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金刚石厚膜刀具切削性能的研究 |
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作者：黄树涛 许立福 刘兴文 于骏一 金曾孙 |
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1 引言
精密、超精密切削加工技术作为现代制造技术中一项至关重要的关键技术，已在国防工业、高新技术产业、航空航天等机械加工领域得到广泛应用。金刚石刀具是实现精密、超精密切削加工不可或缺的关键要素。目前使用的金刚石刀具主要包括单晶金刚石刀具、烧结聚晶金刚石刀具等。单晶金刚石刀具资源稀缺，价格昂贵，且容易发生解理作用，已难以适应生产发展的需要。烧结聚晶金刚石刀具由于材料中含有粘结剂，使金刚石的优异切削性能不易得到充分发挥。金刚石厚膜作为一种新型超硬材料，具有诸多优异特性，可望在精密、超精密切削加工领域得到推广应用。本文对金刚石厚膜刀具的切削性能以及切削用量对加工表面粗糙度的影响进行了试验研究。
2 金刚石厚膜刀具的制备
金刚石厚膜刀具的制备工艺除金刚石厚膜的沉积外，还包括金刚石厚膜的切割、金刚石厚膜在刀体上的焊接以及金刚石厚膜刀具的刃磨。在本研究项目中，研制开发了机夹式金刚石厚膜刀具。首先用激光切割方法将沉积好的金刚石厚膜切割为等腰直角三角形，然后将金刚石厚膜直接焊接在硬质合金刀片上，制成直角方形金刚石厚膜刀片。焊接时，以金刚石厚膜的底面(即气相沉积时金刚石厚膜与沉积基体的接触面)作为刀片前刀面，以较粗糙的金刚石厚膜表面作为焊接面，这样有助于利用金刚石厚膜表面与焊料层的机械嵌合作用提高焊接强度。图1所示为焊接后金刚石厚膜与刀片基体的结合状态。图中，上半部分为金刚石厚膜，下半部分为硬质合金刀片基体，中间层为焊料层。最后，在瑞士产RS12型工具磨床上对金刚石厚膜刀片进行刃磨。刃磨后金刚石厚膜刀片的刀头形状和前、后刀面表面形貌分别如图2、图3所示。切削加工时，将制备好的金刚石厚膜刀片通过机夹方式固定在刀杆上即可。
图1 金刚石厚膜与硬质合金刀片基体间的结合状态
图2 金刚石厚膜刀片的刀头形状
 
(a)前刀面 (b)后刀面
图3 金刚石厚膜刀片刃磨后的表面形貌
3 金刚石厚膜刀具切削试验与分析
在上海仪表机床厂生产的CG6125A型高精度车床上对制备的金刚石厚膜刀具进行切削试验，研究其切削性能。刀具几何参数为：Kr=45°，Kr'=45°，re=0.8mm，go=-5°，a=10°。被切削试件为f40mm的LY12铝合金棒，切削时采用滴油润滑方式。采用北京时代公司生产的TR240型粗糙度检测仪测量试件已加工表面粗糙度。
在上述试验条件下，采用单因素试验法研究了切削用量对试件加工表面粗糙度的影响。由于试验所用CG6125A高精度车床采用无级调速进给(可用进给速度vf表示)，且试验结果表明实际测得的试件加工表面粗糙度值远大于按进给量f计算的理论粗糙度值，因此在试验结果分析中直接采用进给速度vf(mm/min)作为进给参数，而未将其转换为进给量f(mm/r)。根据试验数据，可得到进给速度vf、切削速度v(m/min)和切削深度ap(mm)对加工表面粗糙度的影响关系曲线分别如图4、图5、图6所示。
图4 进给速度vf对加工表面粗糙度的影响
图5 切削速度v对加工表面粗糙度的影响
图6 切削深度ap对加工表面粗糙度的影响
分析试验结果可知，试件加工表面粗糙度值随进给速度vf、切削速度v和切削深度ap的增大而增大，但切削速度v对加工表面粗糙度的影响相对较小。在本试验条件下，切削过程中未产生积屑瘤。CG6125A高精度车床的最高转速达2000r/min，在最高转速附近进行切削加工时产生的机床振动是加工表面粗糙度值随切削速度的增大而略有增大的原因。如前所述，在本试验条件下，根据理论残留面积高度计算出的理论粗糙度值远小于实际测得的加工表面粗糙度值，因此可认为，因进给速度vf和切削深度ap增大而导致切削过程振动加剧是加工表面粗糙度值增大的主要原因。在vf=8mm/min，v=176m/min，ap=0.04mm的切削条件下，用TALY SURF4型轮廓仪测得的试件加工表面轮廓线如图7所示，其Ra值为0.15µm，达到了精密切削加工要求。
图7 金刚石厚膜刀具加工的试件表面轮廓曲线
4 结论
在本切削试验条件下，用制备的金刚石厚膜刀具切削LY12铝合金时，试件加工表面粗糙度值随进给速度vf和切削深度ap的增大而增大，随切削速度" 的增大而略有增大。选用适当的切削用量可加工出Ra0.15µm的光滑表面。
作者单位：沈阳工业学院(end)
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(2/18/2005) |
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