哈理工通過(guò)3DP打印技術(shù)制備硬質(zhì)合金球頭銑刀

刀夾具是金屬切削機(jī)床上重要的組件，尤其是刀具的幾何槽形，冷卻方式都極大影響著產(chǎn)品的機(jī)械加工效率與加工質(zhì)量。近幾年，3D打印憑著獨(dú)特的技術(shù)特點(diǎn)，在刀夾具領(lǐng)域的應(yīng)用可以說(shuō)正在走向縱深方向發(fā)展。

3D打印技術(shù)在刀具的應(yīng)用方面一大派系是3DP粘合劑噴射打印技術(shù)，通過(guò)熱處理后的刀具硬度可以滿足應(yīng)用需求。另一大派系是SLM金屬3D打印技術(shù)，通過(guò)粉末床選擇性激光融化技術(shù)制造金屬刀具特殊的槽形或者刀具內(nèi)部復(fù)雜的冷卻通道。這兩項(xiàng)技術(shù)越來(lái)越引起刀具行業(yè)的重視。本期，3D科學(xué)谷與谷友共同來(lái)領(lǐng)略哈爾濱理工大學(xué)通過(guò)3DP打印技術(shù)制備微織構(gòu)硬質(zhì)合金球頭銑刀的技術(shù)。

在切削加工鈦合金時(shí)，鈦合金與刀具之間的摩擦系數(shù)較大，鈦合金切屑沿前刀面摩擦速度較高，劇烈的摩擦導(dǎo)致刀具易磨損及表面質(zhì)量較差是限制鈦合金發(fā)展的主要因素，鈦合金零部件的使用性能優(yōu)劣主要依托于零件的加工質(zhì)量，這類問(wèn)題已經(jīng)成為航空航天相關(guān)研究人員最為關(guān)注問(wèn)題之一。

近年來(lái)，仿生摩擦學(xué)提出了一種表面織構(gòu)的概念。所謂表面織構(gòu)(SurfaceTexturing)，又稱表面微造型，是在摩擦面上加工出具有一定尺寸和排列的凹坑或微小溝槽的點(diǎn)陣。高性能的表面織構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)良好的減摩、抗粘附和提高耐磨性，這給刀工表面狀態(tài)減摩帶來(lái)了新的研究方向，也提供了理論依據(jù)。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外已有少數(shù)學(xué)者進(jìn)行了表面織構(gòu)在切削刀具上的應(yīng)用，研究雖處于起步階段，但其研究結(jié)果均證明了表面微織構(gòu)刀具有提高刀具切削性能的功效。

關(guān)于微織構(gòu)在刀具表面的應(yīng)用以及對(duì)刀具性能影響的研究還處于起步階段，大多集中在車削刀片以及可轉(zhuǎn)位面銑刀片上，切削材料以45#鋼和鋁合金為主，尚未發(fā)現(xiàn)表面微織構(gòu)應(yīng)用于球頭銑刀銑削鈦合金的研究以及關(guān)于微織構(gòu)優(yōu)化的研究報(bào)道，因此改變鈦合金目前的低效加工模式，為微織構(gòu)刀具實(shí)現(xiàn)鈦合金的高效高質(zhì)量切削做出有益探索。

現(xiàn)有的表面微織構(gòu)制備方法主要有：激光表面織構(gòu)技術(shù)(LST)、表面激光噴丸(LPT)、LIGA技術(shù)、反應(yīng)離子刻蝕(RIE)、壓刻技術(shù)、電解質(zhì)加工、電火花加工、電加工等。這些技術(shù)都是在基材表面直接進(jìn)行微區(qū)加工實(shí)現(xiàn)織構(gòu)化，但多數(shù)現(xiàn)有織構(gòu)化技術(shù)還是屬于“減材”制造技術(shù)，主要以刻蝕、壓印等方式在表面形成單一的凹坑或凹槽為主，其中激光表面織構(gòu)技術(shù)以其制造加工速度快，應(yīng)用材料范圍廣，精度高，對(duì)環(huán)境無(wú)污染以及優(yōu)良的形狀、尺寸控制能力等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用在表面微織構(gòu)領(lǐng)域。但是利用這種方法在刀具表面加工微織構(gòu)時(shí)容易在微織構(gòu)周圍產(chǎn)生熱影響區(qū)以及微裂紋，會(huì)影響刀具在加工時(shí)的強(qiáng)度以及使用壽命。

隨著塑料材料3D打印技術(shù)相對(duì)成熟，金屬3D打印技術(shù)凸顯出巨大的發(fā)展?jié)摿�，成為�?dāng)今快速成型領(lǐng)域重要的發(fā)展方向和研究熱點(diǎn)。金屬3D打印技術(shù)大多數(shù)采用的是以激光作為輸入熱源，通過(guò)融化或者燒結(jié)金屬粉末進(jìn)行逐層疊加打印制件。但是對(duì)于硬質(zhì)合金這種兩種性質(zhì)相差較大的復(fù)合材料，其中WC屬于陶瓷類，熔點(diǎn)高；而Co屬于金屬，熔點(diǎn)低。雖然激光達(dá)到的溫度足以將WC熔化，但達(dá)到WC熔化的溫度時(shí)，Co會(huì)蒸發(fā)，凝固后合金組織無(wú)法滿足作為硬質(zhì)合金的要求。

哈爾濱理工大學(xué)通過(guò)3DP粘合劑噴射3D打印技術(shù)解決了現(xiàn)有3D打印技術(shù)無(wú)法生產(chǎn)硬質(zhì)合金刀具以及現(xiàn)有技術(shù)在刀具上制備的微織構(gòu)存在一些缺陷等問(wèn)題，進(jìn)而提出一種基于3D打印技術(shù)的微織構(gòu)硬質(zhì)合金球頭銑刀制備方法。具體來(lái)說(shuō)包括如下步驟：

· 制備YG8硬質(zhì)合金球頭銑刀粉末原料：YG8硬質(zhì)合金球頭銑刀粉末原料的主成分配比為8％的鈷粉和92％的碳化鎢粉；
· 制備有機(jī)粘結(jié)劑：有機(jī)粘合劑的主要成分包括石蠟以及聚乙二醇、聚乙烯、聚丙烯、聚乙烯醇中的一種；
· 建立球頭銑刀的刀—屑接觸面：通過(guò)計(jì)算和實(shí)驗(yàn)來(lái)得到在給定切削用量條件下球頭銑刀在加工過(guò)程中前刀面的刀—屑接觸面積以及在前刀面上的位置；
· 建立微織構(gòu)硬質(zhì)合金球頭銑刀的三維模型：采用上一步建立的刀—屑接觸面積模型，然后在這個(gè)面積的區(qū)域以一定的微織構(gòu)尺寸、深度和間距植入凹坑微織構(gòu)模型，從而能夠達(dá)到最好的減摩效果；
· 通過(guò)三維模型打印微織構(gòu)刀具實(shí)體；
· 后處理：首先將微織構(gòu)硬質(zhì)合金刀具放入氫氣環(huán)境下進(jìn)行熱脫脂處理，除去粘合劑；最后再采用真空燒結(jié)工藝對(duì)硬質(zhì)合金微織構(gòu)球頭銑刀坯體進(jìn)行燒結(jié)處理，燒結(jié)溫度為1400°～1420°左右，燒結(jié)過(guò)程持續(xù)時(shí)間為3～6小時(shí)；最終使微織構(gòu)硬質(zhì)合金球頭銑刀達(dá)到100％的密度以及足夠的強(qiáng)度。

3DP是一種粘合劑噴射打印技術(shù)，哈爾濱理工大學(xué)通過(guò)3DP技術(shù)和后處理技術(shù)制備的微織構(gòu)硬質(zhì)合金球頭銑刀能夠使刀具到達(dá)100％的密度，并且經(jīng)過(guò)后處理后的緊實(shí)度和強(qiáng)度能夠與傳統(tǒng)加工方式得到的硬質(zhì)合金刀具基本一致。

基于硬質(zhì)合金球頭銑刀的復(fù)雜形狀，采用傳統(tǒng)的加工方式制備過(guò)程會(huì)比較麻煩，而且還會(huì)造成材料的浪費(fèi)。哈爾濱理工大學(xué)的制備方法來(lái)制備的微織構(gòu)硬質(zhì)合金球頭銑刀能夠得到的尺寸精度更高，而且還在前刀面上建立出特有的刀—屑接觸模型，能夠?qū)崿F(xiàn)在該接觸面積上打印出直徑從50微米到200微米的凹坑微織構(gòu)陣列，并且尺寸精度非常高。

與目前在硬質(zhì)合金球頭銑刀上制備微織構(gòu)的方法相比，哈爾濱理工大學(xué)除了能夠制造出復(fù)雜形狀的球頭銑刀之外，還可以在球頭銑刀前刀面刀—屑接觸區(qū)制備出外形尺寸更精確的凹坑微織構(gòu)陣列，從而可達(dá)到在切削加工時(shí)減小刀—屑的接觸面積、降低刀—屑接觸區(qū)的摩擦系數(shù)、減少刀具的磨損。

哈爾濱理工大學(xué)還克服了采用傳統(tǒng)技術(shù)在硬質(zhì)合金球頭銑刀上制備微織構(gòu)的一些缺陷。例如，利用激光技術(shù)在硬質(zhì)合金球頭銑刀上制備的微織構(gòu)尺寸精度非常低；硬質(zhì)合金表面在高溫熔化過(guò)程中還可能會(huì)與空氣中的氧反應(yīng)，導(dǎo)致刀具的成分發(fā)生變化；在微織構(gòu)周圍還會(huì)產(chǎn)生熱影響區(qū)，可能產(chǎn)生微裂紋等都會(huì)影響刀具的使用壽命。因此哈爾濱理工大學(xué)在提高硬質(zhì)合金球頭銑刀結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的同時(shí)還進(jìn)一步改善了微織構(gòu)刀具的減摩抗磨性能，從而提高其使用壽命。

據(jù)悉，使用3DP粘合劑噴射三維打印技術(shù)生產(chǎn)硬質(zhì)合金刀具在國(guó)外已有。德國(guó)弗朗霍夫（Fraunhofer）研究所的研究人員就成功地使用3DP粘合劑噴射三維打印技術(shù)生產(chǎn)硬質(zhì)合金刀具。通過(guò)3DP打印硬質(zhì)合金粉末，研究所能夠輕松創(chuàng)建復(fù)雜的設(shè)計(jì)。在這個(gè)過(guò)程中，陶瓷硬質(zhì)材料的粉末顆粒，包括碳化鎢顆粒通過(guò)含鈷、鎳或鐵的粘結(jié)材料層層打印粘結(jié)起來(lái)。這種粘合材料不僅是粉末層之間的粘合劑，還使得產(chǎn)品具有良好的機(jī)械性能并能生產(chǎn)完全致密的部件，甚至可以選擇性地調(diào)整彎曲強(qiáng)度、韌性和硬度。后續(xù)的處理包括燒結(jié)處理，得到與傳統(tǒng)加工方式一致的硬質(zhì)合金模具緊實(shí)度。

另外，高邁特公司和瑪帕公司也在這方面有所建樹(shù) — 前者使用SLM金屬3D打印技術(shù)和機(jī)械加工技術(shù)制造銑刀。這種銑刀具有密集出屑槽的刀體是定制化的非標(biāo)產(chǎn)品，刀柄部分則是通過(guò)機(jī)加工技術(shù)批量生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品；后者則通過(guò)3D打印技術(shù)創(chuàng)造了QTD系列刀具復(fù)雜的螺旋冷卻通道，從而提高了冷卻液到鉆頭頂部的流動(dòng)過(guò)程中的熱傳導(dǎo)能力。這種鉆頭與之前的鉆頭相比使用壽命更長(zhǎng)、運(yùn)轉(zhuǎn)速度更快。

無(wú)論是3DP技術(shù)用于硬質(zhì)合金刀具的制造還是SLM技術(shù)用于金屬刀頭和刀柄的制造，3D打印技術(shù)在刀具制造方面的地位都在迅速提高。

延伸閱讀：《將金屬3D打印與機(jī)加工相結(jié)合-高邁特生產(chǎn)非標(biāo)刀具的新途徑》

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來(lái)源：3D科學(xué)谷