CN103341889A - 切削抛光有机玻璃的金刚石刀具的模型及其应用 - Google Patents

Abstract

切削抛光有机玻璃的金刚石刀具的模型：（a）极限最小切削厚度Hmin与刀具刃口钝圆半径ρ、有机玻璃的物理力学性能，以及刀具与工件之间的摩擦系数μ有关；（b）两条相邻的具有较小间距的平行轮廓之间存在着相对位移τ。经过本发明的特殊刃口处理技术，单晶金刚石、聚晶金刚石的刀具都能达到有机玻璃切削抛光后透、光、亮的效果。

Description

切削抛光有机玻璃的金刚石刀具的模型及其应用

技术领域

本发明涉及一种刀具，具体涉及一种切削抛光有机玻璃的金刚石刀具的模型及其应用。

背景技术

有机玻璃又称亚克力（Acrylic）是一种长链的高分子化合物，属聚丙烯酸甲类，英文名称Polymethylmethacrylate，简称PMMA。它的物理力学性能是透光率高(可达≥92%)，导热系数小（0.19w/cmk），线膨胀系数大（130×10^-6/°C），熔点(180°C)和表面硬度（≤6H铅笔硬度）都很低，因此它具有良好的热加工变形和较小的切削变形，以及晶莹透亮的特性，适合做高端奢侈品陈列的视觉艺术展示工艺品。

根据亚克力的物理力学性能，使有机玻璃加工后仍然保持透、光、亮的属性，只有挤亮（例如亚克力以前的抛光工艺就是用“布轮抛光”，但粉尘大影响员工身体健康和环境）和用锋利的刀刃切亮（例如用本发明的金刚石刀具切削抛光）。

但亚克力的切削性能具有二重性，从切削力较小来看是一种易切削材料。但从加工表面质量分析来看由于热膨胀系数大尺寸较难控制，加工表面的粗糙度较差，刀具磨损较快，因此又是一种较难切削的材料。

发明内容

本发明的目的在于，提供切削抛光有机玻璃的金刚石刀具的模型及其应用，以克服现有技术所存在的上述缺点和不足。

本发明的切削原理：

基于有机玻璃在车削时切屑呈带状连续不断应该属于切削原理意义中的非金属塑性材料。

既然有机玻璃是具有一定特性的塑性材料，它遵循一般切削原理的同时，还应该有它固有的、特殊的切削规律。研究和应用这些规律，在此基础上发明有机玻璃切削抛光的金刚石刀具就有了可靠的理论根据，是本发明的重要组成部分。

本发明所需要解决的技术问题，可以通过以下技术方案来实现：

作为本发明的第一方面，切削抛光有机玻璃的金刚石刀具的模型，其特征在于，具有：

（a）极限最小切削厚度H_min与刀具刃口钝圆半径ρ、有机玻璃的物理力学性能，以及刀具与工件之间的摩擦系数μ有关，

$H_{\min }=\mathrm{\ρ}[1-\frac{\sin \mathrm{\ω}+\mathrm{\μ}\cos \mathrm{\ω}}{\sqrt{1+{\mathrm{\μ}}^2}}]---\left(3\right)$

H_min为极限最小切削厚度，

ρ为刀具刃口钝圆半径，

ω为正应力方向与切削速度方向的夹角，为38°～45°，

μ为摩擦系数；

（b）两条相邻的具有较小间距的平行轮廓之间存在着相对位移τ，相邻断面廓形函数分别为Fi(X)和Fj(X)，其中：i=1、2、3…；j=1、2、3…；则两者的相关函数Rij(τ)为：

$\mathrm{Rij}\left(\mathrm{\τ}\right)={\∫}_{-\∞}^{\∞}\mathrm{Fi}\left(X\right)\mathrm{Fj}(X+\mathrm{\τ})\mathrm{dx}---\left(5\right).$

进一步，当ω=45°时，（3）式可简化为：

$H_{\min }=\mathrm{\ρ}[1-\frac{\sqrt{2}(1+\mathrm{\μ})}{2\sqrt{1+{\mathrm{\μ}}^2}}]---\left(4\right).$

进一步，当ω=41°，当μ=0.5～0.6时，H_min=(0.08～0.05)ρ，ρ≤1μm，透光度达到≥92%以上。

进一步，当Rij(τ)取得峰值时，τ值即为相邻断面廓形位移的大小。

tgλ=Δ/τ     (6)

λ为刃磨角，Δ为测量间距，τ为相对位移，

（6）式表明，当测量间距Δ为定值时，λ值越小，τ值越大，相邻断面廓形间的相对位移越大，错位越强烈。

进一步，还包括以下几何参数：

前角γ_o、后角α_o、刃倾角λ_s和主偏角К_r

前角γ_o为5°～10°，

后角α_o为5°～12°，

刃倾角λ_s为零度或正的刃倾角，

主偏角К_r，切削刃上每一点的切线与V_f进给方向的夹角是变化的，

修光刃是将切削刃形成的加工表面的微观不平度加以平整，以降低微观不平度的平均值。

作为本发明第二方面，一种切削抛光有机玻璃的金刚石刀具的模型的应用，其特征在于，用于单晶金刚石(Single-crystal diamond)（天然、人造）或聚晶金刚石（Polycrystalline diamond）。

经过本发明的特殊刃口处理技术，以上二种金刚石材质的刀具都能达到有机玻璃切削抛光后透、光、亮的效果。

进一步，用于制备机械夹固式、焊接式和可转位式刀具。

进一步，金刚石刀具切削抛光有机玻璃表面后的粗糙度达到R_a≤10～15nm，透光度≥92%。

本发明的有益效果：

经过本发明的特殊刃口处理技术，以上二种金刚石材质的刀具都能达到有机玻璃切削抛光后透、光、亮的效果。金刚石刀具切削抛光有机玻璃表面后的粗糙度达到R_a≤10～15nm，透光度≥92%。

本发明应用广泛，可用于机械夹固式、焊接式和可转位式刀具，适合用于有机玻璃制品和展示系列产品中的有机玻璃表面的切削抛光。

附图说明

图1A为残留切削厚度H_min与刀刃钝圆半径ρ的关系。

图1B为残留切削厚度H_min与刀刃钝圆半径ρ的关系。

图2为刃磨纹理角λ示意图。

图3为后刀面视图，τ与λ角的关系。

图4A为本发明的机械夹固式刀具的主视图。

图4B为图4A的侧视图。

图4C为图4A的俯视图。

图4D为图4C的局部放大图。

图5为焊接式金刚石刀具。

图6为可转位式金刚石刀具。

附图标记：

研磨盘1、修光刃2、刃磨方向3、后刀面4。

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本发明作进步说明。应理解，以下实施例仅用于说明本发明而非用于限定本发明的范围。

实施例1

切削抛光有机玻璃的金刚石刀具的模型

1、刀刃钝圆半径ρ的数学模型

用金刚石刀具切削抛光有机玻璃实质上是一种微细切削加工中的微量分离技术。由于精密切削抛光有机玻璃时是采用极锋利的金刚石刀具的刃口，能够得到极小的残留切削厚度H_min，由此透光度可以达到92%以上。也就是说残留切削厚度H_min的大小是影响有机玻璃透光度的主要原因。发明人的研究表明：残留切削厚度H_min的大小与金刚石刀具的切薄能力有关，即与金刚石刀具的钝圆半径ρ的大小以及有机玻璃的物理力学性能有关。

图1A和图1B残留切削厚度H_min与刀刃钝圆半径ρ的关系。

如图1A和图1B所示，工件上O点处受切削力Fc及其垂直力Fx的作用，形成合力Fr(也可分解成O点处法向力Fn和摩擦力F_f，其中F_f=μFn，μ为有机玻璃的摩擦系数、Fn为正压力)，合力Fr的方向即为O点处所受正应力的方向。当O点的正应力方向与切削速度V_f方向的夹角约为38°～45°时，O点以上的有机玻璃材料经剪切、滑移、卷曲形成切屑，而O点以下材料经后刀面摩擦、挤压，以及弹性变形和塑性变形后形成已加工表面。此时，O点即为残留切削厚度的临界点。极限最小残留切削厚度H_min可用下式求得：

H_min=ρ(1-cosθ)   (1)

式中：ρ—刀刃钝圆半径

而       θ+ω+β=90°

θ=90°-(ω+β)   (2)

式中β—刀具与工件材料的摩擦角，tgβ=μ，金刚石刀具切削有机玻璃时，μ为0.5～0.6，并随着切削深度增大而增大；

ω—正应力方向与切削速度方向的夹角，一般为38°～45°

将（2）式代入（1）式得：

$H_{\min }=\mathrm{\ρ}[1-\frac{\sin \mathrm{\ω}+\mathrm{\μ}\cos \mathrm{\ω}}{\sqrt{1+{\mathrm{\μ}}^2}}]---\left(3\right)$

当ω=45°时，（3）式可简化为：

$H_{\min }=\mathrm{\ρ}[1-\frac{\sqrt{2}(1+\mathrm{\μ})}{2\sqrt{1+{\mathrm{\μ}}^2}}]---\left(4\right)$

由（4）式可知，极限最小切削厚度H_min与刀具刃口钝圆半径ρ、有机玻璃的物理力学性能，以及刀具—工件之间的摩擦系数μ有关。金刚石刀具切削抛光有机玻璃时，H_min值与ρ值的关系见下表1：

表1H_min值与刀刃钝圆半径ρ的关系

根据金刚石刀具切削抛光有机玻璃的经验，可取ω=41°，当μ=0.5～0.6时，H_min=(0.08～0.05)ρ。由此可见，金刚石刀具的刃口钝圆半径ρ对最小残留切削厚度H_min影响极大。切削抛光有机玻璃要达到镜面，必须要ρ≤1μm，才能使H_min≤(0.05～0.08)μm，透光度达到≥92%以上。否则有机玻璃表面就会有一层“雾”，不透也不亮。

2、刀具后刀面的刃磨质量对镜面抛光的影响

由图1A知道，O点为切削层的分流点，由于刀刃钝圆半径ρ的作用，O点以下的有机玻璃被迫在很大压力下绕过钝圆ρ而延后刀面流出，此时由于后刀面熨压作用产生的弹性变形和塑性变形比刀具的切削作用更为重要，并直接影响到已加工表面的粗糙度、波纹度和透光度。因此，金刚石刀具的刃磨质量、后角大小和后刀面的粗糙度都会直接影响后刀面对有机玻璃抛光表面的熨压效果。

后刀面刃磨纹理是指刀具研磨时磨粒在后刀面上留下的一系列沟槽。刃磨方向与刀具修光刃的夹角称为后刀面研磨纹理角，又称刃磨角λ，见图2。

图2刃磨纹理角λ示意图。研磨盘1、修光刃2、刃磨方向3、刃磨角λ。

图3为后刀面视图，图中实线表示后刀面4的刃磨纹理，虚线表示平行于修光刃2的后刀面4粗糙度的测量方向，Δ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之间存在着相对位移τ，τ值可通过测量相邻轮廓峰值的位移得到，也可以用互相关函数进行计算。若相邻断面廓形函数分别为Fi(X)和Fj(X)，其中：i=1、2、3…；j=1、2、3…；则两者的相关函数Rij(τ)为：

$\mathrm{Rij}\left(\mathrm{\τ}\right)={\∫}_{-\∞}^{\∞}\mathrm{Fi}\left(X\right)\mathrm{Fj}(x+\mathrm{\τ})\mathrm{dx}---\left(5\right)$

当Rij(τ)取得峰值时，表明相邻断面廓形具有最大程度的相似性，此时的τ值即为相邻断面廓形位移的大小。由图3可得：

tgλ=Δ/τ   (6)

（6）式表明，当测量间距Δ为定值时，λ值越小，τ值越大，即相邻断面廓形间的相对位移越大，错位越强烈。

参见图3，由于后刀面4相邻断面廓形间错位的存在，使得后刀面4对亚克力表面的熨压过程相当于后刀面4上平行于修光刃2的不同断面交错滑过工件表面的过程，因此金刚石刀具后刀面熨压亚克力表面的实质是错位熨压。由此可见，金刚石刀具后刀面4的表面粗糙度大小将直接影响到亚克力表面的抛光效果。

实施例2

切削抛光有机玻璃的金刚石刀具的模型的应用

一、刀具的材料

1、单晶金刚石(Single-crystal diamond)（天然、人造）

2、聚晶金刚石（Polycrystalline diamond）

经过本发明的特殊刃口处理技术，以上二种金刚石材质的刀具都能达到有机玻璃切削抛光后透、光、亮的效果。

二、刀具的几何参数

刀具的前角γ_o、后角α_o、刃倾角λ_s和主偏角К_r都是本发明制备刀具的独立角度，这些角度的具体数值应不局限于以下提供的参考值，而应该包含使有机玻璃切削抛光后达到透、光、亮要求的全部量值。

1、图4A为本发明的机械夹固式刀具的主视图。图4B为图4A的侧视图。图4C为图4A的俯视图。图4D为图4C的局部放大图。前角γ_o

前角的大小主要影响切削抛光时切削变形和切削力的大小、切屑的形态、刀刃的强度和刀刃的锋利程度。综合考虑亚克力的物理力学性能和切削条件后，一般参考值为5°～10°。

2、后角α_o

后角大小主要影响到后刀面对已加工表面的摩擦、挤压，以及已加工表面质量和刀具的寿命，一般参考值为5°～12°。

3、刃倾角λ_s

刃倾角的大小主要影响到刀刃的前角大小、刀刃的锋利程度、切削的平稳性和排屑的方向，切削抛光亚克力一般设计成零度或正的刃倾角。

4、主偏角К_r

主偏角的大小主要影响到切削力的水平分力和径向分力的比例大小，以及散热面积的大小。由于主切削刃是圆弧R，因此切削刃上每一点的切线与V_f进给方向的夹角是变化的，即圆弧主刀刃上各点的主偏角是不相等的。图4C中的V_f为刀具的进给方向。

5、修光刃

修光刃的主要作用是将切削刃形成的加工表面的微观不平度加以平整，以降低微观不平度的平均值。

三、刀具的结构

图5为焊接式金刚石刀具。图6为可转位式金刚石刀具。

切削抛光亚克力的刀具本体结构一般设计成机械夹固式（参见图4A、图4B、图4C和图4D）、焊接式（如图5）和可转位式（如图6）。同时也不排除其它可能用的结构。

四、切削抛光的要求

用本发明制备的金刚石刀具切削抛光有机玻璃表面后的粗糙度可达到R_a≤10～15nm，透光度≥92%。

以上对本发明的具体实施方式进行了说明，但本发明并不以此为限，只要不脱离本发明的宗旨，本发明还可以有各种变化。

Claims (8)

1.切削抛光有机玻璃的金刚石刀具的模型，其特征在于，具有：

（a）极限最小切削厚度H_min与刀具刃口钝圆半径ρ、有机玻璃的物理力学性能，以及刀具与工件之间的摩擦系数μ有关，

$H_{\min }=\mathrm{\ρ}[1-\frac{\sin \mathrm{\ω}+\mathrm{\μ}\cos \mathrm{\ω}}{\sqrt{1+{\mathrm{\μ}}^2}}]---\left(3\right)$

H_min为极限最小切削厚度，

ρ为刀具刃口钝圆半径，

ω为正应力方向与切削速度方向的夹角，为38°～45°，

μ为摩擦系数；

（b）两条相邻的具有较小间距的平行轮廓之间存在着相对位移τ，相邻断面廓形函数分别为Fi(X)和Fj(X)，其中：i=1、2、3…；j=1、2、3…；则两者的相关函数Rij(τ)为：

$\mathrm{Rij}\left(\mathrm{\τ}\right)={\∫}_{-\∞}^{\∞}\mathrm{Fi}\left(x\right)\mathrm{Fj}(x+\mathrm{\τ})\mathrm{dx}---\left(5\right).$

2.根据权利要求1所述的切削抛光有机玻璃的金刚石刀具的模型，其特征在于：当ω=45°时，（3）式可简化为：

$H_{\min }=\mathrm{\ρ}[1-\frac{\sqrt{2}(1+\mathrm{\μ})}{2\sqrt{1+{\mathrm{\μ}}^2}}]---\left(4\right).$

3.根据权利要求1所述的切削抛光有机玻璃的金刚石刀具的模型，其特征在于：当ω=41°，当μ=0.5～0.6时，H_min=(0.08～0.05)ρ，ρ≤1μm，透光度达到≥92%以上。

4.根据权利要求1所述的切削抛光有机玻璃的金刚石刀具的模型，其特征在于：当Rij(τ)取得峰值时，τ值即为相邻断面廓形位移的大小，

tgλ=Δ/τ            (6)

λ为刃磨角，Δ为测量间距，τ为相对位移，

（6）式表明，当测量间距Δ为定值时，λ值越小，τ值越大，相邻断面廓形间的相对位移越大，错位越强烈。

5.根据权利要求1所述的切削抛光有机玻璃的金刚石刀具的模型，其特征在于，还包括以下几何参数：

前角γ_o、后角α_o、刃倾角λ_s和主偏角К_r

前角γ_o为5°～10°，

后角α_o为5°～12°，

刃倾角λ_s为零度或正的刃倾角，

主偏角К_r，切削刃上每一点的切线与V_f进给方向的夹角是变化的，

修光刃是将切削刃形成的加工表面的微观不平度加以平整，以降低微观不平度的平均值。

6.一种如权利要求1所述的切削抛光有机玻璃的金刚石刀具的模型的应用，其特征在于，用于单晶金刚石或聚晶金刚石。

7.根据权利要求6所述的切削抛光有机玻璃的金刚石刀具的模型的应用，其特征在于：用于制备机械夹固式、焊接式和可转位式刀具。

8.根据权利要求6所述的切削抛光有机玻璃的金刚石刀具的模型的应用，其特征在于：金刚石刀具切削抛光有机玻璃表面后的粗糙度达到R_a≤10～15nm，透光度≥92%。

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