CVD金刚石刀具的微细铣削仿真及试验研究

为研究切削参数对CVD金刚石微铣刀切削性能的影响,运用扩展有限元法对CVD金刚石微刀具的铣削加工和刀具损伤应力进行仿真模拟,研究了铣削加工后工件的表面粗糙度随切削参数的变化规律,分析了切削参数对微铣刀失效的影响,并通过试验验证了仿真结果的正确性。研究结果表明:在CVD金刚石微铣刀加工TC4钛合金时,铣削深度和每齿进给量的增加不利于工件加工质量的改善;铣削速度增加对工件加工表面粗糙度影响较小;铣削深度是影响刀具失效的主要因素,铣削速度和每齿进给量是影响刀具失效的次要因素。     

微纳V槽脆/塑性域切削的3D激光检测及评价

针对微纳米级功能V槽微细加工及评价困难的问题,采用单点金刚石切削方法在超精密机床上对光学玻璃进行V槽的微纳尺度加工,且利用非接触激光检测技术展现V槽的加工形貌。研究目的是分析V槽的微纳米尺度加工的可行性以及找出如何评价V槽加工精度的方法。首先,采用单点金刚石在光学玻璃上进行V槽的微纳尺度切削试验。然后,利用3D激光超精密检测仪器检测加工的V切痕,构建微V槽切痕的形貌图,建立V槽形状误差PV值和V槽尖角圆弧半径的评价模式。最后,分析在微纳尺度加工中切除深度与V槽角度的形成机理以及切削深度对V槽形状误差及其尖角圆弧半径的作用机制。结果表明,在亚微米级尺度加工中存在一个脆/塑性域切除加工状态转变的临界切削深度。在塑性域切削中,金刚石刀具尖角形状可以复制到工件表面,形成深度小于0.386μm、形状误差PV值约0.103μm、尖角半径约为0.182μm的V槽。此外,V槽形状误差PV值在塑性域切除加工中始终保持不变,但在脆性域切除加工中随着切削深度增大而逐渐剧烈加大。而且,V槽尖角圆弧半径在塑性域切削中随着切削深度减小而减小,但为了获得完整的V槽轮廓还需被控制在V槽成型临界界线以下。因此,在处理非接触激光检测的3D数据的基础上,V槽形状误差PV值和尖角圆弧半径可以用来评价V槽微纳尺寸加工的加工精度和微细程度。     

基于DEFORM-3D的微织构球头铣刀铣削过程有限元仿真

为解决钛合金在切削过程中切削温度高、化学活性高、加工性较差的问题,选取碳化钨沟槽织构两齿球头铣刀为研究对象,在干式切削条件下对不同参数沟槽织构的球头铣刀铣削钛合金的过程进行有限元仿真,并分析不同织构参数对切削力、切削温度的影响规律。结果表明:不同参数的沟槽织构对切削力的影响程度为距切削刃距离>宽度>刃口半径>间距;对切削温度的影响程度为距切削刃距离>宽度>刃口半径>间距。通过建立遗传算法优化模型,对沟槽微织构球头铣刀的参数进行优化,得出当沟槽织构宽50μm、距切削刃距离150μm、钝圆刃口半径40μm、间距100μm时,球头铣刀切削性能最优。     

基于放电修锐的粗金刚石砂轮干式镜面磨削技术

为解决超硬金刚石砂轮修锐效率较低以及环境友好性等问题，采用干式接触放电修锐(ECD)技术对粗金刚石砂轮进行修锐，获得较高的磨粒出刃，可以实现硬质合金和模具钢等高强高硬材料的高效精密镜面磨削加工。对46#金属结合剂粗金刚石砂轮进行机械修锐和干式ECD修锐，再利用修锐后的粗金刚石砂轮对硬质合金和模具钢进行干式轴向磨削加工，对比分析两种修锐条件下磨削工艺参数对硬质合金干磨削力、磨削表面粗糙度和磨削力比的影响。实验结果表明：硬质合金的干式轴向磨削力及其表面粗糙度随砂轮速度的增大而减小，随进给速度和切削深度的增大而增大；与机械修锐相比，干式ECD修锐能够获得更高的磨粒出刃和更好的表面质量，以及更小的磨削力和磨削力比；硬质合金和模具钢的干磨削表面粗糙度Ra分别可达0.058μm和0.022μm。     

金刚石砂轮V形尖端切向磨削修整试验研究

针对超硬模具微结构磨削过程中金刚石砂轮V形尖端几何精度难以保证以及修整困难等问题,提出碳化硅修整轮切向磨削修整方法,采用不同修整参数对树脂结合剂和金属结合剂金刚石砂轮V形尖端进行修整试验,并采用修整后的金刚石砂轮进行了微结构阵列磨削试验。结果表明:在一定的修整参数下,树脂结合剂和金属结合剂金刚石砂轮的尖端圆弧半径分别达到3.5μm和2.0μm;两种砂轮尖端圆弧半径随着修整轮进给速度、修整深度的增加而增大,随着金刚石砂轮转速和修整轮粒度号的增加而减小;金属结合剂金刚石砂轮修整效率较低,修整后的尖端圆弧半径较小。微结构阵列磨削结果表明,修整后的两种金刚石砂轮能够满足微结构加工,而且发现树脂结合剂金刚石砂轮加工的微结构表面质量较好,更易于实现延性域磨削。     

光学玻璃的激光微结构化砂轮精密磨削

为了降低大磨粒金刚石砂轮磨削光学玻璃时的亚表层损伤,利用纳秒脉冲激光对金刚石砂轮进行了表面微结构化加工,并采用该砂轮研究了光学玻璃的精密磨削加工。首先,计算了金刚石磨粒在纳秒脉冲激光辐射下的烧蚀阈值和激光束腰半径;然后,分析了纳秒脉冲激光在金刚石磨粒上加工的微结构形貌以及微结构化过程中的热损伤;最后,采用微结构化大磨粒金刚石砂轮进行光学玻璃的磨削实验,并分析了亚表层的损伤情况。实验结果表明:金刚石磨粒在纳秒脉冲激光辐射下的烧蚀阈值为0.89J/cm,激光束腰半径为17.16μm。在粒度为150μm的大磨粒电镀金刚石砂轮上可以实现结构尺寸为20μm的微结构表面加工。与传统金刚石砂轮相比,微结构化砂轮磨削后的光学玻璃亚表层损伤深度降低了40%,达到了降低光学玻璃磨削亚表层损伤的目的。     

铣刀切削刃曲率对刀具磨损的影响研究

切削加工时,刀具磨损对工件加工质量影响较大。刀具切削刃曲率改变,最大有效切削弧长和最大铣削面积随之变化,散热条件和产生的热量也发生变化,进而影响到刀具的磨损程度。采用螺旋角为0°的直刃鼓形铣刀,研究铣刀切削刃曲率对刀具磨损的影响,研究时只改变刀具参数中的母线半径(即切削刃曲率)。选择5组母线半径/切削刃曲率,计算对应5组数据的最大有效切削弧长和最大铣削面积;采用Deform-3D软件对鼓形铣刀5组母线半径/切削刃曲率的刀具前刀面磨损进行仿真和铣削试验,观测刀具磨损情况。研究结果表明,刀具前刀面磨损随着切削刃曲率半径的增大而增大。     

正交车铣瞬时切削面积的建模与分析

通过对正交车铣运动学的分析建立了偏心正交车铣过程中的圆周刃切削深度、圆周刃切削厚度、端面刃切削深度和端面刃切削厚度的最大值表达式。运用所建立的数学模型,通过对切屑形成模型的研究建立了正交车铣瞬时切削面积的数学模型。应用正交试验法研究了正交车铣切削参数(切削深度、铣刀齿数、铣刀转速、偏心量和轴向进给量)对瞬时切削面积的影响规律:铣刀齿数影响最大,依次为切削深度、轴向进给量、铣刀转速和偏心量和运用极差分析探讨了以上五个切削参数对最大瞬时切削面积的影响趋势,最大瞬时切削面积随铣刀转速、偏心量和刀具齿数的增加而减小,随切削深度、轴向进给量的增大而增大。     

螺纹铣刀牙型轮廓的少干涉优化方法

根据螺纹铣削过程的径向和轴向干涉误差分析,提出了调整铣刀牙型轮廓特征点位置的螺纹铣刀牙型轮廓少干涉优化方法。首先,利用特征点法分别对标准螺纹和螺纹铣刀的牙型轮廓进行参数化表示;然后,建立螺纹轮廓面和螺纹铣刀铣削加工包络面的数学计算模型,以及螺纹铣削加工的干涉误差计算模型;最后,利用干涉模型计算得到的轴向和径向干涉误差,对螺纹铣刀牙型轮廓特征点进行适当调整,优化螺纹铣刀轮廓以减少干涉误差。以?8×1.5螺纹铣刀加工M14×1.5内螺纹的加工仿真与切削实验为例,利用MATLAB计算螺纹铣刀优化后的最大干涉误差为2.6μm,相比于螺纹铣刀优化前(8.1μm)降低了67.9%;内螺纹铣削实验结果表明螺纹铣刀优化后的最大干涉误差仅为15.5μm,相比于普通螺纹铣刀的最大干涉误差值(24.8μm)降低了37.5%。可见,螺纹铣刀牙型轮廓少干涉优化方法能极大减小螺纹铣削加工干涉误差,有效提高螺纹加工精度。     

高性能新型金刚石薄膜刀具

金刚石薄膜刀具是90年代前后研制成功的一种新型刀具,其特点是:切削速度高,切削深度和进给量大,生产率高;切削力小,温升低,加工精度高可用于高速微切削精加工中;耐磨性好,耐用度是普通硬质合金刀具的50～100倍。目前它应用在有色合金、复合材料和许多非金属材料的切削加工中,正与多晶金刚石(polycrystalline diamond——PCD)、硬质合金和陶瓷刀具争夺市场。日美两国已开发成功各类金刚石薄膜车刀(指铣刀、钻头等刀具)。美国在短期内对这类刀具的销售额就达到7500万美元。金刚石薄膜是通过化学气相沉积(CVD)方法,使金刚石晶体沉积在碳化钨或陶瓷基底上,其厚度一般不大于50μm。目前的CVD方法以微波辅助CVD系统应用最多。该系统的金刚石薄膜沉积原理是:将氢气