（机械电子工程专业论文）聚晶金刚石刀具刃磨工艺与切削性能的研究.pdf

大连理f 大学硕十学付论文 摘要 随着现代工业和科学技术的飞速发展，聚晶金刚石刀具以其优良的性能在汽车工 业、航空航天工业、木材加工行业等领域中得到了广泛的应用。但是其高硬度和良好的 耐磨性给其自身的刃磨加工带来了很大的困难，主要体现在磨削效率低和磨削成本高， 导致用户难以接受其昂贵的价格。在金刚石砂轮机械刃磨这种方法中，金属、树脂、陶 瓷三种结合剂的会刚石砂轮在刃磨p c d 刀具时由于磨削机理不同，对刀具刃磨质量的 影响也不相同，因此砂轮的选取具有一定的盲目性。p c d 刀具是目前切削有色金属的理 想刀具之一，其几何参数的选取与普通刀具有所不同，给使用者带来了一定的困惑。基 于以上几点原因，本论文对p c d 刀具的刃磨工艺与切削性能进行了较为深入的研究， 为p c d 刀具在生产实践中的应用提供一定的指导意义。 首先，通过金刚石砂轮刃磨聚晶金刚石材料的正交试验，对各刃磨工艺参数对磨除 率和磨耗比的影响作了系统的研究，并建立了磨除率和磨耗比的回归方程。其次，采用 扫描电子显微镜观察不同结合剂金刚石砂轮刃磨p c d 刀具的刃口微观形貌，分析了砂 轮结合剂对p c d 刀具刃磨质量的影响，同时通过切削铝合金和铜合金的试验，研究了 砂轮结合剂和切削参数对工件表面粗糙度的影响，结果表明，陶瓷结合剂金刚石砂轮刃 磨的p c d 刀具刃口锯齿度较小，后刀面光洁度较好，加工工件表面质量最好。之后， 在单因素的切削试验中分别改变p c d 刀具的前角、后角、刀尖圆弧半径三个几何参数， 采用k i s f l e r 测力仪获取三向切削力，根据大量的试验数据分析了刀具几何参数对铝合金 加工过程的影响。最后，介绍了适用于等间距序列的灰色预测模型g m ( i ，1 ) 的建模步骤， 并对未来几年中国人造金刚石的产量进行了预测。 关键词：聚晶金刚石刀具；砂轮结合剂；刀具几何参数；切削性能；灰色预测模型 聚晶金刚石刀具刃磨丁艺与切削性能的研究 r e s e a r c ho ng r i n d i n gt e c h n o l o g ya n d c u t t i n gp e r f o r m a n c eo f p c d t o o l s a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fm o d e mi n d u s t r ya n dt e c h n o l o g y , t h ep o l y c r y s t a l l i n e d i a m o n d ( p c d ) t o o li su s e dw i d e l yi nt h ea u t o m o t i v ei n d u s t r y , a e r o s p a c ei n d u s t r ya n d w o o d w o r k i n gf i e l d d u et oi t se x c e l l e n tp r o p e r t i e s b u ti t ss u p e rh a r d n e s sa n dh i g h w e a r - r e s i s t a n c em a k ei t s e l fd i f f i c u l tt ob eg r i n d e d i t sg r i n d i n ge f f i c i e n c yi sl o wa n dg r i n d i n g c o s ti s h i g h , w h i c hr e s u l ti nt h ei n a c c e p t a b l eh i g hp r i c eb yt h ec l i e n t s a st h eg r i n d i n g m e c h a n i s mw i t hd i f f e r e n tw h e e lb o n d si n c l u d i n gm e t a lb o n d r e s i nb o n da n dv i t r i f i e db o n di s d i f f e r e n t ，t h ee f f e c t so nt h et o o lg r i n d i n gq u a l i t ya r ed i s s i m i l a rt o oi nt h em e c h a n i c a lg r i n d i n g ， a n ds og r i n d i n gw h e e l sa r es e l e c t e db l i n d l ya tt h ep r e s e n tt i m e t h ep c d c u t t i n gt o o li so n eo f t h em o s ti d e a lt o o l si nc u t t i n gn o n f e r r o u sm e t a l ，t h es e l e c t i o no ft o o lg e o m e t r i e si sd i f f e r e n t f r o mt h ec o m m o nt o o l s ，w h i c hb r i n g ss o m ep u z z l e m e n tt ot h ee n du s e r s t h i sp a p e rs t u d i e s t h eg r i n d i n gt e c h n o l o g ya n dc u t t i n gp e r f o r m a n c eo fp c dt o o l si nd e t a i l ，s oi tc a np r o v i d e s o m ei n s t r u c t i o n a lm e a n i n gt ot h ea p p l i c a t i o no f p c dt o o l si np r o d u c t i o np r a c t i c e a tf i r s t , t h r o u g ho r t h o g o n a le x p e r i m e n to fg r i n d i n gt h ep c dm a t e r i a lb yd i a m o n d g r i n d i n gw h e e l ，t h ei n f l u e n c e so fg r i n d i n gp a r a m e t e r so nr e m o v a lr a t ea n dg r i n d i n gr a t i ow e r e i n v e s t i g a t e d ，a n dt h er e g r e s s i v ef o r m u l aw a sf o u n d e d s e c o n d l yt h ep a p e rp r e s e n t e db l a d e m i c r o c o s m i cc h a r a c t e r i s t i co fp c dt o o l sg r i n d e db yg r i n d i n gw h e e l sw i t hd i f f e r e n tb o n d s t h r o u g hs c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p e ，a n dt h ee f f e c t so fw h e e lb o n d so ng r i n d i n gq u a l i t y w e r ea n a l y z e d ，a n ds i m u l t a n e o u s l yt h r o u g hc u t t i n ge x p e r i m e n t so fa l u m i n i u ma l l o ya n d c o p p e ra l l o y , t h ee f f e c t so fw h e e lb o n d sa n dc u t t i n gp a r a m e t e r so nc u t t i n gs u r f a c er o u g h n e s s w e r ea n a l y z e d t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a t t h eb l a d ea n df l a n ks u r f a c eo fp c dt o o l sg r i n d e db y g r i n d i n gw h e e lw i t hv i t r i f i e db o n dw e r eb e t t e rt h a no t h e r s t h eb e s ts u r f a c eq u a l i t yc a nb e a c q u i r e di nc u t t i n ge x p e r i m e n t so fa l u m i n i u ma l l o y n e x tt h eg e o m e t r i cv a r i a b l e si n c l u d i n g r a k ea n g l e ，r e l i e fa n g l ea n dn o s er a d i u so ft h et o o lw e r ec h a n g e dr e s p e c t i v e l yt h r o u g hs i n g l e f a c t o rc u t t i n ge x p e r i m e n t so fa l u m i n i u ma l l o y , t h e nt h ec u t t i n gf o r c ec o m p o n e n t sw e r e a c q u i r e db yt h ek i s t l e rd y n a m o m e t e r , s u b s e q u e n t l yt h ee f f e c t so ft o o lg e o m e t r i e so nc u t t i n g p r o c e s sw e , r ea n a l y z e dt h r o u g he x t e n s i v ed a t a f i n a l l y , t h em o d e l i n gp r o c e d u r eb a s e do nt h e g r e yf o r e c a s t i n gm o d e lg m ( 1 ，1 ) w h i c h i sa p p l i c a b l et oo r i g i n a ls e r i e sw i t he q u a li n t e r v a l s w a si n t r o d u c e d ，a n dt h e na no u t p u tm o d e lo f c h i n e s es y n t h e t i cd i a m o n dw a se s t a b l i s h e d k e yw o r d s ：p o l y e r y s t a l l i n ed i a m o n dt o o l s ；w h e e lb o n d ；t o o lg e o m e t r y ；c u t t i n g p e r f o r m a n c e ；g r e yf o r e c a s t i n gm o d e l 1 l 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名： 这! 鱼日期：2 堑：堡盈 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名浇指 导师签名：奎坚 垫1 6 年i n 。： - 日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 在信息技术等高新技术的带动下，现代机械加工技术进入了“高速、高效、智能、 复合、环保”的发展阶段i “，新型技术设备、数控机床、加工中心以及性能极为优良的 新型材料得到了更为广泛的应用。在新加工工艺及装备中，切削加工的新技术及刀具以 其重要的基础地位以及应用面广、实用化程度高、见效快、成效显著等特点，进展尤为 突出，成为当今先进制造技术中的亮点，对制造业的发展和制造技术的进步起到了十分 重要的作用。 在传统的机械加工企业里，刀具曾长期被列入低值易耗品的管理范围，这一方面反 映出对刀具重要性的忽视，另一方面也客观地反映了当时刀具产品技术含量低下的状 况。从上世纪7 0 年代以来，随着数控机床的发展而发展起来的所谓“数控刀具”，引 领着切削刀具朝着三高一专( 高效率、高精度、高可靠性和专用化) 的方向不断发展， 把传统的刀具产品发展成为高附加值、高科技含量的产品【2 】。 1 1 超硬材料p c d 刀具 聚晶金刚石( p o l y e r y s t a l l i n ed i a m o n d ，简称p c d ) 是由经过筛选的金刚石微粉与少 量结合剂在高温高压下烧结而成的复合材料，是美国通用电气公司于2 0 世纪7 0 年代首 次人工合成的，之后在很多场合中天然金刚石刀具已经被聚晶金刚石刀具所取代。随着 现代工业和科学技术的发展，聚晶会刚石刀具以其优良的力、热、化学、声、光、电等 性能，在现代工业、国防和高新技术等领域中得到日益广泛的应用【3 1 。 1 1 1 刀具材料的发展 在金属切削加工中，刀具材料的切削性能直接影响着生产效率、工件的加工精度和 已加工表面质量、刀具寿命和加工成本。刀具材料的发展在一定程度上推动着金属切削 加工的进步。百余年来，刀具材料经历了碳素钢、高速钢、硬质合金、涂层刀具材料、 陶瓷、p c d 、p c b n 的发展过程，车削加工的切削速度提高了1 0 0 多倍，而且主要新刀 具材料出现的周期也越来越短。各种刀具材料的性能对比 4 1 如图1 1 所示，实践证明， 以高的切削效率切削难加工材料的理想刀具材料应该同时具有金刚石的高硬度和良好 的耐磨性，立方氮化硼或陶瓷的高热稳定性和化学惰性，硬质合金的高强度和抗冲击性 能【5 1 。可以预见，p c d 与p c b n 等超硬材料刀具与涂层刀具将会是刀具材料发展的趋向。 1 1 2p c d 刀具的性能特点 聚晶金刚石之所以应用如此广泛，主要因为它具有其它材料无与伦比的优越的性 聚晶金刚石刀具刃磨工艺与切削性能的研究 图1 1 刀具材料的性能对比 f i g ，1 1p r o p e r t i e sc o m p a r i s o no f c u t t i n gt o o lm a t e r i a l s 能。p c d 刀具的主要性能指标【6 1 如下： ( 1 ) 极高的硬度和耐磨性：p c d 的硬度高达8 0 0 0 h v ，是目i i 世界上人造物质中最 硬的材料，又由于其各向同性，因此具有极佳的耐磨性。 ( 2 ) 较低的摩擦系数：p c d 的摩擦系数仅为0 1 o 3 ，约为硬质合金的一半，低的 摩擦系数不仅使切屑变形和切削力降低，而且切削时不产生积屑瘤，降低了加工表面粗 糙度。 ( 3 ) 良好的导热性：p c d 的导热系数为5 4 0 w ( m k ) ，比硬质合金高的多，因此在切 削过程中切削热容易敖出，切削温度较低。 ( 4 ) 较低的热膨胀系数：p c d 的热膨胀系数仅为4 2 1 0 4 k - 1 ，比硬质合金小的多， 在切削过程中刀具因切削热产生的热变形很小。 ( 5 ) 高的弹性模量：p c d 的弹性模量为7 7 8 g p a ，在切削过程中刀具能保持其原始 参数，长期保持锋利。切削加工精度高。 1 1 3p o d 刀具的制造工艺 p c d 刀具的制造工艺决定了其切削性能与使用寿命，是p c d 刀具发展应用的关键。 p c d 刀具的制造过程f 7 j 如图1 2 所示，主要包括两个阶段：p c d 复合片的制造与p c d 刀片的加工。 p c d 复合片就是用高温高压技术在硬质合金基体上烧结一层p c d ，二者形成一体 大连理e 大学硕士学位论文 的刀坯，兼具了p c d 的高硬度和耐磨性以及硬质合金良好的强度与韧性。 p c d 刀片的加工主要包括切割、焊接与刃磨三个阶段。切割p c d 复合片主要采用 电火花加工、激光加工、超声波加工等几种工艺方法，目前应用较广泛的是激光加工， 它具有加工效率高与加工变形小等优点。焊接方法主要有激光焊、真空扩散焊、真空钎 焊、高频感应钎焊等，目前投资少、成本低、工艺易于掌握的高频感应钎焊在p c d 刀 片的焊接中得到了广泛的应用。p c d 刀具较为成熟的刃磨方法主要有放电刃磨与金刚石 砂轮机械刃磨两种，其中金刚石砂轮机械刃磨的应用最为广泛，缺点是刃磨效率低与加 工成本高，但是可以获得良好的刃口质量与完整、光洁的后刀面。 l 金刚也微粉的制造分选 上 i 高温高盐下合成复合片 l ip c d 复合片的研磨 i 图日圉 图1 2p c d 刀具的制造过程 f i g 1 2f a b r i c a t i n gp r o c e s so f p c dc u l l i n gt o o l s 1 1 4p c d 刀具的应用现状与发展趋势 目前，p c d 刀具主要应用在汽车工业、航空航天工业以及木材加工行业，近年来， 随着各种新材料的不断推出、刀具技术水平的提高与刀具市场的扩大，p c d 刀具的应用 领域进一步拓宽，开始在电子行业、石油地质钻探行业、玻璃切割加工、宝石加工等方 面发挥独特而重要的作用【s j 。 国际上著名的人造金刚石复合片生产商主要有英国的e l e m e n t s i x 公司，美国的g e 公司，日本的住友电工株式会社等。目前国外p c d 材料的消耗量以2 0 以上的速度增 长，标志着人造金刚石已进入全面取代天然会刚石的阶段。随着研究的不断深入，p c d 刀具的发展有以下几个趋势：p c d 复合片的规格尺寸越来越大；晶粒细化、质量优化、 性能均一化；磨除率与磨耗比越来越高；形状结构多样化。 随着制造业的快速发展，p c d 刀具的生产和应用逐年增加，已经成为当今世界无法 替代的优质材料，至2 0 0 2 年p c d 刀具的年销售额已达2 8 亿美元。p c d 刀具的问世在 各个领域引起了革命性的工艺改革，为世界工业的迅猛发展开拓了广阔的前景。随着理 论研究的日益深入及其应用技术的进一步推广，p c d 刀具在现代工业中的地位将日益重 要，其应用范围也将进一步拓展。 聚晶金刚，f i 刀具刃磨t 艺与切削性能的研究 1 2 有色金属的切削加工 1 2 1 有色金属的应用及前景展望 有色金属材料在我国国民经济发展与国防建设中占有重要的地位。改革开放后，我 国的有色金属加工得到迅速发展，已经成为世界上的有色金属生产大国，但还不是强国。 我国的有色金属加工业的产品构成主要以中低档产品为主1 9 】，而对一些高精度、高性能、 大型化的高档次产品仍大量依赖进口。目自口应用最广泛的四种有色金属为铝合金、铜合 金、镁合金和钛合金。 铝合金被公认为是未来汽车的理想材料，目前已经成为汽车工业第三大类最常用的 材料i lo 】。由于其质量轻、耐腐蚀性好、外观平整度好等优良特性，而且价格适中，被广 泛应用在汽车、航空航天、精密仪器与机械等行业。2 0 0 3 年第2 5 0 0 0 0 辆全铝车身奥迪 a 8 轿车在德国奥迪内卡苏姆汽车制造厂下线，2 0 0 4 年在墨尔本港全铝合金3 6 l 发动机 问世，标志着铝合金将会打造现代汽车的新潮流。当前，铝合金型材的发展趋势是高精 化与大型化，我国铝合金的研究热点是高强度、高韧性铝合金加工技术的研究，先进的 熔体净化技术及大型铸坯生产技术的探索，先进的废铝回收技术的研发。 铜合金有高的耐蚀性，良好的加工变形成型能力，较高的机械性能及很高的塑性， 而且是电和热的优良导体，是所有金属中最易再生的金属之一，它的化学、物理学和美 学性质使它成为广泛应用于家庭设备与器具、耐用消费品、建筑行业、工业机械和运输 业的重要材料。近年来，随着电子通讯工业的发展，铜合金需求量逐年递增，具有良好 的市场前景。先进铜合金熔体处理技术研究开发，高性能、高精度铜材加工制备技术和 易切削无铅黄铜棒的生产技术将是铜合金的研究热点。 镁合金具有密度小和比强度很大的优点，是最轻的金属结构材料，能有效降低零部 件的重量，节省能源，其阻尼性能好，具有极佳的减震性，良好的导热性与电磁屏蔽性 能，可全部回收利用，是有利于环境保护的一种绿色金属j 。从2 0 世纪4 0 年代开始， 镁合金被广泛地应用在汽车、自行车、电子产品和航空航天等领域，进入2 l 世纪以来， 镁合金开始用于3 c 产业，比如电脑外壳与m d 播放机机壳等，由于镁合金质量与工程 塑料相当，又可完全回收利用，因此镁合金代替工程塑料将会是手机的发展趋势。今后 的研究热点是镁合金熔炼铸造技术的研究开发，变形镁合金与特种镁合金的加工技术。 钛合金是一种新型结构材料，具有优异的综合性能，如密度小、比强度和比断裂韧 性高、疲劳强度和抗裂纹扩展能力好等，在航空航天、汽车、造船等工业部门获得日益 广泛的应用，发展十分迅猛，但是钛合金加工制造成本高是其广泛应用的重要障碍。今 后要积极研究低成本的钛合金制造技术，开发高性能、超高强钛合金，研究钛合金返回 4 一 人连理i ：大学硕+ 学付论文 料的再利用技术，提高资源利用率，降低材料成本，开发微型零部件的微成形技术。 1 2 2p c d 刀具加工有色金属的优越性 刀具材料的进步与机械制造技术及控制技术的发展相结合，使切削加工的能力和水 平提高到了一个崭新的高度。近年来，各种高速加工中心和高速铣床的先后问世促进了 高速切削技术的飞速发展，由于高速切削加工的切削速度是常规切削速度的5 1 0 倍， 对刀具材料、刀具结构、刀具几何参数等都提出了新的要求，p c d 刀具是最适合今后高 速切削发展方向的刀具之一。目前p c d 刀具高速车削铝合金的速度可高达2 0 0 0 5 0 0 0 r r f f m i n ，高速铣削铝合金的速度更可高达4 0 0 0 7 0 0 0 m m i n ，与硬质合金相比，刀 具寿命提高了上百倍。 p c d 刀具的优良性能使其成为目前切削有色金属的理想刀具之一。p c d 刀具加工 有色金属时的优越性【l2 】主要表现在： ( 1 ) 寿命高。p c d 材料的高硬度和各向同性使得其磨损非常缓慢，根据使用现场统 计，在加工硅铝合金、铜合金时，刀具寿命可达天然金刚石刀具的5 倍，硬质合金刀具 的5 0 2 0 0 倍。 ( 2 ) 切削速度高。p c d 刀具一般采用正前角，刀刃可磨的非常锋利，在高速条件下 可轻松地切削工件材料，通常在机床条件允许的情况下应尽可能提高切削速度，以提高 工件表面质量和加工效率。 ( 3 ) 耐冲击性好。现代汽车工业中在许多零部件上采用了耐磨性很高的硅铝合金， 这种材料经过热处理后，在铝基体中弥散分布有许多粗粒度的硅粒子。这种硅粒子的硬 度很高，硬质合金刀具很快就被磨蚀，而且汽车零件的几何形状大多有断续切削性质， 天然金刚石刀具的耐冲击性差，不宜加工这类零件。由于p c d 材料是由无数微米级单 晶金刚石烧结而成的，大大改善了天然单晶金刚石不耐冲击的弱点。目前国内外加工这 种材料几乎都是采用p c d 刀具，该种刀具的问世也为硅铝合金的推广扫除了障碍。 ( 4 ) 工件表面质量稳定。p c d 刀具的最终刃磨一般在专用的高精度磨床上进行，刃 口非常锋利，切削过程非常稳定，在其他条件均相同的情况下，与硬质合金刀具做对比 试验，初期切削力两者大体相当，p c d 刀具的切削力稍低，但随着切削的进行，硬质合 金刀具很快钝化，引起切削力急剧增大，而p c d 刀具基本保持不变。积屑瘤是影响工 件表面质量的一个重要原因，p c d 刀具的金刚石表面需要抛光达到镜面，由于前刀面极 度光滑，不易产生积屑瘤，这是普通硬质合金刀具很难做到的。上述两个主要原因以及 p c d 刀具的高耐磨性使得工件表面质量易控制且稳定，特别在大批量生产过程中可以长 时问获得尺寸精度和表面粗糙度非常一致的工件。 聚晶金刚石刀具刃磨t 艺与切削性能的研究 1 3 本课题的研究现状 1 3 1p c o 刀具刃磨工艺的研究现状 p c d 刀具在切削加工中的作用日益显著，其刃磨工艺越来越受到重视，在众多的刃 磨方法中最为成熟有效、应用最为广泛的是金刚石砂轮机械刃磨。 德国学者m k e n t e r 以磨除率q 和磨耗比g 为评价指标，研究了工艺参数对刃磨过 程的影响l b l 习。其中磨除率q 是单位时间内去除的工件材料体积，反映了刃磨的效率； 磨耗比g 是单位时间内工件工件材料的去除量与砂轮的损耗量的体积比，反映了刃磨的 成本。 表1 1m ，k e n t e r 的试验条件 1 h b 1 1t e s tc o n d i t i o i l so f m k e n t e r 金刚右砂轮 工件尺寸m x w x h ) 工作台调定压力 砂轮摆频 单件刃磨时间 2 5 x 9 x 3 m m ，a = 2 5 0 n n o s z = 4 37 灸, m i n t s = 1 5 s 6 a 21 2 5 x 2 0 x 4d 4 6m 7 5 p c d 层厚度 砂轮线速度 砂轮摆幅 砂轮修锐时间 0 7 5 m m v c = 2 0 m s j m = 1 2 r a m t a = 1 0 s 试验条件如表1 1 所示，某些条件随着试验参数的变化而变化，通过大量的试验， k e n t e r 总结了各工艺参数对刃磨过程的影响： ( 1 ) 随着砂轮线速度k 的增大，法向磨削分力r 基本保持不变，而切向磨削分力 只逐渐减小，磨除率q 与磨耗比g 均逐渐减小。 ( 2 ) 随着工作台调定压力e 的增大，磨除率q 与磨耗比g 逐渐增大，且刀具刃口 的锯齿度轻微减小。 ( 3 ) 随着p c d 粒度的增大，切向磨削分力 逐渐增大，磨除率q 与磨耗比g 均逐 渐减小。 ( 4 ) 随着金刚石砂轮浓度的增大，法向磨削分力r 基本保持不变，而切向磨削分力 f t 略微增大，磨除率q 与磨耗比g 逐渐增大。 ( 5 ) 随着冷却液浓度的增大，法向磨削分力r 与切向磨削分力只略微减小，磨除率 q 与磨耗比g 显著减小。 6 大连理工大学硕士学位论文 ( 6 ) 金刚石砂轮结合剂有金属结合剂、树脂结合剂、陶瓷结合剂三种。其中陶瓷结 合剂砂轮刃磨p c d 刀具的磨除率最大，金属基砂轮次之，而树脂结合剂砂轮刃磨时磨 除率最小；金属结合剂砂轮刃磨p c d 刀具的磨耗比最大，陶瓷基砂轮其次，树脂结合 剂砂轮刃磨时的磨耗比最小。从刀具刃口的锯齿度看，树脂结合剂的刃口锯齿度最好， 其次为陶瓷结合剂，而金属结合剂砂轮刃磨的刀具刃口锯齿度最大。 k e n t e r 对p c d 复合片刃磨工艺参数作了比较系统的试验研究，但是他的研究只是 停留在试验的结果上，并没有对结果进行深入的分析，也没有考虑各工艺参数之间的交 互作用。大连理工大学硕士刘峰斌通过具体的磨削试验，综合考虑了各刃磨工艺参数对 刃磨过程的影响，并建立了数学模型，为刃磨工艺参数的选择提供了合理的标尺，得到 如下结论【1 6 1 ： ( 1 ) 影响法向磨削力与切向磨削力的工艺参数中，进给量的影响最大，工作台调定 压力次之，砂轮速度的影响最小。 ( 2 ) 在工艺系统刚性较好的情况下，选择工艺参数的原则是：在保证一定的磨除率 和磨耗比的前提下，尽量减小磨削力以保持磨削系统的刚性，优先选择减小进给量，而 后是减小工作台调定压力，最后选择较高的砂轮速度。 ( 3 ) 在工艺系统刚性较差的情况下，保证工艺系统的刚性为前提，为了得到高的磨 削效率，选择工艺参数的原则是：在高的砂轮速度下，优先增大进给量，其次选择较大 的工作台调定压力；为了得到低的磨削成本，选择工艺参数的原则是：优先选择较大的 进给量，其次降低砂轮的速度，最后选择较大的工作台调定压力。 ( 4 ) 粗磨时为了得到较好的刃磨质量，应降低砂轮的速度，选择小的进给量与小的 工作台调定压力；为了得到较高的磨除率，应在高速条件下选择大进给量刃磨，并施以 较大的工作台调定压力。 国内外对p c d 刀具的金刚石砂轮刃磨工艺多集中在对刃磨效率和刃磨成本上，即 改进工艺参数提高材料的磨除率q 与磨耗比g ，而对如何进一步提高p c d 刀具的刃磨 质量研究较少。目前国内的切削加工主要采用金属结合剂金刚石砂轮精磨的p c d 刀具， 普遍认为这种p c d 刀具在加工中效果较好，而在日本，9 0 以上的磨具旧属于陶瓷结 合剂，由于金属结合剂砂轮的价格昂贵，能否以陶瓷或者树脂结合剂砂轮取代金属结合 剂砂轮刃磨出锋利的刃v 1 ，并取得高的效率引起了广泛的关注，有待进一步深入研究。 1 3 2p c d 刀具几何参数对其切削性能影响的研究现状 中国有句谚语说：“工预善其事，必先利其器”，刀具是切削加工的直接作用工具， 它的完善程度对切削加工技术的发展和进步起着决定性的作用。国际生产工程研究学会 聚品金刚石刀具刃磨工艺与切削性能的研究 ( o r p ) 的一项报告指出：“由于刀具材料的改进，刀具的允许切削速度每隔十年几乎提 高一倍；由于刀具结构和几何参数的改进，刀具的使用寿命每隔十年几乎提高两倍。” 这也充分说明了刀具几何参数对切削加工的重要意义。 国内外深入研究了硬质合金刀具对有色金属和黑色金属等材料的切削加工，详细分 析了刀具的前角、后角、主偏角、刃倾角、刀尖圆弧半径等几何参数对其加工过程的影 响【1 8 】。p c d 刀具是目前切削有色金属的理想刀具之一，其几何参数的选取与普通刀具 有所不同，给使用者带来了一定的困惑。尽管p c d 刀具加工有色金属时切削力非常小， 但是测量微小切削力对于分析金属切削加工过程和加工工件表面粗糙度还是非常有价 值的，鉴于目前关于这方面的研究较少，本论文通过具体的试验分析p c d 刀具各几何 参数对金属切削过程的影响。 1 4 本课题的主要研究工作 p c d 刀具的使用越来越广泛，本课题将主要研究不同结合剂金刚石砂轮刃磨p c d 刀具的工艺及对加工工件表面粗糙度的影响和p c d 刀具几何参数对其切削性能的影响。 主要工作内容如下： ( 1 ) 通过金刚石砂轮刃磨聚晶金刚石材料的正交试验，采用回归方法分析各刃磨工 艺参数包括砂轮的速度、工作台调定压力和进给量对磨除率和磨耗比的影响。 ( 2 ) 通过扫描电子显微镜观察不同结合剂金刚石砂轮刃磨的p c d 刀具的刃口及后 刀面的微观形貌，分析了砂轮结合剂对刀具刃磨质量的影响。 ( 3 ) 通过不同结合剂金刚石砂轮刃磨的p c d 刀具切削铝合金和铜合金的试验，分析 了砂轮结合剂和切削参数对加工工件表面粗糙度的影响。 ( 4 ) 在单因素的切削试验中，分别改变p c d 刀具的前角、后角和刀尖圆弧半径三个 几何参数，分析了刀具几何参数对铝合金加工过程的影响。 ( 5 ) 利用灰色预测模型g m ( 1 ，1 ) 对未来五年中国人造金刚石的产量进行预测，并对 中国的人造金刚石工业提出几点发展战略。 大连理- 大学硕士学位论文 2p c d 刀具的刃磨工艺研究 2 1p c d 刀具的金刚石砂轮刃磨工艺【1 9 】 常用的p c d 刀具刃磨工艺有金刚石砂轮机械刃磨、放电刃磨、电解刃磨等，其中 以会刚石砂轮机械刃磨在技术上最为成熟，目前使用也最为广泛。该方法虽然刃磨效率 较低，加工成本较高，但是可以获得良好的刀具刃口质量和完整、光洁的后刀面。 2 1 1 刃磨加工机理 金刚石砂轮机械刃磨p c d 刀具的材料去除机理比较复杂，国内外学者对此进行了 大量研究，目前主要存在以下几种观点： ( 1 ) 德国学者m k e n t e r 认为，金刚石砂轮刃磨p c d 刀具的过程中发生了刻划作用 和滑擦作用，在发生这两种作用时，材料的去除方式主要为粘结、刻划、摩擦化学反应 和表面断裂四种方式1 2 0 1 。在绝大多数情况下，p c d 材料的去除是以摩擦化学反应和表 面断裂为主。由于p c d 材料脆性大，在金刚石磨粒的挤压下容易诱发裂纹，裂纹在机 械和热应力作用下扩展，最终导致小片p c d 材料剥落，同时摩擦热会使p c d 发生石墨 化和其他摩擦化学反应。 ( 2 ) g e 公司k j d u n n 等人用扫描电子显微镜对试验后的p c d 复合片的表面微观形 貌进行观察后认为，p c d 材料的破坏杌理主要为微观脆性破碎和疲劳破损。 ( 3 ) 我国艾兴院士等人认为p c d 材料的去除方式为：当砂轮与p c d 复合片的表面 接触的瞬间，磨削力突然增大，剧烈的机械冲击使p c d 表面产生裂纹甚至破碎。在稳 定磨削期，砂轮磨粒在p c d 表面上进行挤压和摩擦，当压力达到一定程度时，p c d 表 面会形成裂纹；当摩擦温度达到一定程度时，p c d 会发生石墨化和其它化学反应。 2 1 2 刃磨工艺流程 ( 1 ) 刃磨机床的选用【”j p c d 材料的特性决定了对p c d 刀具刃磨机床的要求不能等同于普通工具磨床，即 必须满足以下条件：要求砂轮主轴及机床整体具有很高的刚性和稳定性，以保持刃 磨时砂轮对p c d 材料的恒定压力；砂轮架可以横向摆动，以保证砂轮端面磨损均匀， 砂轮的摆动频率和幅度可以调节；配置光学投影装置和高精度回转工作台，采用专 用金刚石砂轮。 由于p c d 刀具具有很高的硬度和耐磨性，刃磨要求较高，一般机床很难达到刃磨 精度要求。针对p c d 刀具的特点，我们选用了台湾产f c 2 0 0 d 型p c d & p c b n 专用工 聚晶金刚石刀具刃磨r 艺与切削性能的研究 具磨床，该磨床是目前世界上较先进的工具磨床之一，具有以下特点：机床整体刚 性高，稳定性好；磨削主轴可实现无级调速；磨削压力可调且稳定性好，并能往 复摆动，摆动幅度和摆动频率可调；配备高精度光学投影仪和回转工作台，一次装 夹即可完成定位一磨削一测量全过程；配有数显装置，尺寸精度可达0 0 0 1 m m 。 ( 2 ) 砂轮的选用 p c d 刀具的金刚石砂轮机械刃磨主要是依靠与金刚石砂轮的摩擦化学反应和表面 断裂来切除多余材料，金刚石砂轮的粒度、浓度和结合剂种类等对p c d 刀具刃磨的质 量和效率影响很大。因此，正确选用砂轮十分重要。经验表明，在可以满足加工质量要 求的前提下，应尽量选择粒度较大的砂轮。 ( 3 ) 砂轮的平衡 选定砂轮后，需要对砂轮进行平衡。首先将砂轮平衡仪放置于镜面台上进行校准， 如图2 1 所示，通过调整平衡仪底部的平衡螺母，使平衡仪内的平衡水泡位于正中央即 可。然后将砂轮滑入砂轮调整棒中，调整砂轮侧面的平衡螺钉使其均布( 相互夹角约为 1 2 0 。) ，直至平衡仪内的平衡水泡再次位于正中央，砂轮即实现了平衡。 图2 1 砂轮平衡仪 f i g 2 1g r i n d i n gw h e e le q u i l i b r a t o r 图2 2 砂轮的修整 f i g 2 2f i n i s h i n go f t h eg r i n d i n gw h e e l ( 4 1 回转中心与光学中心对中 对p c d 刀具进行装夹与调整，首先需将十字工作台的回转中心与光学投影仪的中 心对中重合，通过调整光学投影仪的紧定螺钉，使刀尖最高点分别与投影仪内的外侧某 一大圆弧在2 7 0 0 、0 。、9 0 。处相切，然后根据图纸要求，把装夹好的p c d 刀具通过十字 工作台调整到光学投影仪的基准线上，该位置就是刃磨加工位置。为保证p c d 刀具的 加工精度要求，所有刃磨尺寸应在一次装央中完成，修磨p c d 刀具时，应将所有磨除 量全部切除。 ( 5 ) 合理选择砂轮的摆幅 大连理e 大学硕士学位论文 由于金刚石砂轮价格昂贵，为充分利用砂轮的磨削能力和防止出现沟痕，应根据 p c d 刀具尺寸合理选择砂轮摆动幅值。试验证明，砂轮摆幅应调整到如图2 3 所示位置 为最佳。 甫甫忱 卜砂轮的宽度三一刀具的宽度 图2 3 砂轮摆幅与刀具的相对位置 f i g 2 3s w i n gr a n g e o f g r i n d i n gw h e e la n dr e l a t i v el o c a t i o no f t h et o o l ( 6 ) 确定砂轮速度、摆动频率及其它参数 通过大量的试验，确定刃磨p c d 刀具的转速为1 9 0 0 r m i n ( 面 1 5 0 m m 砂轮) 。通常 摆动频率越高，磨除率也越大，砂轮摆动的频率选3 8 次r a i n ，工作台调定压力取3 2 5 n ， 采用水基冷却液，浓度为4 。 ( 7 ) 砂轮的修整与清洁 砂轮磨削加工一段时间后，磨粒之间的缝隙会被磨屑填满，导致磨削面变钝，加工 效率降低，此时砂轮磨削时往往发出吱吱的尖叫声。为保持砂轮的切削能力，需要经常 对砂轮切削面进行修整，方法是将碳化硅砂条压在砂轮磨削面上旋转打磨，如图2 2 所 不。 ( 8 ) 刃磨前后刀片的处理 刃磨p c d 刀具之前，应观察刀具前后刀面是否有积屑瘤，如有，用特定的研磨粉 将其擦除，经粗磨、半精磨、精磨、研磨处理后的p c d 刀具才能真正达到使用要求。 ( 9 ) 刀具的检测 刃磨完成后，可以在机床的投影仪上直接检测p c d 刀具的尺寸精度和刃口平直度， 不允许有凹凸不平或锯齿形等明显缺陷。刃口的平直度也可以在1 0 0 倍以上的显微镜下 检查。 2 2 基于正交试验的p o d 材料磨除率与磨耗比的研究 聚晶金刚石具有优良的性能，充分体现了现代制造业对刀具材料的要求，被誉为2 1 世纪的新型刀具材料。但是聚晶会刚石的高硬度和高耐磨性以及较低的断裂韧性给其自 聚品金刚打刀具刃磨t 艺与切削性能的研究 身的刃磨加工带来了很大的困难，主要体现在磨除率o ( 单位时间内去除的聚晶金刚石 材料量) 与磨耗比g ( 单位时间内聚晶金刚石材料的去除量与砂轮的损耗量之比) 很小， 这些都成为阻碍p c d 刀具应用推广难以突破的瓶颈。国内外对金剐石砂轮机械刃磨p c d 刀具的刃磨机理和刃磨工艺的研究达到了一定的高度，但是对于刃磨工艺参数对磨削过 程中磨除率和磨耗比的影响的研究还有待进一步深入。因此，本论文通过正交试验系统 地研究了刃磨工艺参数包括砂轮的速度、工作台调定压力和进给量对刃磨时磨除率q 和 磨耗比g 的影响，为选择刃磨工艺参数提供了定的指导意义。 2 2 1 正交试验的条件与方法 试验在台湾产f c 2 0 0 d 型p c d & p c b n 专用工具磨床上进行，使用砂轮型号为6 a 2 1 5 0 x 4 0 x 1 5 x 5 w 2 0 m 1 0 0 ，试验样品为英国e l e m e n t s i x ( 原d e b e e r s ) 公司生产s y n d i t e 0 1 0 型p c d 复合片，尺寸为5 2 x 0 5 x 2 5 m m ，每磨削1 0 s 砂轮修整一次，总磨削时间为 6 0 s ，采用水基冷却液，并于每次磨削结束后测量p c d 材料的磨除率q 和磨耗比g 。采 用日本产数显千分尺( 精度达o 0 0 1 m m ) 测量样本的磨除厚度，在磨床进给系统上安装 定位块，利用进给数显系统( 精度达o 0 0 1 r a m ) 测量砂轮的磨损厚度，并通过计算分别 求出p c d 材料的磨除率q 和磨耗比g 。 表2 1 正交试验因素水平表 t a b 2 1f a c t o r sa n dl e v e l so f o t t h o g o n a | e x p e r i m e n t 1 2 3 7 9 9 4 1 2 ，6 2 6 0 3 2 5 3 9 0 0 0 0 8 0 0 0 4 0 0 0 6 采用正交试验法，因素水平如表2 1 所示。以砂轮的速度v ，工作台调定压力只和 进给量f _ - 个工艺参数作为试验的三个因素，每个因素选取三个水平，以p c d 材料的磨 除率和磨耗比作为试验指标，使用四因素三水平正交表即l 9 ( 3 4 ) ，留出- - n 空白列，以 便方差分析用，共做九组试验。为了避免人为因素导致的系统误差，因素的各水平哪一 个定为l 水平、2 水平、3 水平，不是简单地按照由d , n 大或者由大到小的顺序排列， 而是按照随机化的方法处理。另外砂轮的摆频和摆幅也是影响磨除率和磨耗比的工艺参 数，由于砂轮的摆幅是以磨削过程中整个工件不脱离砂轮为依据确定，故变化范围不会 太大，又因试验所用专用工具磨床的摆频变化范围较小，故本文未对此二因素进行研究， 取砂轮的摆频为3 8 次d m i n ，砂轮的摆幅为9 m m 。 大连理工大学硕士学位论文 2 2 2 试验结果的极差分析、方差分析与回归分析 正交试验的方案与结果见表2 2 。 表2 2 正交试验方案及结果 t a b 2 2p r o j e c ta n dr e s u l t so f t h eo r t h o g o n a le x p e r i