0 引言
微细铣削加工作为一种微细加工技术，因其具有加工精度高、加工效率高、三维加工能力强、加工工件材料范围广等特点，已受到越来越多的关注[1-3]。近年来，随着科技的不断进步，在航空航天、机械、生物医药等行业对微小型零件有更高的精度需求，因此对目前的微细铣削加工技术提出了更高效、更经济、更精密的要求[4]。
微铣削刀具尺寸的减小，导致微细铣削工艺和传统的铣削工艺两者的差别较大。微铣削过程中通常会遇到表面质量差、表面毛刺严重、刀具磨损迅速且易断裂等问题[5-8]。涂层刀具具有较高的耐磨性、较好的高温抗氧化性、良好的切削性能等优点，广泛应用于微细铣削加工领域[9]。 ASLANTAS等[10]研究了直径508 μm的纳米金刚石(NCD)涂层和其他涂层刀具以及未涂层硬质合金刀具在Ti6Al4V合金微铣削中的切削性能，探究了涂层类型和加工条件对刀具磨损、切削力、表面粗糙度和毛边尺寸的影响。LU等[11]研究了直径300 μm的涂层硬质合金刀具铣削Inconel 718合金时刀具磨损形貌及失效机理，发现刀具的主要失效形式是刀尖断裂、前角和侧面的涂层脱落，刀具磨损的主要原因是黏着磨损、扩散磨损和氧化磨损的综合作用。THEPSONTHI等[12]研究了直径508 μm的CBN涂层刀具在Ti-6Al-4V钛合金铣削加工中的表现，结果表明，在刀具磨损和切削温度方面，CBN涂层硬质合金刀具均优于未涂层硬质合金刀具。
目前对微铣削涂层刀具性能的研究主要集中在直径100 μm以上的螺旋铣刀，鲜见采用直径100 μm及以下的涂层D形微铣刀开展铣削性能的研究。在加工尺寸不断减小的微细铣削加工中，相比于传统螺旋状铣刀，简单形状的D形铣刀具有更高的抗弯刚度和强度[13-14]。为进一步研究更小尺寸刀具的铣削性能，本文采用自主研发的μEM-200CDS2组合高精度加工机床[15]，制作出直径50 μm级的硬质合金D形微铣刀，在此基础上通过真空镀膜制备出金刚石涂层硬质合金铣刀。为了掌握该涂层刀具的铣削性能，采用纯铜工件作为试件材料，进行涂层和未涂层硬质合金铣刀的工艺对比试验，通过刀具磨损、加工表面质量、生成毛刺等方面对比了金刚石涂层铣刀和未涂层铣刀的铣削性能，从而对金刚石涂层硬质合金刀具的涂层效果进行评价，进一步推动金刚石薄膜涂层材料在硬质合金刀具中的应用。
1 试验装置及铣削方案
试验采用线电极电火花磨削技术(wire electro-discharge grinding，WEDG)制备直径为50 μm级的D形硬质合金铣刀。图1为利用高速空气涡轮主轴微细电火花制备φ50 μm级的D形硬质合金铣刀以及实现在位铣削加工图。试验中，刀具毛坯装夹在高速主轴上，采用WEDG技术完成铣刀的制备，然后进行铣削试验，其中Z轴的最小直线进给量为0.1 μm，主轴径向跳动精度为1 μm。制备的D形铣刀示意图见图2，其主要特征如下：刀柄直径D1=3 mm，刀头直径d=0.05 mm，刀尖长度L1=0.15 mm，铣刀总长L=30 mm，刀颈半锥角β=15°，主切削刃与底切削刃前角α=0°，底切削刃后角θ=20°，刃倾角γ=20°，涂层的厚度为1 μm。测得最终制备的未涂层刀具直径为50 μm，涂层刀具直径为56 μm。
(a) 基于WEDG的微铣刀在位制备
(b) 微铣刀铣削加工铜工件
图1 μEM-200CDS2机床微铣刀制备及在位微铣削加工
Fig.1 Micro-milling cutter fabrication and on-machine
micro-milling processing of μEM-200CDS2 machine tool
图2 刀具形状示意图
Fig.2 Tool shape diagram
试验中采用超细晶粒硬质合金(晶粒度为0.4 μm)作为微铣刀的材料，该材料具有较高的硬度、耐磨性与抗弯刚度。表1所示为硬质合金和金刚石涂层材料的主要参数。
表1 材料参数
Tab.1 Material parameters
硬质合金金刚石涂层密度ρ(g/cm3)14.404.3弹性模量E(GPa)800890泊松比μ0.220.07硬度HV(MPa)1 90010 000晶粒度Zv(μm)0.40.5Co质量分数(%)915抗弯强度σb(MPa)4 0001 500
如图3所示，采用涂层和未涂层微铣刀在铜工件表面铣削微直槽。加工中采用油液润滑，以相同铣削参数进行两组不同刀具试验，每组铣削5个直槽，每次铣削深度h为0.002 mm，进给5次，总共铣削深度H2为0.01 mm。每个微槽长度L2为3 mm，实现了15 mm的铣削长度。试验中的铣削加工参数如表2所示。利用超声波清洗机对被加工表面进行清洗，采用白光干涉仪测量进给方向槽底的表面粗糙度Ra，扫描电镜观察微槽表面形貌。
图3 微铣削加工过程
Fig.3 Micro-milling Process
表2 铣削加工参数
Tab.2 Milling parameters
涂层未涂层主轴转速n(r/min)150 000150 000每齿进给量fz(μm)0.020.02切深ap(mm)0.0020.002冲液速度v(mm/s)100100
2 试验结果与讨论
2.1 微槽形貌
图4所示为使用超景深显微镜对微槽进行测量的结果。采用金刚石涂层铣刀铣削时，第一个微槽具有较为清晰的底面，随着铣削距离增大，槽侧壁残留局部未切断的切屑，导致微槽底部残留两条直线痕迹；铣削5槽时，微槽底部在刀具进给方向上残留较多的切屑，降低了微槽的表面质量。采用未涂层刀具铣削时，微槽底部有明显的刀具的旋转轨迹纹路。随着铣削距离的增大，刀具不断磨损，刀尖半径逐渐增大，导致每次进给残留刀具纹路宽度也在逐渐增大，刀具轨迹纹路越来越明显。
通过扫描电镜观察微槽表面毛刺情况，如图5a所示，未涂层刀具铣削的微槽表面具有较多的表面毛刺，且主要集中在顺铣侧。由于铣刀的不断前进，导致硬质合金刀具磨损，刀尖半径增大，使得刀具对工件侧边挤压，部分材料在塑性变形条件下往上表面运动，在逆铣侧时切除部分切屑，但大部分材料会顺着前刀面进入切削终端，然后在顺铣侧发生弯曲和断裂，产生较大的毛刺并滞留在顺铣侧，导致顺铣侧毛刺多于逆铣侧。图5b所示为涂层刀具铣削的微槽，由于有金刚石涂层的保护，降低了刀具磨损，有效地保持了刀尖半径并切除工件材料，从而形成较为平整的表面。
(a) 涂层刀具加工1槽
(b) 涂层刀具加工3槽
(c) 涂层刀具加工5槽
(d) 未涂层刀具加工1槽
(e) 未涂层刀具加工3槽
(f) 未涂层刀具加工5槽
图4 超景深显微镜拍摄微槽三维形貌
Fig.4 Three-dimensional morphology of micro-groove
captured by ultra-depth-of-field microscope
(a) 未涂层刀具铣削直槽
(b) 涂层刀具铣削直槽
图5 微槽微观形貌
Fig.5 Micro-groove morphology
图6a所示为微槽宽度随铣削距离变化情况。铣削距离为2 mm时，未涂层刀具铣削的微槽宽度为51.2 μm，涂层刀具铣削的微槽宽度为56.8 μm。铣削距离为8 mm时，未涂层刀具铣削的微槽宽度上升至57.9 μm，涂层刀具铣削的微槽宽度基本无变化。铣削距离为14 mm时，未涂层刀具铣削的微槽宽度达到最大值，为58.8 μm；涂层刀具铣削的微槽宽度达到最小值，为53.7 μm。图6b所示为微槽深度随铣削距离变化情况，铣削距离为2 mm时，未涂层刀具铣削的微槽深度为7.6 μm，涂层刀具铣削的微槽深度为8.5 μm。铣削距离为8 mm时，未涂层刀具铣削的微槽深度下降至6.9 μm，涂层刀具铣削的微槽深度下降至8 μm。铣削距离为14 mm时，未涂层刀具铣削的微槽深度达到最小值，为5.8 μm，涂层刀具铣削的微槽深度达到最小值，为5.6 μm。可以看出，采用涂层刀具加工的微槽在8 mm内能够很好地保持槽的宽度和深度，但在铣削距离进一步增加时，微槽的宽度和深度两者都会急剧下降。
图7a所示为未涂层刀具铣削微槽的侧面轮廓，铣削的1槽槽底在顺铣削深度方向较深，槽底呈圆弧形状，侧壁倾角较小，随着铣削距离的增大，微槽深度不断减小，槽底表面趋于水平，微槽的侧壁倾角不断增大。图7b所示为涂层刀具铣削微槽的侧面轮廓，铣削的1槽具有比较平整的微槽底面，槽的侧壁也相对垂直，随着铣削距离的增大，微槽深度有所减小，槽底逐渐呈圆弧状，侧壁也逐渐倾斜，但整体变化较小。可以看出，相比于未涂层刀具，涂层刀具加工的微槽具有较为理想的槽底和垂直的侧壁。
(a) 微槽宽度随铣削距离的变化
(b) 微槽深度随铣削距离的变化
图6 微槽宽度和深度随铣削距离的变化
Fig.6 Variation of micro-groove width and
depth with milling distance
(a) 未涂层刀具
(b) 涂层刀具
图7 微槽侧面轮廓
Fig.7 Micro-groove profile
图8所示为采用扫描电镜拍摄的涂层刀具磨损情况。加工后刀尖磨损严重，底部已磨平，由图8b可以看出，刀具底部在有磨损和未磨损之间有明显的分界线。结合图7b和图8可以看出，由于涂层的保护，在铣削1槽时，铣刀能够保持较小的刀尖半径，从而能够有效地切除工件材料，使得微槽的轮廓近似为一个矩形。随着铣削距离的增大，刀尖涂层逐渐脱落，刀尖磨损不断加剧，刀尖半径增大，增加刀具底部和工件接触面积，使得铣刀实际加工深度不断减小；并且槽底涂层未脱落区域磨损较慢，涂层脱落区域磨损较快，使得在主切削刃方向上磨损最多，导致刀具底部形成一定的弧度，并在铣削工件时，将铣刀刀尖磨损形状复制在槽里，使得侧壁逐渐倾斜，且呈现为圆弧状。
(a) 500×
(b) 1 000×
图8 扫描电镜下加工后涂层刀具
Fig.8 Coated tool after machining under
scanning electron microscope
2.2 微槽槽底表面质量
采用白光干涉仪测量槽底表面粗糙度，如图9所示。当铣削距离X=2 mm时，未涂层刀具铣削的微槽槽底表面粗糙度Ra=58 nm，涂层刀具铣削的微槽槽底粗糙度Ra=28 nm。随着铣削距离的不断增加，未涂层刀具铣削的微槽槽底表面粗糙度Ra以线性上升趋势不断增大，并在铣削距离X=15 mm时，表面粗糙度Ra达到最大值91 nm；涂层刀具铣削的微槽槽底表面粗糙度Ra基本稳定在30 nm左右，当铣削距离X=13 mm时，表面粗糙度Ra急剧上升，并在距离X=15mm时达到最大值110 nm。
图9 加工的槽底表面粗糙度值
Fig.9 Surface roughness of machined-groove bottom
经过分析，由于涂层刀具受到金刚石涂层的保护，能够保持刀尖形状，降低刀尖磨损，使得铣削微槽的槽底更加清晰，铣削距离X在12 mm内保持稳定的表面粗糙度值；未涂层刀具铣削的微槽槽底刀具轨迹纹路较为明显，因此在铣削距离X=2 mm时，其表面粗糙度值是涂层刀具的两倍。随着铣削距离不断增加，由于未涂层刀具材料有较好的一致性，使得刀尖以稳定的速度在不断磨损，并且微槽表面粗糙度也在持续增长；在铣削距离X=12 mm后，涂层材料在刀尖部分不断脱落，而刀具本身的硬质合金材料的硬度远低于金刚石涂层，从而加剧了刀尖的磨损，由于涂层未磨损区域磨损量较小，从而使得刀刃底部呈圆弧状，使得表面粗糙度急剧增大，且高于未涂层刀具加工的表面粗糙度。可以看出，采用涂层刀具铣削的微槽槽底在铣削距离X在12 mm内时具有较好的槽底形貌、较低的表面粗糙度值以及较好的表面质量。
3 结论
本文研究了金刚石涂层对直径50 μm级的D形微铣刀铣削性能的影响，观测并分析了纯铜工件上铣削的微槽的表面形貌、刀具磨损以及表面毛刺的变化规律，从而可以了解涂层刀具在微铣削加工中的优势。主要结论如下：
(1)涂层刀具比未涂层刀具更耐磨损，铣削距离为8 mm内，涂层刀具加工的微槽槽宽和深度下降平缓；未涂层刀具加工的微槽深度随着铣削距离的增加而急剧下降，最终导致刀具断裂。
(2)涂层刀具加工的微槽具有较少毛刺，未涂层刀具加工微槽的毛刺较多，并且集中在顺铣测。
(3)相比于未涂层刀具，涂层刀具加工的微槽具有较好的槽型保持能力。槽型初始近似为矩形，随着铣削距离的增加，刀尖不断磨损，5槽槽底逐渐呈圆弧状。
(4)涂层刀具加工的微槽底部具有较小的表面粗糙度值，并且铣削距离在12 mm内槽的表面粗糙度Ra能够稳定保持在30 nm左右，未涂层刀具加工的槽底表面粗糙度则呈线性增大。
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