聚晶金剛石微細(xì)球頭銑刀刃磨工藝參數(shù)優(yōu)化*

杜宇超， 梁志強(qiáng)， 陳建軍， 李 玉， 馬 丹， 曹宇軒， 李世迪， 王西彬

(1. 北京理工大學(xué) 機(jī)械與車輛學(xué)院， 北京 100081) (2. 北京理工大學(xué) 先進(jìn)加工技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室， 北京 100081) (3. 山西柴油機(jī)工業(yè)有限責(zé)任公司， 山西 大同 037036)

微細(xì)球頭銑刀具有靈活性好、可加工復(fù)雜形面工件等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于微小復(fù)雜零部件的精密制造[1]。隨著對(duì)零件質(zhì)量、耐用性等要求的不斷提升，高強(qiáng)、高硬等難加工材料的應(yīng)用愈加廣泛[2]。PCD微細(xì)銑刀具有超高硬度、低摩擦性以及良好的耐磨性等特點(diǎn)，是難加工材料微小零部件精密制造的理想選擇。然而，由于PCD銑刀的高硬脆、結(jié)構(gòu)復(fù)雜特征，刃磨制備過(guò)程容易出現(xiàn)宏微觀磨損缺陷、切削刃不對(duì)稱、尺寸誤差等問(wèn)題，嚴(yán)重影響刀具的使用性能和工件加工質(zhì)量[3]。因此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)刀具的制造原理、制造方法以及刀具質(zhì)量控制進(jìn)行了大量的理論和試驗(yàn)研究[4-6]。

SUZUKI等[7]通過(guò)金剛石砂輪刃磨PCD微細(xì)銑刀的刃口，研究了PCD微細(xì)銑刀精密制備方法。CHEN等[8]采用一種四軸聯(lián)動(dòng)的刃磨方法，使用CBN球面砂輪，實(shí)現(xiàn)了等法向前角錐形球頭銑刀在前刀面連接區(qū)域的平滑過(guò)渡。徐龍等[9]通過(guò)對(duì)PCD刀具刃磨后的表面形貌進(jìn)行檢測(cè)，研究了磨床轉(zhuǎn)速、磨削壓力及磨削液等因素對(duì)PCD刀具刃磨質(zhì)量的影響，優(yōu)化了磨削工藝參數(shù)。侯永改等[10]通過(guò)對(duì)PCD刀具刃磨后的表面形貌進(jìn)行檢測(cè)，優(yōu)化了磨削用砂輪，提升了PCD刀具刃磨表面質(zhì)量。賈乾忠[11]對(duì)PCD材料的磨削去除機(jī)理進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究，研究了不同磨削工藝參數(shù)對(duì)刀具后刀面質(zhì)量、刃口質(zhì)量、磨除率以及磨耗比的影響。OHMORI等[12]研究了刃口鈍圓半徑隨刃磨工藝參數(shù)與砂輪粒度的變化規(guī)律，基于此優(yōu)化了刃磨工藝參數(shù)且優(yōu)選了砂輪粒度。

本研究針對(duì)PCD微細(xì)球頭銑刀刃磨質(zhì)量控制問(wèn)題，建立PCD微細(xì)球頭銑刀刃磨原理的數(shù)學(xué)模型，開展PCD微細(xì)球頭銑刀精密刃磨正交試驗(yàn)，研究刃磨工藝參數(shù)對(duì)主軸負(fù)載率、刀具前刀面表面粗糙度、刀具刃口鈍圓半徑的影響規(guī)律，基于此進(jìn)行刃磨工藝參數(shù)的優(yōu)化，并使用優(yōu)化后的工藝參數(shù)進(jìn)行了PCD微細(xì)球頭銑刀刃磨驗(yàn)證試驗(yàn)。

1 PCD微細(xì)球頭銑刀刃磨原理及刃磨試驗(yàn)

1.1 PCD微細(xì)球頭銑刀刃磨裝置

PCD微細(xì)球頭銑刀刃磨工藝參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)在牧野六軸數(shù)控小直徑工具磨床CNS7d中開展，CNS7d小直徑工具磨床有4個(gè)直線運(yùn)動(dòng)軸(X，Y，Z和U軸)和2個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)軸(A和W軸)，可實(shí)現(xiàn)5軸聯(lián)動(dòng)。機(jī)床的主要組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 機(jī)床結(jié)構(gòu)

在微細(xì)球頭銑刀刃磨過(guò)程中，刀具繞A軸和W軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)也可以沿U軸和Y軸平移運(yùn)動(dòng)，而X軸和Z軸控制著砂輪的平移運(yùn)動(dòng)。如圖2所示，圖中機(jī)床基準(zhǔn)值尺寸L1，L2，L3和LW1可由傳感器對(duì)刀和實(shí)際測(cè)量獲得。

圖2 砂輪與刀具初始相對(duì)位置

1.2 PCD微細(xì)球頭銑刀刃磨原理

試驗(yàn)選用雙刃圓錐面形結(jié)構(gòu)PCD微細(xì)球頭銑刀進(jìn)行刃磨研究，設(shè)計(jì)直徑為0.5 mm，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 PCD微細(xì)球頭銑刀設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

在建立微細(xì)刀具刃磨運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型之前，必須明確刀具坐標(biāo)系與機(jī)床坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系。如圖4所示，OMXMYMZM是機(jī)床坐標(biāo)系，OWXWYWZW為靜坐標(biāo)系，兩坐標(biāo)系原點(diǎn)重合；ORXRYRZR為過(guò)渡坐標(biāo)系，是坐標(biāo)系OWXWYWZW沿XW軸平移l距離后，繞YW軸旋轉(zhuǎn)角度μ后生成的坐標(biāo)系；OdXdYdZd為刀具坐標(biāo)系，是坐標(biāo)系ORXRYRZR繞ZR軸旋轉(zhuǎn)角度υ后生成的坐標(biāo)系。靜坐標(biāo)系與銑刀坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣KWd以及機(jī)床坐標(biāo)系與銑刀坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣KMd可由公式(1)、(2)表示[13]。

圖4 坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換

(1)

(2)

OdP=[PX,PY,PZ]T為刀具坐標(biāo)系中任一向量，在靜坐標(biāo)系和機(jī)床坐標(biāo)系中的坐標(biāo)可分別表示為：

(3)

(4)

圖5a表示針對(duì)所設(shè)計(jì)的雙刃圓錐面微細(xì)球頭銑刀的前刀面刃磨時(shí)金剛石砂輪與刀具的相對(duì)位置和運(yùn)動(dòng)關(guān)系原理圖，采用金剛石砂輪的端面Ⅱ刃磨接觸線PQ來(lái)實(shí)現(xiàn)前刀面刃磨，砂輪外圓與刀底直線CD相切于點(diǎn)Q，通過(guò)砂輪沿X軸和Z軸聯(lián)動(dòng)插補(bǔ)出直線CD。

圖5b是針對(duì)所設(shè)計(jì)的雙刃圓錐面微細(xì)球頭銑刀的圓錐后刀面刃磨時(shí)砂輪與刀具的相對(duì)位置和運(yùn)動(dòng)關(guān)系原理圖，采用金剛石砂輪的端面Ⅰ刃磨接觸線PH來(lái)實(shí)現(xiàn)后刀面刃磨。

(a) 平面前刀面刃磨原理示意圖 Plane rake face grindingprinciple diagram(b) 圓錐后刀面刃磨原理示意圖Conical flank face grindingprinciple diagram圖5 PCD微型球頭銑刀的磨削原理Fig. 5 Grinding principle of PCD micro ball end mill

刃磨線為PH時(shí)，砂輪的旋轉(zhuǎn)軸應(yīng)與PH和矢量T0正交，單位矢量N可以表示為式(5)，向量OdP、Nf、Nq、UPH和T0的表達(dá)式也可以由式(6)～式(9)表示[14]。

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

UPH=-cosα0·Nf-sinα0·Nq

(10)

將式(7)～(9)代入式(5)：

(11)

如圖5b,點(diǎn)G是PH的中點(diǎn), 則GOS⊥PH,GOS⊥N,PH⊥N, 因此，單位向量UGOS=UPH×N，OS為砂輪端面I的中心點(diǎn)，其坐標(biāo)表示如公式(12)所示：

(12)

將式(5)和式(12)代入公式(4)中：

(13)

(14)

在微細(xì)刀具刃磨過(guò)程中，砂輪的旋轉(zhuǎn)軸始終平行于YM軸，由此可得：

NMX=0，NMZ=0，Yh=LW1-L2

(15)

則機(jī)床A、W、X、Y和Z軸在刃磨后刀面接觸線時(shí)的位置為：

A=-υ=-arctan(-NYi/NXi)

(16)

W=-μ=-arctan(NZi/(NXi·cosυ-NYi·sinυ))

(17)

X=-L1+OSX·sinW·cosA+OSY·sinW·sinA+OSZ·cosW

(18)

(19)

Z=-L3-OSX·sinA+OSY·cosA

(20)

1.3 PCD微細(xì)球頭銑刀刃磨試驗(yàn)

刃磨試驗(yàn)均是在磨削油冷卻潤(rùn)滑條件下進(jìn)行。PCD微細(xì)球頭銑刀刃磨采用3因素3水平正交試驗(yàn)，具體試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 PCD微細(xì)球頭銑刀刃磨正交試驗(yàn)

刃磨過(guò)程中的主軸負(fù)載率通過(guò)機(jī)床自帶的主軸負(fù)載監(jiān)測(cè)(SLM)傳感系統(tǒng)監(jiān)測(cè)，刃磨結(jié)束后采用基恩士激光掃描顯微鏡(KEYENCE VK-X100)對(duì)前刀面粗糙度和刃口鈍圓半徑進(jìn)行測(cè)量，前刀面粗糙度測(cè)量過(guò)程如圖6所示。

圖6 前刀面粗糙度測(cè)量

2 PCD微細(xì)球頭銑刀刃磨工藝參數(shù)優(yōu)化分析

正交試驗(yàn)結(jié)果選取刃磨過(guò)程的主軸負(fù)載率、刀具前刀面表面粗糙度以及刃口鈍圓半徑作為優(yōu)化目標(biāo)，測(cè)量結(jié)果如表2所示。

表2 PCD微細(xì)球頭銑刀刃磨正交試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果用極差分析法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，確定出各個(gè)工藝參數(shù)對(duì)粗糙度、主軸負(fù)載率、鈍圓半徑影響的主次關(guān)系和試驗(yàn)范圍內(nèi)各工藝參數(shù)的最優(yōu)組合，其結(jié)果如表3所示。

刃磨表面粗糙度Ra均值隨每個(gè)因素的變化如圖7所示。由圖7可知：粗糙度隨著磨削速度增大而減小；隨著磨削深度增大，先減小后增大；隨著進(jìn)給速度增大，先減小后增大。

表3 極差分析結(jié)果

(a) 磨削速度的影響Effect of grinding speed(b) 磨削深度的影響Effect of grinding depth(c) 進(jìn)給速度對(duì)粗糙度的影響Effect of feed speed圖7 刃磨粗糙度正交試驗(yàn)直觀分析Fig. 7 Intuitive analysis of roughness in orthogonal test

刃磨主軸負(fù)載率(PSLM)均值隨每個(gè)因素的變化，如圖8所示。主軸負(fù)載率隨著磨削速度增大而增大；隨著磨削深度增大而增大；隨著進(jìn)給速度增大，變化不明顯。

刃口鈍圓半徑均值隨每個(gè)因素的變化如圖9所示。刃口鈍圓半徑隨著磨削速度增大，先減小后增大；鈍圓半徑隨著磨削深度增大而增大，隨著進(jìn)給速度增大，先增大后減小。

(a)磨削速度的影響Effect of grinding speed on SLM(b)磨削深度的影響Effect of grinding depth(c)進(jìn)給速度的影響Effect of feed speed圖8 主軸負(fù)載率PSLM正交試驗(yàn)直觀分析Fig. 8 Intuitive analysis of PSLM in orthogonal test

(a) 磨削速度的影響Effect of grinding speed(b) 磨削深度的影響 Effect of grinding depth(c) 進(jìn)給速度的影響Effect of feed speed圖9 刃口鈍圓半徑正交試驗(yàn)直觀分析Fig. 9 Intuitive analysis of cutting edge radius in orthogonal test

利用正交試驗(yàn)結(jié)果的極差，分析得出試驗(yàn)因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)影響的顯著程度，如圖10所示。從圖10可以看出，工藝參數(shù)對(duì)粗糙度的影響顯著程度為：磨削速度vs>進(jìn)給速度vf>磨削深度ap；工藝參數(shù)對(duì)主軸負(fù)載率PSLM的影響顯著程度為：磨削速度vs>磨削深度ap>進(jìn)給速度vf；工藝參數(shù)對(duì)鈍圓半徑的影響顯著程度為：磨削深度ap>進(jìn)給速度vf>磨削速度vs。

圖10 磨削工藝因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)影響極差圖

由表3工藝參數(shù)各水平下表面粗糙度、主軸負(fù)載以及鈍圓半徑的均值可知，表面粗糙度最小的工藝參數(shù)組合為：磨削速度為35 m/s，磨削深度為2 μm，進(jìn)給速度為30 mm/min；主軸負(fù)載最小的工藝參數(shù)組合為：磨削速度為15 m/s，磨削深度為1 μm，進(jìn)給速度為10 mm/min；鈍圓半徑最小的工藝參數(shù)組合為：磨削速度為15 m/s，磨削深度為1 μm，進(jìn)給速度為10 mm/min。由上文極差分析可知，磨削速度對(duì)粗糙度以及主軸負(fù)載的影響程度較高，且作用規(guī)律相反，因此選取磨削速度的中間水平值25 m/s可以獲得較低的表面粗糙度以及較小的主軸負(fù)載；由于磨削深度與進(jìn)給速度對(duì)鈍圓半徑的影響程度較為顯著，因此選取磨削深度為1 μm，進(jìn)給速度為10 mm/min可以獲得較小的刃口鈍圓半徑。因此，為獲得較小的刃口鈍圓半徑、較低的表面粗糙度以及主軸負(fù)載，確定了PCD微細(xì)球頭銑刀刃磨工藝參數(shù)組合為：磨削速度為25 m/s，磨削深度為1 μm，進(jìn)給速度為10 mm/min。

3 PCD微細(xì)球頭銑刀刃磨試驗(yàn)結(jié)果

選用優(yōu)化后的刃磨工藝參數(shù)進(jìn)行PCD微細(xì)球頭銑刀刃磨試驗(yàn)，將刃磨后的刀具在超聲清洗機(jī)中用酒精清洗5 min，然后在基恩士激光掃描顯微鏡(KEYENCE VK-X100)上對(duì)刃磨后的PCD微細(xì)球頭銑刀(φ0.5 mm)幾何形狀及刃口鈍圓半徑等參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，刃磨后的PCD微細(xì)球頭銑刀球頭部分形貌如圖11所示，刀具幾何參數(shù)測(cè)量結(jié)果如表4所示。

圖11 PCD微細(xì)球頭銑刀球頭部分形貌

表4 刀具幾何參數(shù)測(cè)量結(jié)果

由表4可知：PCD微細(xì)銑刀刃磨后的直徑誤差小于4.00 μm，刀具鈍圓半徑4.519 μm，刀具角度誤差小于1.00°；從圖10可以看出：PCD微細(xì)球頭銑刀刃口質(zhì)量完整，無(wú)明顯刃磨損傷缺陷，前后刀面表面質(zhì)量較好。這說(shuō)明采用優(yōu)化的刃磨工藝參數(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)PCD微細(xì)球頭銑刀的高質(zhì)量刃磨。

4 結(jié)論

針對(duì)PCD微細(xì)球頭銑刀刃磨質(zhì)量控制問(wèn)題，建立PCD微細(xì)球頭銑刀刃磨原理數(shù)學(xué)模型，開展刃磨工藝正交試驗(yàn)，探究刃磨工藝參數(shù)對(duì)PCD微細(xì)球頭銑刀前刀面粗糙度、鈍圓半徑以及主軸負(fù)載率的影響規(guī)律，從而優(yōu)化了刃磨工藝參數(shù)；根據(jù)優(yōu)化的刃磨工藝參數(shù)，開展PCD微細(xì)球頭銑刀刃磨試驗(yàn)，并對(duì)刃磨的銑刀進(jìn)行測(cè)量評(píng)價(jià)，得出以下結(jié)論：

(1)PCD磨削工藝參數(shù)對(duì)粗糙度影響的顯著程度為：磨削速度vs>進(jìn)給速度vf>磨削深度ap；PCD磨削工藝參數(shù)對(duì)主軸負(fù)載率PSLM的影響的顯著程度為：磨削速度vs>磨削深度ap>進(jìn)給速度vf；PCD磨削工藝參數(shù)對(duì)鈍圓半徑的影響的顯著程度為：磨削深度ap>進(jìn)給速度vf>磨削速度vs。

(2)為了獲得較高表面質(zhì)量和鋒利刃口的球頭銑刀，綜合考慮磨削工藝參數(shù)對(duì)表面質(zhì)量、主軸負(fù)載率及刃口鈍圓半徑的影響，確定了刃磨最優(yōu)工藝參數(shù)組合為：磨削速度為25 m/s，磨削深度為1 μm，進(jìn)給速度為10 mm/min。

(3)采用優(yōu)化后的刃磨工藝參數(shù)，對(duì)PCD微細(xì)球頭銑刀進(jìn)行刃磨，結(jié)果顯示：PCD微細(xì)銑刀刃磨后直徑誤差小于4.00 μm，刀具鈍圓半徑為4.519 μm，刀具角度誤差小于1.00°。PCD微細(xì)銑刀刃磨刃口質(zhì)量完整，無(wú)明顯刃磨損傷缺陷，前后刀面表面質(zhì)量較好。