机械刀具（共9篇）
机械刀具 篇1
摘要：为提高机械刀具破岩效率,在水射流—机械刀具联合破岩试验台上研究了水射流参数(射流入射角、喷嘴位置、靶距等)对联合破岩效果的影响。试验结果表明:喷嘴位置在刀具前方时,形成的煤岩碎片块度大,刀具的切削比能耗小,联合破岩效果优于喷嘴布置在刀具的两侧的破岩效果;刀具的切削比能耗与水射流入射角、靶距以及喷嘴和刀具距离的关系均呈抛物线变化,水射流入射角为120。、靶距为喷嘴直径5.5倍左右、喷嘴和刀具距离为切削深度的1.6倍左右时切削比能耗最低。
关键词：水射流,机械刀具,联合破岩,试验
0 引言
国内外很多学者对水射流-机械刀具联合破岩进行过研究:程大中等[1]指出,水射流和盘形滚刀结合破岩可以增大切削和破碎岩石体积,降低能耗;Hood[2]对水射流-楔形刀具联合破岩进行了试验研究,认为水射流竖直布置在刀具前方能够取得较好的联合破岩效果;Li等[2]分别对有无水射流情况下PDC钻头破岩效果进行了研究,研究结果证实了水射流辅助PDC钻头切削硬岩的可行性和高效性;张文华等[4]利用数值模拟方法对水射流-机械刀具联合破岩过程进行研究,研究结果表明水射流-机械刀具联合破岩效率比仅用机械刀具破岩效率提高了一倍。到目前为止,对水射流-机械刀具联合破岩影响因素的研究主要集中在石油钻井工程中[3,4,5,6],对水射流与采掘机械刀具联合破岩的影响因素研究较少。本文利用水射流-机械刀具联合破岩试验台研究水射流用于辅助采掘机械刀具破岩的效果,对其联合破岩的影响因素进行研究,以指导水射流辅助采掘机械联合破岩机构的设计。
1 试验设计
水射流-机械刀具联合破岩试验台是在煤岩切削试验台[7,8]基础上改进的,如图1所示。试验台主要包括传动系统、水射流发生系统以及测试系统等,其不仅可以完成单个刀具的直线切削试验,还可以完成水射流-机械刀具联合破岩试验。
1.1 水射流发生系统
水射流发生系统主要由乳化液泵、二位二通阀、溢流阀、节流阀、流量计、压力表和喷嘴等构成,如图2所示。二位二通阀用于控制水射流的通断,溢流阀对水射流发生系统起安全保护和卸荷作用,节流阀用于调节系统的压力、流量大小,流量计和压力表用于测量系统的流量和压力大小,喷嘴用于喷射出高速的水射流。在保证水射流压力和流量的前提下,采用BRW250/31.5大流量乳化液泵(额定流量250L/min,额定压力31.5MPa)作为动力源。为保证整个系统的压力和流量的可靠性,二位二通阀型号选24EJF-P,溢流阀型号选DBDH20P10/31.5MPa,节流阀型号选DRVP25S1-10,压力表选用量程为0～40MPa的防震压力表。
1.2 测试系统
考虑到试验中应变片不能受水射流影响,且要便于调节刀具的作用参数,故将应变片贴在刀具固定梁上(图1)。在水射流-机械刀具联合破岩时,刀具固定梁既要承受弯矩又要承受扭矩,为研究方便,根据横梁所受扭矩来计算刀具的切削力,因此需将应变片桥路中由弯矩产生的输出信号平衡掉。信号采集和处理均采用北京东方振动和噪声技术所开发的INV306U智能信号采集处理分析仪和Coinv DASP V10工程版平台测试分析软件,切削力的采样频率为4kHz。
1.3 试验方案及评价指标
为研究水射流入射角、喷嘴位置、靶距等参数对联合破岩效果的影响,试验方案设计如图3所示。刀具破岩的切削角φ=45°,切削速度v=4m/min,喷嘴直径d=3mm,射流发生系统压力值为p,射流入射角为θ,刀具的切削厚度为h,射流入射点与刀具间的距离为L,靶距为H,喷嘴有三个不同的位置,分别为P1、P2和P3,其中入射角θ、靶距H以及间距L均可调节。为避免天然煤岩试件中裂隙、节理、孔隙等对试验结果造成影响,本文试验中切削对象采用人工配置的模拟煤岩试件(水、水泥、煤粉的质量比为0.9:1.3:6),其力学性质参数如表1所示。
由于在水力参数和喷嘴结构相同的情况下,水射流耗能相同,故评价水射流-机械刀具联合破岩的效果主要是观察煤岩碎片的崩落效果和比较刀具的切削比能耗,其中比能耗可以通过以下关系式计算:
式中,S为刀具切削比能耗,J/m3;F为刀具的平均切削力,N;s为刀具切削煤岩的距离,m;V为崩落煤岩的体积,m3,采用填沙法测量。
2 试验结果与分析
当射流喷嘴结构参数、射流发生系统水力参数以及机械刀具切削参数确定后,影响水射流-机械刀具联合破岩效果的参数就只包括喷嘴作用位置、射流入射角、靶距以及喷嘴与刀具之间的距离等。
2.1 喷嘴作用位置
在水射流-机械刀具联合破岩过程中,刀具与喷嘴之间的布置方式是否得当直接影响联合破岩效果。在p=20MPa,θ=90°,h=20mm,L=30mm,H=10mm情况下,对喷嘴在三种不同位置进行水射流-机械刀具联合破岩试验,煤岩碎片崩落情况如图4所示。从图4可见,喷嘴位于P1时形成的煤岩碎片较喷嘴位于P2或P3时要大得多(P2和P3情况下崩落情况类似),其原因为:当喷嘴位于刀具侧面时,刀具一侧的煤岩由于水射流的冲击作用形成破碎坑和损伤,该区域的煤岩易于被机械刀具挤压崩落,此时刀具受另一侧煤岩挤压难以完成另一侧煤岩的崩落。图5所示为喷嘴位于P1和P3以及无射流时测得的刀具切削力,可见水射流-机械刀具联合破岩能有效降低刀具的切削力。根据式(1)可得到不同喷嘴位置以及无辅助射流时刀具的切削比能耗,如表2所示,可见喷嘴置于刀具前方时可以很好地降低刀具切削比能耗,其联合破岩效果优于喷嘴位于刀具的两侧的破岩效果。
2.2 射流的入射角
从上文分析可知,喷嘴置于刀具前方时水射流-机械刀具联合破岩效果最好,故在此基础上分析射流入射角对联合破岩效果的影响。在p=20MPa,h=20mm,L=30mm,H=10mm情况下进行不同入射角水射流-刀具联合破岩试验。刀具切削比能耗随射流入射角的变化关系如图6所示,可见刀具切削比能耗与水射流入射角呈开口向上的抛物线关系,且射流入射角为120°时刀具的切削比能耗最小。入射角为120°时水射流-机械刀具联合破岩如图7所示。由Evans的刀具破岩理论可知,煤岩碎片形成的断裂路径呈弧形,水射流冲击破岩时间为毫秒量级[9],且刀具破岩时大块煤岩碎片形成时间为秒量级,此时水射流冲击煤岩与机械刀具破岩形成的断裂路径一致,且两种破岩方式都是对煤岩碎片产生拉力作用,减小了刀具的切削力,进而降低了刀具的切削比能耗。当入射角过小或过大时,射流的反射作用明显,其冲击煤岩形成的破碎坑很浅,此时射流在煤岩表面的滞止压力甚至可能阻碍机械刀具崩落煤岩,导致刀具切削力和比能耗增大。
2.3 水射流的靶距
由水射流破岩机理可知,在其他射流参数一定情况下,靶距对破碎坑的深度和宽度有很大的影响[10]。在p=20MPa,h=20mm,L=30mm,θ=120°以及喷嘴作用位置为P1情况下进行不同靶距的水射流-机械刀具联合破岩试验。刀具切削比能耗与水射流的变化关系如图8所示,从图中可见,刀具的切削比能耗随靶距先减小后增大,即水射流-刀具联合破岩过程中射流的靶距存在一个最佳值。本文试验条件下,射流靶距H为5.5d左右时联合破岩效果最好。
该现象出现的原因为:射流靶距较小时虽然能够得到较深的破碎坑,但对煤岩形成的破碎坑以及损伤范围较小,且水锤作用不明显,与刀具对煤岩挤压作用未能有效地融合;靶距很大时射流在煤岩表面的滞止动压力难以导致煤岩破坏,此时射流对机械刀具破岩基本没有辅助作用;靶距存在一个最佳值能够使水射流冲击煤岩形成适当大小和深度的破碎坑,并且能够充分利用射流在破碎坑底部对壁面的水压作用,即对煤岩碎片产生张拉作用[11]。
2.4 喷嘴与刀具间距
刀具在破岩过程中,崩落的大块煤岩碎片在形状和体积上具有相似性,即煤岩碎片断裂的路径有一定规律性[12,13,14],水射流不宜破坏密实核对煤岩碎片的挤涨作用及煤岩碎片的断裂路径,同时在保证水射流-机械刀具联合破岩作用前提下喷嘴与刀具间距存在一个优值。在p=20MPa,h=20mm,H=13mm,θ=120°以及喷嘴作用位置为P1情况下进行不同喷嘴与刀具间距的联合破岩试验,刀具切削比能耗随喷嘴与刀具间距的变化关系如图9所示,从图中可见,刀具切削比能耗随喷嘴与刀具间距呈开口向上的抛物线关系。本文试验条件下喷嘴与刀具间距在1.6h左右时切削比能耗最小,其主要原因为:喷嘴与刀具距离很近时虽然可以明显减小刀具的切削力,但其破坏了密实核对煤岩碎片形成的作用,不易于块状煤岩的产生,而间距过大则难以实现水射流、机械刀具对煤岩的联合作用,即水射流对煤岩的冲击作用应力与机械刀具对煤岩挤压作用产生的应力难以交汇。
3 结论
(1)在有无水射流辅助作用情况下对比机械刀具破岩的切削力变化,结果表明,水射流-机械刀具联合破岩能够有效减小刀具的切削力。
(2)对喷嘴置于刀具前方和侧向情况下的水射流-机械刀具联合破岩效果进行对比分析,结果表明,喷嘴置于刀具前方的联合破岩效果要优于喷嘴置于刀具侧面时的破岩效果,其切削比能耗低,崩落的煤岩碎片体积大。
(3))刀具切削比能耗与射流入射角、靶距及间距(喷嘴与刀具之间距离)均呈开口向上抛物线关系,且入射角为120°、靶距为喷嘴直径5.5倍左右、间距为切削厚度1.6倍左右时的联合破岩效果最好,此结果为水射流辅助采掘机械联合破岩机构的设计、研究提供了试验依据。
机械刀具 篇2
（湖北航特科技有限责任公司 湖北 荆门？448000）
摘 要： 随着机械加工行业的不断发展，其使用刀具材料的性能和强度也受到了相关行业者的关注，机械加工工作中刀具应该具备较强的硬度和韧性，因此超硬材料刀具逐渐被普及，文章将会从超硬材料刀具在机械加工中的应用进行分析，为我国机械加工行业的发展提供理论基础。
关键词： 超硬材料；刀具；机械加工；应用分析
超硬材料的刀具在机械加工中的应用和普及，为我国机械加工行业的发展做出了有效的推进，因此开展超硬材料刀具的实践研究可以为机械加工工作的质量和效率做出基本的保障。超硬材料刀具的理想成分是金刚石系列的材料，包括人造金刚石、天然金刚石以及立方氮化硼等，由于天然金刚石价格上的劣势，很多机械加工厂家为降低刀具生产成本会使用其他材料与金刚石相结合的方式制成复合型超硬材料的机械加工刀具。该技术源自美国，最初的研究是将氮化硼的微粒和金刚石的微粒相结合，经过高温高压处理合成了硬度较大的复合型刀具材料。经过十几年的发展，超硬材料刀具也有了更加广泛的材料来源，因此硬度和韧性也有了明显的提升，文章会从多种应用环境分析超硬材料刀具在现代化科技中的发展情况，同时对其在实际机械加工中产生的效果做出探讨。
1金刚石材质超硬材料刀具在机械加工中的应用
金刚石因其硬度的优势在我国机械加工中常常被应用在非铁族金属以及其它难以被加工材料的制造过程中，例如玻璃、石材、水泥、陶瓷、合金、水泥制品或者是硬质合金等等。据调查显示，金刚石材质的磨料以及超硬材料刀具在机械加工中的应用数量仅为整体的十分之一，主要用于磨削和车削加工，其种类有铣刀、车刀、镗刀等，大部分都是用在汽车和非机动车领域，还有一部分使用在家电、燃气以及其他机械加工行业中。
金刚石刀具在汽车和非机动车行业中主要作用与加工发动机活塞中的销孔、变速箱、气缸、裙部以及化油器等位置，这些位置普遍的特征就是硅含量较高，而且生产的方式属于流水线作业，因此会对加工其产品的刀具有着较高的要求，普通的硬质刀具很难达到该生产线的标准，而金刚石特有的韧性是其他硬质材料的十倍到五十倍以上，因此可以有效的提高机械加工的速度和质量，让机械零件加工的质量和效率得到显著的提高，同时还能让工件表面处理的工序得到有效的保障。
天然金??石的价格昂贵，因此很多厂家都根据金刚石的结构特点研制出了一系列的仿制材料代替天然金刚石，其中一种叫做金刚石烧结体，又称为人造聚晶金刚石，是通过高温高压的环境将不同种类金属结合剂与金刚石的单晶粉混合处理，形成了硬度较高的多晶体类金刚石材料。虽然比不上天然金刚石的硬度和耐磨性质，但是寿命和强度也高出其他硬质材料数十倍，因此已经成为了天然金刚石的主要替代品。
2立方氮化硼材质超硬材料刀具在机械加工中的应用
立方氮化硼自从二十世纪八十年代以来，就已经在全世界的汽车、机床、军事、航天、轴承等领域普及并应用，而且近几年还有继续扩大渗透领域的趋势。立方氮化硼具有生产效率高和自动化便捷等特点，因此被誉为是半永久性的机械加工工具材料。我国针对立方氮化硼的研究开始于二十世纪七十年代，通过使用转子槽、凸轮轴、油泵油嘴、滚珠丝杠、机床导轨等其他难以加工和处理的工序开展大量的实验和研究工作，并取得了较好的成果和应用经验。目前我国的立方氮化硼的规格和市场已经渐渐成熟，甚至某些加工成品的质量已经超过了国际先进技术。一部分先进企业开始使用陶瓷结合剂处理后的立方氮化硼在机械加工中应用和实践，对工件产品的质量和效果做出了优化。
立方氮化硼材质超硬刀具最大的特色是可以处理车削硬度大于45HRC的零件，立方氮化硼和铁族材质不会产生亲和性，因此可以将立方氮化硼作用在轴承钢、高速钢以及工具钢的加工和切削过程中，用车切的方式代替磨具，最大程度的提高机械加工的质量和效率。除此之外，立方氮化硼还具有很强的耐高温性质，在一千摄氏度的环境下也能保持好较为优质的硬度优势，性能上也比其他硬质材料稳定。例如在立方氮化硼材质的刀具加工炼钢炉进料外壳的封闭部位时，该工件的直径为1000mm左右，硬度大于55HRC，采用较为普通的硬质材料加工往往需要一个小时以上，使用立方氮化硼就仅仅需要七分钟左右，极大的提高了机械加工中的效率，同时还能保障工件表面处理粗糙率的减低，加强了工件的使用性能。使用立方氮化硼加工水泵辐板时，辐板的硬度一般为60HRC以上，使用一般材质的硬质材料刀具处理一块辐板需要三把合金刀具，而使用立方氮化硼处理时三块辐板只用一把立方氮化硼材质的刀具，不仅能为工件的生产速率做出保障，还能有效的延长刀具的使用寿命，稳定机械加工企业的经济效益。
结束语：
机械刀具 篇3
工作部分几何参数进行方便的数字化采集，利用软件进行刀具的三维建模和静态角度计算，有效提高刀具测量效率和精度，可辅助绘制刀具角度剖面图。成果目前已在机械基础教学基地加以实践，教学效果较好。
关键词：信息技术 刀具测量 实验仪器 分析软件
中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）06（b）-0131-03
Abstract：Considering themechatronics and information technology， a new kind of cutting tool measurement instrument for the course of mechanical manufacturing is proposed to overcome the insufficiency of traditional experimental instrument. And the basic analysis software is also provided. The digital data of geometric parameters of tool part can be obtained easily. The 3D model and static anglecan be got based on the developed software. Compared with the existing results， the proposed instrument has the better measurement efficiency and precision. And it can be used to draw the angle section of cutting tool. The results have been applied in the teaching practice of mechanical manufacturing， and the effect is better.
Key Words：Information technology；Cutting tool measurement；Experiment instrument；Analysis software
1 传统刀具测量实验仪器存在的问题
早期的机械制造课程体系很大程度上参考国外内容，部分教学和实践内容沿用至今。以车刀角度测量实验为例，在我国各高校和职业技术学校使用较为广泛的是JGQ-2型万能车刀量角台，其原始雏形由国外工厂设计，后经国内相关高校改进设计成JGQ-2型万能量角台[1]。随后，各高校机械基础教研室进一步对量角台进行了小范围改进，但基本原理和结构不变。
这种传统的量角台能够完成所有参考系下的主要刀具角度测量，但是每测量一个角度，都需要相应精确调整刀具位置，步骤较为繁琐；且只能进行单一刀具角度测量，无法采集刀具几何数据，要对刀具进行几何建模则需要昂贵的专业仪器，如德国ZOLLER刀具检测仪器（采用CCD相机和图像分析处理技术测量）；另外，在不同参考系的角度转换的场合，需要采用专用公式计算，或者读专用诺模图校核，使用不便[2]。
由于上述问题，在刀具角度测量实验中，测量仪器操作繁琐，步骤较多，学生还是容易对角度产生混淆，且易遗忘，加之学生的制图基础相对较差，测量完成后仍然不会绘制刀具静态角度图。
2 新型车刀测量仪器及软件
为了克服传统实验仪器的不足，在教学过程中设计了一种新型车刀角度测量仪器及配套软件，其基本机构如图1所示，配套软件输入界面如图2所示。
2.1 新型车刀角度测量仪的测量原理
该测量仪是受我国汉代“浑天仪”的结构启发，仿照浑天仪的球面坐标测量原理，设计而成。主要测量构件由内环、外环和测量杆组成，内、外环切掉了部分圆弧防止与刀杆干涉。将被测刀具装夹在可调刀具支架上，对刀具位置进行水平、竖直微调，使刀头基本处于在测量仪的球面中心；测量杆起到窥管的作用，用测量杆的前端平面与刀具前面，后面，副后面分别贴合，杆与这3个工作面分别垂直，通过读取刻度盘上的内、外环的转动角度和测量杆的伸长量，可以得到各工作面的法向量和位置参数。
只需测量3个刀面，即可得到刀具的工作参数，利用软件可算得刀具的所有参考系下角度，操作简单快捷，并可开发软件绘制剖面图，辅助学生理解。该测量仪可测量教学中使用的常见车刀，以及由车刀演变而来的刨刀、镗刀等，基本涵盖原教学测量台的功能范围。
2.2 测量仪的软件设计
将采集到的刀具工作面几何参数，输入软件进行刀具的三维建模和静态角度计算。车刀静态测量软件选用开放源码的全功能的跨平台C/C++集成开发环境Codeblocks进行开发，软件界面的搭建选用开源的跨平台的C++构架库wxWidgets，三维建模和绘图程序采用C++Builder作为开发界面，开发语言均选用C++进行编写。由于采集的刀具工作面数据均为右手球坐标系中的向量参数，通过向量运算，可以得到刀具在3个参考系下的18个静态角度，并自动标定正负。还可以根据测量的刀头工作面三维参数，进一步增加软件功能，自动剖切平面，绘制静态角度图，以辅助学生完成实验报告，加深学生的理解。该部分功能仍在开发中。
2.3 刀具工作面向量的坐标推导
如图3，设右手坐标系中，平面、平面中逆时针转动为正方向，初始向量球坐标表示为，转换为直角坐标系，写成矩阵形式。
得被测量刀面法向量。
得到3个工作面的向量坐标后，通过程序进行向量运算得到各参考系下的刀具角度[4]。
2.4 采用机电一体化技术提高测量精度
仪器的数据读取，除可以采用图1中的机械刻度盘外，还可以采用光电传感器，提高测量精度。可采用绝对式光电编码器测量转角和位移，并利用51单片机最小系统进行计数运算，将转角在数码管显示屏上串行显示，方便读数，并且利用ADXL345数据接口输入计算机，在配套软件中进行计算和绘图，更加方便使用。对光电传感器下的新型测量仪精度进行验证，并与JGQ-2型测量仪进行对比，结果见表1。通过正交平面参考系的静态角度验证，新型测量仪精度基本满足教学使用。
通过以上的技术创新，新型测量仪具有以下优点。
（1）结构简单紧凑，体积只有普通测量台的1/3，且构件加工简单，机械刻度测量仪批量制作成本不高，很节约教学经费。
（2）能够采集刀头工作面三维参数，有潜力扩展软件功能，绘制静态角度图，有效辅助教学。
（3）测量操作简单，速度快，具有光电传感器和接口的测量仪，只需一分钟左右就能完成测量，输出所有角度参数。
（4）结合光电传感器能够提高仪器精度，且不大幅增加成本，基本满足教学使用。
3 结语
该文结合课堂教学和刀具测量实验教学的课堂环境，研制了一种新型刀具角度测量仪，并初步开发了配套软件，能够对刀具工作部分几何参数进行方便的数字化采集；利用软件建模和计算所有静态角度，有效提高刀具测量效率和精度。目前已在机械基础教学基地加以实践，取得了较好的教学效果。
参考文献
[1]韩永杰，佟永祥.多功能车刀几何角度测量仪的研制[J]. 中国现代教育装备，2011（1）：47-50.
[2]王万新.车刀角度测量的数字显示研究[J].制造技术与机床，2015（2）：83-85.
[3]吴序堂.齿轮啮合原理[M].西安：西安交通大学出版社， 2009.
机械刀具 篇4
一、刀具几何参数的简介
一般的车刀是由两部分组成,分别是刀头和刀体,刀头负责切削工作,而刀体则是机床连接刀片的夹持部分,从而把刀片安装在机床上。刀具的几何参数是一个有机整体,各个参数之间既相互联系,同时又相互制约,不同的几何参数对于刀具切削性能都有两面性的影响。而合理的刀具几何参数,是指在满足刀具加工质量和工作寿命的前提下,能够有效提高刀具生产效率,降低生产成本的刀具几何参数。所以在选择合理几何参数的时候,要根据刀具的主要作用进行选择,避免出现几何参数不合理导致刀具加工反作用的情况。下列是刀具进行机械加工时所应用的主要几何参数:
(一)主副刀刃的刃形
主副刀刃的刃形是指切削刀刃的形状,我国常用的刃形有直线刃、折线刃、圆弧刃、波形刃等。主副刀刃不同的切削刃形会导致切削层横断面形状、切削面积以及刀刃各点角度的数值不同,从而满足不同要求的切削工作要求。随着我国机械加工行业的发展,我国近年来刃形发展趋势是增强刀具刀尖处的强度,提高刀具的抗震能力,同时降低切削加工的负荷,促进刀具热量传散,保护刀具,延长刀具的工作寿命。
(二)切削刃的剖面型式
我国常用切削刃的剖面型式主要有锋刃、负倒棱、倒圆刃、消振棱和刃带等,其中应用面较为广泛的是锋刃,而在实际应用过程中最容易被混淆的是负倒棱和消振棱,所以在选择切削刃的剖面型式时,应该注意两者之间的作用和区别,并综合刀具的主要作用,避免因选择错误的剖面型式而导致刀具工作寿命大大降低。
(三)刀具的几何角度
刀具的几何角度主要分为主刀刃和副刀刃的几何角度,主刀刃的几何角度有前角、后角、刃倾角以及主偏角,而副刀刃则主要有副后角和副偏角。刀具完整的形状和结构是由刀具几何参数决定的,不同的几何参数之间有着隐形的内在联系,令不同参数既能够相互依赖,又可以相互制约,从而形成一个有机的整体。
二、在机械加工中合理应用和选择刀具几何参数
(一)根据切削条件合理选择刀具的几何参数
在选择刀具几何参数的时候,需要根据进行切削过程中所需要的机床、夹具、刀具以及工件的类型和种类,同时整个机械加工工艺系统的切削用量、功率和刚性都会影响刀具几何参数的影响。举个例子,当机械加工工艺系统的刚性较差的时候,刀具几何参数应选择较大的前角和主偏角,能够有效降低切削力度,同时还可以预防工件受到冲击和振动而降低刀具的工作寿命。
(二)加工工件的具体条件
工件的加工条件主要包括了工件的精度和质量、工件毛坯的制作方法以及工件的切削加工性、耐热性、硬度等多种物理力学性质,根据这些具体条件合理应用刀具几何参数,能够有效提高刀具的加工质量和效率,合理延长刀具的工作寿命。
(三)合理选择刀具几何角度的原则
在进行切削工作的时候,是否能够顺利完成切削与刀具的几何角度有极大的关系。在各种刀具几何角度中,前角、后角、主偏角以及刃倾角对切削效果的影响尤其明显,所以必须要合理选择刀具几何角度,才能够确保刀具的加工质量和效率。在选择刀具几何角度的时候,应该根据不同几何角度之间的优缺点、切削工作的要求以及工件的加工要求进行选择。举个例子,前角变大,刀具的切削能力、切削所产生的热量和功率就会相对地降低,提高刀具的工作寿命,但同时刀具的切削强度也会相应地降低。当工件的硬度、强度较高的时候,为了确保刀具的切削强度,应该适当降低刀具的前角,当工件属于塑性材料的时候,前角应该增加,从而降低刀具的切削能力。除了前角,在选择其他的几何角度的时候同样需要根据加工的实际情况进行选择,才能够为刀具选择合理的几何参数。
随着我国机械加工行业的不断发展,企业必须要提高自身的生产效率和加工精准度,并降低自身的加工成本才能够在社会中生存并不断发展下去,合理选择刀具几何参数能够帮助加工企业完成以上目标。机械加工操控人员在加工的时候,必须要对刀具几何参数有深刻的理解,同时熟练掌握选择合理刀具几何参数的原则,灵活地在实际的加工中应用,提高刀具的加工质量,合理延长刀具的工作寿命,降低企业的加工成本,同时还可以提高我国机械加工行业的技术水平。
参考文献
[1]关波.刀具几何参数图像测量技术研究[D].中北大学,2015.
机械刀具 篇5
关键词：刀具材料,超硬刀具,金刚石,刀具应用
超硬材料制成的刀具在机械加工中得到了广泛地应用, 对于机械加工工作的质量也有所提升, 现如今, 各类机械加工工作中都对刀具类型和应用工作提出了较高的要求。主要是由于刀具的质地越高, 耐用性越强, 其成本就越低, 为整个机械加工工作奠定了基础。
1超硬刀具材料发展概况
所谓的超硬刀具材料, 顾名思义就是指天然金刚石、人造金刚石以及CBN等材料。其中天然金刚石的价格不菲, 因此, 多采用的是人造聚晶金刚石以及其他的复合材料形式。超硬刀具材料的产生主要在20世纪中期, 最早对这一材料进行研究的是美国, 其中人造金刚石微粉和立方氮化硼微粉在经过高温或者是高压的情况下就可以制成质地较硬的刀具材料。经过不同阶段的发展, 金刚石材料得到了更为广泛的应用, 刀具的材料不仅硬度超强, 而且抗弯度也相对较强。在以后的发展过程中, 逐渐将先进的技术和设备应用到其中, 使得超硬材料刀具在实际的使用中进行了有效应用。
2超硬材料刀具的种类和性能
2.1金刚石CVD材料是在低压条件下制备而成的, 契合单晶金刚石之间存在着较大的差别, 主要是由于金刚石本身的硬度和耐磨程度相对较高, 而且显微硬度也可以高达10000HV, 这种材料到目前为止是左右刀具材料中最硬的一种。不仅如此, 其摩擦系数相对较小。但是这种材料和非金属材料之间的亲和力不够, 切屑很容易流出, 而且具有较高的热导率。可以对金属和非金属成分都进行高效地加工。但是金刚石在使用的过程中也存在着一定的缺陷和不足, 其中韧性较低, 热稳定性达不到一定的标准。很容易出现碳化的现象, 因此, 不适合对纯钢铁材料进行加工处理。不仅如此, 在进行镍基合金的切削工作中, 很容易受到磨损和破坏。
2.2人造聚晶金刚石又被称为PCD, 这种材料也是在金刚石的基础上制备而成, 主要是经过高温和高压条件, 采用金属结合剂将多种金刚石的单晶粉进行有效的聚晶。PCD的硬度和天然的单晶金刚石相比具有一定的差距, 但是其聚合程度较高。而且, 在进行切削的过程中不会出现更多的损坏现象, 可以对材料的形式进行有效的控制, 具有较高的抗磨性。而且这种材料的使用寿命较长, 远远高于普通的合金刀具。最重要的是, 这种材料来源渠道比较广阔, 同时材料的造价也相对比较低。锋利的刀刃受到加工人员的认可。因此, 在普通的机械加工环境中, 主要采用的就是这种材料的刀具。
2.3聚晶立方氮化硼, 这种材料较为常见, 从其成分构成上看主要有三种可能, 第一是整体聚晶立方氮化硼刀具、聚晶立方氮化硼复合片以及电镀立方氮化硼等等。这种材料具有较高的硬度和抗磨性, 而且耐热性也相对较高。从其本身上看, 具有较强的稳定性和导热性, 在实际的应用中, 表现出较低的摩擦系数。从某种程度上看, 这种材料和PCBN以及PCD材料有着相似之处, 但是在耐磨性方面却无法和以上两种材料相比较。但是多数的机械加工工程都需要具有较高的抗腐蚀性, 这一点聚晶立方氮化硼刀具发挥着明显的优势。采用这种材料可以在粹取加工中进行应用, 主要是由于其热稳定性相对较强, 可以在高达1200℃的高温下进行加工工作。
3超硬材料磨具在机械制造业中的应用
3.1金属材料加工。在实际的磨具加工中, 采用金属材料是比较常见的, 可以代替多数的普通磨具, 同时还可以实现高速和高效的加工。能够同时完成粗磨和精磨两种形式。尤其适用于成形、仿形及定尺寸的精密磨削, 可使磨削质量和磨削效率得到数倍乃至数十倍的提高。硬质合金制品及难磨材料的加工。超硬材料硬度比普通磨料高得多, 其磨削能力用复合式渐开线跳齿内孔拉刀来加工工件孔, 优点为:
a.用这种技刀加工工件的花键孔, 由于能够可靠地保证工件内孔各形面间的同轴度, 因而可以在工件的后续加工工序中统一用小径圆面作为定位基准, 大大地方便了工件后续加工工序定位心轴和检验心轴的制作, 又能够可靠地保证工件所有加工表面的位置精度。
b.复合式渐开线跳齿内孔拉刀是一种质量、经济都比较好的拉刀。由于这种技刀的刀齿采用了合理的跳齿排布方式和花键刃开侧隙的刀齿结构, 可以可靠地保证技刀的制造质量, 大大方便了拉刀的制造, 这种技刀的制造成本几乎和普通复合式渐开线拉刀相同。
3.2陶瓷材料加工。近年来陶瓷已作为一种技术进步产品, 新陶瓷材料可作为金属和WC的替代材料获得工业应用, 金属陶瓷刀具材料的力学性能与材料的晶粒大小密切相关。作为工程陶瓷产品, 必须具备良好的表面粗糙度和准确的尺寸公差, 但由于这些陶瓷有高硬度、高强度、抗磨损等特性, 用普通工具加工十分困难, 而用超硬材料工具加工则是唯一经济而科学的方法。
3.3铁氧体材料加工。铁氧体又称黑色陶瓷, 是重要的电子元件。从20世纪60年代开始用超硬材料加工, 至今已获全面应用。如平面磨削磁芯、双端面磨削扬声器磁钢、R成形磨瓦形磁钢等。应用超硬材料磨具磨削铁氧体的优点是工效高、节能节材、减少废品。提高工件质量减少环境污染及减轻劳动强度。宝石加工。人工合成的红宝石、水晶等是工业用元器件原料, 它们的切、磨、钻、抛、研都是用超硬材料来完成的。
3.4半导体材料加工。半导体硅等硬、脆, 价值极贵重, 随着计算机技术进入超大规模集成化, 对硅片的精。度要求愈益严格, 用传统的普通磨具加工已不能满足需要, 而必须改用超硬材料磨具。电气绝缘材料加工。电气绝缘材料具有导热性和耐热性差、非均质性和摩擦性强等特点。因此其切割、钻孔、表面加工所用的传统的金属工具, 存在崩口。起层、毛刺、烧伤等缺陷, 从而使介电性能和物理机械性能下降。
3.5采用超硬材料工具加工不仅可消除上述缺陷, 而且综合成本也低。切削刃耐磨, 且在很高的磨削温度下, 不与铁族金属反应, 是磨削铁基和镍基材料理想的超硬磨具。在使用普通磨具磨削难以达到较高的生产率和较低的生产成本时, 尤其是需要加工硬质材料或其它难加工材料时, 或是对加工件质量要求较高时, 都考虑采用CBN磨具磨削。一般说来, 采用CBN磨具磨削可以提高效率数十倍, 降低生产总成本25%~50%。
4结论
发展超硬刀具材料, 对于机械加工的加工质量和加工效率, 起到至关重要的作用, 因此, 要了解有关超硬刀具材料的相关知识, 更好地完成机械加工。
参考文献
[1]邓福铭, 陈启武.PDC超硬复合刀具材料及其应用[M].北京:化学工业出版社, 2003.
机械刀具 篇6
“微教学”是以多媒体形式展示的围绕某个知识点或教学环节开展的简短、完整的教学活动。“微教学”应具备教学内容少、教学时间短、内容具体、资源容量小、主题突出、针对性强、多样传播等特点[1]。“微教学”内容应选题典型, 并能很好地解决了教学过程中的重点、难点问题, 而且所选内容应适合多媒体教学。
《刀具几何角度》属于《机械制造基础》课程中的基础知识, 同时也是重点和难点知识。刀具角度不仅决定刀具结构, 同时还会影响金属切削过程中的变形程度、切削力、切削温度、刀具磨损以及工件加工精度等。学好这部分内容, 既可以加深学生对刀具结构的认识, 又为将来学习金属切削过程等后续知识打好基础。《刀具几何角度》内容符合“微教学”的选题, 利用“微教学”可以很好的解决刀具几何角度教学过程中的重点、难点问题。
1 教学目标
掌握车刀的基本结构、参考平面的概念、车刀五个基本角度的概念、车刀五个基本角度的大小对切削力、散热、刀刃强度的影响。通过讲授、演示, 培养学生的学习能力、学习兴趣, 激发其探索知识的欲望和学习的积极性、主动性。
2 教学分析
2.1 教学内容
(1) 车刀的基本结构。车刀是由刀头和刀体两部分组成[2]。刀头是车刀的切削部分, 刀体是用以夹持在刀架上的部分, 其中车刀切削部分即刀头由三面两刃一尖组成[2]。 (2) 基面、切削平面、正交平面三个参考平面的概念及其空间位置[3]。基面:切削刃上任一点的基面是一个通过该点并且垂直与切削速度方向的平面。切削平面:是通过主切削刃上某一指定点, 与主切削刃相切并垂直于该点基面的平面。正交平面:主切削刃上任一点的正交平面, 是从这个点切入一个平面, 这个平面即垂直于基面又垂直于切削平面。 (3) 前角、后角、主偏角、副偏角、刃倾角五个基本角度的概念以及五个基本角度的大小对切削力、散热、刀刃强度的影响。前角是在正交平面内测量的前刀面与基面之间的夹角[2]。增大前角, 可以减小切削变形, 沿前刀面的摩擦力减小, 降低切削力和切削温度, 但过大的前角会使刀具楔角减小, 切削刃强度下降, 刀头散热体积减小。后角是在正交平面内测量的主后刀面与切削平面的夹角。增大后角可减小刀具后刀面上的摩擦, 提高已加工表面质量。但过大的后角会使刀具楔角减小, 削弱切削刃强度, 减小刀头散热体积。主偏角是在基面内测量的主切削刃在基面上的投影与进给方向的夹角。主偏角的作用是改变主切削刃与刀尖的受力和散热情况。当背吃刀量和进给量相同时, 增大主偏角, 主切削刃工作长度变短, 切削刃单位长度上的受力变大。主偏角过大, 可使轴向力增大, 径向力减小。副偏角是在基面内测量的副切削刃在基面上的投影与进给相反方向之间的夹角。其作用是减少副切削刃与已加工表面的摩擦, 减小已加工表面粗糙度。增大副偏角, 已加工表面上残留面积的高度增大, 使粗糙度变大。
刃倾角是在切削平面内测量的主切削刃与基面之间的夹角。刃倾角的大小和正负主要影响主切削刃的强度和切削流出的方向。
2.2 教学重难点
掌握刀具几何角度的概念以及它的大小对切削力、散热、刀刃强度的影响是刀具几何角度“微教学”的教学重点。学生不能在思维中正确理解空间位置, 而导致概念不清, 知识点掌握不牢则是本次课的教学难点。
2.3 教学方法
采用多种教育手段, 通过学生最熟悉的外圆车刀结构, 借助教具模型及ppt动画演示, 配合板书内容, 让学生有直观、深刻的认识和理解, 加深对课程内容的掌握。
3 教学过程
4 教学总结
刀具几何角度“微教学”课程主要通过引导法讲授, 为学生逐步介绍了车刀的基本结构、参考平面的概念、车刀五个基本角度的概念以及车刀五个基本角度的大小对切削力、散热、刀刃强度的影响, 形成了完整的知识体系。
5 结束语
《刀具几何角度》在微教学课程中的应用, 解决了学生不能在思维中正确理解空间位置而导致概念不清, 知识点掌握不牢的问题, 同时《刀具几何角度》在微教学课程中配合多种教育技术手段的应用, 提高学生学习积极性和主动性, 让学生在轻松、活跃的课堂气氛中学习和掌握知识。
摘要：《刀具几何角度》属于《机械制造基础》课程中的基础知识, 同时也是重点和难点知识, 由于学生不能在思维中正确理解空间位置, 而导致概念不清, 知识点掌握不牢。《刀具几何角度》内容符合“微教学”内容选题, 并能很好的解决教学过程中的重点、难点问题。
关键词：微教学,刀具几何角度,机械制造基础
参考文献
[1]胡铁生, 周晓清.高校微课建设的现状分析与发展对策研究[J].现代教育技术, 2014 (02) :5-13.
浅议高速切削刀具——涂层刀具 篇7
刀具磨损的原因极其复杂, 按性质大体可分为机械作用和热—化学作用。
1.1 机械作用的磨损
刀具材料虽比工件材料硬度大, 但从微观上看, 在工件材料中包含有氧化物, 碳化物等硬质点。这些硬质点的硬度很高, 它们象切削刃一样, 在刀面上划出划痕, 使刀具磨损。此外, 积屑瘤脱落的碎片, 粘结在切屑或工件上, 也会使刀具磨损。
机械磨损是低速时形成刀具磨损的主要原因。
1.2 热—化学作用
1.2.1 粘结磨损
粘结是分子间的吸引力导致金属相互吸附的结果。切削时, 在一定温度与压力下, 使刀具与切屑和工件间产生粘结。由于工件与刀具之间有相对运动, 使刀具材料被切屑带走而造成磨损。此外, 当积屑瘤脱落时, 带走刀具材料也会形成粘结磨损。
1.2.2 扩散磨损
切削时, 由于高温, 刀面始终与切屑或工件的新生表面相接触, 在接触面间分子活动能量很大, 使两摩擦面间的化学元素相互扩散到对方去, 造成两摩擦面的化学成分发生变化, 降低刀具材料的性能, 加速刀具磨损。
扩散磨损的速度, 一方面决定于刀具和工件材料间是否容易起化学反应;另一方面扩散磨损的速度又决定于接触面的温度。
1.2.3 氧化磨损或化学磨损
在一定的温度下, 刀具材料与空气中的氧、极压润滑液中的添加剂硫、氯等起化学反应, 生成一些疏松、脆弱的氧化物被切屑带走从而加速刀具的磨损。或因刀具材料的某种介质被腐蚀造成刀具磨损。
1.2.4 相变磨损
当刀具的最高温度超过相变温度时, 刀具表面的金相组织发生变化, 使硬度下降, 刀具磨损加剧。
由上可知, 温度对刀具磨损起着决定性的作用, 温度愈高, 刀具磨损愈快。
2 刀具材料对高速切削加工的影响
高速切削刀具技术是实现高速加工的关键技术之一, 而刀具材料的高温性能是制约高速切削刀具技术发展的重中之重。由于在高速切削加工中所产生的切削热及对刀具的磨损比常规切削高得多, 因此在此过程中对刀具材料有更高的要求:高硬度、高强度和耐磨性;高的韧性和抗冲击能力;高的红硬性和化学稳定性;抗热冲击能力。
众所周知, 刀具表面涂层技术是应市场需求而发展起来的一项优质表面改性技术, 由于该项技术可使切削刀具获得优良的综合机械性能, 不仅可有效地提高刀具使用寿命, 而且还能大幅度地提高机械加工效率, 因此该项技术与材料、加工工艺并称为切削刀具制造的三大关键技术。随着涂层技术不断深入的发展, 在机械加工中人们越加认识到涂层技术的重要性, 尤其是在高速切削加工中, 其作用是不可替代的。
在高速切削加工或干式切削加工过程中, 温度是影响高速切削刀具耐用度的主要原因, 因此采用涂层技术提高刀具的高温性能, 保证高速切削刀具的红硬性成为近几年涂层技术的开发热点;与此同时, 通过对涂层薄膜组织结构的改善, 以及减磨涂层技术的应用, 既提高了刀具的表面质量, 又降低了表面摩擦系数, 从而使涂层刀具更适合于小切削深度和厚度的高速切削加工要求。
通过化学气相沉积 (CVD) 等方法对硬质合金刀片实行表面涂层, 是近年来的重大技术进展。涂层硬质合金采用韧性较好的基体和硬度、耐磨性极高的表层 (Ti C、Ti N、A12O3等, 厚度5—10μm) , 较好地解决了刀具的硬度、耐磨性与强度、韧性之间的矛盾, 因而具有良好的切削性能。在相同的刀具使用寿命下, 涂层硬质合金允许采用较高的切削速度, 或能在同样的切削速度下大幅度地提高使用寿命。与未涂层刀具相比, 涂层刀具能降低切削力、切削温度, 并能改善已加工表面质量。此外, 涂层刀片的通用性较好。
涂层材料为晶粒极细的碳化物、氮化物或氧化物。其中以Ti C和Ti N用得最为广泛, 二者各具优缺点:Ti C硬度高, 耐磨性好, 线膨胀系数与基体比较接近, 结合比较牢固;Ti N的硬度低于Ti C, 与基体结合稍差, 但与铁基金属之间的摩擦系数更小, 抗月牙洼磨损的能力更强, 且不易生成中间层 (脆性相) , 故涂层允许较厚。A12O3涂层的高温化学性能稳定, 适用于更高速度下的切削。Hf N (氮化铪) 的线膨胀系数与基体最接近, 涂层后表面残余应力很小。几种涂层材料复合使用, 可以得到两层、三层和多层的涂层合金。例如Ti C/Ti (C, N) /Ti N三涂层刀片, 内层为Ti C, 与基体结合牢固, 外层为Ti N, 与被加工材料摩擦力小, 不易发生冷焊, 中间用Ti (C, N) 过渡, 其中了Ti N的百分比由内到外递增。多层涂层合金的切削性能常优于单层。目前涂层材料还有Ti (B, N) 、A1 (O, N) 等, 它们可与Ti C、Ti N、A12O3等组合成不同的多层涂层合金。
3 结束语
高速切削刀具技术是实现高速加工的关键技术之一, 阻碍切削速度提高的关键因素是刀具材料能否承受越来越高的切削温度。因此材料技术、涂层技术的开发愈来愈引起人们重视, 可以肯定的是高速切削加工时代的到来及普及为材料科学、表面该性技术的发展带来了良好的契机;复合型材料不仅可大幅度提高资源的利用率, 且可使部件的功能有极大的拓展, 因此也更为人们所接受。
摘要：在现代切削加工制造技术中, 高速切削技术已越来越多地被人们提及。高速切削顾名思义, 首先是高的速度, 即机床主轴的转速应达到某一水平, 另一方面, 还应配以大的进给量, 此外机床的快速移动、快速换刀、主轴换刀后从静态到达其所需转速的加速时间等等都有一定要求。然而最终体现的是切削加工效率的大幅度地提高。刀具在切削过程中将逐渐产生磨损。当刀具磨损量达到一定程度时, 可以明显地发现切削力加大, 切削温度上升, 切屑颜色改变, 甚至产生振动。同时, 工件尺寸可能会超出公差范围, 已加工表面质量也明显恶化。因此它是切削加工中极为重要的问题之一。
刀具库中刀具的取放控制 篇8
一、控制要求
数控加工中心刀具库由六种刀具组成, PO1-P06分别为六种刀具选择按钮, 有一个到位行程开关, 由霍尔元件构成, 位于正下方 (即图1的六点钟方向) 。转盘上的每一个刀具号下面都有一个磁钢。示意图如图1所示。
说明:
①PLC输入信号:
PO1-P06分别为1、2、3、4、5、6号刀具请求信号输出插孔。
DJS1刀具库实验区计数脉冲信号。
②PLC输出信号:
DJTD转盘运行 (或停止) , “1”转动, “0”停止。QFD刀具取 (放) 控制信号 (“1”取刀具, “0”放刀具) 。
DJZF转盘正、反控制信号, “1”反转, “0”正转。控制要求:
按请求键PO1—PO6后, 控制转盘转动, 到所需刀具位置后转盘停转, 取刀具、使用完 (3秒钟) 放回刀具, 等待下一次请求。
①程序开始运行时初始位为S1位置 (即图1所示位置) ;
②换刀过程中, 其它换刀请求信号均无效;
③根据请求位的位置系统自动判断并以最小距离的方向运行。
二、设计思路及其流程图
1. 设计思路
我们以霍尔传感器上方 (六点钟方向) 的刀具号为基准 (下面将此称为当前键号) , 总共可以分成6种情况。在每种情况下, 我们都以请求键号减去当前键号 (和当前键号成一条直线的减法结果未列出) , 得到如图2的结果。
图2的结果中, 结果列于第一行的代表需要正转 (顺时针) , 列于第二行的代表需要反转 (逆时针) 。我们可以先粗略的将结果分成正负两类, 并且可以看出, 结果为正数的绝大多数需要正转, 而且转动的步数刚好等于结果数, 当然结果为5和4的需反转 (这两个数都>=4, 在程序中可以依据这个特征进行区分) ;同样的, 结果为负数的绝大多数需要反转, 而且转动的步数刚好等于结果数, 当然结果为-5和-4的需正转 (这两个数的绝对值都>=4, 在程序中同样可以依据这个特征进行区分) 。
在此根据图2的第一个图进行详细的解释, 剩下的5个图按相应的方法理解即可:对于该图来说, 当前键号是1, 如果此时我们按下请求键2, 则根据控制要求的第 (3) 条, 转盘应该正转并且转动的步数为2-1=1, 这就是该图下方第一行第一列数据1的来源, 按下请求键3同理;如果此时我们按下请求键6, 转盘应该反转并且转动步数为6-1=5, 这就是该图下方第二行第一列数据5的来源, 按下请求键5同理。
对于结果的绝对值大于等于4的情况下需转动几步, 我们也可以找到相应的规律, 即结果绝对值等于4的, 转动2步, 大于4的 (为5) 转动1步。
上面之所以没有把和当前键号成一条直线 (即位于12点钟方向) 的减法结果列出, 在于在这种情况下, 转盘正转和反转都是可以的, 并且相减结果也为转动步数 (都为3步) , 所以这种情况下默认处理就行了。
2. 程序流程图
该程序流程图如图3所示。
其中:D0存请求键号, D1存当前键值, D2存计算结果数, 即转动步数。
三、程序设计
1. PLC的I/O分配表
本系统共需要一个复位按钮, 刀具请求按钮P01-P06共6个, 一个脉冲信号输入DJS1总共8个输入;共需要转盘运行 (或停止) 控制DJTD一个, 刀具取 (放) 控制信号QFD一个, 转盘正反转控制信号DJZF总共3个输出。
所用机型为CP1H, I/O分配表如表1所示。CPIH的I/O地址见表2所示。
2. PLC的外部接线图 (见图4)
说明:SB1为系统复位按钮, P06—P06为1号刀具到6号刀具的请求按钮, DJS1为刀具库实验区计数脉冲信号。DJTD为转盘运行 (或停止) 控制, QFD刀具取 (放) 控制信号, DJZF为转盘正、反控制信号。
3. 梯形图
(见图5)
4. 程序说明
首先按复位键进行初始化, 初始化主要是完成一些赋值工作。给当前键号 (存于D1中) 赋值1, 给结果 (存于D2) 赋值1 (主要是为了防止程序死机) 。因为暂存寄存器H0和H1都是断电保持的, 为了使这两个寄存器有一个确定的值, 给这两者赋值0。
当有键按下时, 把相应的键号存入D0中, 同时为了在换刀过程中屏蔽其它请求键, 在每一条支路上都串联有100.00 (转盘转动控制线圈) 和100.02 (取刀控制线圈) 的常闭触点。
进行减法运算D2=D0-D1, 当结果D2负数时, 进位标志位P_CY接通, 由于其时D2中的内容为结果的十进制补码, 为了得到正确的结果, 应先清CY位, 再用0减去D2的内容, 并将结果存入D2中 (其时D2中存的数类似于绝对值, 这一步也相当于求负数绝对值) 。然后将D2中的数和4进行比较, 当大于4时, 大于标志P_GT得电, 将1赋给D2的同时将1赋给H0 (H0按位使用, 使用最低位, 作为正转标志位) 。同理可以得到当D2等于4的情况。当结果D2为正数时, 直接和4进行比较, 当D2大于4时, 大于标志P_GT得电, 将1赋给D2的同时将1赋给H1 (H1按位使用, 使用最低位, 作为反转标志位) 。同理可以得到当D2等于4的情况。
高速切削刀具材料 篇9
高速切削加工要求刀具材料与被加工材料的化学亲合力要小, 并具有优异的机械性能、热稳定性、抗冲击和耐磨损。目前国内外适用于高速切削的刀具材料主要有陶瓷刀具、金刚石刀具、立方氮化硼 (CBN) 刀具、涂层刀具等。
1 陶瓷刀具
陶瓷刀具与硬质合金刀具相比, 它的硬度高、耐磨性好;刀具耐用度可比硬质合金高几倍以至十几倍。陶瓷刀具在1 200℃以上的高温下仍能进行切削, 这时陶瓷的硬度与200～600℃时硬质合金的硬度相当。陶瓷刀具优良的高温性能使其能够以比硬质合金刀具高3～10倍的切削速度进行加工。它与钢铁金属的亲和力小、摩擦因数低、抗粘结和抗扩散能力强, 加工表面质量好。另外, 它的化学稳定性好, 陶瓷刀具的切削刃即使处于赤热状态也能长时间连续使用, 这对金属高速切削有着重要的意义。近几年来, 由于材料科学与制造技术的进步, 通过添加各种碳化物、氮化物、硼化物和氧化物等可改善陶瓷的性能, 还可通过颗粒、晶须、相变、微裂纹和几种增韧机理协同作用提高其断裂韧性、抗弯强度, 如纳米复合陶瓷刀具、晶须增韧陶瓷刀具、梯度功能陶瓷刀具、粉末涂层陶瓷刀具、自润滑陶瓷刀具等, 应用范围日益广泛。陶瓷刀具广泛应用于高速切削、干切削、硬切削以及难加工材料的切削加工。陶瓷刀具可以高效加工传统刀具根本不能加工的高硬材料, 实现“以车代磨”;陶瓷刀具的最佳切削速度可以比硬质合金刀具高2～10倍, 从而大大提高了切削加工生产效率;陶瓷刀具材料使用的主要原料是地壳中最丰富的元素, 因此陶瓷刀具的推广应用对提高生产率、降低加工成本、节省战略性贵重金属具有十分重要的意义。当前, 陶瓷刀具材料的进展集中在提高传统刀具陶瓷材料的性能、细化晶粒、组分复合化、采用涂层、改进烧结工艺和开发新产品等方面, 以期获得耐高温性能、耐磨损性能和抗崩刃性能, 且能适应高速精密切削加工的要求。
(1) 氧化铝陶瓷刀具
氧化铝陶瓷是以Al2O3为主要成分, 添加少量金属氧化物MgO、NiO、TiO2、Cr2O3等, 经冷压烧结而成的陶瓷。和硬质合金相比, 具有硬度高、耐磨性好 (是一般硬质合金的5倍) 、耐高温和抗粘结性能好以及摩擦因数低等优点, 因此适合于高速切削。陶瓷刀具容许的切削速度比硬质合金高3～10倍。作为使用历史最长的刀具材料, 氧化铝陶瓷刀具最适用于高速切削硬而脆的金属材料, 如冷硬铸铁或淬硬钢, 也可用于大型机械零部件及高精度零件的切削加工。
(2) 金属陶瓷刀具
金属陶瓷也叫硬质合金或烧结碳化物, 它是陶瓷-金属复合材料以TiC为主要成分的合金, 其硬度与耐热性接近陶瓷而抗弯强度和断裂韧性比陶瓷高, 其中金属碳化物是硬质相, 一般占80%以上;其余的铁、钴、镍等金属相作为粘结剂。日本对金属陶瓷特别青睐。在日本的金属切削领域中, 金属陶瓷刀片已占可转位刀片总数的30%。金属陶瓷硬度高、强度低、韧性低, 因此不宜在有强烈冲击和振动的情况下使用。金属陶瓷的导热性、耐热性、抗粘结性和化学稳定性比高速钢好得多, 因此在刀具材料中获得了广泛应用。
金属陶瓷的发展方向是超细晶粒化和对其进行表面涂层。超细晶粒金属陶瓷可以提高切削速度, 也可用来制造小尺寸刀具。以纳米TiN占2%～15%改性的TiC或Ti (C, N) 基金属陶瓷刀具, 硬度高、耐磨性好, 其热稳定性、导热性、耐蚀性、抗氧化性及高温硬度、高温强度等都有明显优势。与硬质合金刀具相比, 该刀具的耐用度和使用寿命提高1～50倍, 切削速度提高1.5～3倍, 成本与其相当或略高, 而金属切削加工费用下降20%～40%。与普通Ti (C, N) 基金属陶瓷刀具相比, 该刀具可靠性更高。
(3) 氮化硅陶瓷刀具
氮化硅陶瓷刀具的硬度仅次于金刚石、立方氮化硼和碳化硼而居第四位, 是新一代的陶瓷刀具。它有较高的硬度、强度和断裂韧性, 其硬度为91～93 HRA, 抗弯强度为0.7～0.85 GPa, 耐热性可达1 300～1 400℃, 具有良好的抗氧化性。同时它有较小的热膨胀系数 (3×10-6/℃) , 所以有较好的抗机械冲击性和抗热冲击性。氮化硅刀具适合于铸铁、高温合金的粗精加工、高速切削和重切削, 其切削寿命比硬质合金刀具高几倍至十几倍。此外, Si3N4陶瓷有自润滑性能, 摩擦因数较小, 抗粘接能力强, 不易产生积屑瘤, 且切削刃可磨得锋利。特别是由于其高的抗热振性及优良的高温性能, 使其更适合高速切削及断续切削。另外, 氮化硅陶瓷刀具还可以切削可锻铸铁、耐热合金等难加工材料。
(4) 赛隆 (Sialon) 陶瓷刀具
赛隆陶瓷以Si3N4为硬质相, A1203为耐磨相, 是氮化铝、氧化铝和氮化硅的混合物, 在1 800℃进行热压烧结而成的一种单相陶瓷材料, 具有很高的强度, 抗弯强度达到1 050～1 450 MPa, 比A12O3陶瓷刀具都高, 其断裂韧性也是几种陶瓷刀具中最高的, 其冲击强度远胜于一般陶瓷刀具而接近涂层硬质合金刀具。Sialon陶瓷刀具具有良好的抗热冲击性能。与Si3N4相比, Sialon陶瓷刀具的抗氧化能力、化学稳定性、抗蠕变能力与耐磨性能更高, 耐热温度高达1 300℃以上, 具有较好的抗塑性变形能力, 其冲击强度接近于涂层硬质合金刀具。Sialon陶瓷可成功用于铸铁、镍基合金、钛基合金和硅铝合金的高速切削、强力切削、断续切削加工, 是高速加工铸铁和镍基合金的理想刀具材料。
(5) 晶须增韧陶瓷刀具
晶须增韧陶瓷是在Si3N4基体中加入一定量的碳化物晶须而成, 可增加陶瓷材料的抗弯强度, 使得陶瓷材料获得高硬度和高韧性。晶须强化的作用是通过相变换实现的。相变换的作用是抑制刀具的破裂, 由于材料结构的改变, 在刀尖上引起破裂的能量被吸收和扩散, 使刀具材料得到强化, 提高了抗弯强度和韧性。晶须强化陶瓷刀具是一种特殊材料的刀具, 由于它具有抗冲击韧度好、抗热冲击性能强的特点, 可以高速加工淬硬钢 (达到65HRC) 和中等硬度的钢, 而且可以在加切削液的条件下进行切削, 这是别的陶瓷刀具所不具备的。
2 金刚石刀具
金刚石刀具具有高硬度、高耐磨性和高导热性能, 在有色金属和非金属材料加工中得到广泛的应用。尤其在铝和硅铝合金高速切削加工中, 诸如轿车发动机缸体、缸盖、变速器和各种活塞等的加工中, 金刚石刀具是难以替代的主要切削刀具。近年来, 随着数控机床的普遍应用和数控加工技术的迅速发展, 可实现高效率、高稳定性、长寿命加工的金刚石刀具的应用日渐普及, 金刚石刀具已成为现代数控加工中不可缺少的重要工具。
金刚石刀具有两种, 单晶金刚石刀具和多晶金刚石刀具。多晶金刚石刀具包括聚晶金刚石 (PCD) 刀具和化学气相沉积 (CVD) 金刚石刀具。单晶金刚石可分为天然单晶金刚石和人工合成单晶金刚石。天然单晶金刚石刀具是将经研磨加工成一定几何形状和尺寸的单颗粒大型金刚石, 用焊接式、粘接式、机夹式或粉末冶金方法固定在刀杆或刀体上, 然后装在精密机床上使用。天然单晶金刚石刀具经过精细研磨, 刃口能磨得极其锋利, 刃口半径可达0.002μm, 能实现超薄切削。再加上它与被加工材料之间的摩擦因数小, 抗粘接性好, 与非铁金属无亲和力, 热膨胀系数小及导热系数高等特点, 天然金刚石刀具可以加工出极高的工件精度和极低的表面粗糙度。因此, 天然金刚石刀具切削也称镜面切削, 天然金刚石刀具是一致公认的、理想的和不能代替的超精密加工刀具。主要用于铜及铜合金、铝及铝合金以及金、银等贵重金属特殊工件的超精加工。单晶金刚石用于制作切削刀具必须是大颗粒, 由于人工合成大颗粒单晶金刚石制造技术复杂, 生产率低, 制造成本高, 目前单晶金刚石刀具绝大部分为天然单晶金刚石制成。设计和制造单晶金刚石刀具时, 必须正确选择晶体方向, 对金刚石原料必须进行晶体定向。金刚石刀具的前、后刀面的选择是设计单晶金刚石刀具的一个重要问题。
20世纪70年代初, 美国GE公司研制成功PCD刀片以后, 在很多场合下天然金刚石刀具已经被人造聚晶金刚石所代替。虽然PCD的硬度低于单晶金刚石, 但PCD属各向同性材料, 使得刀具制造中不需择优定向;由于PCD结合剂具有导电性, 使得PCD便于切割成型, 且成本远低于天然金刚石;PCD原料来源丰富, 价格只有天然金刚石的几十分之一至十几分之一。因此, PCD应用远比天然金刚石刀具广泛。PCD刀具无法磨出极其锋利的刃口, 刃口半径很难达到1μm以下, 加工的工件表面质量也不如天然金刚石, 现在工业中还不能方便地制造带有断屑槽的PCD刀片。因此, PCD只能用于有色金属和非金属的精切, 很难达到超精密镜面切削。
CVD金刚石是指用化学气相沉积法在异质基体 (如硬质合金、陶瓷等) 上合成金刚石膜, CVD金刚石具有与天然金刚石完全相同的结构和特性。CVD金刚石不含任何金属或非金属添加剂, 因此, CVD金刚石的性能与天然金刚石相比十分接近, 兼具单晶金刚石和聚晶金刚石 (PCD) 的优点, 在一定程度上又克服了它们的不足。根据不同的应用要求, 可选择不同的CVD沉积工艺以合成出晶粒尺寸和表面形貌不同的PCD。实践表明, CVD金刚石工具产品的使用性能在许多方面超过聚晶金刚石的同类产品, 而且其低表面粗糙度接近单晶金刚石, 抗冲击性超过单晶金刚石。CVD金刚石刀具的超硬耐磨性和良好的韧性使之可加工大多数非金属材料和多种有色金属材料, 如铝、硅铝合金、铜、铜合金、石墨、陶瓷以及各种增强玻璃纤维和碳纤维结构材料等。CVD金刚石刀具还可用作高效和高精密加工刀具, 其成本远远低于价格昂贵的天然金刚石刀具。目前, CVD金刚石刀具除用于发动机活塞硅铝合金材料的加工, 还用于缸体、缸盖、高压油泵、汽油泵、水泵、发电机转子、起动机、汽车车体中玻璃钢部件的车、铣、钻、镗等的加工。CVD金刚石刀具被认为是汽车发动机制造业中有广泛应用前景的新一代刀具材料。
由于CVD金刚石厚膜硬度高、耐磨性好、不导电, 通常需要在空气、氩气或氧气环境中通过激光将纯金刚石厚膜片切割成所需要的形状, 不仅能将金刚石厚膜切割成所需的形状和尺寸, 还能直接切出刀具的后角和修整厚膜表面。再利用铜焊技术将切割出的小片焊接到硬质合金基体上, 金刚石厚膜一般与金属及其合金之间有很高的界面能, 致使金刚石不能被一般低熔点合金所浸润, 可焊接性差。目前, 金刚石厚膜刀具的焊接工艺主要采用活性金属化的方法。焊料是含钛的银铜合金, 不加助熔剂, 在惰性气氛或真空中高频感应加热焊接。此外, CVD金刚石厚膜也可在真空炉内进行大批量快速焊接。最后, 将焊接好的CVD金刚石厚膜刀具研磨开刃。刃磨方法有机械磨削、热金属盘研磨、激光束加工、电子束加工和等离子体刻蚀等。目前, 传统的方法仍是机械磨削抛光法。
3 立方氮化硼 (CBN) 刀具
CBN在硬度和热导率方面仅次于金刚石, 热稳定性极好, 在大气中加热至1 000℃也不发生氧化。CBN对于黑色金属具有极为稳定的化学性能, 可以广泛用于钢铁制品的加工。CBN因具有超硬特性、高热稳定性、高化学稳定性而引起广泛关注。立方氮化硼刀具既能胜任淬硬钢 (45～65 HRC) 、轴承钢 (60～62 HRC) 、高速钢 (>62HRC) 、工具钢 (57～60 HRC) 、冷硬铸铁的粗车和精车, 又能胜任高温合金、热喷涂材料、硬质合金及其他难加工材料的切削加工, 大幅度提高加工效率。被加工材料的硬度越高越能体现立方氮化硼刀具的优越性。立方氮化硼与金刚石在晶体结构上的相似性, 决定了它与金刚石相近的硬度, 又具有高于金刚石的热稳定性和对铁元素的高化学稳定性, 由于受CBN制造技术的限制, 目前制造直接用于切削刀具的大颗粒的CBN单晶仍很困难, 且成本高。因此, CBN单晶主要用于制作磨料和磨具。
PCBN是在高温高压下将微细的CBN材料通过结合相 (TiC、TiN、Al、Ti等) 烧结在一起的多晶材料, 是目前利用人工合成的硬度仅次于金刚石的刀具材料, 它与金刚石统称为超硬刀具材料。PCBN克服了C B N单晶易解理和各向异性等不足。因此, PCBN主要用于制作刀具或其他工具。PCBN刀具属于CBN的聚集体, 由CBN颗粒与结合剂一起烧结而成, 除具有CBN的特点, PCBN还与CBN的含量、结合剂和粒度的种类等因素有关。由于其具有独特的结构和特性, 广泛用于黑色金属的加工, 尤其适合于淬硬钢、高硬铸铁、高硬热喷涂合金等难加工材料的切削加工。
4 涂层刀具
涂层刀具是在韧性较好刀体上涂覆一层或多层耐磨性好的难熔化合物, 它将刀具基体与硬质涂层相结合, 从而使刀具性能大大提高。涂层刀具是在具有高强度和韧性的基体材料上涂上一层耐高温、耐磨损的材料。涂层材料及基体材料之间要求粘结牢固。
涂层刀具可以提高加工效率、提高加工精度、延长刀具使用寿命、降低加工成本。根据涂层方法不同, 涂层刀具可分为化学气相沉积 (CVD) 涂层刀具和物理气相沉积 (PVD) 涂层刀具。涂层硬质合金刀具一般采用化学气相沉积法, 沉积温度在1 000℃左右。涂层高速钢刀具一般采用物理气相沉积法, 沉积温度在500℃左右。根据涂层刀具基体材料的不同, 涂层刀具可分为硬质合金涂层刀具、高速钢涂层刀具、以及在陶瓷和超硬材料 (金刚石和立方氮化硼) 上的涂层刀具等。常用的刀具涂层方法有化学气相沉积 (CVD) 、物理气相沉积 (PVD) 、等离子体化学气相沉积 (PCVD) 、盐浴浸镀法、等离子喷涂、热解沉积涂层以及化学涂覆法等。常用的涂层材料有碳化物、氮化物、氧化物、硼化物、碳氮化物等, 近年来还发展了聚晶金刚石和立方氮化硼涂层。
在近30年的发展历程中, 高速切削刀具技术已发生很大变化, 高速切削对刀具性能不断提出要求, 新材料新工艺不断出现, 刀具综合性能不断提高。高速切削时应合理使用刀具, 以降低生产成本, 提高生产率。目前国内高速切削所使用的陶瓷刀具、金刚石刀具、立方氮化硼刀具以及涂层刀具各有优点, 适用于不同的工件材料和速度范围。高性能、高可靠性、高强度以及高耐热、抗振性能的刀具是高速切削刀具发展的重点, 纳米复合与涂层、梯度功能和多种增韧增强协同作用的刀具材料将是高速刀具研究的发展方向。