聚晶金刚石微铣刀制备及其蓝宝石微铣削工艺实验

Preparation of Polycrystalline Diamond Micro End Mill and Experiment of Its Micro-milling Process for Sapphire

摘要

利用电火花车削工艺非接触且不受材料强度和硬度限制的特性，制备出直径小于1 mm的聚晶金刚石单刃螺旋微铣刀；建立电火花车削聚晶金刚石螺旋微铣刀的刀体结构与进给速度、转速间的内在联系及微铣刀形貌仿真模型，解决了直径小于1 mm聚晶金刚石螺旋微铣刀的实际制备难题.采用该工艺制备的聚晶金刚石微铣刀进行蓝宝石微铣削实验，研究微铣削参数对蓝宝石三维表面粗糙度S_a，S_z和三向微铣削力的影响规律；通过加工表面质量、微铣削力和刀具磨损分析，评价电火花车削制备的聚晶金刚石微铣刀的微铣削性能.结果表明：聚晶金刚石单刃螺旋微铣刀微铣削蓝宝石材料的面粗糙度S_a可稳定控制在0.76~1.00 μm，刀具磨损形式以微铣刀底面破损为主.

Abstract

The polycrystalline diamond single-edged helical micro end mill with a diameter of less than 1 mm was fabricated using electrical discharge turning technology featuring non-contact and independence from material strength and hardness limitations. The intrinsic relationship of the tool structure of the polycrystalline diamond spiral micro end mill by electrical discharge turning relative to the feed speed and rotational speed was established， as well as the morphological simulation model of the micro end mill， which successfully solved the difficulties in preparing a polycrystalline diamond helical micro end mill with the diameter of less than 1 mm in the actual machining. The prepared polycrystalline diamond micro end mill was used to carry out experimental research on the micro-milling process of sapphire， and the influence of micro-milling parameters on the three-dimensional surface roughness S_a， S_z， and the triaxial micro-milling force of sapphire was investigated. Moreover， the surface quality， micro-milling force， and tool wear were analyzed to evaluate the micro-milling performance of the polycrystalline diamond micro end mill prepared by electrical discharge turning. The results indicate that the surface roughness S_a of the sapphire processed by the polycrystalline diamond single-edged helical micro end mill can be stably controlled within the range of 0.76~1.00 μm， and the tool wear mode is primarily characterized by damage to the bottom surface of the micro end mill.

Graphical abstract

关键词

聚晶金刚石微铣刀 / 电火花车削 / 微铣削 / 蓝宝石 / 微铣削力

Key words

polycrystalline diamond micro end mill / electrical discharge turning / micro-milling / sapphire / micro-milling force

随着航空航天、医疗设备、国防工业、现代生物医学和半导体行业的快速发展，对特征尺寸在微米至毫米级别的微小零部件的需求日益广泛^［1］.由于尺寸较小且结构相对复杂，微小零部件的制造尤为困难.微铣削加工相较于其他加工方式，具有材料去除率高、柔性好、效率高以及能加工多种材料和复杂结构的优点^［2-3］.因此，微切削技术已发展成为一项关键技术，用于克服制造微小零件时遇到的工艺局限性^［4］.然而，微切削加工受微铣刀尺寸及加工精度的限制，难以加工出符合要求的微小零件.微铣刀的性能和寿命成为限制微铣削工艺发展的关键因素之一.因此，微铣刀的制备已成为微机械加工领域亟须解决的问题^［5］.

与常规铣削不同，微铣削所使用的微铣刀的直径一般在1 mm以下，刀具体积很小，制备难度大，如果刀具的结构复杂会进一步增大制备的难度.目前，微铣刀的制备主要采用聚焦离子束加工、精密磨削、激光加工、电火花加工等工艺，其中，电火花加工因其非接触性、高效率、良好的可控性和低成本等优势，受到了国内外学者的广泛关注^［6-7］.如Egashira等^［8］利用电火花磨削方法成功制备了直径约20 μm、刃口半径为0.5 μm的硬质合金微铣刀.Chen等^［9］采用电火花磨削技术制备出硬质合金微铣刀并用它在铝合金表面加工出微槽和微薄壁结构.杨正杰等^［10］通过线电极电火花磨削方法制备了刀头直径为100 μm的微铣刀.Oliaei等^［11］通过电火花线切割技术制备出具有微金字塔结构的聚晶金刚石刀具.Cheng等^［12］采用电火花线切割技术加工出多晶金刚石立铣刀并开展微铣削工艺实验，结果显示其微铣削后的加工表面粗糙度可达亚微米级.Perveen等^［13］使用不同角度V型槽作为工具电极，成功制备了直径约为200 μm的半圆形、三角形和四边形直刃微铣刀.王琛等^［14］研究了微铣刀结构参数对微铣削力和毛刺生成的影响，并通过响应曲面法优化了微铣刀的侧刃后角、底刃后角和底刃倾角.陈俊云等^［15］计算了单晶金刚石的飞秒激光烧蚀阈值，并据此制备了前后刀面粗糙度达纳米级的高质量单晶金刚石微铣刀，实验结果显示这种激光加工的金刚石微铣刀具有良好的切削性能和耐磨性.Zhao等^［16］提出采用飞秒激光制造具有不同微阵列切削刃的金刚石刀具，以实现金刚石刀具设计的灵活性，发现激光的烧蚀速度直接影响微阵列切削刃的形成.采用磨削方法制备微铣刀时，宏观作用力和物理接触会限制微铣刀的最小直径.飞秒激光加工和聚焦离子束加工微铣刀不受材料硬度的限制，可实现对金刚石微铣刀的制备.然而，这两种方法的效率较低且成本较高.电火花制备微铣刀的主要方法可分为电火花线切割、电火花磨削和电火花成形加工.其中，电火花线切割主要用于制备直刃和多边形微铣刀，而电火花磨削可以实现具有螺旋结构或局部回转结构的微铣刀制备.

综上所述，聚晶金刚石微铣刀的制备主要通过飞秒激光和聚焦离子束加工方法来实现.通过电火花车削工艺实现具有局部螺旋结构的聚晶金刚石微铣刀制备的相关研究相对较少.因此，本文开展直径小于1 mm的聚晶金刚石螺旋微铣刀的电火花车削制备工艺研究，并采用所制备的微铣刀进行蓝宝石微铣削工艺研究，通过分析微铣削加工表面质量、表面形貌、微铣削力及刀具磨损来评价电火花车削所制备微铣刀的使用性能和刀具磨损机理.本研究结果拓宽了电火花线切割加工机床的应用范围，并为聚晶金刚石螺旋微铣刀的制备提供了新的途径和方法，具有一定的理论意义和工程应用价值.

1 微铣刀制备与微铣削实验设计

1.1 实验条件及检测设备

本实验采用阿奇夏米尔CA20低速走丝线切割机床（如图1所示），其中电极丝为\varphi0.2 mm的黄铜丝，电极丝做单向走丝运动，工作液为去离子水，采用全浸入下冲液方式.在低速走丝电火花线切割机床上搭建出高精度防水回转机构，通过电火花车削工艺实现对微铣刀螺旋结构和局部回转结构的制备.在聚晶金刚石螺旋微铣刀的制备过程中，电极丝在垂直方向的进给速度为v_s，微铣刀基体的回转速度（工件转速）为v_n，工作台的水平进给速度为v_f.由于聚晶金刚石螺旋微铣刀的加工过程是在去离子水中进行的，为指导加工工艺参数选择和降低加工盲目性，对电火花车削聚晶金刚石螺旋微铣刀的电极丝运动轨迹进行建模仿真.基于MATLAB软件得出电火花车削单刃螺旋微铣刀的刀头仿真结果如图2所示.

采用电火花车削技术制备的微型铣刀进行硬脆材料蓝宝石的微铣削工艺实验研究，如图3所示，微切削机床的具体技术指标如表1所示.实验过程中采用FC3D60-20N三向测力仪实时检测力信号；实验后采用VHX-1000E超景深显微镜观测微铣削后蓝宝石工件表面形貌，采用Olympus OLS4100 3D激光共聚焦显微镜测量微铣削后的表面粗糙度.

1.2 实验方案

采用电火花车削聚晶金刚石单刃螺旋微铣刀的主要参数如表2所示.开展聚晶金刚石单刃螺旋微铣刀加工蓝宝石的微铣削工艺实验研究，其中微铣削深度为2~20 μm，进给速度为10~70 μm/s.

machine tool and laser confocal microscope

（a）—微铣削机床； （b）—激光共聚焦显微镜.

2 实验结果与讨论

2.1 聚晶金刚石螺旋微铣刀的制备结果

基于电火花车削聚晶金刚石单刃螺旋微铣刀刀头的形貌仿真结果确定了加工的主要速度参数，即电极丝走丝速度v_w=30 mm/s，微铣刀工件转速v_n=2 r/min，工作台水平进给速度v_s=2 mm/min.在此工艺参数组合下，电火花车削制备的聚晶金刚石单刃螺旋微铣刀的表面形貌观测结果如图4所示，其中单刃螺旋微铣刀的直径约为1 mm、螺距为2 mm、深度为120 μm.可以看出，电火花车削得到的聚晶金刚石单刃螺旋微铣刀表面光滑，聚晶金刚石与硬质合金焊接处连接平滑，无断裂和过切现象.螺旋微铣刀的聚晶金刚石部分和硬质合金部分的截面轮廓的起伏高度变化范围可分别控制在15 μm和10 μm以内，基本满足设计要求.

2.2 硬脆材料蓝宝石微铣削加工表面质量研究

采用所制备的聚晶金刚石单刃螺旋微铣刀开展蓝宝石微铣削工艺实验研究.实验采用Olympus OLS4100 3D激光共聚焦显微镜测量加工后的蓝宝石表面形貌和表面粗糙度.蓝宝石作为典型的硬脆材料，在加工过程中极易产生脆性断裂和裂纹，导致微铣削加工表面质量变差.在微铣削主轴转速20 000 r/min、进给速度40 μm/s的加工条件下，探究微铣削深度（a_p）的变化对表面形貌的影响规律，微铣削蓝宝石的二维和三维表面形貌如图5所示.可以看出，当a_p=5 μm时，聚晶金刚石单刃螺旋微铣刀加工蓝宝石的表面缺陷面积较小，随着a_p增加到17 μm，表面缺陷面积明显增加.从三维形貌可以看出，当a_p=17 μm时，蓝宝石微铣削表面的高度差更大，表面起伏相对较高.为定量表征聚晶金刚石单刃螺旋微铣刀加工蓝宝石的表面质量，采用算术平均高度S_a和面最大高度S_z作为表面粗糙度的评价指标.这两个评价指标采用面积作为扫描区域，检测结果相较于传统的以线长度作为扫描区域的粗糙度R_a和R_z具有更高的准确性.

topography of sapphire

（a）—a_p=5 μm； （b）—a_p =17 μm.

此外，不同微铣削速度下聚晶金刚石螺旋微铣刀加工蓝宝石表面形貌及沿微铣刀加工方向（X方向）和垂直微铣刀加工方向（Y方向）的截面轮廓分别如图6和图7所示.当v_f=10 μm/s时，聚晶金刚石螺旋微铣刀加工蓝宝石的表面缺陷少且表面平整光滑；当v_f=60 μm/s时，微铣削表面缺陷增加，表面形貌起伏增大.从图6可以看出，聚晶金刚石螺旋微铣刀加工蓝宝石的表面一致性好.当进给速度较小时，微铣削表面沿X和Y方向的截面轮廓的波动幅值相差不大，随着进给速度的增加，微铣削表面沿X方向的截面轮廓的波动幅值明显大于Y方向.此外，当v_f=10 μm/s时，蓝宝石微铣削表面X和Y双向的截面轮廓波动范围可控制在8 μm；当v_f增加到60 μm/s时，截面轮廓波动范围增至24 μm.这主要是因为随着微铣削进给速度增加，微铣削力增大，蓝宝石工件表面材料未被及时去除，材料变形量增大，表面质量下降，进而导致微铣削表面截面轮廓变化幅值随进给速度的增加而增大.

topography of sapphire

（a）—v_f=10 μm/s； （b）—v_f=60 μm/s.

不同微铣削进给速度和深度对聚晶金刚石微铣刀微铣削加工蓝宝石表面粗糙度S_a和S_z的影响规律如图8所示.可以看出聚晶金刚石单刃螺旋微铣刀微铣削蓝宝石的表面粗糙度参数S_a和S_z随着微铣削深度和进给速度的增加均呈现先减小后增大的变化趋势.当主轴转速为20 000 r/min，铣削深度为11 µm时，随着进给速度的增加，蓝宝石的表面粗糙度S_a和S_z呈先减小后增大的趋势，在进给速度为30 µm/s时达到最小，S_a和S_z分别为0.74 µm和25.65 µm；当进给速度达到70 µm/s时，蓝宝石的表面粗糙度S_a和S_z达到最大，分别为1.03 µm和33.14 µm，如图8a所示.当微铣削深度a_p从2 μm逐渐增加到8 μm时，蓝宝石的表面粗糙度S_a从0.790 μm逐渐减小到0.761 μm，S_z从26.18 μm逐渐减小到25.31 μm；随着微铣削深度的进一步增加，表面粗糙度S_a和S_z均呈现出逐渐增大的趋势，当铣削深度为20 μm时，S_a增大到0.97 μm，S_z增大到33.03 μm.这主要是由于当微铣削深度较小时，切削厚度较小，而当切削厚度小于工件的最小切削厚度时，加工过程中不产生切屑，主要是划擦和犁切；微铣削深度越小，刀具与工件之间的划擦和犁切现象越严重.此外，过小的微铣削深度会导致聚晶金刚石微铣刀在蓝宝石工件表面产生挤压、打滑，对工件表面产生强烈的挤压和摩擦，也会增大蓝宝石微铣削表面粗糙度.因此当a_p=2 μm时，聚晶金刚石微铣刀微铣削加工蓝宝石表面质量差，表面粗糙度较大.当微铣削深度过大时，会导致微铣削加工振动增大，进而引起蓝宝石工件表面产生脆性裂纹、凹坑和刀痕等表面缺陷，使微铣削表面质量降低.

cross-sectional（Fig.6） profile of sapphire

（a）—v_f=10 μm/s； （b）—v_f=60 μm/s.

on surface roughness S_a and S_z of sapphire

（a）—进给速度； （b）—微铣削深度.

2.3 硬脆材料蓝宝石微铣削力研究

微铣削力作为研究聚晶金刚石螺旋微铣刀加工蓝宝石材料的重要参数，其由微铣刀与硬脆材料工件物理接触及与切屑的摩擦所引起.蓝宝石微铣削加工过程中3个方向上的微铣削力与工件的表面完整性和微铣刀的磨损密切相关.因此需要开展聚晶金刚石螺旋微铣刀加工蓝宝石材料的微铣削力研究.采用FC3D60-20N三向测力仪实时监测聚晶金刚石螺旋微铣刀加工蓝宝石的力信号，得出进给速度和微铣削深度对微铣削力的影响规律如图9所示，其中垂直于进给方向的力为F_x，平行于进给方向的力为F_y，轴向方向的力为F_z .由图9a可以看出，F_z 明显大于F_x 和F_y，且随着进给速度的增加，F_y 和F_z 均出现增大的趋势，而F_x 变化趋势不明显.当进给速度从10 µm/s增加到70 µm/s时，三向微铣削力呈现先减小后增大的趋势，当进给速度为10 µm/s时，微铣削力F_x，F_y 和F_z 分别为0.15，0.07和0.34 N；当进给速度为70 µm/s时，微铣削力F_x，F_y 和F_z 分别增加到0.18，0.17和0.54 N.这主要是由于随着进给速度增大，微铣削体积和厚度相应增大，单位时间内的功耗增大，微铣削力也随之增加.如图9b所示，当微铣削深度从2 µm逐渐增加到20 µm时，聚晶金刚石螺旋微铣刀的微铣削力随深度的增加先减小后增大.当铣削深度为8 µm时，聚晶金刚石螺旋微铣刀的微铣削力F_x，F_y 和F_z 达到最小，三向分力分别为0.12，0.08和0.32 N；当微铣削深度为20 µm时，铣削力达到最大值，微铣削力F_x，F_y 和F_z 分别为0.21，0.10和0.45 N.

随着微铣削深度的增加，聚晶金刚石螺旋微铣刀的最大未变形切削厚度增大，微铣削力增加；此外，随着微铣削深度增大，接触弧长变长，微铣削材料的体积相应增大，材料去除量增大，微铣削力增加.由此可见，聚晶金刚石单刃螺旋微铣刀加工蓝宝石材料过程中，轴向方向的力F_z 明显大于F_x 和F_y，且随着进给速度的增加，F_y 和F_z 均出现增大的趋势，而F_x 变化趋势不明显.随着微铣削深度a_p增加，F_x 和F_z 均出现增大的趋势，而F_y 变化趋势不明显.

on micro-milling force

（a）—微铣削进给速度； （b）—微铣削深度.

2.4 聚晶金刚石单刃螺旋微铣刀磨损研究

微铣刀的磨损相对常规宏观尺度的铣刀磨损尽管在数量级上很小，然而相对其本身的特征尺寸及微小零件的加工精度而言，这种很小的刀具磨损量将会造成较大的加工误差并且严重影响微铣刀的使用寿命.因此，需要开展聚晶金刚石单刃螺旋微铣刀加工蓝宝石的磨损机理和磨损形式研究.加工后的聚晶金刚石单刃螺旋微铣刀如图10所示.可以看出，微铣削加工后的聚晶金刚石单刃螺旋微铣刀出现了较为明显的底面破损现象.这是因为在微铣削加工蓝宝石过程中，螺旋微铣刀、切屑和蓝宝石工件之间不断发生挤压和摩擦；微铣削加工中聚晶金刚石单刃螺旋微铣刀受到不断冲击性载荷，而最先与蓝宝石工件发生接触的为微铣刀的刀刃部分，导致此处发生应力集中现象并产生微裂纹.由于微铣刀刀具尺寸较小，而刀刃结构更加微小，导致微裂纹从一个自由表面扩展到另一个自由表面时即产生崩刃现象.由此可见，聚晶金刚石单刃螺旋微铣刀在微铣削蓝宝石材料时刀具抗磨损能力强，主要的刀具磨损形式是微铣刀底面破损.

morphology of polycrystalline diamond

single-edged helical micro end mill after

micro-milling

（a）—加工后的聚晶金刚石微铣刀二维形貌；

（b）—加工后的聚晶金刚石微铣刀局部形貌.

3 结 论

1） 采用电火花车削工艺制备出直径约为1 mm、螺距为2 mm、螺旋槽深度为120 μm的聚晶金刚石单刃螺旋微铣刀.微铣刀的聚晶金刚石部分和硬质合金部分的表面光滑，其表面形貌起伏变化范围分别可以控制在15，10 μm以内，基本满足设计要求.

2） 聚晶金刚石单刃螺旋微铣刀加工蓝宝石材料过程中，轴向方向的力F_z 明显大于F_x 和F_y，且随着进给速度的增加，F_y 和F_z 均呈现增大的趋势，而F_x 变化趋势不明显.随着微铣削深度a_p的增加，F_x 和F_z 均呈现增大的趋势，而F_y 变化趋势不明显.

3） 聚晶金刚石单刃螺旋微铣刀加工蓝宝石材料的表面质量与进给速度、微铣削深度存在非线性映射关系.表面粗糙度参数S_a和S_z随着微铣削深度的增加呈现先减小后增大的变化趋势.蓝宝石材料微铣削的面粗糙度S_a可稳定控制在0.76~1.00 μm，且聚晶金刚石单刃螺旋微铣刀的抗磨损性能良好，其磨损形式主要以微铣刀底面破损为主.

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基金资助

国家自然科学基金青年基金资助项目(62103034)

中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(N2403011)