【doc】 微小孔加工试验及刀具磨损机理

【doc】 微小孔加工试验及刀具磨损机理 微小孔加工试验及刀具磨损机理 第37卷增刊 2005年l1月 南京航空航天大学 JournalofNanjingUniversityofAeronautics8LAstronautics Vo1.37Supp1. NOV.2005 微小孔加工试验及刀具磨损机理 马玉平,向道辉,陈明,孙方宏 (上海交通大学机械与动力工程学院,上海,200030) 摘要:由于钛合金和印刷电路板的难加工性使得微小孔的加工精度和表面质量难以保证,刀具技术成为提高加 工效率的主要障碍.本文应用3种不同涂层钻头对钛合金和印刷电路板进行微小孔钻削对比试验,研究了进给 速度与切削力和扭矩的关系,分析了刀具的磨损特征以及孔的表面质量和-ILA.口处的毛刺情况.结果表明:钻削 印刷电路板的临界进给速度为1591.2mm/min,涂层对钻削力和扭矩的影响不明显;类金钢石(DLC)涂层硬质 舍金钻头比普通硬质合金钻头和TiC涂层硬质合金钻头更适合加工钛合金材料微小孔. 关键词:微加工;涂层刀具;钻削;磨损机理;摩擦 中图分类号:TH117文献标识码:A ExperimentsonMachiningMicro—Holeand CuttingToolFailureMechanism ping,XIANGDao—hui,CHENMing,SUNFang—hong MaYu— (SchoolofMechanicalEngineering,ShanghaiJiaotongUniversity,Shanghai,200030,China) Abstract:Themicro—holesinthetitaniumalloyandtheresinoidprintedwiringboardareusedinmany importanthighlynewtechnologicalfields,suchasaeronautics,astronautics,communicationandelectric industries.However,thepoormachinabilityofthetitaniumalloyandtheresinoidprintedwiringboard makeitverydifficulttoguaranteetheprecisionandthesurfaceintegrityofmicro—holes.Thecontrastive experimentsofthedrillingmicro—holeinthetitaniumalloywiththreediffere ntkindsofdrillsarecarried out.Therelationshipsamongfeedspeeds,cuttingforcesandtorquesarestudied.Wearingcharacteris— ticsofdrills,thesurfacequalityofholesandbursattheentrancesofholesareanalyzed.Theconclu— sionsshowthatthefeedspeedof1591.2ram/rainisthecriticalfeedspeedofthe drillingresinoidprint— edwiringboard,theeffectofcoatingsonforcesandtorquesindrillingresinoidprintedwiringboardis notobvious;DLCcoatedcementedtungstencarbidesdrillsaremoresuitablefordrillingthemicro—hole inthetitaniumalloythanTiCcoatedandnon—coatedcementedtungstencarb ides(WC—Co)drills.Ex— perimentalresultsarebeneficialtothechoiceofthecuttingtool,parameteroptimization,andthusim— provingthesurfacequalityofthemicro—hole. Keywords:micromachining;coatedtool;drilling;wearmechanism;tribology 在航天,航空,微电子等领域的产品制造中,直 径小于1mm的微小孔的加工数量与El俱增,加工 精度和表面质量要求也越来越高,因此对刀具也提 基金项目 收稿日期 作者简介 月生;陈 出了更高的挑战?.微加工的~Ju-r机理与传统的宏 观加工有很大的区别.目前对于微加工中切削 刀具磨损和失效,切屑的形成和表面质量的研究很 ;国家自然科学基金(50275095,50475026)资助项目;航空基础科学基金(04H57001)资助项目. :2005—08一l5 ;马玉平,男,博士研究生,1975年7月生,E—mail:yupingma@sjtu.edu.cn;向道辉,男,博士研究生,1971年8 明,男,教授,博士生导师,1966年11月生;孙方宏,男,教授,1965年生. 增刊马玉平,等:微小孔加工试验及刀具磨损机理9 少.随着高性能材料如碳化硅颗粒增强复合材料, 钛合金和一些难加工非金属的广泛应用,传统的硬 质合金切削刀具已经不能满足加工中的需要,刀具 磨损和破损严重,耐用度低,加工精度和表面质量 难以保证,加工效率很低]. 类金刚石(DLC),TiC涂层硬质合金刀具具有 高硬度(维氏硬度分别可达30005000kg/mm 和2900,3800kg/mm),高耐磨性,高导热性和 低摩擦因数等特点,尤其是DLC涂层刀具对加工 一 些强度高,弹性变形大,导热性能差的难加工材 料具有独到的优势【5].因此,本文通过应用自行 开发的直径为0.8mm的TiC和DLC涂层硬质合 金钻头以及目前生产线上通用的未涂层硬质合金 钻头进行了印刷电路板和钛合金材料微小孔加工 性能对比试验,以实现此类材料的高效率,高质量 微小孔钻削加工. l钻削试验装置及方法 由图1可见,试验装置包括自行研制的数控机 床GSK98OTi(转速60000r/min),超精密测力仪 SDC—DJ2SMM,多通道应变仪,A/D转换板和计 算机. 钻削条件:转速60000r/min,钻削印刷电路 板和钛合金时进给速度根据切削刀具手册自定,钻 头直径为0.8mm的未涂层硬质合金钻头A(购 买),DLC涂层硬质合金钻头B(自制)和TiC涂层 硬质合金钻头C(自制),干式切削.用图1所示的装 置测量不同进给速度下的力与扭矩的变化,利用 PhilipsXL30一FEG扫描电镜(SEM)对钛合金微小 孔的表面形貌和入口毛刺进行观察. 图1试验装置 2钻削不同材料试验结果与分析 2.1钻削印刷电路板试验 印刷电路板由网状玻璃纤维和一些填充物组 成.其机械和热特性随钻削过程中毛刺和层间剥离 的变化而发生变化.钻削印刷电路板时对钻头的要 求非常高,在孔人口处的毛刺和材料剥离已经成为 研究者们的研究重点. 图2为直径为0.8mm的钻头钻削印刷电路板 时进给速度对钻削力和钻削扭矩的影响曲线.从图 2中可以看出,当进给速度为1591.2mm/min时, 3种钻头的钻削力和扭矩都达到最小值.当进给速 度高于或低于1591.2mm/min时,力和扭矩相当 大,未涂层钻头钻削时力和扭矩比涂层钻头钻削时 小.1591.2mm/min是钻削印刷电路板时的临界 进给速度.表明涂层对钻削印刷电路板时的力和扭 矩的影响不明显.对于加工质量,TiC和DLC涂层 钻头钻削的孔的人口处和出口处的毛刺非常少,孔 非常光滑,而未涂层钻头钻削时,其孔的质量比较 差.这主要是与TiC和DLC涂层本身的低摩擦特 性和高热导率密切相关.同时发现当进给速度低于 临界速度时,出口与人口处的毛刺很少,几乎没有, 而高于临界速度时,印刷电路板在孔人口处发生熔 化,进而影响到孔的加工质量.通过试验观察,当转 速低于60000r/min时,钻孔表面质量非常差,不 适合印刷电路板微4,?L~JH工. Z , 最 擐 晷 ? , 进给速度/(衄?mill) (a)进给速度与钻削力之间的关系曲线 进给速度/(衄?mill) (b)进给速度与扭矩之间的关系曲线 图2进给速度与钻削力,扭矩之间的关系曲线 2.2钻削钛合金试验 钛合金是难加工材料,其比强度高,导热性差, 加工硬化严重,微小孔加工时断屑和排屑非常困 难;由于化学活性大,在一定温度下与周围介质容 O5O5O5O5O5O5O5 87766554433221 易发,化学反应.产生『脆而硬的外皮,加工时颦性 和冲击韧性剧烈下降使用常规的硬质台金刀具 时,刀具磨损和破损严鼋,耐用座低.加工精度和表 面质量难以保证.1效率很低. 2.2.1进给速度对钻制力和扭矩的影响 图3表明3种钻头的铺削力千?扭矩都随进给速 度的增加而增加当进给速度超过domm/mi43时. TiC涂层钻头的扭矩最大丰要慷阿是高的进给速 度使得被翻陈材料剧增.钻头排屑难而.牛堵塞 现象.较高的切削温度加剧钛台食材料与T-L’浩层 的亲和扩散,刀具f『勺种屑现象童得明显.所TiC 涂层钻头不适合加工钛台金微小孔,从图3中逆可 以看出:未馀层钻头的钻削力车?扭矩在高进给速度 时比r)1c涂计头大.这是山fDf(涂层具有低 的摩擦因数町见.刀具潦层{足改进刀具切削性 能的一个方面.而改进列具埘削?能的另外方面就 是应根据材科k]J削加工性j』土行钻钻尖形貌优化 设汁和钻头螺旋槽的 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 ,便更好地控制铺削中 主切削刃的切削作和螺旋槽的排屑性能 Z , 矗 1进特述度与钻刚之J的戈系曲线 目 - 邑 量 fb】进给速度与扭矩之间的置乐曲线 圈:;进给速度与站削山,扭矩之的关系曲线 2.2.2具磨损 由网4(a)可见.D1(‘涂层钻头主要磨损是 DI【:涂层的剥落原因尾钍台金的硬化切屑在切 削过程中与削刃上的DIC涂层相划擦.由于I)LC 第37卷 涂在切削刃附近是一个薄弱的地方.涂层附着强 度较低.而受到的机械力和热作用最显着.所以很 容易造成潦层剥落在前,J而上其他部位涂J差保存 完好,没脱落.前刀面上留下的DIc涞层在降低 I==JJ削力和扭矩过程中仍起重要作用图4(b)表明 未涂崖钻头的磨损比较剧烈,磨损带沿田削波 动.形成许多凹坑主要愿因是铣台金具有低的热 传导陛和人的弹塑性变形.在切削过程t}J出现加工 硬化和积屑瘤尽管积屑瘤在刚斤始时有利于切 削.但过一段时间后.它将被切屑带走.从而加剧刀 具的磨损由圈4(c)『fJ岳?.TiC涂层钻头切削刃出 现剧烈磨损.主要原蚓是山十高温作用使钛台金化 学活性增打?.与TiC潦层-{,的钛中目的亲和l增强, 导敛螺旋槽槽表面的印届牯结层m现该粘结 J去在切削过程中.由于受到剪印作用和切悄作用从 仃向上脱落.已的脱落会带走扩散住其一的具材 料.彤城r粘结蹭损,同时电把原先的rif涂层撕 裂.从而使刀刃处的馀层脱落.加c起刀具的磨损 [[圈a】DLC袜屠fb)未滁屉(cTiC漳层 ‘=种具磨损SEM什’貌 2.2.3拈削孔质量 从j中可以看出3种睛况下孔的内表面都有 不蚓清晰程度的切削纹理.但是TiC潦层刀具钻出 的孔的切削纹理最不清晰.有许多粘附在表面的小 屑.米淙层刀具钻出的孔次之.1)IC涂层具钻 ?的孔的内表面的削救理最清晰切削纹网!的清 晰程度直接影响到微,J,孔的表面质量从图5(b. c)中还可以看出有明显的浠覆现象,这是熔化的钛 合金脱落在已加工表面所致 从图B中可以看出,I)I【’涂层刀具钻出的孔的 ???f&)DLC潦层{b’来特层(c)TiC”e~.层 围5钻削L内表面的SEM形貌(r=5速度为lj9】-2 mm/n?1涂层计钻削印刷l蹄扳叫的I;f]和扭矩的 影响不明显.但J以川提高销孔质地I)LC涂层 甫低的摩擦数和高的麝拟特r一能够有效降 低印制,J和扭矩.能够羲得较舢fJIJr精度种表面 质 钛,{牟=微小孔铺头不发成功取决’婀方面: (1)帐据材料划JJ『1上进行钻,铺尖形貌优化 世计和钻头螺旋槽的设汁.以便更好地控制钴削中 主削的韧削作J_}j和螺旋槽的释屑,排屑性能 (2在专?设计的具有优化结构的钻头基体上完成 f)【C潦层= 参考文献: l1畅兆华.向外僦小扎计I{_J加I:的 工艺 钢结构制作工艺流程车尿素生产工艺流程自动玻璃钢生产工艺2工艺纪律检查制度q345焊接工艺规程 现傲1】l汽车 』:艺百对料.19q7.(12):’,5. r!]李存怅钉学廉.曾忠.微小扎振动钻削饥理研究 _J]上海理工大学,10?一2【(1);81,8j? 车锡峰.小孔鹄振韵钻削普通钻削的比较[J:.工具 拄求.i9.3”(0):2l’,23. 势海铽台盎监高温合盘的小直释椿孔加1二:Jj.新 技术新】.艺?】3,(j):2--,22. 李乍.滑复生.两爱涛.Tl(‘.TiN.Tic-Nj粉术制 眷技术现状慢疑雕rJ.重戊上学-然科学 舨).2I~t)2.25(6】:135,l38 刘滩.阜15希端.赵.等娄害刚百碳膜和氮化钛 的摩擦.性能研究.天津帅范大学:报一2GO323 (2j:8,1. Cb11M,jianXc;.SunFH,,,.J,Duvelopmentof dIn1cjnt1cDat~ddrillandtheir吼】ttingper{ormnnce J]J?【olMaterialsProcessingFechnology- 101.11ll:Sl,8j.