摘要:
      為了實現(xiàn)鈦合金的環(huán)保型干切削，采用微修銳微修整的微細金剛石砂輪尖端，在硬質(zhì)合金刀具表面加工出深度約155 μm,輪廓精度PV值約為7.8 μm和尖端半徑約為45.6μm的V槽陣列結(jié)構(gòu)，研制出干切削的微結(jié)構(gòu)表面化刀具。硬質(zhì)合金表面的微結(jié)構(gòu)陣列可以再干切削中快速排屑排熱。研究結(jié)果顯示，切削的微結(jié)構(gòu)表面化刀具與傳統(tǒng)平刀相比干切削時沒有加工火花，斷屑，刀具磨損可以降低約14%。而且，在三角刀前刀面上加工出50μm以下的微結(jié)構(gòu)陣列，發(fā)現(xiàn)在鈦合金干切中可降低刀面溫度約120°，降幅約40%，切削力也下降約48%。

關(guān)鍵詞:微磨削，微結(jié)構(gòu)面化刀具，干切削，鈦合金

1. 前言
      鈦合金是比強度很高的難加工材料。當切削速度超過4 m/s，切削區(qū)溫度快速增高，刀具快速磨損[1]。通常，通過加冷卻液和工具表面鍍膜等方法提高刀具壽命，但是存在環(huán)保不友好、制作效率低等問題。

      最近研究發(fā)現(xiàn)，在鈦合金濕切削中刀真表面加工出深2.2 μm、間距10μm的微溝槽陣列可以改善加工特性[2]。而且，在銑刀后刀面加工出寬4.5μm,深7.5μm and間距4.5μm的微結(jié)構(gòu)陣列可以較大幅度低減小模具鋼(HRC 37-43)的濕切削力[3]。在鋁合金濕切削時采用寬50μm、深100-200 nm的微結(jié)構(gòu)表面化刀具可以降低前刀面的粘連力，但干切削時卻增加粘連力[4].

      目前的微結(jié)構(gòu)表面化刀具主要采用飛秒激光加工、離子束加工、化學蝕刻加工等方法，但這些方法會帶來加工成本高、效率低、加工精度無法控制、腐蝕液體難處理等問題。
因此，開發(fā)出數(shù)控對磨修整技術(shù)，將微細金剛石砂輪修整成V形尖端，可以在高硬度的硬質(zhì)合金刀具表面加工出高精度的微溝槽，形成微結(jié)構(gòu)表面。探素高精度的微結(jié)構(gòu)表面化刀具在鈦合金干切削的應(yīng)用效果。

2.微結(jié)構(gòu)表面化刀具的微磨削制作方法

      圖1為金剛石砂輪微細尖端制作及干切削應(yīng)用。首先，微細金剛石砂輪沿著交叉V形數(shù)控軌跡與修整工具對磨，最終逐漸形成V形尖端[5,6]。其修整特點是修整工具的初始形狀可以為任意，修整工藝簡單，控制數(shù)控行走軌跡角度t就可以加工出任意砂輪V形尖端角度，可進行柔性修整。然后，在刀具前刀面上加工出微溝槽陣列結(jié)構(gòu)，最后用其微結(jié)構(gòu)表面化刀具進行鈦合金干車削實驗。

      在微結(jié)構(gòu)表面化工具的制作中，采用修整的金剛石砂輪V形尖端在數(shù)控系統(tǒng)中沿著預先設(shè)計出的行走軌跡對刀具的前刀面進行微溝槽陣列加工。微溝槽的深度約為155 μm，輪廓精度PV值約為7.8μm和尖端半徑約為45.6 μm，角度80.25°以及間距400 μm微加工條件如表1所示

2.微磨削的關(guān)鍵技術(shù)

      圖3為金剛石砂輪微細尖端的微磨粒出刃形貌?？梢园l(fā)現(xiàn)，粗修整后會產(chǎn)生磨粒的破碎和脫落。但是，精修整后金剛石砂輪尖端的微磨粒出刃完整且鋒銳[6]，可以在微磨削中產(chǎn)生更完整的微結(jié)構(gòu)形貌[5]。因此，微細金剛石砂輪的V形尖端上的磨粒出刃狀況是實現(xiàn)微結(jié)構(gòu)成型磨削的關(guān)鍵。


      圖4為微磨削加工的微結(jié)構(gòu)化表面特征形貌(SEM)?？梢钥闯?，該微磨削技術(shù)可以在硬質(zhì)合金刀具表面加工出完整的微結(jié)構(gòu)化特征形貌。而且，微結(jié)構(gòu)表面光滑，且邊角無毛刺。在鈦合金干切中，僅采用微溝槽結(jié)構(gòu)表面化刀具，但不采用微錐塔結(jié)構(gòu)表面化刀具，這是因為刀具刃邊上的微錐塔結(jié)構(gòu)剛性不好，容易磨損。


3.鈦合金的干切削性能

      在鈦合金(Ti一6A1一4V)干車削實驗中，采用微結(jié)構(gòu)表面化刀具與傳統(tǒng)平面刀具進行對比試驗。仔干車削中，刀具的幾何參數(shù)為:前角7°，后角7°，主切削角50°，附切削角50°，刀具傾斜角0°以及刀尖弧半徑0.4mm。其他車削條件如表2所示。

      圖5為微磨削制作后的微結(jié)構(gòu)表面化刀具及其實驗對比?？梢钥吹?，刀具前刀面的微結(jié)構(gòu)表面化表面可以起到排屑、排熱等功能，在鈦合金干車削中與傳統(tǒng)平面刀具相比，微切削火花，切削連續(xù)性好[6]。其中，主要原因是因為微溝槽陣列方向是沿著切屑流動方向設(shè)計的，可以加快排屑、排熱。

      圖6為鈦合金干車削的刀具磨損、表面粗糙度和切削尺寸?？梢园l(fā)現(xiàn)，微結(jié)構(gòu)表面化刀具的前刀面和后刀面刀具磨損與傳統(tǒng)平面刀具都能提高約15%[6]。雖然微結(jié)構(gòu)表面化刀具的表面粗糙度增大，但其表面質(zhì)量均勻性被提高，而且加工表面有較少的顫波紋。此外，切屑長度和寬度分別減少約50%和約80%。這些表明，微結(jié)構(gòu)表面化刀具與傳統(tǒng)平面刀具相比不僅刀具磨損小，而且加工狀態(tài)比較穩(wěn)定。

      圖7為采用三角刀干車削鈦合金的刀具溫度和切削力。刀具溫度采用熱電偶測溫方法，測量點為前刀面尖端的lmm處。切削力微干切削中的三個分力的合力?？梢园l(fā)現(xiàn)，微結(jié)構(gòu)表面化的三角刀具與傳統(tǒng)平面刀具先比可以降低刀具溫度120°左右，下降了約40%;切削力也可以下降了約48%。

圖5微結(jié)構(gòu)表面化刀具及其鈦合金干切削后的刀具表面特征
圖6微結(jié)構(gòu)表面化刀具千切削鈦合金的刀具磨損、表面粗糙度和切屑尺寸
圖7采用微結(jié)構(gòu)表面化三角刀具干切削鈦合金干的刀具溫度和切削力

4結(jié)論

      (1).采用微修整技術(shù)可以制作出金剛石砂輪V形端，用于硬質(zhì)合金刀具表面的微結(jié)構(gòu)化陣列成型加工，加工表面光滑，且邊角處沒有毛刺;

      (2).刀具前刀面布置有微溝槽結(jié)構(gòu)陣列可以有利于排屑和排熱;

      (3).在鈦合金干切削中，微結(jié)構(gòu)表面化刀具與傳統(tǒng)平面刀具相比加工過程中無切削火花且斷屑，刀具磨損可減小約14%;

      (4)微結(jié)構(gòu)表面化的三角刀具與傳統(tǒng)平面刀具先比可以使刀具溫度下降了約40%，切削力下降了約48%。

參考文獻略（詳見2012先進制造工藝與刀具技術(shù)研討會會刊）

作者簡介：
      謝晉 博士 教授 博導:華南理工大學和械與汽車工程學院

      謝晉博士，教授。從事微細、精密和鏡面微磨削技術(shù)研發(fā)，用于光電芯片微制造、微結(jié)構(gòu)表面化刀具研制等。已獲得日本砒粒加工學會GPB文賞(2004)和廣東省科技進步一等獎(2010)。發(fā)表論文近60篇，其中SCI論文19篇。