這一階段選取大的放電規(guī)準(zhǔn)及磨削 參數(shù)，去除大部分的材料加工余量，提高刃磨效率。 /^1. U71rf2. 5D8
[0006] 在電火花加工中，材料的去除率公式為：= (3'電火花放電脈 寬：td= (3~5)RiC2，脈間：tp=5rC2。在第一階段加工中，根據(jù)不同型號(hào)的電火花加工機(jī) 床選取比較大的開路電壓U，以及較大的脈寬td和較小的脈間t p。若脈沖電源為HELI-50A 型脈沖電源，其脈寬范圍為1~2000以8，脈間為1~500以8，輸出電壓為100￥-30(^， 最大輸出電流為40A，則在加工中選取的電參數(shù)：開路電壓U應(yīng)在250~300V，脈寬、為 100~200 μ s，脈間tp為10~50 μ s，保證脈沖周期T = t d+tp較小。磨削時(shí)材料去除率為： I? = A 在電火花加工過程中，主要材料去除加工工序?yàn)殡娀鸹庸?，磨削作?輔助工序去除材料，在這一階段增加旋轉(zhuǎn)主軸的轉(zhuǎn)速η。
[0007] 第二階段，精度驅(qū)動(dòng)階段，本階段以磨削為主，去除大規(guī)準(zhǔn)電火花粗加工表面產(chǎn)生 的變質(zhì)層及顯微裂紋，得到精準(zhǔn)的刀具幾何尺寸及光滑的切削刀面；在磨削加工中，工件表 面粗糙度：Ra = K · apalFza2Vea3,因此在本階段應(yīng)當(dāng)選取較小的加工速度V。和切削力F z。
[0008] 第三階段，微坑織構(gòu)驅(qū)動(dòng)階段，在精加工階段已經(jīng)獲得了刀具的幾何尺寸及光潔 的切削刀面，在本階段主要采取微能脈沖放電與超聲振動(dòng)結(jié)合的方式進(jìn)行表面改性，形成 微織構(gòu)（溝槽、微坑、凸點(diǎn)、凹坑等）結(jié)構(gòu)。微能脈沖放電在刀具表面蝕除密布的小凹坑，超 聲振動(dòng)起到改善間隙放電狀態(tài)及凹坑形貌的作用。在加工好的硬質(zhì)合金刀具刀尖處的微織 構(gòu)中，填充固體潤(rùn)滑劑（例如MoS2等），這樣硬質(zhì)和合金刀具在機(jī)加工過程中的耐磨性及對(duì) 被加工工件的表面光滑度和質(zhì)量都有很大提高。正交切削實(shí)驗(yàn)表明，其耐磨程度比普通硬 質(zhì)合金刀具增加3-4倍。
[0009] 本發(fā)明一種超硬材料刀具表面凹坑微織構(gòu)紋理的新型加工方法的優(yōu)點(diǎn)是：在加工 過程中以效率和表面微織構(gòu)雙重目標(biāo)驅(qū)動(dòng)，在不同的加工階段選用不同的加工參數(shù)，采用 不同的加工方式，可以得到更高品質(zhì)的刀具。由于本方法的以上優(yōu)點(diǎn)，本方法可以提高超硬 材料刀具的加工效率，提高超硬材料刀具的加工品質(zhì)。
【附圖說明】
[0010] 圖1是超聲振動(dòng)-電火花-磨削復(fù)合加工平臺(tái)。
[0011] 圖2是超聲振動(dòng)-電火花-磨削復(fù)合加工平臺(tái)操作流程圖。
[0012] 圖3是超硬材料刀具表面凹坑微織構(gòu)紋理驅(qū)動(dòng)路線圖。
[0013] 圖中：1、大理石底座，2、Χ_Υ工作臺(tái)，3、Z軸進(jìn)給電機(jī)，4、Z軸旋轉(zhuǎn)電機(jī)，5、X軸進(jìn)給 電機(jī)，6、Y軸進(jìn)給電機(jī)。
【具體實(shí)施方式】
[0014] 下面對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】進(jìn)行詳細(xì)的說明：
[0015] 本發(fā)明是針對(duì)超硬材料刀具表面凹坑微織構(gòu)紋理加工的一種方法，采用的加工平 臺(tái)為超聲振動(dòng)-電火花-磨削復(fù)合加工平臺(tái)。在加工過程中，將加工分為三個(gè)加工階段：
[0016] 第一階段是初始加工階段，在本階段以效率驅(qū)動(dòng)，采用大規(guī)準(zhǔn)的放電規(guī)則和磨削 參數(shù)，取出大量的加工余量，提高加工效率。
[0017] 第二階段為精加工階段，在本階段以精度驅(qū)動(dòng)，本階段主要采用磨削加工方式，去 除大規(guī)準(zhǔn)電火花粗加工表面產(chǎn)生的變質(zhì)層及顯微裂紋，得到精準(zhǔn)的刀具幾何尺寸及光滑的 切削刀面。
[0018] 第三階段表面改性處理階段，在本階段以微坑織構(gòu)驅(qū)動(dòng)，在精加工階段已經(jīng)獲得 了刀具的幾何尺寸及光潔的切削刀面，在本階段主要采取微能脈沖放電與超聲振動(dòng)結(jié)合的 方式進(jìn)行表面改性，形成微織構(gòu)結(jié)構(gòu)。微能脈沖放電在刀具表面蝕除密布的小凹坑，超聲振 動(dòng)起到改善間隙放電狀態(tài)及凹坑形貌的作用。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 超聲振動(dòng)-電火花-磨削復(fù)合加工平臺(tái)，其特征在于：該加工平臺(tái)整體由大理石底 座⑴、X-Y工作臺(tái)（2)、Z軸進(jìn)給電機(jī)（3)、Z軸旋轉(zhuǎn)電機(jī)⑷、X軸進(jìn)給電機(jī)（5)、Y軸進(jìn)給 電機(jī)（6)組成；大理石底座（1)固定在工作臺(tái)上，X-Y工作臺(tái)（2)通過伺服電機(jī)控制，實(shí)現(xiàn) X-Y軸的平面運(yùn)動(dòng)；Z軸進(jìn)給電機(jī)（3)通過上下移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)加工裝置中電極絲的進(jìn)給；Z軸旋 轉(zhuǎn)電機(jī)（4)通過超聲振動(dòng)電源的脈沖控制，實(shí)現(xiàn)加工過程的電極絲的振動(dòng)、旋轉(zhuǎn)；X軸進(jìn)給 電機(jī)（5)、Y軸進(jìn)給電機(jī)（6)通過伺服電機(jī)控制實(shí)現(xiàn)X軸方向、Y軸方向的直線進(jìn)給。
2. -種超硬材料刀具表面凹坑微織構(gòu)紋理的新型加工方法，其特征在于：該方法包括 下述步驟， 第一階段效率驅(qū)動(dòng)階段，即加工初始階段，在這ー階段選取大的放電規(guī)準(zhǔn)及磨削參數(shù)， 去除大部分的材料加工余量，提高刃磨效率； 在電火花加工中，材料的去除率公式為：
'電火花放電脈寬： td= (3~5)R1C2，脈間：tp= 5rC2;在第一階段加工中，根據(jù)不同型號(hào)的電火花加工機(jī)床 選取比較大的開路電壓U，以及較大的脈寬td和較小的脈間tp;若脈沖電源為HELI-50A 型脈沖電源，其脈寬范圍為1~2000ys，脈間為1~500ys，輸出電壓為100V-300V， 最大輸出電流為40A，則在加工中選取的電參數(shù)：開路電壓U應(yīng)在250~300V，脈寬ん為 100~200ys，脈間tp為10~50ys，保證脈沖周期T=td+tp較小；磨削時(shí)材料去除率為：
在電火花加工過程中，主要材料去除加工エ序?yàn)殡娀鸹庸ぃハ髯鳛? 輔助エ序去除材料，在這ー階段増加旋轉(zhuǎn)主軸的轉(zhuǎn)速n; 第二階段，精度驅(qū)動(dòng)階段，本階段以磨削為主，去除大規(guī)準(zhǔn)電火花粗加工表面產(chǎn)生的變 質(zhì)層及顯微裂紋，得到精準(zhǔn)的刀具幾何尺寸及光滑的切削刀面；在磨削加工中，エ件表面粗 糙度：Ra=K?apalFza2Vea3,因此在本階段應(yīng)當(dāng)選取較小的加工速度V。和切削力Fz; 第三階段，微坑織構(gòu)驅(qū)動(dòng)階段，在精加工階段已經(jīng)獲得了刀具的幾何尺寸及光潔的切 削刀面，在本階段主要采取微能脈沖放電與超聲振動(dòng)結(jié)合的方式進(jìn)行表面改性，形成微織 構(gòu)結(jié)構(gòu)；微能脈沖放電在刀具表面蝕除密布的小凹坑，超聲振動(dòng)起到改善間隙放電狀態(tài)及 凹坑形貌的作用；在加工好的硬質(zhì)合金刀具刀尖處的微織構(gòu)中，填充固體潤(rùn)滑劑，這樣硬質(zhì) 和合金刀具在機(jī)加工過程中的耐磨性及對(duì)被加工エ件的表面光滑度和質(zhì)量都有很大提高； 正交切削實(shí)驗(yàn)表明，其耐磨程度比普通硬質(zhì)合金刀具増加3-4倍。
【專利摘要】一種超硬材料刀具表面凹坑微織構(gòu)紋理的新型加工方法，第一階段效率驅(qū)動(dòng)階段，即加工初始階段，在這一階段選取大的放電規(guī)準(zhǔn)及磨削參數(shù)，去除大部分的材料加工余量，提高刃磨效率。第二階段，精度驅(qū)動(dòng)階段，本階段以磨削為主，去除大規(guī)準(zhǔn)電火花粗加工表面產(chǎn)生的變質(zhì)層及顯微裂紋，得到精準(zhǔn)的刀具幾何尺寸及光滑的切削刀面；第三階段，在本階段主要采取微能脈沖放電與超聲振動(dòng)結(jié)合的方式進(jìn)行表面改性，形成微織構(gòu)結(jié)構(gòu)。微能脈沖放電在刀具表面蝕除密布的小凹坑，超聲振動(dòng)起到改善間隙放電狀態(tài)及凹坑形貌的作用。在加工好的硬質(zhì)合金刀具刀尖處的微織構(gòu)中，填充固體潤(rùn)滑劑。正交切削實(shí)驗(yàn)表明，其耐磨程度比普通硬質(zhì)合金刀具增加3-4倍。
【IPC分類】B23H7-38, B23H5-04
【公開號(hào)】CN104625265
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201410823133
【發(fā)明人】徐明剛, 馬小林, 劉瑛, 李玏一, 張從鵬, 王莉, 張振, 黃文勇
【申請(qǐng)人】北方工業(yè)大學(xué)
【公開日】2015年5月20日
【申請(qǐng)日】2014年12月24日