2 a6 B" Q* O5 g; D p9 E0 E$ ^( B 3 x: Q1 Z; f: @( g 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。 # T* M$ u7 s6 i ' @$ Z$ u+ a! I0 F4 s2 f, E
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(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(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,。: A2 `& ^8 N; b4 S% D" f
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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,。6 k. k1 x- h4 f" G/ {* A: w4 S
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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,。9 s2 x/ _3 W5 f
7 \8 B1 p/ P% g& T+ N8 D+ ~% g( \' U 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),，凝固后合金組織無法滿足作為硬質(zhì)合金的要求。) E) _# \6 [% O, T
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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(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,。具體來說包括如下步驟：6 a% X9 U0 T# _4 Z
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-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； ) ^6 m+ r; t( [( Z4 v9 e$ q ( K4 n* |+ s! z6 h5 l' D6 u -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,； " V) J: n$ z% o$ f/ {# m+ h8 D0 d/ Z 5 r0 N$ F- L4 j/ k3 V; h R
-建立球頭銑刀的刀—屑接觸面：通過計(jì)算和實(shí)驗(yàn)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,；& g: {+ f7 L5 F
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-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； ' {# J5 @( `2 ?4 J! D |$ ^ % `. H( O! L% r3 P8 X& K
-通過三維模型打印微織構(gòu)刀具實(shí)體,；, U( a8 i# h0 b
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-后處理工藝：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,。 . u: k( a' I4 r & {4 j$ F2 B& f
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(dá)100%的密度，并且經(jīng)過后處理后的緊實(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,。% @8 Y* C' Y# {1 X5 f2 y* H$ _
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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(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,。% F5 u- S- X; e0 {
; u- \' M0 G# V2 Y5 J6 ]2 L* P 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,。 9 Y4 K v* t/ C6 H: G+ q 3 t; ?( m# f) P; \# I, I
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(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,。 ( _1 B7 Q% I9 {8 ~0 a' C / `( D8 W5 h" z8 |2 x6 d( V 根據(jù)3D科學(xué)谷的市場(chǎng)研究，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(jì),。在這個(gè)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(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,。! `/ D- {, V2 P6 d! X7 n# p6 q$ \
& K4 i3 Q* Z3 r 而不僅僅哈爾濱理工大學(xué)和Fraunhofer研究所運(yùn)用的3DP技術(shù)，高邁特公司還使用了SLM金屬3D打印技術(shù)和機(jī)械加工技術(shù)用于制造銑刀,。銑刀中擁有密集出屑槽的刀體部分是通過金屬3D打印技術(shù)制造的定制化非標(biāo)產(chǎn)品,，刀柄部分則是通過機(jī)械加工技術(shù)批量化生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品。5 ?% R1 o. x* j5 c) a* \( {
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另外一家,，瑪帕公司還通過3D打印技術(shù)創(chuàng)造出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)過程中的熱傳導(dǎo)能力。瑪帕的鉆頭與之前的鉆頭相比使用壽命更長、運(yùn)轉(zhuǎn)速度更快,。& o; S/ P }' p" g& ~& }6 e' x e. e
) E3 \& G/ Z2 i1 W) h 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)在刀具領(lǐng)域的制造方面占有越來越重要的位置。8 _: b0 X V9 a7 Q0 T9 }