金剛石空心磨頭結構仿真及試驗驗證*

霍輝程寓高超

（南京理工大學機械工程學院，江蘇南京 210094）

工程陶瓷因其獨特的分子構成而具有許多優良的物理、化學、機械性能，如較高的硬度和強度，較強的耐腐蝕、耐磨損、耐高溫能力等。在航空、化工、軍事、機械和電子等領域的應用前景十分廣闊［1］，但也給工藝加工帶來很大的困難。

對于加工工程陶瓷的燒結刀具，國內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選擇和胎體成分對鉆頭耐磨性的研究。但對金剛石空心磨頭結構的研究很少，多是根據經驗來確定刀具的結構。金剛石空心磨頭在加工直孔方面應用較為廣泛。但由工程陶瓷構成的復合構件中也會涉及到一些復雜的異型孔加工，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勢，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。如電火花加工時陶瓷導電性差，需要復相改性;激光加工時陶瓷材料容易出現裂紋;水射流加工復合材料時材料容易浸水、分層，這些加工缺陷都會影響材料的使用性能。此外，特種加工設備價格昂貴、工藝較為復雜，不便于現場操作。因此研究金剛石空心磨頭進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會出現結構破壞，所以本文采用有限元分析找出刀具結構破壞的原因并加以改進。金剛石空心磨頭加工工程陶瓷時易出現斷裂，如圖1所示。

1 刀具的力學分析

金剛石空心磨頭的結構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、電鍍和釬焊的3種刀具。燒結金剛石空心磨頭采用高溫燒結法制造，工作層與基體結合強度高，成型性好，耐高溫，導熱性和耐磨性好，使用壽命長，可承受較大的負荷［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合電沉積，在不銹鋼或45鋼基體上形成以金屬鎳為粘結劑，以金剛石為切削材料的復合功能鍍層［5］;釬焊金剛石工具采用金剛石表面金屬化技術，以活性釬料或鎳基釬料焊接金剛石，通過強碳化物形成元素或合金，使金剛石與工具胎體實現冶金化學結合，這大大提高了金剛石的把持力［6－7］。刀具結構示意圖如圖2所示，狹長槽主要是方便在加工時加入冷卻液起到對刀體的冷卻功能，具體結構參數見表1。

表1 刀具參數 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，當刀具磨削工程陶瓷材料時，為便于測量和計算，將總磨削力分解為3個相互垂直的分力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很小可以忽略不計，所以本文引用金剛石砂輪磨削工程陶瓷的力學模型進行近似計算。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。

在進行近似計算時選用加工工程陶瓷經驗工藝參數為:刀具轉速n=3 200 r/min，切削深度設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。

通過計算結果可以看出，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;同時也證明陶瓷被磨削時主要靠脆性破壞達到去除目的，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，刀具結構的外徑對銑削力影響顯著，同時刀體的壁厚與刀具的強度和剛度有直接關系，所以為了分析刀具結構參數對磨削力的影響情況，結合常用的刀具參數分3個不同水平的數值進行模擬，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

因為胎體和基體之間的結合力很難測定且金剛石顆粒與胎體的結合力也無法確定，為了簡化計算，刀具材料全部設置為45鋼，完全可以通過刀具等效應力云圖分析出刀具斷裂的特點。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三維圖形軟件創建然后導入Ansys有限元軟件進行分析，單元類型選擇為solid、brick8node45，網格劃分與載荷加載如圖3所示。

3 結果分析

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

表4 刀具最大的等效應力值σ MPa

表5 刀具最大的等效位移值d MPa

從上述數據和圖表可以看出，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，最大等效應力減小這是因為刀具受到外力作用下，在狹長槽的上面部分和刀柄部分先會出現應力集中，而且狹長槽的上面部分先出現應力集中，當刀具外徑不斷增大時，最大等效應力點發生轉移，刀柄部分開始出現最大的等效應力集中，但刀具整體的最大等效應力有所減小。隨著刀具壁厚的不斷增大，刀具的最大等效應力和最大等效位移都出現明顯的減小，這表明隨刀具壁厚增大，刀體的強度和剛度都有所增加，但是上述表中的數據都超過了45鋼的屈服極限，刀具都發生了折斷。為了減小應力集中的影響將狹長槽長度適當減小，將刀柄的半徑增大。由于刀具外徑過大導致材料去除率過大且產生較大的磨削熱，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，結果如圖9所示。

從等效應力云圖可以看出，刀具最大等效應力出現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轉速的法向力和圓周切向力。

4 試驗驗證

試驗采用立式加工中心ZX6350A鉆銑床（主軸轉速范圍:20～8 000 r/min;進給速度（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的燒結金剛石空心磨頭;材料為99.8%的氧化鋁陶瓷;轉速n=3 200 r/min;切屑深度分別為ap=3 mm，ap=10 mm;進給速度vf=0.26 mm/s。金剛石空心磨頭未發生斷裂，加工效果如圖10所示。

5 結語

（1）利用Ansys有限元軟件對刀具進行受力分析可以比較直觀地了解刀具結構破壞的原因，避免了需要做大量刀具進行試驗，節省了時間和成本。

（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生較多的磨削熱，實際加工過程中噪聲和振動增大明顯不利于銑削加工，當刀具外徑增加到一定的值，刀具容易發生斷裂的同時陶瓷也容易出現裂紋;刀具的外徑也不宜過小，因為刀具外徑過小刀具的剛度較低也容易發生折斷。

（3）金剛石空心磨頭的壁厚直接影響刀具的強度和剛度，從模擬的數據可以看出刀具壁厚增大，刀具整體等效應力值明顯減小;但是刀具壁厚也不宜過大，壁厚過大將導致材料的浪費，增加成本。因此使用金剛石空心磨頭磨削工程陶瓷時，刀具結構參數宜選用外徑為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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