哈理工通過3DP打印技術制備硬質合金球頭銑刀

      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品的機械加工效率與加工質量。近幾年，3D打印憑著獨特的技術特點，在刀夾具領域的應用可以說正在走向縱深方向發展。

     3D打印技術在刀具的應用方面一大派系是3DP粘合劑噴射打印技術，通過熱處理后的刀具硬度可以滿足應用需求。另一大派系是SLM金屬3D打印技術，通過粉末床選擇性激光融化技術制造金屬刀具特殊的槽形或者刀具內部復雜的冷卻通道。這兩項技術越來越引起刀具行業的重視。本期，3D科學谷與谷友共同來領略哈爾濱理工大學通過3DP打印技術制備微織構硬質合金球頭銑刀的技術。

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

     近年來，仿生摩擦學提出了一種表面織構的概念。所謂表面織構(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。高性能的表面織構可以實現良好的減摩、抗粘附和提高耐磨性，這給刀工表面狀態減摩帶來了新的研究方向，也提供了理論依據。當前，國內外已有少數學者進行了表面織構在切削刀具上的應用，研究雖處于起步階段，但其研究結果均證明了表面微織構刀具有提高刀具切削性能的功效。

     關于微織構在刀具表面的應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位面銑刀片上，切削材料以45#鋼和鋁合金為主，尚未發現表面微織構應用于球頭銑刀銑削鈦合金的研究以及關于微織構優化的研究報道，因此改變鈦合金目前的低效加工模式，為微織構刀具實現鈦合金的高效高質量切削做出有益探索。

     現有的表面微織構制備方法主要有：激光表面織構技術(LST)、表面激光噴丸(LPT)、LIGA技術、反應離子刻蝕(RIE)、壓刻技術、電解質加工、電火花加工、電加工等。這些技術都是在基材表面直接進行微區加工實現織構化，但多數現有織構化技術還是屬于“減材”制造技術，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，其中激光表面織構技術以其制造加工速度快，應用材料范圍廣，精度高，對環境無污染以及優良的形狀、尺寸控制能力等優點被廣泛應用在表面微織構領域。但是利用這種方法在刀具表面加工微織構時容易在微織構周圍產生熱影響區以及微裂紋，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打印技術相對成熟，金屬3D打印技術凸顯出巨大的發展潛力，成為當今快速成型領域重要的發展方向和研究熱點。金屬3D打印技術大多數采用的是以激光作為輸入熱源，通過融化或者燒結金屬粉末進行逐層疊加打印制件。但是對于硬質合金這種兩種性質相差較大的復合材料，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，凝固后合金組織無法滿足作為硬質合金的要求。

     哈爾濱理工大學通過3DP粘合劑噴射3D打印技術解決了現有3D打印技術無法生產硬質合金刀具以及現有技術在刀具上制備的微織構存在一些缺陷等問題，進而提出一種基于3D打印技術的微織構硬質合金球頭銑刀制備方法。具體來說包括如下步驟：

- 制備YG8硬質合金球頭銑刀粉末原料：YG8硬質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；

- 建立微織構硬質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域以一定的微織構尺寸、深度和間距植入凹坑微織構模型，從而能夠達到最好的減摩效果；

- 通過三維模型打印微織構刀具實體；

- 后處理工藝：首先將微織構硬質合金刀具放入氫氣環境下進行熱脫脂處理，除去粘合劑；最后再采用真空燒結工藝對硬質合金微織構球頭銑刀坯體進行燒結處理，燒結溫度為1400°～1420°左右，燒結過程持續時間為3～6小時；最終使微織構硬質合金球頭銑刀達到100％的密度以及足夠的強度。

     3DP是一種粘合劑噴射打印技術，哈爾濱理工大學通過3DP技術和后處理技術制備的微織構硬質合金球頭銑刀能夠使刀具到達100％的密度，并且經過后處理后的緊實度和強度能夠與傳統加工方式得到的硬質合金刀具基本一致。

      基于硬質合金球頭銑刀的復雜形狀，采用傳統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。哈爾濱理工大學的制備方法來制備的微織構硬質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，能夠實現在該接觸面積上打印出直徑從50微米到200微米的凹坑微織構陣列，并且尺寸精度非常高。

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

      哈爾濱理工大學還克服了采用傳統技術在硬質合金球頭銑刀上制備微織構的一些缺陷。例如，利用激光技術在硬質合金球頭銑刀上制備的微織構尺寸精度非常低；硬質合金表面在高溫熔化過程中還可能會與空氣中的氧反應，導致刀具的成分發生變化；在微織構周圍還會產生熱影響區，可能產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在提高硬質合金球頭銑刀結構強度的同時還進一步改善了微織構刀具的減摩抗磨性能，從而提高其使用壽命。

      根據中國3D打印網的市場研究，使用3DP粘合劑噴射三維打印技術生產硬質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生產硬質合金刀具。通過3DP打印硬質合金粉末，研究所能夠輕松創建復雜的設計。在這個過程中，陶瓷硬質材料的粉末顆粒，包括碳化鎢顆粒通過含鈷、鎳或鐵的粘結材料層層打印粘結起來。這種粘合材料不僅是粉末層之間的粘合劑，還使得產品具有良好的機械性能并能生產完全致密的部件，甚至可以選擇性地調整彎曲強度、韌性和硬度。后續的處理包括燒結處理，得到與傳統加工方式一致的硬質合金模具緊實度。

     而不僅僅哈爾濱理工大學和Fraunhofer研究所運用的3DP技術，高邁特公司還使用了SLM金屬3D打印技術和機械加工技術用于制造銑刀。銑刀中擁有密集出屑槽的刀體部分是通過金屬3D打印技術制造的定制化非標產品，刀柄部分則是通過機械加工技術批量化生產的標準產品。

     另外一家，瑪帕公司還通過3D打印技術創造出QTD系列刀具復雜的螺旋冷卻通道，從而提高了冷卻液到鉆頭頂部的流動過程中的熱傳導能力。瑪帕的鉆頭與之前的鉆頭相比使用壽命更長、運轉速度更快。

      無論是3DP技術用于硬質合金刀具的制造還是SLM技術用于金屬刀頭和刀柄的制造，3D打印技術在刀具領域的制造方面占有越來越重要的位置。

參考資料：CN106363168A

Influence of surface topography on the wear of hot forging dies