精密、超精密切削时PCD刀具后刀面的错位熨压作用www.tool-tool.com

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图1 精密、超精密切削模型

1 精密、超精密切削时PCD刀具后刀面熨压作用的分析

PCD刀具以其优越的性能在精密、超精密切削加工领域得到越来越广泛的应用。由于精密、超精密切削属于微量切削，切削厚度很小，常与刀刃钝圆半径相当，使得精密、超精密切削有其自身的特点(见图1)。图1中的O点为分流点，a_c为切削深度，r_n为刃口钝圆半径，u为O点以下的待切削金属层，g₀为刀具前角，a₀为 刀具后角。由于切削厚度很小，分流点以下的未被切除的金属成为切削层金属中可视的一部分，由于刀刃钝圆半径的作用，这部分金属被迫在很大的压力下绕过刀刃 钝圆而沿后刀面流出，使得此时由于后刀面熨压作用产生的工件的塑性变形比刀具的切削作用更占主导地位，并直接影响已加工表面的形成。图1中的L₀为u层与后刀面的接触长度，即后刀面熨压作用的长度,h为 u层金属挤过刃口钝圆后的弹性恢复量。由此可见，在精密、超精密切削过程中，PCD刀具后刀面的熨压作用对切削过程的影响已不容忽视。而到目前为止，对后 刀面熨压作用的专门研究很少，为此本文把PCD刀具后刀面的熨压作用作为研究重点，这对于深入研究精密、超精密切削过程，提高加工表面质量具有实际意义。

图2 刃磨纹理角示意图

图3 后刀面视图

PCD 刀具在使用之前需进行刀具的刃磨，后刀面的刃磨状况、后角、后刀面粗糙度和后刀面刃磨纹理均直接影响后刀面对工件表面的熨压作用。其中，后刀面的刃磨纹理 是指刀具刃磨时砂轮在后刀面上留下的一系列沟槽。砂轮的刃磨方向(即后刀面刃磨纹理方向)与刀具修光刃方向的夹角称为后刀面的刃磨纹理角，用q表示，且0°≤q≤90°(见图2)。图3为后刀面的视图，图中实线代表后刀面的刃磨纹理，虚线代表平行于修光刃的后刀面粗糙度的测量方向，D为测量间距。由图3可见，由于刃磨纹理的影响，使得两条相邻的具有较小间距的平行轮廓间存在着相对位移t，称为错位。t值可以通过测量相邻轮廓峰值的位移获得，也可以利用互相关函数进行估计。若相邻断面廓形函数分别为F_i(x)和F_j(x)(i=1,2,…；j=i+1),则两者的互相关函数R_ij(t)为

(1)

当R_ij(t)取得峰值时，表明相邻断面的廓形具有最大程度的相似性，此时的t值即为相邻断面廓形相对位移的大小。由图3可得q、t和D的关系为

(2)

D为单位长度时的t值称为错位强度，用K表示，即

(3)

式(3)表示相邻断面廓形间相对位移的大小，即错位的剧烈程度。K与表面纹理方向有着密切关系，q越小，K值越大，相邻断面廓形的相对位移越大，错位越强烈。由于后刀面相邻断面廓形间错位的存在，使得后刀面对工件表面的熨压过程相当于后刀面上平行于修光刃的不同断面交错滑过工件表面的过程，因此PCD刀具后刀面熨压工件表面的实质是错位熨压。

由 图1可看出，后角影响PCD刀具后刀面错位熨压作用的长度；由图3可知，后刀面的粗糙度影响PCD刀具后刀面平行于修光刃方向的不同断面的廓形，而后刀面 的刃磨纹理影响PCD刀具后刀面不同断面廓形间的错位强度，即PCD刀具的后角、后刀面粗糙度和后刀面刃磨纹理的变化直接影响后刀面错位熨压的效果。

2 PCD刀具后刀面错位熨压规律试验

图4 后角对错位熨压效果的影响规律

1. 后角对错位熨压效果的影响
   • 试验条件：
   • 机床：CM0420M/2型精密仪表车床
   • 刀具：直线刃PCD刀具(韩国刀片)，颗粒度20µm ，g₀=0°,主偏角K_r=10°，副偏角K_r'=10°，修光刃长度L_f=0.4mm，q=5°,前刀面粗糙度R_ag=0.015µm，后刀面粗糙度R_aa=0.08µm，1^#刀a₀=5°，2^#刀a₀=8°，3^#刀a₀=12°，4^#刀a₀=15°
   • 工件材料：LY12
   • 切削条件：主轴转数n=1795r/min，切削深度a_p=10µm,进给量f=3,5,7,9,15,25µm/r，乙醇切削液
   • 测量仪器：FORM TALYSURF形状轮廓仪
   • 试验结果：见图4，图中纵坐标R_aw为工件表面粗糙度，曲线(1)～(4)分别为1^#～4^#刀的切削结果(以下皆同)
     由图4可见，后角越小的PCD刀具切削后获得的工件表面粗糙度值越小，说明后刀面错位熨压效果越好。

   图5 后刀面粗糙度对错位熨压效果的影响规律

2. 后刀面粗糙度对错位熨压效果的影响
   • 试验条件：
   • 机床：MSG-325型双轴数控金刚石车床
   • 刀具：直线刃PCD刀具(上海硅酸盐研究所刀片)，颗粒度15µm，g₀=0°,a₀=10°，K_r=K r'=10°，L_f=0.2mm，q=5°, 1^#刀R_ag= 0.037µm，R_aa=0.019µm，2^#刀R_ag=0.038µm，R_aa=0.032µm,3^#刀R_ag= 0.040µm，R_aa=0.140µm，4^#刀R_ag=0.038µm，R_aa=0.563µm
   • 工件材料：LY12
   • 切削条件：n=1000r/min,a_p=5µm,f=3,5,7,9,15,25µm/r，烃基冷却液喷雾冷却
   • 测量仪器：FORM TALYSURF形状轮廓仪
   • 试验结果：见图5
     由图5可见，1^#刀切削后得到的R_aw值较小，4^#刀切削后得到的R_aw值较大，说明R_aa越小时后刀面错位熨压效果越好。

   图6 后刀面刃磨纹理对错位熨压效果的影响规律

3. 后刀面刃磨纹理对错位熨压效果的影响
   • 试验条件：
   • 机床：MSG-325型双轴数控金刚石车床
   • 刀具：直线刃PCD刀具(上海硅酸盐研究所刀片)，颗粒度15µm，g₀=0°,a₀=10°，K_r=K r'=10°，L_f=0.6mm，R_ag= 0.025µm，R_aa=0.035µm，1^#刀q=5°，2^#刀q=30°，3^#刀q=60°，4^#刀q=90°
     工件材料：LY12
     切削条件：n=1000r/min,a_p=10µm，f=3,5,7,9,15,25µm/r，烃基冷却液喷雾冷却
   • 测量仪器：FORM TALYSURF形状轮廓仪
   • 试验结果：见图6
     由图6可见，在其它条件相同的情况下，后刀面刃磨纹理不同，其切削效果亦不相同，4^#刀的切削效果最差，1^#刀的切削效果最好，即随着q减小，工件表面粗糙度值减小，PCD刀具后刀面错位熨压效果越好。

综合上述试验结果可知，随着PCD刀具后角的减小、后刀面粗糙度值的减小及后刀面刃磨纹理角的减小，PCD刀具后刀面的错位熨压效果越好，获得的工件表面粗糙度值越小。

3 结论

在 精密、超精密切削过程中，PCD刀具后刀面对工件表面的熨压作用实质上是错位熨压。影响PCD刀具后刀面错位熨压效果的主要因素有刀具后角、后刀面粗糙度 和后刀面刃磨纹理。后角较小、后刀面粗糙度值较小和刃磨纹理角较小的PCD刀具对工件表面的错位熨压作用较强，其错位熨压效果较好，易于获得粗糙度值较小 的工件表面。

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