（机械制造及其自动化专业论文）金刚石颗粒有序排布切削脆硬材料机理的研究.pdf

金刚石颗粒有序排布切削脆硬材料机理的研究 摘要 本文使用单颗粒金刚石和多颗粒金刚石有序排布刀具以弧线轨迹飞铣 玻璃、花岗石、混凝土和大理石等四种硬脆材料，对这四种硬脆材料精密 切削的加工机理进行了研究。通过精密实验，运用脆硬材料断裂力学、计 算机仿真、数学理论建模分析，揭示了这四种材料在单颗粒金刚石和多颗 粒有序排布切削时的加工机理。 主要研究结论如下： 1 、金刚石飞铣划痕的形成过程为：初始塑性变形和微崩碎形成轮廓一 一产生向前的中位裂纹并去除材料产生扇形横向裂纹扇形裂纹沿 解理面断裂横向去除材料。 2 、金刚石飞铣和平面划擦划痕的区别：单颗粒金刚石飞铣产生的切屑 远小于平面划擦产生的切屑，沟槽边缘和沟槽底部轮廓较平整。由于裂纹 扩展，沟槽内部产生大小不一的凹坑，但其深度、大小比平面划擦相对较 小。凹坑底部产生了大量团状及点状裂纹，并且由于磨粒的断续切削作用， 较少出现平面划擦时因裂纹自由扩展而造成的大量辐射状条形裂纹。 3 、硬脆材料的物理机械性能及显微结构特性很大程度上决定了材料的 可加工性。玻璃在飞铣时未产生明显的塑性变形即崩碎；大理石和花岗石 的飞铣过程以硬矿物的崩碎和软矿物的推挤为主；混凝土等复合材料则以 软骨料在沟槽两侧及前方堆积，并在沟槽底部压实以及硬骨料快速弹出， 且在飞溅过程中带走部分堆积在沟槽两侧及磨粒前部的切屑为主；四种材 料的可加工性从低到高分别为：玻璃、花岗石、混凝土、大理石。 4 、单颗粒金刚石飞铣后得到的表面形貌，沟槽崩碎较多。而多颗粒有 序排布刀具飞铣时，与材料接触的第一颗金刚石主要起材料去除作用，剩 余的金刚石主要对沟槽的表面损伤进行修整，崩碎相对较少；单颗粒金刚 石的切削力随着切削深度的增加迅速上升，而多颗粒有序排布刀具因有效 切削颗粒数目的变化，其切削力的增加幅度随着切削深度的增加逐渐减小。 5 、通过对比不同出刃高度差金刚石刀具的切削力和表面粗糙度。实验 结果表明：出刃高度差为金刚石粒径2 3 的刀具t 3 切削玻璃、花岗石、大 理石、混凝土时的切削力分别比出刃高度差为2 9 的刀具t 2 减小了9 3 、 6 8 、1 3 3 和2 0 5 ；t 3 切削玻璃、花岗石、大理石、混凝土时的表面 粗糙度分别比t 2 减小了2 0 3 、8 4 、2 4 、1 3 3 。由此可得：刀具的 金刚石粒度越小，出刃高度差越小，材料被加工后的表面质量越高，脆性 碎裂在材料去除过程中占的比例越低，同时，切削力减小，切削环境得到 改善，提高了切削效能。 6 、本文使用遗传算法建立了多颗粒金刚石有序排布刀具飞铣玻璃、花 岗石、混凝土和大理石等四种材料的切削力预测模型。通过实验验证，该 模型对切削力的预测误差在2 4 之间，精度比回归分析预测的误差( 5 8 ) 提高了近一倍。 关键词：单颗粒金刚石有序排布飞铣硬脆材料加工机理传算法 u t h em e c h a n i s ms t u d yo fo r d e r l ys e t t i n go f d i a m o n d sg r i n d i n gb r i t t l e h a r dm a t e r i a l s a b s t r a c t f o u rk i n d so fb r i t t l e r i g i dm a t e r i a l s ，i n c l u d eg l a s sg r a n i t e ( b l a c kj i n a n ) c o n c r e t ea n dm a r b l e ( w h i t eg u a n g x i ) a r ef l ym i l l e dw i t ha r ct r a j e c t o r yb ys i n g l e d i a m o n da n d o r d e r l ys e t t i n g o fd i a m o n d s t 0 0 1 t h r o u g he x p e r i m e n t a l i n v e s t i g a t i o n ，f r a c t u r em e c h a n i c so fb r i t t l e h a r dm a t e r i a l s ，c o m p u t e rs i m u l a t i o n a n dt h e o r e t i c a lm o d e l i n ga n a l y s i s p r e c i s i o ng r i n d i n gm e c h a n i s m sf o rt h o s ef o u r k i n d so fb r i t t l e - r i g i dm a t e r i a l sa r ed i s c u s s e d ，a n dt h eg u i d e l i n eh a sb e e n e s t a b l i s h e d t h et h e s i sd i s c u s s e st h ei n f l u e n c e so ft h eg r i n d i n gp r o c e s sp a r a m e t e r s ， p a r t i c l es i z e ，m a t e r i a lp r o p e r t i e sa n dc u t t i n gm o d eo nm a c h i n a b i l i t y ，i n c l u d e g r i n d i n gf o r c e s ，g r i n d i n g f o r c e r a t i o ，s p e c i f i cg r i n d i n ge n e r g y , s u r f a c e r o u g h n e s s ，s u r f a c ec r a c k sa n dr e m o v a lm e c h a n i s m t h er e s u l t ss h o wt h a t ： 1 、t h ef o r m a t i o np r o c e s so fd i a m o n df l ym i l l e dc r a c ki n c l u d e ：t h ei n i t i a l p l a s t i cd e f o r m a t i o ns h a p p i n gt h ep r o f i l eo fc r a ck 1 h em e d i a nc r a c k sh a s b e e ng e n e r a t e d - - t h es e c t o r i a lt r a n s v e r s ec r a c kh a sb e e ng e n e r a t e d t h e s e c t o r i a lt r a n s v e r s ec r a c ka r ef r a c t u r e da l o n gt h e i rc l e a v a g ep l a n e sa n dt h e i i i m a t e r i a l sh a sb e e nr e m o v e d 2 、t h ed i f f e r e n c eo fd i a m o n df l ym i l l i n ga n ds c r a t c h i n gi st h a t ：t h ec h i po f d i a m o n df l ym i l l i n gi ss m a l l e rt h a nt h ec h i po fs c r a t c h i n g t h eg r o o v ee d g ea n d g r o o v eb o t t o mo ff l ym i l l i n gi st e m p e rt h a nt h es c r a t c h i n g t h ei n s i d eo fg r o o v e i ss u r f a c ed e n t s ，t h ed e n t sd e p t ho ff l ym i l l i n gi ss m a l l e rt h a nt h ed e p t ho f s c r a t c h i n g ，t h ed e n t sb o t t o mo ff l ym i l l i n gh a v el o t so fc r a c kl i k ec l u s t e ra n d t h ed e n t sb o a o mo fs c r a t c h i n gh a v el o t so fc r a c kl i k es t r i p 3 、t h em a c h i n a b i l i t yo fb r i t t l e - h a r dm a t e r i a l sa r eg r e a t l yi n f l u e n c e db yt h e m e c h a n i c a l - p h y s i c a lp r o p e r t i e so ft h em a t e r i a l s g l a s sh a d n to b v i o u s l yp l a s t i c d e f o r m a t i o nb e f o r ec r a c k ；g r i n d i n gp r o c e s so fm a r b l ea n dg r a n i t ew a sm a i n l y p u s h i n gs o f tm i n e r a l sa n db r e a k i n gh a r dm i n e r a l s ；s o f ta g g r e g a t eo fc o n c r e t e w a sa c c u m u l a t e db e s i d eg r o o v e a n dc o m p a c t e di nt h eb o t t o mo fg r o o v e ，w h i l e h a r d a g g r e g a t ee je c t e dq u i c k l y a n d c a r r i e d a w a yp a r t s o f c h i p s t h e m a c h i n a b i l i t yo ff o u rk i n dm a t e r i a l sf o r mb i gt os m a l li sg l a s s ，g r a n i t e ，c o n c r e t e a n dm a r b l e 4 、c h i p so ff l ym i l l i n gw e r ef a rs m a l l e rt h a nt h a to fs u r f a c es c r a t c h i n g ，a n d t h eb o t t o mo fg r o o v ew a sm o r ef l a t w h e nm u l t id i a m o n dg r a i n so r d e r l ys e t t i n g o fd i a m o n d st o o lg r i n d i n gf o u rk i n dm a t e r i a l s ，t h ef i r s td i a m o n dt h a tc u t t i n g m a t e r i a li se f f e c to nm a t e r i a lr e m o v a l ，t h ee f f c e to fr e s td i a m o n dg r a i n si s d r e s s i n gg r o o v e w i mt h ec u t t i n gd e p t hi n c r e a s e s ，t h ec u t t i n gf o r c eo fs i n g l e d i a m o n dt o o lw o u l de n l a r g ef a s t e r , b u tt h ec u t t i n gf o r c ee n l a r g er a t eo fm u l t i d i a m o n dg r a i n so r d e r l ys e t t i n go fd i a m o n d st o o lb e c o m es m a l l e r i v 5 、c o m p a r i s o nt h ec u t t i n gf o r c ea n ds u r f a c er o u g h n e s sb e t w e e nt h et 3t o o l t h a th e i g h to fp r o t r u s i o nd i f f r e m ti s2 3 a n dt 2t o o lt h a th e i g h to fp r o t r u s i o n d i f f r e m ti s2 9 t h ef o r c eo ft 3c u t t i n gg l a s sg r a n i t em a r b l ec o n c r e t ei ss m a l l e r t h a nt 2i s9 3 ，6 8 ，1 3 3 ，2 0 5 r e s p e c t i v e l y ；a n dt h es u r f a c er o u g h n e s so f t 3c u t t i n gg l a s sg r a n i t em a r b l ec o n c r e t ei ss m a l l e rt h a nt 2i s2 0 3 ，8 4 ，2 4 ， 13 3 r e s p e c t i v e l y 6 、t h et h e s i se s t a b l i s h e df o u rk i n d sc u t t i n gf o r c ep r e d i c t i o nm o d e lo f b r i t t l e - r i g i dm a t e r i a l s ， i n c l u d e g l a s sg r a n i t e ( b l a c kj i n a n ) c o n c r e t ea n d m a r b l e ( w h i t eg u a n g x i ) b y t e s t e db ye x p e r i m e n t st h ep r e d i c t i o ne r r o ro fg e n e t i c a l g o r i t h mp r e d i c t i o nm o d e lb e t w e e n2 - - 4 ，i t sa c c u r a c yi sb e t t e rt h a nm u l t i p l e r e g r e s s i o np r e d i c t i o nm o d e lt h a tp r e d i c t i o ne r r o rb e t w e e n5 , - - , 8 k e y w o r d s ：s i n g l ed i a m o n d ；o r d e r l ys e t t i n g ；f l y i n gm i l l i n g ；b r i t t l e - r i g i d m a t e r i a l s ；g r i n d i n gm e c h a n i s m ；g e n e t i ca l g o r i t h m v 符号 v c v f a p a z f n f t m i l l i n g r e - m i l l i n g c i s u r f a c er o u g h n e s s v i d 主要符号表 意义单位或量纲 切削速度 m s 进给速度 m m m i n 切削深度lain 单颗粒金刚石切削厚度岬 法向切削力 n 切向切削力n 直接飞铣 重复飞铣 切削力分力比 表面粗糙度岬 材料去除率胂3 刀具直径m m 与材料特性有关的影响因子 与金刚石磨粒参数有关的影响因子 与磨粒相互作用有关的影响因子 与切削用量有关的影响因子 单个断裂凹槽的理论去除体积 i x m 3 实验得到的实际切削力 k n 遗传算法切削力模型预测的切削力值k n 多元回归切削力模型预测的切削力值 k n 玻璃 大理石广西白 混凝土 花岗石济南青 v i 珥 印 粤 印 x 皿 唱 一矿 k k g b c j 广西大学学位论文原创性声明和使用授权说明 学位论文原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成果和 相关知识产权属广西大学所有，本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本 论文的研究内容。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发表过的研究成果，也 不包含本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究工作提供过重要帮助的个 人和集体，均已在论文中明确说明并致谢。 论文作者签名：磁，阪 刚纱节年7 月弓日 学位论文使用授权说明 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： 宦而时发布口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) ：倒呐躲哟伊罗甲罗日 广西大掌硕士学位论文金刚石颗粒有序排布切削脆硬材料机理的研究 1 1 本课题的研究意义 第一章绪论弟一早 三百下匕 金刚石圆锯片主要用于锯切岩石材料，包括花岗石、大理石、陶瓷制品以及混凝土 制品的切割，是石材、建材、路桥等行业重要且广泛使用的加工工具。其消耗量居金刚 石工具类之首，是消耗费用最高的工具之一【l ，2 】。 金刚石圆锯片的薄圆板型锯片基体的工作条件较为恶劣，我国及全世界每年因失效 造成大量的锯片体报废【3 j 。锯片节块的不正常磨损也导致锯片基体与节块复焊次数增加 【4 5 】，更重要的是锯片失效影响了加工过程的稳定性和加工质量，加速了金刚石工具的 自我磨损速度【6 7 】。因此，不仅要从金刚石节块配方上改进、而且应该从合理设计金刚 石圆锯片结构以及金刚石的排布方式和焊接方式上，探寻有效降低锯片的失效机理及抑 制方法，进而提高锯切效率和锯切质量，降低锯切成本，对我国特种材料加工技术水平 的提高具有重要的理论意义和实际意义。 针对以上金刚石锯片在锯切过程中存在的问题，本课题提出从研究单颗粒金刚石切 削材料的行为及被加工材料表面形成的几何学关系出发，明确金刚石颗粒的去除材料机 理，并扩展到金刚石工具的方法，研究不同金刚石粒度的有序排布方式对材料去除机理， 锯片加工机理、以及切削力信号和表面粗糙度的影响，建立金刚石锯片锯切机理模型， 并据此模型对单多颗粒金刚石飞铣石材的加工过程进行仿真。对有效控制锯片偏摆、 切屑堵塞、提高其抗冲击、耐磨损能力起指导作用。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 金刚石的切削研究 ( 1 ) 金刚石的数值计算 为了建立整个锯片和锯片节块上金刚石之间的运动关系，获取锯片在锯切过程中， 单颗金刚石的切削状态和运动轨迹，以便对金刚石圆锯片的切削过程进行更精确的了 解，国内外有很多专家对这方面做了研裂引。张桂全等引进了运动学中点速度合成定理， 来求解单颗金刚石磨粒的切削面积，通过详细的理论推导，得到了单颗金刚石磨粒的锯 广西大掌硕士掌位论文 金月u 石颗粒有亭舅 布切肖u 脆硬材料丰。理的研究 切速度方程、锯切运动方程和切削面积等的计算公式，结果表明金刚石磨粒锯切面积与 前一颗金刚石磨粒所夹的圆心角、进给速度、锯切深度等成正比，与金刚石圆锯片的转 速成反比【9 1 。史冬梅，杨凯华等通过分析金刚石圆锯片节块工作面上金刚石的分布状态 和锯片工作时金刚石颗粒的运动特点，求出了节块工作面上出刃金刚石之间的距离和金 刚石的运动轨迹，据此推导出单颗粒金刚石切削厚度的计算公式，讨论了切削厚度与锯 切参数和节块结构之间的关系；结论表明单颗金刚石的切削厚度只有几微米，它与金刚 石的粒度、进给速度的2 3 次方成正比，与金刚石浓度的1 3 次方、锯片线速度的2 3 次方成反比，并与进刀量有关；节块前端金刚石切削的岩石量大于节块后部金刚石的切 削量，因此节块前端应采用强度高、抗冲击的粗颗粒金刚石【l0 1 。胡焕校等在分析金刚石 锯片刀头运动轨迹的基础上，根据金刚石锯片的切削运动特点，推到出了金刚石磨粒最 大切削厚度的计算公式，提出了切削过程中两个新的观点：( 1 ) 单颗粒金刚石锯切掉岩 石的水平距离是不变的，其岩体剖面形状呈带状，并且其水平距离仅与给进速度有关；( 2 ) 锯切过程中金刚石的切削厚度以正弦规律变化，也即随金刚石锯片刀头切削深度的变化 而变化，当切削深度达到最大切深时，其磨粒的切削厚度也达到最大值，这给锯片的设 计和正确使用提供了指导性依据【l 。 ( 2 ) 金刚石的的载荷研究 使用金刚石圆锯片锯切时，锯切力直接反映了锯片所受的载荷，是一个重要的研究 对象。通过研究单颗粒金刚石切削工件时的切削力可以对整个锯片在加工时切削弧区内 的每颗金刚石的受载荷状态进行深入研究。8 0 年代初，h k t 6 n s h o f f 等通过试验研究和 理论推导分析了了单个金刚石磨粒的切削状态，研究表明：金刚石对被加工材料的进给 压力是整个锯片在加工过程中的主要切削力分型1 2 , 1 3 】。李远等人通过实验研究了金刚石 锯片加工花岗石的切削力，研究表明：当加工时使用大切深和小进给的切削参数时锯片 锯切花岗石的切削力相对较小；对整个锯片来说，切削深度与进给速度比对切削力的影 响相对较大，而对单颗粒金刚石说，结果正好相反【1 4 】。陈先等人研究了锯片锯切时切削 力的组成，切削力主要由去除岩石时的阻力、锯片，磨粒，被加工材料和切屑四者间的 摩擦力组成l l 引。 广东工业大学的魏听等为了研究单颗金刚石和整个锯片之间的切削力关系，使用金 刚石磨粒和锯片对多种混凝土进行了锯切实验，研究表明：混凝土的不同组成成分对切 削力的影响较大，当锯片加工到岩石等较硬材料时，切削力突然上升，而锯切水泥，沙 子等较软材料时，切削力很小；切削力在锯片锯切材料的过程中波动频率很大，水泥混 2 金月石颗粒有序掏e 布切肖脆硬材料丰u 堑的研究 凝土在锯切时切削力的波动与沥青混凝土比相对较大；且切削水泥混凝土时的切削力与 沥青混凝土比也相对较大【1 6 】。 ( 3 ) 金刚石的磨损机理 金刚石工具在加工岩石，混凝土和玻璃等材料时，由于加工过程中的金刚石对被加 工材料的压力、摩擦和温度过高，锯片节块中镶嵌的金刚石会产生磨损和脱落。金刚石 的破损、脱落对材料的可加工性、加工质量和金刚石工具的使用等起到很大的影响。l u o s y 等在2 0 世纪9 0 年代初通过磨损实验，研究了金刚石锯片在加工过程中的磨损， 利用s e m 扫描电镜分析了节块中金刚石在试验中的磨损状态，并且研究了整个工具的 磨损量和切削力的影响，研究表明：工具表面的金刚石点蚀磨损很小时，金刚石颗粒的 磨损形势主要以微观破损为主，因金刚石磨损较小，此时工具耐磨性高；当金刚石表面 产生了很多随机性放射裂纹时，切削弧区的金刚石颗粒就会产生脱落，此时因金刚石磨 损和失效过多导致工具寿命降低【1 7 1 。l u os y 等在9 0 年代中期进一步研究了金刚石工 具在加工过程中磨粒的磨损，研究表明：金刚石工具的失效和报废很大程度上是由磨粒 破损和脱落引起的，当金刚石工具上有约3 成的金刚石颗粒产生破损或者脱落时，工具 的加工效率迅速下降，甚至直接使工具产生报废1 1 8 】。 基体与切屑问的摩擦石材与磨粒摩擦 基体被切屑和薄片磨蚀塑性变形 第一薄片区弹性变形 图1 1 金刚石切削石材的理论模型 f i g 1 11 1 1 em o d e lo f d i a m o n dc u t t i n gs t o n e m w b a i l e y 等人通过s e m 扫描电镜和实验研究认为：金刚石颗粒在加工混凝土时 的磨损形态主要有以下五种：完整颗粒、磨平、磨钝、破碎、脱落等【1 9 1 。h k t 6 n s h o f f 等通过实验和理论建模研究了金刚石圆锯片对石材进行加工时的磨损形态，建立了单颗 金刚石切割石材的理论模型( 见图1 一1 ) ，研究表明：单颗粒金刚石在切割石材过程中的 广西大学硕士学位论文 金月n 石颗粒有序排布切肖u 脆硬材料机理的研究 磨损主要有以下4 种形式：( 1 ) 粘着磨损：正在起切削作用的金刚石与被加工材料表面 相互粘连，并在切削过程中因剪应力而破损；( 2 ) 摩擦磨损：金刚石与被加工材料表面 间产生耕犁划擦，从而产生磨损；( 3 ) 扩散磨损：金刚石与被加工材料表面之间的产生 化学反应，从而消弱了金刚石本身的硬度等物理特性；( 4 ) 磨粒破碎：在加工过程中， 金刚石颗粒因压力过大、温升过高以及疲劳破坏导致金刚石破碎和脱落【2 0 1 。 虽然国内对金刚石工具的研究起步与国外相比较晚，但也对金刚石的磨损、失效等 基础理论进行了卓尔有效的研究。华侨大学的徐西鹏等人通过实验和理论推导分析，认 为金刚石圆锯片在加工花岗石等较硬岩石的过程中不仅承受花岗石的直接破碎磨损，而 且要承受花岗石切屑的冲击和侵蚀，金刚石颗粒的磨损主要可以分为磨粒直接破损、金 刚石冲击磨损和切屑冲击金刚石的磨损等【2 。广东工业大学的王成勇等人认为在金刚石 圆锯片的加工过程中金刚石的的磨损主要由以下七种形式组成：出刃、良好、微观破碎、 宏观破损、磨平、局部脱落、整体脱落等瞄】。王殿将等人认为金刚石圆锯片在加工较硬 岩石时其金刚石颗粒的磨损原因主要有以下四种：冲击剪切、疲劳失效、颗粒脱落和热 影响【2 3 1 。周振君等人通过实验研究发现金刚石圆锯片在切削过程中，其金刚石颗粒主要 承受摩擦和冲击两种磨损，当切削速度较低时摩擦影响比较大；反之以冲击影响较大【2 4 】。 宋月清等人通过实验观察了多种金刚石圆锯片加工后节块、胎体以及金刚石颗粒的磨 损，并通过理论推导分析了它们之间的关系以及磨损对金刚石工具寿命的影响，研究表 明：加工过程中金刚石被磨平或脱落后将降低金刚石工具的可加工性，而金刚石通过在 加工过程新出刃或产生微破碎导致切削刃增多将会对金刚石工具的可加工性产生较大 的提升【2 5 1 。杨伟光等人通过s e m 扫描电镜观察了试验后金刚石圆锯片的磨损形式，认为 金刚石圆锯片在加工过程中的磨损形态主要分为：轻微磨损和严重磨损，前者主要有金 刚石颗粒的耕犁划擦、蜕皮剥落以及点蚀凹坑等形态；后者主要有金刚石颗粒的脆性崩 碎、胎体破碎过多从而使金刚石出刃过大导致金刚石直接脱落等形态【2 6 】。 虽然人们从不同角度对金刚石圆锯切锯片石材以及混凝土时单颗粒金刚石的切削 状态和磨损模型进行了大量研究，但由于岩石锯切过程相当复杂，人们对锯切过程的认 识尚需进一步深入，且通过最新的金刚石钎焊技术，使金刚石的切削环境得到较大改善。 因此，目前建立的一些单颗粒模型虽然在一定程度上反映了锯切过程的规律，但还需要 进一步结合新技术来更好的反映金刚石在锯切过程中的状态。 4 广西大掌硕士擘啦论文 金刚石颗粒有序排布切肖q 脆硬材举i - 机理的研究 1 2 2 岩石和混凝土的加工机理研究 金刚石圆锯片的锯切过程是依靠通过烧结或钎焊等方式粘结的金刚石颗粒来对被 加工材料进行切割的。实际上是一个类似于磨削的过程，但岩石和混凝土等脆硬材料的 组成较复杂且成分分布不均，其加工机理与金属加工机理有较大差别且加工过程更为复 杂。由于金刚石切割工具广泛应用于石材切割，因此国内外学者对金刚石切削石材时的 加工机理有较多研究，特另i 是对金刚石锯片切削脆硬材料的加工机理进行了长期研究： 研究初期主要是硬度测量压头压入石材下的压痕理论【2 7 2 8 1 、使用s e m 扫描电镜和体视显 微镜对金刚石颗粒直接划擦被研究材料得到的沟槽形貌和裂纹扩展进行观察、通过声发 射来监测脆硬材料的的碎裂过程【2 9 】等。但由于岩石等脆硬材料的组成成分较多，且分布 极不均匀，导致其切削过程非常复杂，学术界仍未形成统一的切削机理理论。 ( 8 ) 小切深 大切深 图1 - 2 钝磨粒切削大理石模型 f i g 1 2m o d e lo fc u t t i n gm a r b l e sb yb l u n tc u t t e r h l o n s 等通过实验研究发现：在加工花岗岩的切削过程中，岩石的材料去除机理主 要以脆性崩碎为主，但根据岩石不同的物理特性，仍伴随有少量的塑性变形【3 0 l 。单颗粒 金刚石切削岩石的机理可以用岩石脆性材料断裂力学来解释。如图1 2 所示，当磨粒压 入大理石时，磨粒下部形成塑性压实区，在压实区外围产生侧向裂纹以及中位裂纹，在 裂纹扩展到石材表面时，将产生断裂切屑；钝磨粒比锐利磨粒更易产生塑性变形；锐利 磨粒则在较小切深时即可产生断裂切屑，磨粒在岩石表面划过时，中位裂纹扩展到工件 表面后，则会在工件表面上留下若干鳞片状切屑【3 1 1 。 5 广西大掌硕士掌位论文 金月n 五河页粒有序舅e 布切肖脆硬材料机理的研究 拉应力压应力拉应力 断裂破坏切屑塑性切屑 破碎剥落切屑 图1 3 金刚石磨粒切削混凝土的理论模型 f i g 1 3m o d e lo fs i n g l ed i a m o n dc u t t i n gc o n c r e t e 2 0 世纪7 0 年代初，e b i e n e r t 等人通过实验和理论推导提出了单颗粒金刚石切削混 凝土的切削模型( 见图1 3 ) ，研究结果表明：( 1 ) 在金刚石加工过程中，由于金刚石颗 粒对材料的压应力，被加工材料表面在金刚石前部产生崩碎，从而产生切屑，直接向前 飞溅而出；( 2 ) 因为金刚石颗粒对材料的高压以及切削热的作用，岩石材料在金刚石颗 粒的下部被压实，导致塑性变形并产生起皮状的切屑，使沟槽底部较光滑；( 3 ) 因为金 刚石切削过后，压应力突然消失，使金刚石磨粒后部的残余应力迅速释放从而产生较 大的块状切屑【3 引。该模型虽然解释了单颗金刚石切削混凝土的切割过程，但并没有讨论 金刚石切削材料时金刚石周围区域的应力场分布及裂纹产生的原因和扩展的规律。 生 图1 - 4 经改进后的单颗粒金刚石切割岩石模型 f i g 1 4m o d i f i e dr o c k - c u t t i n gm o d e lo fs i n g l ed i a m o n dg r a i n 粒剥落 m m e d i n g 等人通过实验和理论研究，得到了单颗粒金刚石切削岩石的理论模型( 见 图1 - 4 ) ，研究结果表明在切削岩石的过程中主要有以下三个变形区：金刚石前方为第一 6 广西大学硕士学位论文 金刚磊页粒有序翻e 布切肖脆硬材料机理的研究 变形区；金刚石下方为第二变形区；金刚石后方为第三变形区【3 3 i 。 图i - 5 岩石粗磨模型1 3 4 】 f i g 1 - 5t h em o d e lo fr o c kg r i n d i n g 随着岩石和混凝土在过内的应用越来越广泛，国内对岩石和混凝土的切削加工研究 也越来越成熟，李享德等人通过实验和理论分析，提出了新的岩石切削模型：岩石在粗 加工过程中随切削深度的逐渐增大，经历以下了四个阶段：平面滑擦、塑性耕犁、底部 压实和脆性崩碎，如图1 5 所示；而脆硬材料的精密加工过程与金属切削过程基本一 致，随切削深度的逐渐增大，依次经过平面滑擦、耕犁和塑性切削三个阶段【3 5 j 。 华侨大学的徐西鹏等利用s e m 扫描电镜对金刚石圆锯片切削不同种类的花岗岩后 的沟槽形貌和裂纹扩展进行了研究。结果表明：由于石英岩的主要成分为石英，其特性 较硬易碎，因此其材料去除时主要是晶粒沿晶界断裂或晶粒直接崩碎；而普通花岗岩主 要由石英、长石和云母等造物岩组成，因此其材料去除机理主要由三者的成分比例和分 布决定。其中，云母较软解离最完整，其次是长石，而石英最硬，断裂韧性也较高，在 加工过程中几乎不发生解离，主要以崩碎为主，最难切割【3 6 1 。 广东工业大学的王成勇等通过实验利用显微观察法和激光夹层散斑法综合研究了 金刚石刀具切削辉绿岩、花岗岩等两种硬岩的加工机理和材料去除机理，并通过理论分 析建立了金刚石刀具切削这两种硬岩的切削模型( 如图1 - 6 ，1 7 ) ，结果表明：由于辉 绿岩的硬度相对较小，因此其材料去除机理主要为粉屑生成在金刚石刀具的刀尖形 成压实核压实核代替刀尖切削材料开始在刀尖区域产生裂纹并逐渐扩展 裂纹迅速扩展导致材料表面形成大量崩碎而产生块状切屑的循环过程；金刚石刀具切削 7 金月n 石颗粒有序排布切肖n 脆硬材料机理的研究 花岗岩材料的去除机理为切削初段裂纹即在刀尖与被加工材料接触区域产生并逐渐扩 展材料被刀尖压碎裂纹迅速扩展裂纹连成网状并产生块状切屑的循环过 程 3 7 , 3 8 。 图卜6 辉绿岩切削机理模型 f i g 1 - 6c u t t i n gm e c h a n i s mm o d e lo fd i a b a s e 1 2 3 玻璃的加工机理研究 图1 7 花岗岩切削机理模型 f i g 1 - 7c u t t i n gm e c h a n i s mm o d e lo fg r a n i t e 玻璃与岩石一样属于脆硬性材料，但他比石材更脆，易碎。1 9 5 3 年，b r i d g e m a n 等 通过玻璃压痕实验研究了玻璃的塑性域加工，研究结果表明：加工玻璃等脆性材料时， 只要切削条件合适，也可以产生塑性去除【3 9 1 。7 0 年代中期，l a w n 等人通过使用金刚石 对玻璃等特脆材料进行压痕实验，发现脆硬材料的压痕变形机理与金属等塑性材料有很 大差别，其压痕变形机理依次由静压区、应变区和弹性区等三个过程组成，压头的尖锐 度对材料表面的裂纹生成也有较大影响1 4 0 , 4 1 】。9 0 年代初，p u t t i c k 等通过精密的实验条 件进行了亚微米级的压痕实验，实验结果表明：当使用较尖锐的压头以亚微米级别的压 入深度对玻璃等脆硬材料进行压痕实验时，压头以直线运动切削材料时会在材料表面产 生塑性耕犁，沟槽将不发生脆性崩碎 4 2 】。j o h n s o n 等通过对单晶硅进行的压痕实验研究， 发现材料表面裂纹的形成和扩展，材料的去除机理与压头压入材料后产生的的应力场有 密切的关系4 3 彤，4 5 1 。 锯切加工是由锯片节块两侧的金刚石平面划擦和节块顶部的金刚石圆周飞铣磨削 的组合。综上所述，国内外学者对岩石、混凝土和玻璃的平面划擦锯切机理进行了大量 研究并建立了金刚石直线轨迹切削模型，但实际上锯切加工中主要以顶部的金刚石飞铣 加工来去除材料，故应进一步分析金刚石圆周飞铣磨削情况下的材料表面形貌、切削力 等特征。 8 广西大学硕士掌位论文金月石颗粒有序爿e 布切胄脆硬材料和u 匣的研究 1 2 4 切削力仿真 金刚石工具在切削过程中，由于金刚石磨粒的作用以及工具上有效磨粒数的情况复 杂，要建立一个十分切合实际的加工过程模型非常困难。但不论是锯片结构设计还是工 艺改进都需要知道切削力的大小，因此，为了解释硬脆材料切削力的若干现象，从理论 上分析切削力的形成规律以及各种因素对切削力的影响，必须对切削力进行理论建模。 切削力的计算公式大体上可以分为三类，( 1 ) 根据因次解析法建立的切削力计算公 式；( 2 ) 根据实验数据建立的切削力经验公式；( 3 ) 根据因次解析法和实验数据结合的 方法建立的通用切削力计算公式 4 6 , 4 7 】。王长琼等对金刚石工具磨削工程陶瓷的加工过程 中的切削力进行了详细的实验研究，分析了不同因素对切削力及加工质量的影响，建立 了陶瓷切削力的经验公式，从经验公式可知，刀具横向进给速度对陶瓷的切削力影响最 大，切削深度的影响次之，工件往复速度对切削力无明显影响；同时推导出陶瓷材料不 适合进行缓进给大切深的高效切削【4 引。周会娜等通过切削加工试验，获得了切削力的实 验数据，利用人工神经网络和遗传算法建立了关于切削力的预测模型，该模型除考虑切 削条件以外，同时也考虑了硬脆材料的断裂韧性和金刚石粒度尺寸对切削力的影响，建 立了五因素切削力预测模型【4 9 , 5 0 。张一飞等利用b p 神经网络对金刚石圆锯片锯切花岗 石的切削力进行了建模，利用收集到的大量实验数据对模型进行训练，对锯切功率和锯 切力进行仿真预测，并通过实验验证，证明神经网络在硬脆材料的仿真领域具有较好的 效果【5 l 】。 由于硬脆材料的构成较复杂且成分分布不均，加工过程具有较大的随机性，因此对 其仿真具有很大难度，且无法精确的对其进行仿真，只能使用模糊数学等方面的理论对 其进行仿真。 1 3 课题来源与研究内容 1 3 1 课题来源 ( 1 ) 国家自然科学基金项目“金刚石圆锯片结构的动力失效研究( n o 5 0 3 6 5 0 0 2 ) ； ( 2 ) 广西科学基金项目“金刚石圆锯片动力学特性研究及虚拟设计 ( n o 0 3 3 9 0 1 2 ) ； ( 3 ) 广西青年基金资助项目“金刚石工具断续磨削脆硬材料的机理研究及其排布 设计( 桂科青0 8 3 2 0 0 3 ) ； 9 金月n 石阳呒粒有序舅e 布切肖d 脆硬材料秽u 里的研究 1 3 2 主要研究内容 本文研究了金刚石颗粒切削材料的行为及被加工材料表面沟槽的几何学关系，明确 金刚石颗粒去除材料的机理，并由单颗粒到多颗粒有序排布，研究不同金刚石粒度的有 序排布方式对材料去除机理，锯片的加工机理、以及切削力信号和表面粗糙度的影响。 主要包括： ( 1 ) 单颗粒直接、重复飞铣玻璃、花岗石济南青、混凝土和大理石广西白，随着 切削深度、切削速度和进给速度的变化，对材料的表面形貌、切屑，切削力进行分析。 ( 2 ) 不同金刚石粒度的有序排布刀具飞铣玻璃、花岗石济南青、混凝土和大理石 广西白，随着切削深度、切削速度和进给速度的变化，对材料的表面形貌、切削力、表 面粗糙度以及金刚石最佳粒度排布进行分析。 ( 3 ) 对金刚石切削玻璃、花岗石、混凝土和大理石等四种硬脆材料的全塑性加工 条件进行研究，求出在塑性域加工这四种材料时的临界条件。 ( 4 ) 用遗传算法和多元回归两种方法建立多颗粒金刚石有序排布刀具飞铣玻璃、 花岗石济南青、混凝土和大理石广西白等四种硬脆材料的切削力预测模型，并分析了它 们的可靠性。 l o 金刚j e 熨粒有序爿 布切肖脆硬材料机理的研究 第二章研究方法与实验条件 本章介绍了实验总体思路以及实验中使用的设备、工具和材料。简要说明了实验中 使用的一些工具的制作方法，以及实验参数的确定和实验数据的处理方法。 2 1 实验总体思路 单颗粒直 接飞铣 单颗粒重 复飞铣 多颗粒有序 排布金刚石 微观切削 过程监控 切削力 信号采集 观察划痕和 切屑特征 金刚石加工 机理研究 金刚石颗粒排 布方式研究 切削参数 优化 金刚石飞铣硬脆材料的加工机理 图2 1 实验总体思路图 f i g 2 - 1g e n e r a lr o u t eo fe x p e r i m e n t 本文采用单颗粒金刚石磨粒飞铣划伤实验研究金刚石锯片锯切石材和玻璃的锯切 机理。飞铣划伤实验即金刚石磨粒模拟圆锯片的锯切过程以弧线轨迹划过被加工材料。 通过观察加工表面的划痕和裂纹以及切屑，研究被加工材料的裂纹形成原因，通过切削 力的采集来研究单颗金刚石磨粒直接飞铣和重复飞铣切削力的分布规律。从单颗粒到多 颗粒的研究路线揭示金刚石颗粒( 包括单、多颗粒) 切肖0 材料的行为及被加工材料表面 沟槽的几何学关系和金刚石颗粒在划伤工件表面时划痕的干涉情况，明确金刚石颗粒去 除材料的机理，建立金刚石颗粒的锯切理论模型，再由单颗粒切削推广到多颗金刚石磨 粒有序排布飞铣锯切硬脆材料的实验。通过对比不同粒度排布的金刚石工具切削力大小 以及观察工件表面的切削痕迹，研究不同排布方式的特点，最终得出金刚石磨粒切削不 同硬脆材料的机理并对优化锯片的结构和节块配方进行指导。实验总体思路图见图2 1 。 童刚石颗粗有序摊布切削臆理材料机理的研究 22 金刚石工具的制备 本文使用的是自行设计和焊接的金刚石飞铣刀具( 图2 - 2 ) 对花岗岩、大理石、混 凝上和玻璃表面进行飞铣实验。刀柄为4 5 钢，在刀头侧面用小直径球头铣刀铣出直径 为2 m m ，深度为25 m m 的锥形凹坑，把金刚石颗粒放入凹坑，通过高温真空钎焊，可 以使盒削石颗粒裸露度达到金刚石颗粒尺寸的2 1 3 左右，且把持效果较电镀更好，能先 分发挥会刚石的剀削能力。 钎焊使用的是n i p 合金，应用真空钎焊炉( 图2 - 3 ) 为金刚石制品提供真空气氛加 热，减少因高温氧化造成的金刚石强度损失，提高胎体性能及对金刚石的包镶强度，具 有脱气、- h 杂和促进钎焊的作用，因而使金刚钎焊工具的内在质量明显提高。 匙白白 1 21 3 图2 - 2 自行设计的金刚石月具 f i g2 - 2d i a m o n dt o o l sd e s i g n e db yw o r kg r o u p 表2 一1 月具