摘要:
      為了實現鈦合金的環保型干切削，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槽陣列結構，研制出干切削的微結構表面化刀具。硬質合金表面的微結構陣列可以再干切削中快速排屑排熱。研究結果顯示，切削的微結構表面化刀具與傳統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以下的微結構陣列，發現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%。

關鍵詞:微磨削，微結構面化刀具，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，但是存在環保不友好、制作效率低等問題。

      最近研究發現，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的微結構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的微結構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].

      目前的微結構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，開發出數控對磨修整技術，將微細金剛石砂輪修整成V形尖端，可以在高硬度的硬質合金刀具表面加工出高精度的微溝槽，形成微結構表面。探素高精度的微結構表面化刀具在鈦合金干切削的應用效果。

2.微結構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用。首先，微細金剛石砂輪沿著交叉V形數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構，最后用其微結構表面化刀具進行鈦合金干車削實驗。

      在微結構表面化工具的制作中，采用修整的金剛石砂輪V形尖端在數控系統中沿著預先設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.微磨削的關鍵技術

      圖3為金剛石砂輪微細尖端的微磨粒出刃形貌?？梢园l現，粗修整后會產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]，可以在微磨削中產生更完整的微結構形貌[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微結構成型磨削的關鍵。


      圖4為微磨削加工的微結構化表面特征形貌(SEM)?？梢钥闯?，該微磨削技術可以在硬質合金刀具表面加工出完整的微結構化特征形貌。而且，微結構表面光滑，且邊角無毛刺。在鈦合金干切中，僅采用微溝槽結構表面化刀具，但不采用微錐塔結構表面化刀具，這是因為刀具刃邊上的微錐塔結構剛性不好，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，采用微結構表面化刀具與傳統平面刀具進行對比試驗。仔干車削中，刀具的幾何參數為: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構表面化刀具及其實驗對比?？梢钥吹?，刀具前刀面的微結構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平面刀具相比，微切削火花，切削連續性好[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現，微結構表面化刀具的前刀面和后刀面刀具磨損與傳統平面刀具都能提高約15%[6]。雖然微結構表面化刀具的表面粗糙度增大，但其表面質量均勻性被提高，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，微結構表面化刀具與傳統平面刀具相比不僅刀具磨損小，而且加工狀態比較穩定。

      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。可以發現，微結構表面化的三角刀具與傳統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微結構表面化刀具及其鈦合金干切削后的刀具表面特征
圖6微結構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采用微結構表面化三角刀具干切削鈦合金干的刀具溫度和切削力

4結論

      (1).采用微修整技術可以制作出金剛石砂輪V形端，用于硬質合金刀具表面的微結構化陣列成型加工，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構陣列可以有利于排屑和排熱;

      (3).在鈦合金干切削中，微結構表面化刀具與傳統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)微結構表面化的三角刀具與傳統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研發，用于光電芯片微制造、微結構表面化刀具研制等。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)。發表論文近60篇，其中SCI論文19篇。