哈理工通過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)品的機械加工效率與加工質(zhì)量。近幾年，3D打印憑著獨特的技術(shù)特點，在刀夾具領(lǐng)域的應(yīng)用可以說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。這兩項技術(shù)越來越引起刀具行業(yè)的重視。本期，3D科學(xué)谷與谷友共同來領(lǐng)略哈爾濱理工大學(xué)通過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，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，這類問題已經(jīng)成為航空航天相關(guān)研究人員最為關(guān)注問題之一。

近年來，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陣。高性能的表面織構(gòu)可以實現(xiàn)良好的減摩、抗粘附和提高耐磨性，這給刀工表面狀態(tài)減摩帶來了新的研究方向，也提供了理論依據(jù)。當(dāng)前，國內(nèi)外已有少數(shù)學(xué)者進行了表面織構(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行微區(qū)加工實現(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，對環(huán)境無污染以及優(yōu)良的形狀、尺寸控制能力等優(yōu)點被廣泛應(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)時容易在微織構(gòu)周圍產(chǎn)生熱影響區(qū)以及微裂紋，會影響刀具在加工時的強度以及使用壽命。

隨著塑料材料3D打印技術(shù)相對成熟，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。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，通過融化或者燒結(jié)金屬粉末進行逐層疊加打印制件。但是對于硬質(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，熔點高；而Co屬于金屬，熔點低。雖然激光達到的溫度足以將WC熔化，但達到WC熔化的溫度時，Co會蒸發(fā)，凝固后合金組織無法滿足作為硬質(zhì)合金的要求。

哈爾濱理工大學(xué)通過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)存在一些缺陷等問題，進而提出一種基于3D打印技術(shù)的微織構(gòu)硬質(zhì)合金球頭銑刀制備方法。具體來說包括如下步驟：

· 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；
· 制備有機粘結(jié)劑：有機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：通過計算和實驗來得到在給定切削用量條件下球頭銑刀在加工過程中前刀面的刀—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，從而能夠達到最好的減摩效果；
· 通過三維模型打印微織構(gòu)刀具實體；
· 后處理：首先將微織構(gòu)硬質(zhì)合金刀具放入氫氣環(huán)境下進行熱脫脂處理，除去粘合劑；最后再采用真空燒結(jié)工藝對硬質(zhì)合金微織構(gòu)球頭銑刀坯體進行燒結(jié)處理，燒結(jié)溫度為1400°～1420°左右，燒結(jié)過程持續(xù)時間為3～6小時；最終使微織構(gòu)硬質(zhì)合金球頭銑刀達到100％的密度以及足夠的強度。

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100％的密度，并且經(jīng)過后處理后的緊實度和強度能夠與傳統(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)的加工方式制備過程會比較麻煩，而且還會造成材料的浪費。哈爾濱理工大學(xué)的制備方法來制備的微織構(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，從而可達到在切削加工時減小刀—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程中還可能會與空氣中的氧反應(yīng)，導(dǎo)致刀具的成分發(fā)生變化；在微織構(gòu)周圍還會產(chǎn)生熱影響區(qū)，可能產(chǎn)生微裂紋等都會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)強度的同時還進一步改善了微織構(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)合金刀具在國外已有。德國弗朗霍夫（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。在這個過程中，陶瓷硬質(zhì)材料的粉末顆粒，包括碳化鎢顆粒通過含鈷、鎳或鐵的粘結(jié)材料層層打印粘結(jié)起來。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)合金模具緊實度。

另外，高邁特公司和瑪帕公司也在這方面有所建樹 — 前者使用SLM金屬3D打印技術(shù)和機械加工技術(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，刀柄部分則是通過機加工技術(shù)批量生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品；后者則通過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過程中的熱傳導(dǎo)能力。這種鉆頭與之前的鉆頭相比使用壽命更長、運轉(zhuǎn)速度更快。

無論是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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來源：3D科學(xué)谷