超硬车刀渐变负倒棱设计及刃磨工艺研究
发布时间：2021-07-22 09:00
目前超硬材料刀具（如PCD、PCBN刀具等）已广泛应用于机械加工的各个行业,如汽车、飞机和船舶上许多重要零部件的切削加工都离不开超硬刀具。而超硬刀具在刃磨过程中会出现不同程度的微观缺口和磨损,使得超硬刀具的寿命急剧降低,把超硬刀具的刃口做成负倒棱形状是提升寿命、提高加工质量的重要方法。但是由于刀尖圆弧的存在会使刀具在切削时发生排屑干涉问题,这种排屑干涉问题会引起切削力和切削热的急剧增大,从而对超硬刀具产生严重损伤。因此,本文以典型的超硬材料PCD刀具为对象,通过数学建模方法研究了渐变负倒棱刀具疏导排屑的机理,通过有限元分析和车削实验相结合的方法研究了渐变负倒棱角度对刀具刃口区域温度、刀具磨损量和工件的已加工表面粗糙度、微观形貌的影响规律,从而选取最优几何参数的渐变负倒棱刀具,提高车削后工件的表面质量。首先,本文通过不同负倒棱刀具进行斜角切削时剪切角的变化规律得出了在相同渐变角度下负倒棱刀具的倒棱角度对切屑变形的影响规律;结合单元刀具的最小能量耗散原理对定值负倒棱刀具的排屑干涉问题进行理论上的分析,并最终得出定值负倒棱刀具的刃形角对排屑干涉现象的影响规律;为了减小刀具刃形角对排屑的影响,...
【文章来源】：长春理工大学吉林省
【文章页数】：89 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
刀具钝a)刀具钝化前形貌
2向力（主切削力）得到分解，疏导排屑。针对倒棱刀具在切削过程中产生的排屑干涉问题，本文通过对渐变倒棱刀具进行数学建模，结合倒棱刀具斜角切削原理、金属切削过程中最小能量耗散原理以及刀具整体排屑运动规律对渐变倒棱刀具疏导排屑情况进行研究，揭示其疏导排屑机理，从而优化渐变倒棱角度，提高切削后工件表面质量和刀具寿命。图1.2圆弧刃切屑流出方向1.2超硬刀具刃口钝化的研究现状金属切削过程中的切削变形区形状、切削刃温度、应力应变分布以及切削力大小等都会受到刀具刃口形状的影响。刀具刃口形状会进一步影响切屑的流动，已加工表面的完整性如残余应力，刀具的耐磨性和刀具寿命。1.2.1刀具刃口制备技术的研究现状刀具的制备方法与方式限制着刀具的刃口形状。为了能设计出良好的刃口形状，Denkena等[2]对PCBN刀具刃口进行修正设计，以确保加工出良好的表面质量，如图1.3所示，与此同时为了推断出该刀具能够较好的提高使用寿命，对工件表层性能进行追踪检测。随后，Denkena等[3]分别用刃口修正后的刀具以及未进行刃口修正的刀具进行切削性能对比实验，结果表明：与未进行刃口修正的刀具相比，该刃口结构的优点在于有效的降低了刀具与工件之间的接触面积，提高了工件表面所承受的热力载荷能力，并使刀具的寿命得到了提高。T.Ozel等[4]设计了一种渐变钝圆刃口的PCBN刀具，如图1.4所示。为了比较定值钝圆刃口结构刀具和渐变钝圆刃口结构刀具在材料的塑性应变、切削温度以及刀具磨损方面的差异（优缺点），应用了有限元仿真的方式进行对比分析。结论为：渐变钝圆刃口结构有助于减小切削刃附近的热量以及刀具磨损量，同时降低了材料表面的塑性应变。Mayer等[5]为了研究刀具刃口形状对刀
3具切削性能的影响，分别采用倒棱结构刀具、钝圆结构刀具以及锋利刃结构刀具进行金属切削。结果表明：钝圆半径越大切削力就越大，刀具寿命就越低，倒棱宽度和角度遵循着同样的规律。图1.3修正的刃口结构图1.4定值钝圆和渐变钝圆刃口结构Denkena和Ventura[6]考虑了原有的刀具刃口形状，并提出了一种新的刀具刃口形状——水瀑布刃口，随后，Denkena为了能更清晰直观地表达出该刃口的形貌，建立了以K、Sα、Sγ、φ和△r为参数变量的数学模型，如图1.5所示。同时为了能精准地磨削出该刃口结构，采用了逼近式磨削方法，而为了能更好的评价磨削后的刃口质量，引入刃口缺陷Rpsmax作为评判依据，同时Rpsmax还会对刃口磨削次数的优化起到参考作用。Ventura[7]为了验证该刃口结构刀具的切削性能，进行了高速切削对比试验，发现该刃口刀具与定值倒棱刃口刀具相比，在切削过程中刀具的寿命更长。Karpat等[8]通过有限元模拟研究了切削过程中刀具的温度以及应力应变分布，分析得出钝圆半径是影响切削力的一个重要因素，在被吃刀量较小的情况下应该选择较小的钝圆半径。而刃口形状的精度也是影响着切削过程中的切削力等参数。Grzesik等[9]为了研究不同刃口参数对刀具切削性能的影响，设计了多种倒棱刃口参数，同时讨论了每种参数刀具在不同切削条件下的综合性能。B.Denkena等[10]列举了一些制备刀具刃口的方法，如图1.6所示，并讨论了每种加工方法的优点和缺点。磨削方法是一种路径控制的方
【参考文献】：
期刊论文
[1]渐变强化刃刀具硬切削过程切屑流动和刀具磨损研究[J]. 陈涛,宋立星,李素燕,郭健,刘献礼. 机械工程学报. 2019(19)
[2]基于DEFORM的7075铝合金切削过程仿真研究[J]. 朱昱,王成,朱杨杨,倪红军,沈伟平. 工具技术. 2019(01)
[3]聚晶金刚石刀具的制造及应用[J]. 何云,杨泊莘,高阳华,雷学林. 工具技术. 2018(11)
[4]负前角刀具切削加工机理的有限元仿真分析[J]. 王子涛,石广丰,史国权. 工具技术. 2018(03)
[5]渐变倒棱PCBN刀具设计制造及磨削精度检测[J]. 陈涛,王道源,李素燕,刘献礼. 机械工程学报. 2018(11)
[6]PCBN刀具高速切削镍基高温合金切削力及刀具磨损试验研究[J]. 吴明阳,陈勇,赵旭,徐明,程耀楠. 工具技术. 2017(04)
[7]基于ABAQUS的航空7075铝合金切削二维仿真[J]. 孙会来,李丹,赵方方,于欣欣. 天津工业大学学报. 2017(01)
[8]PCD刀具钝化及对车削铝合金表面粗糙度的影响[J]. 罗西,寇自力,刘腾,贺端威,彭放,雷力. 工具技术. 2016(05)
[9]不同PCBN刀具车削硼铸铁的对比研究[J]. 李启泉,张旺玺,刘书锋,张素梅. 金刚石与磨料磨具工程. 2015(02)
[10]模具钢Cr12MoV精密硬态切削过程刀具磨损[J]. 岳彩旭,马晶,刘飞,杨永衡,张佳奕,刘献礼. 哈尔滨理工大学学报. 2014(05)
硕士论文
[1]双斜壁分屑结构余弦强化刃PCBN刀具切削性能研究[D]. 郭健.哈尔滨理工大学 2019
[2]PCD铰刀刃带对YL113铝合金加工质量的影响研究[D]. 张华.长春理工大学 2019
[3]近余弦强化刃PCBN刀具设计制造技术研究[D]. 王道源.哈尔滨理工大学 2018
[4]PCBN刀具负倒棱对其硬态切削性能研究[D]. 叶铮.合肥工业大学 2016
[5]PCBN超硬刀具加工蠕墨铸铁切削性能研究[D]. 李盼来.广东工业大学 2015
[6]7075-T6铝合金超声振动车削有限元仿真及实验研究[D]. 栾晓明.湖南科技大学 2014
[7]基于Floyd算法的整体立铣刀刃形节能优化设计及排屑性能研究[D]. 毕煌圣.华中科技大学 2014
[8]高温合金切削用PCBN刀具设计及其性能评价[D]. 计伟.哈尔滨理工大学 2013
[9]PCD刀具刃磨工艺研究及刃磨参数优化[D]. 王继森.西华大学 2012
[10]基于有限元方法的切削加工建模技术研究及应用[D]. 王小平.太原理工大学 2011
本文编号：3296850
【文章来源】：长春理工大学吉林省
【文章页数】：89 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
刀具钝a)刀具钝化前形貌
2向力（主切削力）得到分解，疏导排屑。针对倒棱刀具在切削过程中产生的排屑干涉问题，本文通过对渐变倒棱刀具进行数学建模，结合倒棱刀具斜角切削原理、金属切削过程中最小能量耗散原理以及刀具整体排屑运动规律对渐变倒棱刀具疏导排屑情况进行研究，揭示其疏导排屑机理，从而优化渐变倒棱角度，提高切削后工件表面质量和刀具寿命。图1.2圆弧刃切屑流出方向1.2超硬刀具刃口钝化的研究现状金属切削过程中的切削变形区形状、切削刃温度、应力应变分布以及切削力大小等都会受到刀具刃口形状的影响。刀具刃口形状会进一步影响切屑的流动，已加工表面的完整性如残余应力，刀具的耐磨性和刀具寿命。1.2.1刀具刃口制备技术的研究现状刀具的制备方法与方式限制着刀具的刃口形状。为了能设计出良好的刃口形状，Denkena等[2]对PCBN刀具刃口进行修正设计，以确保加工出良好的表面质量，如图1.3所示，与此同时为了推断出该刀具能够较好的提高使用寿命，对工件表层性能进行追踪检测。随后，Denkena等[3]分别用刃口修正后的刀具以及未进行刃口修正的刀具进行切削性能对比实验，结果表明：与未进行刃口修正的刀具相比，该刃口结构的优点在于有效的降低了刀具与工件之间的接触面积，提高了工件表面所承受的热力载荷能力，并使刀具的寿命得到了提高。T.Ozel等[4]设计了一种渐变钝圆刃口的PCBN刀具，如图1.4所示。为了比较定值钝圆刃口结构刀具和渐变钝圆刃口结构刀具在材料的塑性应变、切削温度以及刀具磨损方面的差异（优缺点），应用了有限元仿真的方式进行对比分析。结论为：渐变钝圆刃口结构有助于减小切削刃附近的热量以及刀具磨损量，同时降低了材料表面的塑性应变。Mayer等[5]为了研究刀具刃口形状对刀
3具切削性能的影响，分别采用倒棱结构刀具、钝圆结构刀具以及锋利刃结构刀具进行金属切削。结果表明：钝圆半径越大切削力就越大，刀具寿命就越低，倒棱宽度和角度遵循着同样的规律。图1.3修正的刃口结构图1.4定值钝圆和渐变钝圆刃口结构Denkena和Ventura[6]考虑了原有的刀具刃口形状，并提出了一种新的刀具刃口形状——水瀑布刃口，随后，Denkena为了能更清晰直观地表达出该刃口的形貌，建立了以K、Sα、Sγ、φ和△r为参数变量的数学模型，如图1.5所示。同时为了能精准地磨削出该刃口结构，采用了逼近式磨削方法，而为了能更好的评价磨削后的刃口质量，引入刃口缺陷Rpsmax作为评判依据，同时Rpsmax还会对刃口磨削次数的优化起到参考作用。Ventura[7]为了验证该刃口结构刀具的切削性能，进行了高速切削对比试验，发现该刃口刀具与定值倒棱刃口刀具相比，在切削过程中刀具的寿命更长。Karpat等[8]通过有限元模拟研究了切削过程中刀具的温度以及应力应变分布，分析得出钝圆半径是影响切削力的一个重要因素，在被吃刀量较小的情况下应该选择较小的钝圆半径。而刃口形状的精度也是影响着切削过程中的切削力等参数。Grzesik等[9]为了研究不同刃口参数对刀具切削性能的影响，设计了多种倒棱刃口参数，同时讨论了每种参数刀具在不同切削条件下的综合性能。B.Denkena等[10]列举了一些制备刀具刃口的方法，如图1.6所示，并讨论了每种加工方法的优点和缺点。磨削方法是一种路径控制的方
【参考文献】：
期刊论文
[1]渐变强化刃刀具硬切削过程切屑流动和刀具磨损研究[J]. 陈涛,宋立星,李素燕,郭健,刘献礼. 机械工程学报. 2019(19)
[2]基于DEFORM的7075铝合金切削过程仿真研究[J]. 朱昱,王成,朱杨杨,倪红军,沈伟平. 工具技术. 2019(01)
[3]聚晶金刚石刀具的制造及应用[J]. 何云,杨泊莘,高阳华,雷学林. 工具技术. 2018(11)
[4]负前角刀具切削加工机理的有限元仿真分析[J]. 王子涛,石广丰,史国权. 工具技术. 2018(03)
[5]渐变倒棱PCBN刀具设计制造及磨削精度检测[J]. 陈涛,王道源,李素燕,刘献礼. 机械工程学报. 2018(11)
[6]PCBN刀具高速切削镍基高温合金切削力及刀具磨损试验研究[J]. 吴明阳,陈勇,赵旭,徐明,程耀楠. 工具技术. 2017(04)
[7]基于ABAQUS的航空7075铝合金切削二维仿真[J]. 孙会来,李丹,赵方方,于欣欣. 天津工业大学学报. 2017(01)
[8]PCD刀具钝化及对车削铝合金表面粗糙度的影响[J]. 罗西,寇自力,刘腾,贺端威,彭放,雷力. 工具技术. 2016(05)
[9]不同PCBN刀具车削硼铸铁的对比研究[J]. 李启泉,张旺玺,刘书锋,张素梅. 金刚石与磨料磨具工程. 2015(02)
[10]模具钢Cr12MoV精密硬态切削过程刀具磨损[J]. 岳彩旭,马晶,刘飞,杨永衡,张佳奕,刘献礼. 哈尔滨理工大学学报. 2014(05)
硕士论文
[1]双斜壁分屑结构余弦强化刃PCBN刀具切削性能研究[D]. 郭健.哈尔滨理工大学 2019
[2]PCD铰刀刃带对YL113铝合金加工质量的影响研究[D]. 张华.长春理工大学 2019
[3]近余弦强化刃PCBN刀具设计制造技术研究[D]. 王道源.哈尔滨理工大学 2018
[4]PCBN刀具负倒棱对其硬态切削性能研究[D]. 叶铮.合肥工业大学 2016
[5]PCBN超硬刀具加工蠕墨铸铁切削性能研究[D]. 李盼来.广东工业大学 2015
[6]7075-T6铝合金超声振动车削有限元仿真及实验研究[D]. 栾晓明.湖南科技大学 2014
[7]基于Floyd算法的整体立铣刀刃形节能优化设计及排屑性能研究[D]. 毕煌圣.华中科技大学 2014
[8]高温合金切削用PCBN刀具设计及其性能评价[D]. 计伟.哈尔滨理工大学 2013
[9]PCD刀具刃磨工艺研究及刃磨参数优化[D]. 王继森.西华大学 2012
[10]基于有限元方法的切削加工建模技术研究及应用[D]. 王小平.太原理工大学 2011
本文编号：3296850
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