2024年5月27日发(作者：澹台静枫)
2005
年第
39
卷№
5
37
刀具后刀面磨损量对切削力及加工表面粗糙度的影响
吴泽群 刘亚俊 汤 勇 陈 平
华南理工大学
摘 要
:
通过切削试验探索了在相同的工件材料、刀具材料、切削参数
(
切削深度、进给量
)
和不同的刀具磨损
状态
(
后刀面磨损量
)
下
,
刀具后刀面磨损量
(
VB
)
对切削过程中的切削力及工件表面粗糙度的影响
,
并对这些影响
的产生机理进行了讨论。
关键词
:
后刀面磨损量
,
切削力
,
表面粗糙度
EffectofToolFlankWearonCuttingForceandSurfaceRoughness
WuZequn
LiuYajun
TangYong
etal
Abstract:Theeffectofthetoolflankwear
(
VB
)
onthecuttingforceandthesurfaceroughnessisstudied,basingontheex
2
perimentswiththesameworkpiecematerials,sametoolmaterials,samecuttingparameters
(
depthofcut,feedrate
)
anddifferent
toolconditions
(
focusingondifferenttoolflankwears
)
.Themechanismproductionoftheseeffectsisalsodiscussed.
Keywords:toolflankwear,
cuttingforce,
surfaceroughness
1
引言
切削力是描述切削过程的一个基本参数。近年
来
,
随着加工过程自动控制技术的发展
,
切削力已成
为适应和控制切削过程的一个重要反馈参数。切削
力的变化直接决定着切削热的产生、分布
,
并影响刀
具的磨损状况和使用寿命
,
进而影响零件被加工表
面的加工精度和已加工表面质量。
影响切削力的因素有很多
,
诸如车床的转速、切
削深度、进给量、后刀面磨损量等。刀具的磨损量不
仅对切削力的大小有影响
,
而且在金属的切削过程
中
,
刀具的磨损与破损是影响加工零件精度和表面
质量的重要因素
,
严重的刀具磨损还会引起切削颤
振
,
损坏机床、刀具、工件等。
国内外对切削力影响因素的研究大多数都着眼
于车床转速、切削深度等参数的选择
,
对刀具磨损对
切削力影响的研究相对较少
,
而且有关刀具磨损对
工件表面质量影响的研究也不多
,
因此
,
研究刀具磨
损对切削力和表面粗糙度的影响具有一定的现实意
义。
2
切削试验
收稿日期
:2004
年
10
月
2
1
1
试验条件
(
1
)
试验设备
:CM6140
车床
;
刀具材料
:
硬质合金
YW;
被切削材料
:45
钢
;
(
2
)
测量仪器
:Kistler9441
测力仪、
Kistler
5019A
多通道放大器、
TR200
粗糙度仪。
图
1
试验系统
2
1
2
试验参数的选择
刀具后刀面磨损量
VB
是刀具磨损的重要指标
之一。在一定范围内选择
VB
的六个值
,
分别为
0
(
未磨损的
)
、
0
1
1mm
、
0
1
2mm
、
0
1
3mm
、
0
1
4mm
、
0
1
5mm
。
图
2
后刀面磨损量
VB
4
李亚非
.GC
杯形砂轮修整碟形金刚石砂轮实验研究
.
金
6
庄司克雄
.
陶瓷结合剂金刚石砂轮的修整研究Ⅲ
(
1
)
.
金
刚石与磨料磨具工程
,2003
(
10
)
:28
～
30
5
阎秋生
,
田中宪司
,
庄司克雄
.
小直径
CBN
砂轮的磨削特
刚石与磨料磨具工程
,1993
(
1
)
第一作者
:
于晓娟
,
硕士研究生
,
北京理工大学机械与车
辆工程学院
,100081
北京市性研究———砂轮修整方法及砂轮要素参数选择
.
制造技
术与机床
,1999,9
38
工具技术
3
后刀面磨损量对切削力的影响
切削过程中的切削力包括两部分
:
一是切削力
的静态分量
,
也就是切削力的平均值
,
它是切削变形
所必需的力
;
二是切削力的动态分量
,
表现为围绕切
削力平均力的上下波动
[1]
。
为了验证切削力与后刀面磨损量
(
VB
)
的关系
,
在切削试验过程中保持其它切削参数固定不变
:
主
轴转速
n
=400r/min,
进给量
f
=0
1
05mm/r,
切削深
度
a
p
=0
1
4mm;
采样频率为
50000Hz,
采样数为
9000,
放大倍数为
50
。
(
1
)
试验结果
通过试验得到切削力静态分量的变化见表
1
和
图
3
。
表
1
试验结果
试验号
磨损量
(
mm
)
静态分量
(
N
)
1
0
34.35
2
0.1
41.85
3
0.2
51.75
4
0.3
56
5
0.4
73.5
6
0.5
195.15
通过切削试验得出刀具的后刀面磨损量
(
VB
)
与工件表面粗糙度的关系
(
见表
2
和图
4
)
。
表
2
试验结果
试验号
磨损量
(
mm
)
μ
表面粗糙度
(
m
)
1
0
3.398
2
0.1
2.947
3
0.2
3.303
4
0.3
2.516
5
0.4
3.505
图
4
磨损量与表面粗糙度的关系曲线图
图
5
粗糙度变化幅度曲线图
图
3
磨损量与静态切削力的关系曲线图
从试验结果可以看出
,
在后刀面磨损量较小
(
VB
<0
1
4mm
)
时
,
切削过程中的切削力静态分量和
VB
基本上呈线性关系
,
即随着磨损量的增大而增
加
;
但随着
VB
的进一步增大
(
VB
>0
1
4mm
)
,
切削力
静态分量急剧上升。
(
2
)
理论分析
由于刀具后刀面发生磨损以后改变了刀具与工
件之间的接触方式
,
由理论上的线接触变为面接
触
[2]
,
这样就使得后刀面与工件之间的摩擦力加大、
吃刀抗力增大
,
反映在切削力方向上便是切削力增
大
;
随着刀具磨损量的不断增大
,
摩擦将继续加剧
,
因而切削力也将不断增大
[3]
。这就是说
,
切削力静
态分量具有正比于刀具后刀面磨损量的特性。
4
后刀面磨损量对加工表面粗糙度的
从试验结果可以看出
,
工件表面的粗糙度随着
后刀面磨损量的增大在一定的范围内起伏变化
,
同
时由于磨损量的增大使得粗糙度的变化幅度加大
(
见图
5
)
。这是由于表面粗糙度变化幅度的大小与
系统的振动有关
,
而振动又是由系统的不稳定造成
的。在切削过程中
,
刀具的磨损分为三个阶段
:
初期
磨损、正常磨损和剧烈磨损。由于刀具表面难免存
在一些毛刺和不规则的微凸体、微裂痕等
,
所以在切
削的开始阶段
,
磨损比较剧烈
,
这就造成了系统的振
动较大
,
表面粗糙度变化幅度也大
;
随着进入正常磨
损
,
磨损率减小
,
切削过程比较平稳
,
因此表现为表
面粗糙度变化幅度减小
;
随着磨损量的增大
,
刀具进
入剧烈磨损阶段
,
刀具后刀面磨损率急剧上升
,
系统
又趋向于不稳定
,
振动随之增大
,
加工表面粗糙度的
变化幅度也急剧上升。
5
结论
(
1
)
在一定的磨损范围内
,
切削力的静态分量随
影响
2005
年第
39
卷№
5
39
电铸高精度金刚石—金属复合薄膜切割工具
方莉俐
1,2
张兵临
1
姚 宁
1
12
郑州大学 中原工学院
摘 要
:
通过对电铸高精度金刚石—金属复合薄膜切割工具的制备方法介绍
,
分析了金刚石—金属复合薄膜
的研究现状、研究方向及其在电子信息领域中的应用前景及市场潜力。
关键词
:
金刚石—金属复合薄膜
,
切割工具
,
电铸
,
高精度
AccurateElectroformedDiamond
2
metalCompositeFilmCuttingTool
FangLili
ZhangBinglin
YaoNing
Abstract:Thepreparationofaccurateelectroformeddiamond
2
rentsitu
2
ation,problems,researchabledirections,applicationandmarketpotentialofthecuttingtoolarepresented.
Keywords:diamond
2
metalcompositefilm,
cuttingtool,
electroforming,
highaccuracy
1
引言
金刚石具有高硬度、高室温热导率、低热膨胀系
数、高化学惰性、大禁带宽度、高声传播速度以及从
远红外光区到深紫外光区的透明性高等优异性能。
金刚石薄膜制品在机械加工、微电子、光学等领域已
获得了广泛的应用并有着广阔的应用前景。高精度
金刚石超薄切割工具随着电子工业技术的发展而出
现并发展起来。早在上世纪
60
年代中期
,
前苏联就
研制出了由金刚石磨粒和金属结合剂构成的超薄切
割片
,
用于硅片的切割。随着世界电子工业的迅猛
发展
,
日本、美国等工业发达国家纷纷开发出了高精
度金刚石超薄切割工具
,
其产品精度高、刚性好
,
使
用性能十分优良。随着我国电子信息领域的发展
,
对这类工具的需求也越来越多
,
但进口工具的价格
昂贵
,
订货周期长
,
降低了企业的经济效益。国产工
具正处在研究开发阶段
,
远远跟不上电子信息领域
的发展需求
,
因此高精度金刚石超薄切割工具的研
制技术仍是我国工具及微电子行业迫切需要解决的
问题之一。
研究金刚石薄膜制品及器件的方法很多
,
主要
收稿日期
:2004
年
9
月
有
PVD
、
CVD
、压制法、电镀法等
[1]
。金刚石超薄切
割工具主要用于电子信息领域微精密贵重电子元器
件的精密细微切断与开槽
,
如集成电路基板
,
计算
机、录像机磁头
,
硅片、砷化钾等半导体基片
,
各种芯
片
,
片式电感、电容
,
各种陶瓷、玻璃类电子元件等。
可加工硅、铁氧体、玻璃、水晶、陶瓷、铁硅铝磁合金
以及硬质合金等材料
,
具有切缝小、工件精度高、表
面质量好、切削效率高等一系列优点。为满足用户
对被加工产品质量和切割性能方面的要求
,
切割工
具必须具有高的尺寸和形位精度、足够高的刚性及
强度、高密度及组织均匀性
,
高锋利度和形状保持
性
,
而金刚石—金属复合薄膜切割工具则是首选对
象之一。
2
金刚石—金属复合薄膜切割工具的
研究现状
目前高精度金刚石超薄切割工具的制备方法主
要有压制法和电铸法。虽然这两种方法的加工工艺
完全不同
,
但都是把金刚石颗粒均匀分布于金属胎
体中
,
采用相应的技术达到精度高、刚性好、切割效
率高等要求。电铸法制备的金刚石超薄切割工具厚
度较压制法更薄、精度更高
,
可用于微电子器件的精
密划片和开槽。
2
韩育平
,
王永梅
.
切削力监测刀具磨损的一种方法
.
煤矿
着后刀面磨损量
VB
的增大而呈线性增加
,
当超过
这个范围以后
,
切削力静态分量将急剧上升。
(
2
)
加工表面粗糙度随着磨损量的变化而起伏
变化
,
变化的幅度随着磨损量的增大而增加。
参考文献
1
孙宝元
,
张贻恭
.
压电石英力传感器及动态切削测力仪
.
机械
,2004
(
1
)
:74
～
76
3
谭云成
,
杨建东
,
夏仁丰
.
考虑刀具磨损时的理论切削力
.
长春光学精密机械学院学报
,1995,18
(
2
)
:41
～
45
4
成刚虎
,
彭炎午
,
姚国兰
.
刀具磨损的切削力监测
.
西北
工业大学学报
,1994,12
(
3
)
:482
～
487
第一作者
:
吴泽群
,
华南理工大学机械工程学院
,510640
广州市
计量出版社
,1985
2024年5月27日发(作者：澹台静枫)
2005
年第
39
卷№
5
37
刀具后刀面磨损量对切削力及加工表面粗糙度的影响
吴泽群 刘亚俊 汤 勇 陈 平
华南理工大学
摘 要
:
通过切削试验探索了在相同的工件材料、刀具材料、切削参数
(
切削深度、进给量
)
和不同的刀具磨损
状态
(
后刀面磨损量
)
下
,
刀具后刀面磨损量
(
VB
)
对切削过程中的切削力及工件表面粗糙度的影响
,
并对这些影响
的产生机理进行了讨论。
关键词
:
后刀面磨损量
,
切削力
,
表面粗糙度
EffectofToolFlankWearonCuttingForceandSurfaceRoughness
WuZequn
LiuYajun
TangYong
etal
Abstract:Theeffectofthetoolflankwear
(
VB
)
onthecuttingforceandthesurfaceroughnessisstudied,basingontheex
2
perimentswiththesameworkpiecematerials,sametoolmaterials,samecuttingparameters
(
depthofcut,feedrate
)
anddifferent
toolconditions
(
focusingondifferenttoolflankwears
)
.Themechanismproductionoftheseeffectsisalsodiscussed.
Keywords:toolflankwear,
cuttingforce,
surfaceroughness
1
引言
切削力是描述切削过程的一个基本参数。近年
来
,
随着加工过程自动控制技术的发展
,
切削力已成
为适应和控制切削过程的一个重要反馈参数。切削
力的变化直接决定着切削热的产生、分布
,
并影响刀
具的磨损状况和使用寿命
,
进而影响零件被加工表
面的加工精度和已加工表面质量。
影响切削力的因素有很多
,
诸如车床的转速、切
削深度、进给量、后刀面磨损量等。刀具的磨损量不
仅对切削力的大小有影响
,
而且在金属的切削过程
中
,
刀具的磨损与破损是影响加工零件精度和表面
质量的重要因素
,
严重的刀具磨损还会引起切削颤
振
,
损坏机床、刀具、工件等。
国内外对切削力影响因素的研究大多数都着眼
于车床转速、切削深度等参数的选择
,
对刀具磨损对
切削力影响的研究相对较少
,
而且有关刀具磨损对
工件表面质量影响的研究也不多
,
因此
,
研究刀具磨
损对切削力和表面粗糙度的影响具有一定的现实意
义。
2
切削试验
收稿日期
:2004
年
10
月
2
1
1
试验条件
(
1
)
试验设备
:CM6140
车床
;
刀具材料
:
硬质合金
YW;
被切削材料
:45
钢
;
(
2
)
测量仪器
:Kistler9441
测力仪、
Kistler
5019A
多通道放大器、
TR200
粗糙度仪。
图
1
试验系统
2
1
2
试验参数的选择
刀具后刀面磨损量
VB
是刀具磨损的重要指标
之一。在一定范围内选择
VB
的六个值
,
分别为
0
(
未磨损的
)
、
0
1
1mm
、
0
1
2mm
、
0
1
3mm
、
0
1
4mm
、
0
1
5mm
。
图
2
后刀面磨损量
VB
4
李亚非
.GC
杯形砂轮修整碟形金刚石砂轮实验研究
.
金
6
庄司克雄
.
陶瓷结合剂金刚石砂轮的修整研究Ⅲ
(
1
)
.
金
刚石与磨料磨具工程
,2003
(
10
)
:28
～
30
5
阎秋生
,
田中宪司
,
庄司克雄
.
小直径
CBN
砂轮的磨削特
刚石与磨料磨具工程
,1993
(
1
)
第一作者
:
于晓娟
,
硕士研究生
,
北京理工大学机械与车
辆工程学院
,100081
北京市性研究———砂轮修整方法及砂轮要素参数选择
.
制造技
术与机床
,1999,9
38
工具技术
3
后刀面磨损量对切削力的影响
切削过程中的切削力包括两部分
:
一是切削力
的静态分量
,
也就是切削力的平均值
,
它是切削变形
所必需的力
;
二是切削力的动态分量
,
表现为围绕切
削力平均力的上下波动
[1]
。
为了验证切削力与后刀面磨损量
(
VB
)
的关系
,
在切削试验过程中保持其它切削参数固定不变
:
主
轴转速
n
=400r/min,
进给量
f
=0
1
05mm/r,
切削深
度
a
p
=0
1
4mm;
采样频率为
50000Hz,
采样数为
9000,
放大倍数为
50
。
(
1
)
试验结果
通过试验得到切削力静态分量的变化见表
1
和
图
3
。
表
1
试验结果
试验号
磨损量
(
mm
)
静态分量
(
N
)
1
0
34.35
2
0.1
41.85
3
0.2
51.75
4
0.3
56
5
0.4
73.5
6
0.5
195.15
通过切削试验得出刀具的后刀面磨损量
(
VB
)
与工件表面粗糙度的关系
(
见表
2
和图
4
)
。
表
2
试验结果
试验号
磨损量
(
mm
)
μ
表面粗糙度
(
m
)
1
0
3.398
2
0.1
2.947
3
0.2
3.303
4
0.3
2.516
5
0.4
3.505
图
4
磨损量与表面粗糙度的关系曲线图
图
5
粗糙度变化幅度曲线图
图
3
磨损量与静态切削力的关系曲线图
从试验结果可以看出
,
在后刀面磨损量较小
(
VB
<0
1
4mm
)
时
,
切削过程中的切削力静态分量和
VB
基本上呈线性关系
,
即随着磨损量的增大而增
加
;
但随着
VB
的进一步增大
(
VB
>0
1
4mm
)
,
切削力
静态分量急剧上升。
(
2
)
理论分析
由于刀具后刀面发生磨损以后改变了刀具与工
件之间的接触方式
,
由理论上的线接触变为面接
触
[2]
,
这样就使得后刀面与工件之间的摩擦力加大、
吃刀抗力增大
,
反映在切削力方向上便是切削力增
大
;
随着刀具磨损量的不断增大
,
摩擦将继续加剧
,
因而切削力也将不断增大
[3]
。这就是说
,
切削力静
态分量具有正比于刀具后刀面磨损量的特性。
4
后刀面磨损量对加工表面粗糙度的
从试验结果可以看出
,
工件表面的粗糙度随着
后刀面磨损量的增大在一定的范围内起伏变化
,
同
时由于磨损量的增大使得粗糙度的变化幅度加大
(
见图
5
)
。这是由于表面粗糙度变化幅度的大小与
系统的振动有关
,
而振动又是由系统的不稳定造成
的。在切削过程中
,
刀具的磨损分为三个阶段
:
初期
磨损、正常磨损和剧烈磨损。由于刀具表面难免存
在一些毛刺和不规则的微凸体、微裂痕等
,
所以在切
削的开始阶段
,
磨损比较剧烈
,
这就造成了系统的振
动较大
,
表面粗糙度变化幅度也大
;
随着进入正常磨
损
,
磨损率减小
,
切削过程比较平稳
,
因此表现为表
面粗糙度变化幅度减小
;
随着磨损量的增大
,
刀具进
入剧烈磨损阶段
,
刀具后刀面磨损率急剧上升
,
系统
又趋向于不稳定
,
振动随之增大
,
加工表面粗糙度的
变化幅度也急剧上升。
5
结论
(
1
)
在一定的磨损范围内
,
切削力的静态分量随
影响
2005
年第
39
卷№
5
39
电铸高精度金刚石—金属复合薄膜切割工具
方莉俐
1,2
张兵临
1
姚 宁
1
12
郑州大学 中原工学院
摘 要
:
通过对电铸高精度金刚石—金属复合薄膜切割工具的制备方法介绍
,
分析了金刚石—金属复合薄膜
的研究现状、研究方向及其在电子信息领域中的应用前景及市场潜力。
关键词
:
金刚石—金属复合薄膜
,
切割工具
,
电铸
,
高精度
AccurateElectroformedDiamond
2
metalCompositeFilmCuttingTool
FangLili
ZhangBinglin
YaoNing
Abstract:Thepreparationofaccurateelectroformeddiamond
2
rentsitu
2
ation,problems,researchabledirections,applicationandmarketpotentialofthecuttingtoolarepresented.
Keywords:diamond
2
metalcompositefilm,
cuttingtool,
electroforming,
highaccuracy
1
引言
金刚石具有高硬度、高室温热导率、低热膨胀系
数、高化学惰性、大禁带宽度、高声传播速度以及从
远红外光区到深紫外光区的透明性高等优异性能。
金刚石薄膜制品在机械加工、微电子、光学等领域已
获得了广泛的应用并有着广阔的应用前景。高精度
金刚石超薄切割工具随着电子工业技术的发展而出
现并发展起来。早在上世纪
60
年代中期
,
前苏联就
研制出了由金刚石磨粒和金属结合剂构成的超薄切
割片
,
用于硅片的切割。随着世界电子工业的迅猛
发展
,
日本、美国等工业发达国家纷纷开发出了高精
度金刚石超薄切割工具
,
其产品精度高、刚性好
,
使
用性能十分优良。随着我国电子信息领域的发展
,
对这类工具的需求也越来越多
,
但进口工具的价格
昂贵
,
订货周期长
,
降低了企业的经济效益。国产工
具正处在研究开发阶段
,
远远跟不上电子信息领域
的发展需求
,
因此高精度金刚石超薄切割工具的研
制技术仍是我国工具及微电子行业迫切需要解决的
问题之一。
研究金刚石薄膜制品及器件的方法很多
,
主要
收稿日期
:2004
年
9
月
有
PVD
、
CVD
、压制法、电镀法等
[1]
。金刚石超薄切
割工具主要用于电子信息领域微精密贵重电子元器
件的精密细微切断与开槽
,
如集成电路基板
,
计算
机、录像机磁头
,
硅片、砷化钾等半导体基片
,
各种芯
片
,
片式电感、电容
,
各种陶瓷、玻璃类电子元件等。
可加工硅、铁氧体、玻璃、水晶、陶瓷、铁硅铝磁合金
以及硬质合金等材料
,
具有切缝小、工件精度高、表
面质量好、切削效率高等一系列优点。为满足用户
对被加工产品质量和切割性能方面的要求
,
切割工
具必须具有高的尺寸和形位精度、足够高的刚性及
强度、高密度及组织均匀性
,
高锋利度和形状保持
性
,
而金刚石—金属复合薄膜切割工具则是首选对
象之一。
2
金刚石—金属复合薄膜切割工具的
研究现状
目前高精度金刚石超薄切割工具的制备方法主
要有压制法和电铸法。虽然这两种方法的加工工艺
完全不同
,
但都是把金刚石颗粒均匀分布于金属胎
体中
,
采用相应的技术达到精度高、刚性好、切割效
率高等要求。电铸法制备的金刚石超薄切割工具厚
度较压制法更薄、精度更高
,
可用于微电子器件的精
密划片和开槽。
2
韩育平
,
王永梅
.
切削力监测刀具磨损的一种方法
.
煤矿
着后刀面磨损量
VB
的增大而呈线性增加
,
当超过
这个范围以后
,
切削力静态分量将急剧上升。
(
2
)
加工表面粗糙度随着磨损量的变化而起伏
变化
,
变化的幅度随着磨损量的增大而增加。
参考文献
1
孙宝元
,
张贻恭
.
压电石英力传感器及动态切削测力仪
.
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,2004
(
1
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～
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3
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,
杨建东
,
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.
考虑刀具磨损时的理论切削力
.
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(
2
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～
45
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刀具磨损的切削力监测
.
西北
工业大学学报
,1994,12
(
3
)
:482
～
487
第一作者
:
吴泽群
,
华南理工大学机械工程学院
,510640
广州市
计量出版社
,1985