有序化微刃刀具設(shè)計及基礎(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，通過金剛石纖維在基體材料中的定向排布和對金剛石纖維的刃磨，保證有序化微刃刀具的每個金剛石纖維均能以一定的切削角度參與切削，并且每個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，造成砂輪磨削時存在法向力與切向力之比大、磨削比能高、磨削溫度高、對機(jī)床剛度要求高等不足，由于砂輪同時

2、參與切削的磨粒數(shù)量多，單個磨粒的切深很小，一般在亞微米級，對于超精密磨削，砂輪的單個磨粒切深甚至可達(dá)到納米級，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、對機(jī)床剛度要求也相對較低，然而，切削刀具同時參與切削的刀刃數(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，開展有序化微刃刀具的設(shè)計及其基礎(chǔ)研究具有很好的應(yīng)用價值與理論價值。 本課題首先對傳

4、統(tǒng)的磨削加工與切削加工進(jìn)行了比較，對目前國內(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以上時金剛石會出現(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，簡稱PDC)與高能切割技術(shù)相結(jié)合以制備金剛石纖維的方案。開展了PDC的電火線花切割加工與Nd：YAG激光切割加工的實驗研究，采用掃描電鏡(Scanning Electric Microscopy，簡稱SEM)與拉曼光譜儀對切割試件進(jìn)行了顯微觀察與分析，發(fā)現(xiàn)納秒級脈寬的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。 為了保證有序化微刃刀具在切削加工過程中其金剛石纖維具有一定的切削角度，采用了自制模具對金剛石纖維進(jìn)行定向、均勻、有序排布。為了保證每個金剛石纖維具有鋒利的刀刃，開展了金剛石纖維的固結(jié)磨粒刃磨與游離磨粒刃磨實驗研究，通過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，開展了有序化微刃刀具對塑性金屬材料的精密切削實驗研究，單個纖維切削深度為1—10μm，介于傳統(tǒng)的切削加工與磨削加工之間

8、。經(jīng)SEM與表面輪廓儀對試件表面的檢測與分析發(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，表面粗糙度達(dá)到了Ra0.08。并開展了與數(shù)控銑削加工的對比性實驗研究，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，其加工表面沒有微裂紋，而數(shù)控銑削加工在較大切削效率時表面存在明顯的微裂紋。 對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時，如納米碳化鎢/鈷，材料硬度提高時斷裂韌性降低較少。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展了納米碳化鎢鈷涂層材料的精密切削加工試驗研究，并開展了與金剛石砂輪磨削加工的對比分析，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，其加工表面質(zhì)量明顯好于SD600N100V金剛石砂輪磨削表面，只要控制單個微刃的最大未變形切削層厚度，既可獲得脆性材料的無損傷加工，因此，通過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現(xiàn)脆性材料的高效精密加工；當(dāng)切削前角為—30°時，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，加工表面存在碎