论文摘要
本文提出了一种新型结构的有序化微刃刀具,采用方条形金刚石纤维取代传统砂轮的磨粒与传统切削刀具的刀片,通过金刚石纤维在基体材料中的定向排布和对金刚石纤维的刃磨,保证有序化微刃刀具的每个金刚石纤维均能以一定的切削角度参与切削,并且每个金刚石纤维均具有锋利的刀刃。众所周知,传统砂轮是由磨粒、结合剂与气孔三部分组成。由于磨粒形状及其分布的随机性,造成砂轮磨削时存在法向力与切向力之比大、磨削比能高、磨削温度高、对机床刚度要求高等不足,由于砂轮同时参与切削的磨粒数量多,单个磨粒的切深很小,一般在亚微米级,对于超精密磨削,砂轮的单个磨粒切深甚至可达到纳米级,因而利用砂轮磨削能获得较高的表面质量与加工精度。传统的切削加工,刀具的切削部分因经过人为刃磨而具有锋利的刀刃,刀具的形状与切削角度均可人为控制,因而法向力与切向力之比小、切削比能低、对机床刚度要求也相对较低,然而,切削刀具同时参与切削的刀刃数量少,为了保证一定的加工效率,往往单个刀刃的切削深度较大,一般在几百微米至几毫米,从而导致切削力比较大（一般可达几百牛）,因而加工质量相对要差一些。有序化微刃刀具的金刚石纤维其宽度在0.2-0.5mm之间,比传统的切削刀具小得多,同时参与切削的金刚石纤维数量可远大于普通切削刀具的刀刃数,并且各纤维同样具有锋利的刀刃与确定的切削角度,因而可获得较高的加工精度与保证较好的加工效率。有序化微刃刀具是一种集砂轮与切削刀具优点于一身的新型刀具,开展有序化微刃刀具的设计及其基础研究具有很好的应用价值与理论价值。本课题首先对传统的磨削加工与切削加工进行了比较,对目前国内外砂轮结构创新现状以及切削刀具的研究现状进行了全面综述,在此基础上提出了有序化微刃具的概念与构想。金刚石纤维的制备是开发有序化微刃刀具最关键的一步,由于金刚石具有极高的硬度与耐磨性,并且在大气压下当温度升高至1000K以上时金刚石会出现石墨化,因此,普通的纤维制备方法很难适于金刚石纤维的制备。本课题提出了减薄聚晶金刚石复合片（Polycrystalline Diamond Compacts,简称PDC）与高能切割技术相结合以制备金刚石纤维的方案。开展了PDC的电火线花切割加工与Nd:YAG激光切割加工的实验研究,采用扫描电镜（Scanning Electric Microscopy,简称SEM）与拉曼光谱仪对切割试件进行了显微观察与分析,发现纳秒级脉宽的KTP/Nd:YAG激光所切割的试件热损伤小,并且切割速度比较快,因而采用纳秒级脉宽的KTP/Nd:YAG激光切割PDC的方法制备金刚石纤维,金刚石纤维的截面尺寸为0.3mm宽×0.6mm厚×10mm长。为了保证有序化微刃刀具在切削加工过程中其金刚石纤维具有一定的切削角度,采用了自制模具对金刚石纤维进行定向、均匀、有序排布。为了保证每个金刚石纤维具有锋利的刀刃,开展了金刚石纤维的固结磨粒刃磨与游离磨粒刃磨实验研究,通过SEM的显微观察发现,固结磨粒刃磨很容易造成刃口的崩刃,采用游离磨粒刃磨则可以获得较好的刃口质量,最终确定以游离磨粒刃磨的方法实现金刚石纤维的刃磨加工。氧化铝、碳化硅等陶瓷颗粒增强铝合金因具有材质轻、耐磨性好、比强度高等优点而在汽车与航空领域得到广泛地应用,然而,硬质颗粒的加入也给其加工带来了极大的困难。金刚石刀具是目前公认的加工陶瓷颗粒增强铝合金的最有效工具,由于金刚石刀具无法制备成复杂的形状,严重影响了陶瓷颗粒增强铝合金更为广泛地应用。本课题以碳化硅增强高硅铝合金为试件材料,开展了有序化微刃刀具对塑性金属材料的精密切削实验研究,单个纤维切削深度为1-10μm,介于传统的切削加工与磨削加工之间。经SEM与表面轮廓仪对试件表面的检测与分析发现,有序化微刃刀具在加工碳化硅增强高硅铝合金时获得了较高的加工质量,当单纤维切深为4μm、进给速度为10mm/sec时,表面粗糙度达到了Ra0.08。并开展了与数控铣削加工的对比性实验研究,在相同的材料去除率下,有序化微刃刀具的加工表面质量明显好于数控铣削加工,其加工表面没有微裂纹,而数控铣削加工在较大切削效率时表面存在明显的微裂纹。对于普通的工程陶瓷材料,如碳化钨/钴、氧化铝,材料硬度越高则其断裂韧性越低,然而,当材料晶粒减小至纳米级时,如纳米碳化钨/钴,材料硬度提高时断裂韧性降低较少。纳米碳钨/钴涂层作为一种新型的耐磨涂层材料其优越的物理力学性能已获得广泛的认同,在机械制造、工具、国防、航空航天、地质勘探领域获得了广泛地应用。目前,纳米碳化钨/钴涂层主要是采用金刚石砂轮进行磨削加工。本文采用有序化微刃刀具开展了纳米碳化钨钴涂层材料的精密切削加工试验研究,并开展了与金刚石砂轮磨削加工的对比分析,经SEM显微观察分析发现,采用0°前角的有序化微刃刀具进行切削加工,最大未变形切削层厚度存在临界值,当最大未变形切削层厚度小于临界值时,其加工表面质量明显好于SD600N100V金刚石砂轮磨削表面,只要控制单个微刃的最大未变形切削层厚度,既可获得脆性材料的无损伤加工,因此,通过增加参与切削的微刃数量,采用0°前角的有序化微刃刀具可以实现脆性材料的高效精密加工;当切削前角为-30°时,法向力与切向力之比较大,并且当切削深度与进给速度较大时,加工表面存在碎粒状形貌;
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