CN112207292A - 棱边毛刺去除的金刚石刀具刃口优化实现方法 - Google Patents

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Abstract

一种棱边毛刺去除的金刚石刀具刃口优化实现方法，选取单晶金刚石刀具作为刃口材料并确定刀具前后刀面的最佳晶面，建立磨削微细毛刺尺寸预测模型和毛刺去除临界切削厚度模型，计算得到基于精度和强度的刃口钝圆半径设计方案，实现金刚石刀具刃口的优化。本发明利用车削去除微米级微细毛刺的单晶金刚石刀具刃口尺寸优化设计方案显著提高单晶金刚石刀具的稳定性，避免断刀和石墨化等不利因素，适用于工作棱边的微米级毛刺去除加工。

Description

棱边毛刺去除的金刚石刀具刃口优化实现方法
技术领域
本发明涉及的是一种刀具刃口微细加工领域的技术，具体是一种棱边毛刺去除的金刚石刀具刃口优化实现方法。
背景技术
精密加工及微细加工领域中，棱边完整性是保证产品质量的重要指标，毛刺则是影响棱边完整性的最主要因素。毛刺的存在对零件的加工精度、装配精度和外观质量等方面都会产生不良影响，并且去除毛刺的成本随着零件复杂程度和精度的提高也会随之增加。
基于毛刺尺寸在微米级别、缺陷尺度范围与功能尺寸范围在相同数量级的特点，毛刺去除量需要精确控制，去除量较小，毛刺无法根除；去除量较大，往往会引起二次变形，产生棱边钝圆，甚至导致棱边亏缺和塌边，改变棱边几何形态和使用性能，直接影响棱边完整性。
去毛刺工艺整体上可以分为如下四种：机械去毛刺、热去毛刺、电去毛刺和化学去毛刺，但没有一种单独的去毛刺方式能够做到，在实现加工精度要求的同时，不产生任何副作用。而且大多数的去毛刺程序和工具都是针对一些特定的工件几何构造，工艺的灵活性和适配性差。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种棱边毛刺去除的金刚石刀具刃口优化实现方法，通过选取单晶金刚石刃口车刀车削作为磨削微细毛刺去除的加工方式，能够在保证棱边完整性的条件下去除毛刺，实现微米级毛刺精准去除工艺的国产化，提升微细加工领域的制造技术水平。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种棱边毛刺去除的金刚石刀具刃口优化实现方法，选取单晶金刚石刀具作为刃口材料并确定刀具前后刀面的最佳晶面，建立磨削微细毛刺尺寸预测模型和毛刺去除临界切削厚度模型，计算得到基于精度和强度的刃口钝圆半径设计方案，实现金刚石刀具刃口的优化。
所述的确定刀面的最佳晶面是指：采用不同的单晶金刚石晶面作为刀面，测量不同晶面下毛刺去除的质量和切削力，并利用有限元仿真毛刺去除工况进行辅助分析，选取最佳晶面。
所述的建立磨削微细毛刺预测模型是指：采用白光共焦位移传感器对棱边进行在位扫面检测以得到毛刺形态信息，并根据测量方法确立磨削加工参数和磨削产生的微细毛刺形态之间的关系，建立磨削微细毛刺预测模型。
所述的建立毛刺去除临界切削厚度模型是指：根据磨削微细毛刺预测模型，由理论计算和实验验证两种方式综合确定毛刺去除临界切削厚度参考指标，为后续刃口钝圆半径的优化设计提供指导，具体为：刀具的有效切削量小于毛刺去除临界切削厚度时，毛刺以车削的方式被有效去除。
所述的毛刺去除临界切削厚度
Figure BDA0002713180830000021
Figure BDA0002713180830000022
其中：h0为毛刺去除临界切削厚度，μ为摩擦系数，Fx为刀具在平行于切削方向受力，Fy为在垂直于切削方向受力，ρ为刃口钝圆半径，θ为正压力与垂直线夹角。
所述的基于精度和强度的刃口钝圆半径设计方案，包括：基于精度的刃口钝圆半径设计和基于强度的刃口钝圆半径优化设计，具体通过以下方式得到：根据毛刺去除临界切削厚度模型和刀具设计参数，在毛刺有效去除要求下进行几何关系计算，得到满足精度要求的刃口钝圆半径设计方案；然后模拟产线上棱边磨削毛刺在线车削去除工况，对型谱化的棱边毛刺进行车削试验、测量棱边完整性、切削力、加工时间和刀具磨损参数，建立毛刺模型、刃口钝圆尺寸和毛刺去除成果之间的适配规律。
技术效果
本发明整体解决了现有技术磨削微细毛刺去除难度大、加工工时长、加工精度低、加工设备复杂低效、毛刺无法根除、废品率高等问题。
与现有技术相比，本发明显著提高了加工精度和运动稳定性，有利于保证毛刺去除的精度；毛刺去除设备利用白光共焦位移传感器等非接触式测量方式实现毛刺精准定位对刀，有利于避免毛刺过量去除，降低废品率；去毛刺刀具刃口优化设计，在保证毛刺根除的同时，解决了单晶金刚石车刀容易崩刃、表面石墨化等问题，提升刀具寿命。
附图说明
图1为本发明流程示意图；
图2为本发明刃口优化设计示意图。
具体实施方式
如图1所示，为本实施例涉及的一种棱边毛刺去除的金刚石刀具刃口优化实现方法，选取单晶金刚石刀具作为刃口材料并确定刀具前后刀面的最佳晶面，建立磨削微细毛刺尺寸预测模型和毛刺去除临界切削厚度模型，计算得到基于精度和强度的刃口钝圆半径设计方案，实现金刚石刀具刃口的优化，具体步骤包括：
步骤一：根据棱边微米级毛刺去除要求和实际生产工况，在天然金刚石、人造聚晶金刚石和人造聚晶立方氮化硼等超硬材料中对比测试，选定单晶金刚石刀具作为毛刺去除工具。
所述的对比测试主要包括：查阅资料、案例调研、毛刺去除效果评估和成本计算四个方面。
所述的单晶金刚石的均匀晶体结构，在理论上可以使刀具刃口达到原子级的平直度和锋利度，在实际加工中刃口半径可控制在几十个纳米尺度范围，适合对精密工作边细小毛刺的根除；此外，单晶金刚石的高硬度和良好的抗磨损性、抗腐蚀性和化学稳定性保证刀具具有超长寿命，其高导热系数可降低切削温度和零件的热变形，进一步保证毛刺去除精度。
步骤二：进行单晶金刚石刀具刀面设计，对不同晶面的单晶金刚石刀具进行实验测试，同时利用有限元仿真，辅助分析刀具设计，最终确定前后刀面的单晶金刚石晶面。
所述的实验测试是指：利用不同晶面的单晶金刚石刀具对典型棱边毛刺进行去除，在此过程中，测量切削力、切削热和刀具刃口尺寸变化，观察毛刺去除质量，评估刀具断裂风险，最终比较得到最适合作为毛刺去除刀具前后刀面的单晶金刚石晶面。
所述的有限元仿真使用DEFORM软件。仿真时，将选定单晶金刚石晶面的相关力学参数导入有限元模型中，分别模拟切削完整材料所产生的毛刺情况和对典型毛刺的去除情况，以此结果和上述实验测试相对比，对前后刀面的单晶金刚石晶面选择提供参考。
步骤三：进行单晶金刚石刀具刃口尺寸优化设计，首先建立磨削微细毛刺尺寸预测模型和毛刺去除临界厚度模型，由此计算得到基于精度的刃口钝圆半径设计方案，并根据强度指标校核进一步得到基于强度的刃口钝圆半径优化设计。
所述的磨削微细毛刺尺寸预测模型是指：选取不同的典型磨削加工参数进行加工，获得该磨削工况下工作棱边毛刺；采用白光共焦位移传感器对棱边轮廓进行在位扫面检测，利用该传感器的全息测量特征，对棱边轮廓扫描数据实现点云特征数据辨识和网格化数字片面拼接，该磨削微细毛刺尺寸预测模型为：
Figure BDA0002713180830000031
其中：t为毛刺高度，α0为初始负剪切角，dα为剪切角变化量，
Figure BDA0002713180830000032
为砂轮磨粒平均间距，σ*为单位磨削力常数，ε为单位磨削力指数，VW为工件运动速度，VS为砂轮运动速度，ag为磨削深度，ls为砂轮与工件的接触长度，τy为剪切屈服极限应力，σy为材料屈服应力，σ*和ε由实验测试所得。
由此，三维重构后的毛刺模型与磨削加工参数一一对应，构建型谱化的磨削毛刺数据库，并根据此数据库构建出可由磨削加工参数预测毛刺形貌的磨削微细毛刺尺寸预测模型。
所述的磨削微细毛刺尺寸预测模型使用MATLAB软件处理。
所述的毛刺去除临界切削厚度模型是指：根据上述的磨削毛刺数据库，选取典型棱边毛刺样件，应用超精密数控车床和单晶金刚石刀具，模拟产线上棱边毛刺在线超精密车削去除工况，对型谱化棱边毛刺样件开展毛刺超精密车削去除实验；如图2所示，设h0为毛刺去除临界切削厚度，μ为摩擦系数，Fx为刀具在平行于切削方向受力，Fy为在垂直于切削方向受力，ρ为刃口钝圆半径，θ为正压力与垂直线夹角，则毛刺去除临界切削厚度
Figure BDA0002713180830000041
Figure BDA0002713180830000042
所述的毛刺超精密车削去除实验过程中，应用精密力传感器测量毛刺去除力，应用红外测温传感器测量切削热量，应用显微镜观察毛刺去除质量和单晶金刚石刀具磨损情况，并且综合上述测量指标，建立毛刺去除切削厚度与毛刺去除质量之间的关系，从而预估毛刺去除切削厚度最优值，并对实际加工进行指导。
所述的基于精度的刃口钝圆半径设计是指：基于上述磨削微细毛刺尺寸预测模型和毛刺去除临界厚度模型，建立刃口钝圆半径和毛刺形貌特征的几何关联；如图2所示，当刃口钝圆半径小于毛刺临界切削厚度时，可以达到切削根除毛刺的目的；当刃口钝圆半径小于毛刺临界切削厚度时，加工过程实际上为磨削挤压，在原理上无法达到根除毛刺的要求。
所述的基于强度的刃口钝圆半径优化设计是指：选取型谱化毛刺样件和相对应刃口钝圆半径的单晶金刚石刀具进行毛刺去除实验，测量切削力、切削热、棱边完整性和毛刺去除质量因素。综合考虑金刚石刀具刃口在该尺寸下的整体刚度和稳定性，避免切削热导致单晶金刚石出现石墨化情况，建立加工质量和加工效率的关系曲线并找出刃口钝圆半径合理设计区间，以此完成强度指标和加工效率指标的校核。
经过具体实际实验，以某型号伺服阀阀芯棱边毛刺去除为例，通过本方法毛刺去除率达100％。经检测后发现，所有毛刺均被限制在2微米以下，直径为15mm的阀芯棱边毛刺去除时间约为20分钟，棱边完整性良好，废品率低于1％。
综上，与现有技术相比，本发明显著提升了毛刺加工去除率和加工效率，降低了毛刺过度去除导致的产品报废等缺陷。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (7)

1.一种棱边毛刺去除的金刚石刀具刃口优化实现方法，其特征在于，选取单晶金刚石刀具作为刃口材料并确定刀具前后刀面的最佳晶面，建立磨削微细毛刺尺寸预测模型和毛刺去除临界切削厚度模型，计算得到基于精度和强度的刃口钝圆半径设计方案，实现金刚石刀具刃口的优化。
2.根据权利要求1所述的金刚石刀具刃口优化实现方法，其特征是，所述的通过实验确定刀面的最佳晶面是指：在其他加工条件相同的情况下采用不同的单晶金刚石晶面作为刀面，测量不同晶面下毛刺去除的质量和切削力，并利用有限元仿真毛刺去除工况进行辅助分析，选取最佳晶面。
3.根据权利要求1所述的金刚石刀具刃口优化实现方法，其特征是，所述的建立磨削微细毛刺尺寸预测模型是指：采用白光共焦位移传感器对棱边进行在位扫面检测以得到毛刺形态信息，并根据测量方法确立磨削加工参数和磨削产生的微细毛刺形态之间的关系，建立模型。
4.根据权利要求1或3所述的金刚石刀具刃口优化实现方法，其特征是，所述的磨削微细毛刺尺寸预测模型为：
Figure FDA0002713180820000011
其中：t为毛刺高度，α0为初始负剪切角，dα为剪切角变化量，
Figure FDA0002713180820000012
为砂轮磨粒平均间距，σ*为单位磨削力常数，ε为单位磨削力指数，VW为工件运动速度，VS为砂轮运动速度，ag为磨削深度，ls为砂轮与工件的接触长度，τy为剪切屈服极限应力，σy为材料屈服应力。
5.根据权利要求1所述的金刚石刀具刃口优化实现方法，其特征是，所述的建立毛刺去除临界切削厚度模型是指：根据磨削微细毛刺预测模型，由理论计算和实验验证两种方式综合确定毛刺去除临界切削厚度参考指标，为后续刃口钝圆半径的优化设计提供指导；
所述的毛刺去除临界切削厚度参考指标是指：刀具的有效切削量小于毛刺去除临界切削厚度时，毛刺以车削的方式被有效去除。
6.根据权利要求1或5所述的金刚石刀具刃口优化实现方法，其特征是，所述的毛刺去除临界切削厚度模型为：
Figure FDA0002713180820000013
其中：h0为毛刺去除临界切削厚度，μ为摩擦系数，Fx为刀具在平行于切削方向受力，Fy为在垂直于切削方向受力，ρ为刃口钝圆半径，θ为正压力与垂直线夹角。
7.根据权利要求1所述的金刚石刀具刃口优化实现方法，其特征是，所述的基于精度和强度的刃口钝圆半径设计方案，包括：基于精度的刃口钝圆半径设计和基于强度的刃口钝圆半径优化设计，具体通过以下方式得到：根据毛刺去除临界切削厚度模型和刀具设计参数，在毛刺有效去除要求下进行几何关系计算，得到满足精度要求的刃口钝圆半径设计方案；然后模拟产线上棱边磨削毛刺在线车削去除工况，对型谱化的棱边毛刺进行车削试验、测量棱边完整性、切削力、加工时间和刀具磨损参数，建立毛刺模型、刃口钝圆尺寸和毛刺去除成果之间的适配规律。
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