金剛石空心磨頭結(jié)構(gòu)仿真及試驗(yàn)驗(yàn)證*

霍輝程寓高超

（南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇南京 210094）

工程陶瓷因其獨(dú)特的分子構(gòu)成而具有許多優(yōu)良的物理、化學(xué)、機(jī)械性能，如較高的硬度和強(qiáng)度，較強(qiáng)的耐腐蝕、耐磨損、耐高溫能力等。在航空、化工、軍事、機(jī)械和電子等領(lǐng)域的應(yīng)用前景十分廣闊［1］，但也給工藝加工帶來很大的困難。

對(duì)于加工工程陶瓷的燒結(jié)刀具，國內(nèi)外的研究主要集中在胎體中金剛石顆粒磨削過程中磨損和脫落等問題上及金剛石參數(shù)選擇和胎體成分對(duì)鉆頭耐磨性的研究。但對(duì)金剛石空心磨頭結(jié)構(gòu)的研究很少，多是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來確定刀具的結(jié)構(gòu)。金剛石空心磨頭在加工直孔方面應(yīng)用較為廣泛。但由工程陶瓷構(gòu)成的復(fù)合構(gòu)件中也會(huì)涉及到一些復(fù)雜的異型孔加工，所以多采用特種加工方法，如電火花、激光、超聲波和水射流等［2－3］。這些特種加工方法雖然各有優(yōu)勢(shì)，可以部分地克服加工中存在的一些困難，但都有一定的適用范圍或加工缺陷。如電火花加工時(shí)陶瓷導(dǎo)電性差，需要復(fù)相改性;激光加工時(shí)陶瓷材料容易出現(xiàn)裂紋;水射流加工復(fù)合材料時(shí)材料容易浸水、分層，這些加工缺陷都會(huì)影響材料的使用性能。此外，特種加工設(shè)備價(jià)格昂貴、工藝較為復(fù)雜，不便于現(xiàn)場操作。因此研究金剛石空心磨頭進(jìn)行徑向磨削加工很有必要。但是金剛石空心磨頭磨削工程陶瓷時(shí)會(huì)出現(xiàn)結(jié)構(gòu)破壞，所以本文采用有限元分析找出刀具結(jié)構(gòu)破壞的原因并加以改進(jìn)。金剛石空心磨頭加工工程陶瓷時(shí)易出現(xiàn)斷裂，如圖1所示。

1 刀具的力學(xué)分析

金剛石空心磨頭的結(jié)構(gòu)由基體和工作層兩部分組成，基體一般選用45鋼或不銹鋼，金剛石空心磨頭按制造工藝方式的不同主要有燒結(jié)、電鍍和釬焊的3種刀具。燒結(jié)金剛石空心磨頭采用高溫?zé)Y(jié)法制造，工作層與基體結(jié)合強(qiáng)度高，成型性好，耐高溫，導(dǎo)熱性和耐磨性好，使用壽命長，可承受較大的負(fù)荷［4］。電鍍金剛石空心磨頭其刃口采用金屬鎳等合金與金剛石粉的復(fù)合電沉積，在不銹鋼或45鋼基體上形成以金屬鎳為粘結(jié)劑，以金剛石為切削材料的復(fù)合功能鍍層［5］;釬焊金剛石工具采用金剛石表面金屬化技術(shù)，以活性釬料或鎳基釬料焊接金剛石，通過強(qiáng)碳化物形成元素或合金，使金剛石與工具胎體實(shí)現(xiàn)冶金化學(xué)結(jié)合，這大大提高了金剛石的把持力［6－7］。刀具結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，狹長槽主要是方便在加工時(shí)加入冷卻液起到對(duì)刀體的冷卻功能，具體結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

表1 刀具參數(shù) mm

由于金剛石空心磨頭磨削工程陶瓷的過程不同于一般的金屬材料的材料去除方式，因此沒有成熟的力學(xué)模型可以借鑒。但是金剛石空心磨頭加工工程陶瓷的過程中主要有金剛石顆粒參與工作，每顆金剛石顆粒與常用銑刀刀齒類似，因此金剛石空心磨頭也可以稱為金剛石銑刀。金剛石空心磨頭加工過程與金剛石砂輪磨削的過程完全類似，當(dāng)?shù)毒吣ハ鞴こ烫沾刹牧蠒r(shí)，為便于測量和計(jì)算，將總磨削力分解為3個(gè)相互垂直的分力Fx（軸向磨削力）、Fn（徑向磨削力）、Ft（切向磨削力）。由于軸向磨削力相對(duì)很小可以忽略不計(jì)，所以本文引用金剛石砂輪磨削工程陶瓷的力學(xué)模型進(jìn)行近似計(jì)算。單位磨削寬度磨削力模型［8］為

式中:ap為磨削深度，μm;vs為刀具線速度，m/s;vw為進(jìn)給速度，m/s;b為工作層的金剛石粒度，μm;c為工件脆性，MPa·m1/2;F'為單位磨削寬度磨削力，N/mm;下角碼n代表法向，t代表切向。

在進(jìn)行近似計(jì)算時(shí)選用加工工程陶瓷經(jīng)驗(yàn)工藝參數(shù)為:刀具轉(zhuǎn)速n=3 200 r/min，切削深度設(shè)置為最大工作層長度10 mm的深度，金剛石選擇的是50目粒度為297 μm，通過公式計(jì)算單位磨削寬度銑削力得到:F'n=3.78 N/mm;F't=0.84 N/mm。

通過計(jì)算結(jié)果可以看出，法向力明顯大于切向力。說明金剛石磨料難以切入陶瓷表面;同時(shí)也證明陶瓷被磨削時(shí)主要靠脆性破壞達(dá)到去除目的，而剪切作用很小，因而引起的切向抗力很小［9］。

由于刀具在磨削工程陶瓷的過程中，刀具結(jié)構(gòu)的外徑對(duì)銑削力影響顯著，同時(shí)刀體的壁厚與刀具的強(qiáng)度和剛度有直接關(guān)系，所以為了分析刀具結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)磨削力的影響情況，結(jié)合常用的刀具參數(shù)分3個(gè)不同水平的數(shù)值進(jìn)行模擬，刀具外徑分別是D=10 mm，15 mm，20 mm;基體壁厚分別是d=1 mm，2 mm，3 mm;不同的刀具外徑可以得到不同的法向磨削力和圓周切向力，值如表2。

表2 刀具的受力值

2 刀具模型的建立

因?yàn)樘ンw和基體之間的結(jié)合力很難測定且金剛石顆粒與胎體的結(jié)合力也無法確定，為了簡化計(jì)算，刀具材料全部設(shè)置為45鋼，完全可以通過刀具等效應(yīng)力云圖分析出刀具斷裂的特點(diǎn)。45鋼的材料性能如表3。

表3 45鋼的材料性能

由于Ansys有限元軟件的造圖功能的不便，刀具幾何模型先由Solidworks三維圖形軟件創(chuàng)建然后導(dǎo)入Ansys有限元軟件進(jìn)行分析，單元類型選擇為solid、brick8node45，網(wǎng)格劃分與載荷加載如圖3所示。

3 結(jié)果分析

從有限元的等效應(yīng)力云圖可以看出，刀具在磨削工程陶瓷時(shí)狹長槽靠近刀柄一端的部分和刀柄過渡處容易出現(xiàn)應(yīng)力集中，這和實(shí)際加工中刀具結(jié)構(gòu)破壞的位置吻合。為了更具體地分析刀具外徑和壁厚的變化對(duì)刀具所受應(yīng)力的影響，具體數(shù)據(jù)如表4和表5及圖4、5，有限元分析等效應(yīng)力云圖結(jié)果分別如圖6～8。

表4 刀具最大的等效應(yīng)力值σ MPa

表5 刀具最大的等效位移值d MPa

從上述數(shù)據(jù)和圖表可以看出，隨著刀具外徑的增大，刀具所受到的最大等效應(yīng)力先減小后增大，與公式中反映的一致;刀具外徑越大，刀具所受到的磨削力也越大，最大等效應(yīng)力減小這是因?yàn)榈毒呤艿酵饬ψ饔孟?，在狹長槽的上面部分和刀柄部分先會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中，而且狹長槽的上面部分先出現(xiàn)應(yīng)力集中，當(dāng)?shù)毒咄鈴讲粩嘣龃髸r(shí)，最大等效應(yīng)力點(diǎn)發(fā)生轉(zhuǎn)移，刀柄部分開始出現(xiàn)最大的等效應(yīng)力集中，但刀具整體的最大等效應(yīng)力有所減小。隨著刀具壁厚的不斷增大，刀具的最大等效應(yīng)力和最大等效位移都出現(xiàn)明顯的減小，這表明隨刀具壁厚增大，刀體的強(qiáng)度和剛度都有所增加，但是上述表中的數(shù)據(jù)都超過了45鋼的屈服極限，刀具都發(fā)生了折斷。為了減小應(yīng)力集中的影響將狹長槽長度適當(dāng)減小，將刀柄的半徑增大。由于刀具外徑過大導(dǎo)致材料去除率過大且產(chǎn)生較大的磨削熱，降低加工效率，所以選擇刀具外徑為15 mm的刀具進(jìn)行修改，將刀柄的半徑由原來的4 mm增大到5．5 mm，狹長槽長度由原來的30 mm修改為20 mm。然后再使用有限元軟件施加相同外徑的載荷，結(jié)果如圖9所示。

從等效應(yīng)力云圖可以看出，刀具最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在狹長槽的上面部分，其值為253 MPa，小于45鋼的屈服極限355 MPa，所以刀具理論上可以承受加工工程陶瓷相應(yīng)轉(zhuǎn)速的法向力和圓周切向力。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

試驗(yàn)采用立式加工中心ZX6350A鉆銑床（主軸轉(zhuǎn)速范圍:20～8 000 r/min;進(jìn)給速度（X、Y、Z）:1～15 000 mm/min），刀具外徑為15 mm，壁厚為3 mm，使用修改后的刀柄半徑為5.5 mm的燒結(jié)金剛石空心磨頭;材料為99.8%的氧化鋁陶瓷;轉(zhuǎn)速n=3 200 r/min;切屑深度分別為ap=3 mm，ap=10 mm;進(jìn)給速度vf=0.26 mm/s。金剛石空心磨頭未發(fā)生斷裂，加工效果如圖10所示。

5 結(jié)語

（1）利用Ansys有限元軟件對(duì)刀具進(jìn)行受力分析可以比較直觀地了解刀具結(jié)構(gòu)破壞的原因，避免了需要做大量刀具進(jìn)行試驗(yàn)，節(jié)省了時(shí)間和成本。

（2）金剛石空心磨頭磨削工程陶瓷的過程中隨著刀具外徑的增大，銑削力不斷增大，材料去除率較高而且產(chǎn)生較多的磨削熱，實(shí)際加工過程中噪聲和振動(dòng)增大明顯不利于銑削加工，當(dāng)?shù)毒咄鈴皆黾拥揭欢ǖ闹?，刀具容易發(fā)生斷裂的同時(shí)陶瓷也容易出現(xiàn)裂紋;刀具的外徑也不宜過小，因?yàn)榈毒咄鈴竭^小刀具的剛度較低也容易發(fā)生折斷。

（3）金剛石空心磨頭的壁厚直接影響刀具的強(qiáng)度和剛度，從模擬的數(shù)據(jù)可以看出刀具壁厚增大，刀具整體等效應(yīng)力值明顯減小;但是刀具壁厚也不宜過大，壁厚過大將導(dǎo)致材料的浪費(fèi)，增加成本。因此使用金剛石空心磨頭磨削工程陶瓷時(shí)，刀具結(jié)構(gòu)參數(shù)宜選用外徑為15 mm，壁厚為3 mm以上，狹長槽長度不宜超過20 mm，刀柄半徑選用5.5 mm以上的刀具。

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