哈理工通过3DP打印技术制备硬质合金球头铣刀

      刀夹具是金属切削机床上重要的组件，尤其是刀具的几何槽形，冷却方式都极大影响着产品的机械加工效率与加工质量。近几年，3D打印凭着独特的技术特点，在刀夹具领域的应用可以说正在走向纵深方向发展。

     3D打印技术在刀具的应用方面一大派系是3DP粘合剂喷射打印技术，通过热处理后的刀具硬度可以满足应用需求。另一大派系是SLM金属3D打印技术，通过粉末床选择性激光融化技术制造金属刀具特殊的槽形或者刀具内部复杂的冷却通道。这两项技术越来越引起刀具行业的重视。本期，3D科学谷与谷友共同来领略哈尔滨理工大学通过3DP打印技术制备微织构硬质合金球头铣刀的技术。

      在切削加工钛合金时，钛合金与刀具之间的摩擦系数较大，钛合金切屑沿前刀面摩擦速度较高，剧烈的摩擦导致刀具易磨损及表面质量较差是限制钛合金发展的主要因素，钛合金零部件的使用性能优劣主要依托于零件的加工质量，这类问题已经成为航空航天相关研究人员最为关注问题之一。

     近年来，仿生摩擦学提出了一种表面织构的概念。所谓表面织构(SurfaceTexturing)，又称表面微造型，是在摩擦面上加工出具有一定尺寸和排列的凹坑或微小沟槽的点阵。高性能的表面织构可以实现良好的减摩、抗粘附和提高耐磨性，这给刀工表面状态减摩带来了新的研究方向，也提供了理论依据。当前，国内外已有少数学者进行了表面织构在切削刀具上的应用，研究虽处于起步阶段，但其研究结果均证明了表面微织构刀具有提高刀具切削性能的功效。

     关于微织构在刀具表面的应用以及对刀具性能影响的研究还处于起步阶段，大多集中在车削刀片以及可转位面铣刀片上，切削材料以45#钢和铝合金为主，尚未发现表面微织构应用于球头铣刀铣削钛合金的研究以及关于微织构优化的研究报道，因此改变钛合金目前的低效加工模式，为微织构刀具实现钛合金的高效高质量切削做出有益探索。

     现有的表面微织构制备方法主要有：激光表面织构技术(LST)、表面激光喷丸(LPT)、LIGA技术、反应离子刻蚀(RIE)、压刻技术、电解质加工、电火花加工、电加工等。这些技术都是在基材表面直接进行微区加工实现织构化，但多数现有织构化技术还是属于“减材”制造技术，主要以刻蚀、压印等方式在表面形成单一的凹坑或凹槽为主，其中激光表面织构技术以其制造加工速度快，应用材料范围广，精度高，对环境无污染以及优良的形状、尺寸控制能力等优点被广泛应用在表面微织构领域。但是利用这种方法在刀具表面加工微织构时容易在微织构周围产生热影响区以及微裂纹，会影响刀具在加工时的强度以及使用寿命。

      随着塑料材料3D打印技术相对成熟，金属3D打印技术凸显出巨大的发展潜力，成为当今快速成型领域重要的发展方向和研究热点。金属3D打印技术大多数采用的是以激光作为输入热源，通过融化或者烧结金属粉末进行逐层叠加打印制件。但是对于硬质合金这种两种性质相差较大的复合材料，其中WC属于陶瓷类，熔点高；而Co属于金属，熔点低。虽然激光达到的温度足以将WC熔化，但达到WC熔化的温度时，Co会蒸发，凝固后合金组织无法满足作为硬质合金的要求。

     哈尔滨理工大学通过3DP粘合剂喷射3D打印技术解决了现有3D打印技术无法生产硬质合金刀具以及现有技术在刀具上制备的微织构存在一些缺陷等问题，进而提出一种基于3D打印技术的微织构硬质合金球头铣刀制备方法。具体来说包括如下步骤：

- 制备YG8硬质合金球头铣刀粉末原料：YG8硬质合金球头铣刀粉末原料的主成分配比为8％的钴粉和92％的碳化钨粉；

- 制备有机粘结剂：有机粘合剂的主要成分包括石蜡以及聚乙二醇、聚乙烯、聚丙烯、聚乙烯醇中的一种；

- 建立球头铣刀的刀—屑接触面：通过计算和实验来得到在给定切削用量条件下球头铣刀在加工过程中前刀面的刀—屑接触面积以及在前刀面上的位置；

- 建立微织构硬质合金球头铣刀的三维模型：采用上一步建立的刀—屑接触面积模型，然后在这个面积的区域以一定的微织构尺寸、深度和间距植入凹坑微织构模型，从而能够达到最好的减摩效果；

- 通过三维模型打印微织构刀具实体；

- 后处理工艺：首先将微织构硬质合金刀具放入氢气环境下进行热脱脂处理，除去粘合剂；最后再采用真空烧结工艺对硬质合金微织构球头铣刀坯体进行烧结处理，烧结温度为1400°～1420°左右，烧结过程持续时间为3～6小时；最终使微织构硬质合金球头铣刀达到100％的密度以及足够的强度。

     3DP是一种粘合剂喷射打印技术，哈尔滨理工大学通过3DP技术和后处理技术制备的微织构硬质合金球头铣刀能够使刀具到达100％的密度，并且经过后处理后的紧实度和强度能够与传统加工方式得到的硬质合金刀具基本一致。

      基于硬质合金球头铣刀的复杂形状，采用传统的加工方式制备过程会比较麻烦，而且还会造成材料的浪费。哈尔滨理工大学的制备方法来制备的微织构硬质合金球头铣刀能够得到的尺寸精度更高，而且还在前刀面上建立出特有的刀—屑接触模型，能够实现在该接触面积上打印出直径从50微米到200微米的凹坑微织构阵列，并且尺寸精度非常高。

     与目前在硬质合金球头铣刀上制备微织构的方法相比，哈尔滨理工大学除了能够制造出复杂形状的球头铣刀之外，还可以在球头铣刀前刀面刀—屑接触区制备出外形尺寸更精确的凹坑微织构阵列，从而可达到在切削加工时减小刀—屑的接触面积、降低刀—屑接触区的摩擦系数、减少刀具的磨损。

      哈尔滨理工大学还克服了采用传统技术在硬质合金球头铣刀上制备微织构的一些缺陷。例如，利用激光技术在硬质合金球头铣刀上制备的微织构尺寸精度非常低；硬质合金表面在高温熔化过程中还可能会与空气中的氧反应，导致刀具的成分发生变化；在微织构周围还会产生热影响区，可能产生微裂纹等都会影响刀具的使用寿命。因此哈尔滨理工大学在提高硬质合金球头铣刀结构强度的同时还进一步改善了微织构刀具的减摩抗磨性能，从而提高其使用寿命。

      根据中国3D打印网的市场研究，使用3DP粘合剂喷射三维打印技术生产硬质合金刀具在国外已有。德国弗朗霍夫（Fraunhofer）研究所的研究人员就成功地使用3DP粘合剂喷射三维打印技术生产硬质合金刀具。通过3DP打印硬质合金粉末，研究所能够轻松创建复杂的设计。在这个过程中，陶瓷硬质材料的粉末颗粒，包括碳化钨颗粒通过含钴、镍或铁的粘结材料层层打印粘结起来。这种粘合材料不仅是粉末层之间的粘合剂，还使得产品具有良好的机械性能并能生产完全致密的部件，甚至可以选择性地调整弯曲强度、韧性和硬度。后续的处理包括烧结处理，得到与传统加工方式一致的硬质合金模具紧实度。

     而不仅仅哈尔滨理工大学和Fraunhofer研究所运用的3DP技术，高迈特公司还使用了SLM金属3D打印技术和机械加工技术用于制造铣刀。铣刀中拥有密集出屑槽的刀体部分是通过金属3D打印技术制造的定制化非标产品，刀柄部分则是通过机械加工技术批量化生产的标准产品。

     另外一家，玛帕公司还通过3D打印技术创造出QTD系列刀具复杂的螺旋冷却通道，从而提高了冷却液到钻头顶部的流动过程中的热传导能力。玛帕的钻头与之前的钻头相比使用寿命更长、运转速度更快。

      无论是3DP技术用于硬质合金刀具的制造还是SLM技术用于金属刀头和刀柄的制造，3D打印技术在刀具领域的制造方面占有越来越重要的位置。

参考资料：CN106363168A

Influence of surface topography on the wear of hot forging dies