有序化微刃刀具設(shè)計(jì)及基礎(chǔ)研究.pdf

1、本文提出了一種新型結(jié)構(gòu)的有序化微刃刀具，采用方條形金剛石纖維取代傳統(tǒng)砂輪的磨粒與傳統(tǒng)切削刀具的刀片，通過(guò)金剛石纖維在基體材料中的定向排布和對(duì)金剛石纖維的刃磨，保證有序化微刃刀具的每個(gè)金剛石纖維均能以一定的切削角度參與切削，并且每個(gè)金剛石纖維均具有鋒利的刀刃。眾所周知，傳統(tǒng)砂輪是由磨粒、結(jié)合劑與氣孔三部分組成。由于磨粒形狀及其分布的隨機(jī)性，造成砂輪磨削時(shí)存在法向力與切向力之比大、磨削比能高、磨削溫度高、對(duì)機(jī)床剛度要求高等不足，由于砂輪同時(shí)

2、參與切削的磨粒數(shù)量多，單個(gè)磨粒的切深很小，一般在亞微米級(jí)，對(duì)于超精密磨削，砂輪的單個(gè)磨粒切深甚至可達(dá)到納米級(jí)，因而利用砂輪磨削能獲得較高的表面質(zhì)量與加工精度。傳統(tǒng)的切削加工，刀具的切削部分因經(jīng)過(guò)人為刃磨而具有鋒利的刀刃，刀具的形狀與切削角度均可人為控制，因而法向力與切向力之比小、切削比能低、對(duì)機(jī)床剛度要求也相對(duì)較低，然而，切削刀具同時(shí)參與切削的刀刃數(shù)量少，為了保證一定的加工效率，往往單個(gè)刀刃的切削深度較大，一般在幾百微米至幾毫米，從而導(dǎo)

3、致切削力比較大(一般可達(dá)幾百牛)，因而加工質(zhì)量相對(duì)要差一些。有序化微刃刀具的金剛石纖維其寬度在0.2—0.5mm之間，比傳統(tǒng)的切削刀具小得多，同時(shí)參與切削的金剛石纖維數(shù)量可遠(yuǎn)大于普通切削刀具的刀刃數(shù)，并且各纖維同樣具有鋒利的刀刃與確定的切削角度，因而可獲得較高的加工精度與保證較好的加工效率。有序化微刃刀具是一種集砂輪與切削刀具優(yōu)點(diǎn)于一身的新型刀具，開(kāi)展有序化微刃刀具的設(shè)計(jì)及其基礎(chǔ)研究具有很好的應(yīng)用價(jià)值與理論價(jià)值。 本課題首先對(duì)傳

4、統(tǒng)的磨削加工與切削加工進(jìn)行了比較，對(duì)目前國(guó)內(nèi)外砂輪結(jié)構(gòu)創(chuàng)新現(xiàn)狀以及切削刀具的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了全面綜述，在此基礎(chǔ)上提出了有序化微刃具的概念與構(gòu)想。 金剛石纖維的制備是開(kāi)發(fā)有序化微刃刀具最關(guān)鍵的一步，由于金剛石具有極高的硬度與耐磨性，并且在大氣壓下當(dāng)溫度升高至1000K以上時(shí)金剛石會(huì)出現(xiàn)石墨化，因此，普通的纖維制備方法很難適于金剛石纖維的制備。本課題提出了減薄聚晶金剛石復(fù)合片(Polycrystalline Diamond Compa

5、cts，簡(jiǎn)稱(chēng)PDC)與高能切割技術(shù)相結(jié)合以制備金剛石纖維的方案。開(kāi)展了PDC的電火線花切割加工與Nd：YAG激光切割加工的實(shí)驗(yàn)研究，采用掃描電鏡(Scanning Electric Microscopy，簡(jiǎn)稱(chēng)SEM)與拉曼光譜儀對(duì)切割試件進(jìn)行了顯微觀察與分析，發(fā)現(xiàn)納秒級(jí)脈寬的KTP/Nd：YAG激光所切割的試件熱損傷小，并且切割速度比較快，因而采用納秒級(jí)脈寬的KTP/Nd：YAG激光切割PDC的方法制備金剛石纖維，金剛石纖維的截面尺寸為

6、0.3mm寬×0.6mm厚×10mm長(zhǎng)。 為了保證有序化微刃刀具在切削加工過(guò)程中其金剛石纖維具有一定的切削角度，采用了自制模具對(duì)金剛石纖維進(jìn)行定向、均勻、有序排布。為了保證每個(gè)金剛石纖維具有鋒利的刀刃，開(kāi)展了金剛石纖維的固結(jié)磨粒刃磨與游離磨粒刃磨實(shí)驗(yàn)研究，通過(guò)SEM的顯微觀察發(fā)現(xiàn)，固結(jié)磨粒刃磨很容易造成刃口的崩刃，采用游離磨粒刃磨則可以獲得較好的刃口質(zhì)量，最終確定以游離磨粒刃磨的方法實(shí)現(xiàn)金剛石纖維的刃磨加工。 氧化鋁、碳

7、化硅等陶瓷顆粒增強(qiáng)鋁合金因具有材質(zhì)輕、耐磨性好、比強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)而在汽車(chē)與航空領(lǐng)域得到廣泛地應(yīng)用，然而，硬質(zhì)顆粒的加入也給其加工帶來(lái)了極大的困難。金剛石刀具是目前公認(rèn)的加工陶瓷顆粒增強(qiáng)鋁合金的最有效工具，由于金剛石刀具無(wú)法制備成復(fù)雜的形狀，嚴(yán)重影響了陶瓷顆粒增強(qiáng)鋁合金更為廣泛地應(yīng)用。本課題以碳化硅增強(qiáng)高硅鋁合金為試件材料，開(kāi)展了有序化微刃刀具對(duì)塑性金屬材料的精密切削實(shí)驗(yàn)研究，單個(gè)纖維切削深度為1—10μm，介于傳統(tǒng)的切削加工與磨削加工之間

8、。經(jīng)SEM與表面輪廓儀對(duì)試件表面的檢測(cè)與分析發(fā)現(xiàn)，有序化微刃刀具在加工碳化硅增強(qiáng)高硅鋁合金時(shí)獲得了較高的加工質(zhì)量，當(dāng)單纖維切深為4μm、進(jìn)給速度為10mm/sec時(shí)，表面粗糙度達(dá)到了Ra0.08。并開(kāi)展了與數(shù)控銑削加工的對(duì)比性實(shí)驗(yàn)研究，在相同的材料去除率下，有序化微刃刀具的加工表面質(zhì)量明顯好于數(shù)控銑削加工，其加工表面沒(méi)有微裂紋，而數(shù)控銑削加工在較大切削效率時(shí)表面存在明顯的微裂紋。 對(duì)于普通的工程陶瓷材料，如碳化鎢/鈷、氧化鋁，材

9、料硬度越高則其斷裂韌性越低，然而，當(dāng)材料晶粒減小至納米級(jí)時(shí)，如納米碳化鎢/鈷，材料硬度提高時(shí)斷裂韌性降低較少。納米碳鎢/鈷涂層作為一種新型的耐磨涂層材料其優(yōu)越的物理力學(xué)性能已獲得廣泛的認(rèn)同，在機(jī)械制造、工具、國(guó)防、航空航天、地質(zhì)勘探領(lǐng)域獲得了廣泛地應(yīng)用。目前，納米碳化鎢/鈷涂層主要是采用金剛石砂輪進(jìn)行磨削加工。本文采用有序化微刃刀具開(kāi)展了納米碳化鎢鈷涂層材料的精密切削加工試驗(yàn)研究，并開(kāi)展了與金剛石砂輪磨削加工的對(duì)比分析，經(jīng)SEM顯微觀察

10、分析發(fā)現(xiàn)，采用0°前角的有序化微刃刀具進(jìn)行切削加工，最大未變形切削層厚度存在臨界值，當(dāng)最大未變形切削層厚度小于臨界值時(shí)，其加工表面質(zhì)量明顯好于SD600N100V金剛石砂輪磨削表面，只要控制單個(gè)微刃的最大未變形切削層厚度，既可獲得脆性材料的無(wú)損傷加工，因此，通過(guò)增加參與切削的微刃數(shù)量，采用0°前角的有序化微刃刀具可以實(shí)現(xiàn)脆性材料的高效精密加工；當(dāng)切削前角為—30°時(shí)，法向力與切向力之比較大，并且當(dāng)切削深度與進(jìn)給速度較大時(shí)，加工表面存在碎