一种超硬材料刀具表面凹坑微织构纹理的新型加工方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及机械加工领域，具体的说是一种超硬材料刀具表面凹坑微织构纹理的 新型加工方法。
【背景技术】
[0002] 刀具材料及其刃磨品质是决定高速切削加工效率、质量和成本的关键因素之一。 加工过程尤其高速切削过程中刀具的磨损不可避免，是刀具失效的主要原因之一，因此提 高硬度和耐磨性是现代高效绿色加工对刀具的要求。以F^D (Polycrystalline Diamond，聚 晶金刚石）为代表的超硬材料具备极高的硬度和耐磨性，可以提高刀具的品质，但超硬材 料本身具备的高硬度及耐磨性的特点使得这类刀具的高效精密刃磨非常困难，其刃磨品质 直接决定着刀具的寿命及机加工的精度。而现代摩擦学和仿生学证实具有一定非光滑形态 的高性能的表面织构具有更好的抗磨减摩性能。因此除了材料本身的性能，刀具抗磨减摩 空间的提升还可以通过在其切削面加工出具有一定形貌的表面织构来实现。因此，一种新 型的超硬材料刀具表面凹坑织构纹理加工方法的提出就具有很重要的工程实用意义。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的在于提供一种超硬材料刀具表面凹坑微织构纹理的新型加工方法， 它能够提高刀具表面凹坑微织构纹理的加工效率和品质。
[0004] 所述超声振动-电火花-磨削复合加工平台，整体由大理石底座1、X-Y工作台2、 Z轴进给电机3、Z轴旋转电机4、X轴进给电机5、Y轴进给电机6组成；大理石底座1固定 在工作台上，X-Y工作台2通过伺服电机控制，实现X-Y轴的平面运动；Z轴进给电机3通过 上下移动，实现加工装置中电极丝的进给；Z轴旋转电机4通过超声振动电源的脉冲控制， 实现加工过程的电极丝的振动、旋转；X轴进给电机5、Y轴进给电机6通过伺服电机控制实 现X轴方向、Y轴方向的直线进给。
[0005] 第一阶段效率驱动阶段，即加工初始阶段，在这一阶段选取大的放电规准及磨削 参数，去除大部分的材料加工余量，提高刃磨效率。 /^1. U71rf2. 5D8
[0006] 在电火花加工中，材料的去除率公式为：= (3'电火花放电脉 宽：td= (3~5)RiC2，脉间：tp=5rC2。在第一阶段加工中，根据不同型号的电火花加工机 床选取比较大的开路电压U，以及较大的脉宽td和较小的脉间t p。若脉冲电源为HELI-50A 型脉冲电源，其脉宽范围为1~2000以8，脉间为1~500以8，输出电压为100￥-30(^， 最大输出电流为40A，则在加工中选取的电参数：开路电压U应在250~300V，脉宽、为 100~200 μ s，脉间tp为10~50 μ s，保证脉冲周期T = t d+tp较小。磨削时材料去除率为： I? = A 在电火花加工过程中，主要材料去除加工工序为电火花加工，磨削作为 辅助工序去除材料，在这一阶段增加旋转主轴的转速η。
[0007] 第二阶段，精度驱动阶段，本阶段以磨削为主，去除大规准电火花粗加工表面产生 的变质层及显微裂纹，得到精准的刀具几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,因此在本阶段应当选取较小的加工速度V。和切削力F z。
[0008] 第三阶段，微坑织构驱动阶段，在精加工阶段已经获得了刀具的几何尺寸及光洁 的切削刀面，在本阶段主要采取微能脉冲放电与超声振动结合的方式进行表面改性，形成 微织构（沟槽、微坑、凸点、凹坑等）结构。微能脉冲放电在刀具表面蚀除密布的小凹坑，超 声振动起到改善间隙放电状态及凹坑形貌的作用。在加工好的硬质合金刀具刀尖处的微织 构中，填充固体润滑剂（例如MoS2等），这样硬质和合金刀具在机加工过程中的耐磨性及对 被加工工件的表面光滑度和质量都有很大提高。正交切削实验表明，其耐磨程度比普通硬 质合金刀具增加3-4倍。
[0009] 本发明一种超硬材料刀具表面凹坑微织构纹理的新型加工方法的优点是：在加工 过程中以效率和表面微织构双重目标驱动，在不同的加工阶段选用不同的加工参数，采用 不同的加工方式，可以得到更高品质的刀具。由于本方法的以上优点，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质。
【附图说明】
[0010] 图1是超声振动-电火花-磨削复合加工平台。
[0011] 图2是超声振动-电火花-磨削复合加工平台操作流程图。
[0012] 图3是超硬材料刀具表面凹坑微织构纹理驱动路线图。
[0013] 图中：1、大理石底座，2、Χ_Υ工作台，3、Z轴进给电机，4、Z轴旋转电机，5、X轴进给 电机，6、Y轴进给电机。
【具体实施方式】
[0014] 下面对本发明的【具体实施方式】进行详细的说明：
[0015] 本发明是针对超硬材料刀具表面凹坑微织构纹理加工的一种方法，采用的加工平 台为超声振动-电火花-磨削复合加工平台。在加工过程中，将加工分为三个加工阶段：
[0016] 第一阶段是初始加工阶段，在本阶段以效率驱动，采用大规准的放电规则和磨削 参数，取出大量的加工余量，提高加工效率。
[0017] 第二阶段为精加工阶段，在本阶段以精度驱动，本阶段主要采用磨削加工方式，去 除大规准电火花粗加工表面产生的变质层及显微裂纹，得到精准的刀具几何尺寸及光滑的 切削刀面。
[0018] 第三阶段表面改性处理阶段，在本阶段以微坑织构驱动，在精加工阶段已经获得 了刀具的几何尺寸及光洁的切削刀面，在本阶段主要采取微能脉冲放电与超声振动结合的 方式进行表面改性，形成微织构结构。微能脉冲放电在刀具表面蚀除密布的小凹坑，超声振 动起到改善间隙放电状态及凹坑形貌的作用。
【主权项】
1. 超声振动-电火花-磨削复合加工平台，其特征在于：该加工平台整体由大理石底 座⑴、X-Y工作台（2)、Z轴进给电机（3)、Z轴旋转电机⑷、X轴进给电机（5)、Y轴进给 电机（6)组成；大理石底座（1)固定在工作台上，X-Y工作台（2)通过伺服电机控制，实现 X-Y轴的平面运动；Z轴进给电机（3)通过上下移动，实现加工装置中电极丝的进给；Z轴旋 转电机（4)通过超声振动电源的脉冲控制，实现加工过程的电极丝的振动、旋转；X轴进给 电机（5)、Y轴进给电机（6)通过伺服电机控制实现X轴方向、Y轴方向的直线进给。
2. -种超硬材料刀具表面凹坑微织构纹理的新型加工方法，其特征在于：该方法包括 下述步骤， 第一阶段效率驱动阶段，即加工初始阶段，在这ー阶段选取大的放电规准及磨削參数， 去除大部分的材料加工余量，提高刃磨效率； 在电火花加工中，材料的去除率公式为：
'电火花放电脉宽： td= (3~5)R1C2，脉间：tp= 5rC2;在第一阶段加工中，根据不同型号的电火花加工机床 选取比较大的开路电压U，以及较大的脉宽td和较小的脉间tp;若脉冲电源为HELI-50A 型脉冲电源，其脉宽范围为1~2000ys，脉间为1~500ys，输出电压为100V-300V， 最大输出电流为40A，则在加工中选取的电參数：开路电压U应在250~300V，脉宽ん为 100~200ys，脉间tp为10~50ys，保证脉冲周期T=td+tp较小；磨削时材料去除率为：
在电火花加工过程中，主要材料去除加工エ序为电火花加工，磨削作为 辅助エ序去除材料，在这ー阶段増加旋转主轴的转速n; 第二阶段，精度驱动阶段，本阶段以磨削为主，去除大规准电火花粗加工表面产生的变 质层及显微裂纹，得到精准的刀具几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,因此在本阶段应当选取较小的加工速度V。和切削力Fz; 第三阶段，微坑织构驱动阶段，在精加工阶段已经获得了刀具的几何尺寸及光洁的切 削刀面，在本阶段主要采取微能脉冲放电与超声振动结合的方式进行表面改性，形成微织 构结构；微能脉冲放电在刀具表面蚀除密布的小凹坑，超声振动起到改善间隙放电状态及 凹坑形貌的作用；在加工好的硬质合金刀具刀尖处的微织构中，填充固体润滑剂，这样硬质 和合金刀具在机加工过程中的耐磨性及对被加工エ件的表面光滑度和质量都有很大提高； 正交切削实验表明，其耐磨程度比普通硬质合金刀具増加3-4倍。
【专利摘要】一种超硬材料刀具表面凹坑微织构纹理的新型加工方法，第一阶段效率驱动阶段，即加工初始阶段，在这一阶段选取大的放电规准及磨削参数，去除大部分的材料加工余量，提高刃磨效率。第二阶段，精度驱动阶段，本阶段以磨削为主，去除大规准电火花粗加工表面产生的变质层及显微裂纹，得到精准的刀具几何尺寸及光滑的切削刀面；第三阶段，在本阶段主要采取微能脉冲放电与超声振动结合的方式进行表面改性，形成微织构结构。微能脉冲放电在刀具表面蚀除密布的小凹坑，超声振动起到改善间隙放电状态及凹坑形貌的作用。在加工好的硬质合金刀具刀尖处的微织构中，填充固体润滑剂。正交切削实验表明，其耐磨程度比普通硬质合金刀具增加3-4倍。
【IPC分类】B23H7-38, B23H5-04
【公开号】CN104625265
【申请号】CN201410823133
【发明人】徐明刚, 马小林, 刘瑛, 李玏一, 张从鹏, 王莉, 张振, 黄文勇
【申请人】北方工业大学
【公开日】2015年5月20日
【申请日】2014年12月24日