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20000字硕士毕业论文聚晶金刚石刀具磨削原理及钛合金制造分析

论文类型:硕士毕业论文
论文字数:20000字
论点:刀具,金刚石,材料
论文概述:

本论文中,笔者通过阅读和研究大量文献,对PCD刀具的刃磨机理和加工钛合金研究现状和PCD刀具的制造工艺及使用进行了系统的总结。同时,在大量的试验研究及理论分析的基础上,对PCD刀具的刃磨

论文正文:

1导言

1.1聚晶金刚石刀具概述目前,PCD材料的制造主要是采用扫越式催化再结晶法(英文Sweep through Catalyst Recrystallization,简称STCR),这种方法是采用基体通过硬质合金构成,在高温高压条件下,逐渐形成厚度为0.3?0.7mm的金刚石粉末层,同时硬质合金中的钴在一定条件下发生焰融现象,形成波浪层,逐渐推动金刚石粉末层移动,进而使金刚石形成再结晶。
 1.1.1 PCD刀具的发展现状经过多年的研究发现,金刚石刀具同立方氮化硼刀具一道逐渐成为超硬刀具材料的典型代表,其近百年前就已经在切削加工领域得到应用。在1927年以前,高速钢是当时刀具材料的主要代表;1927年,出现了一种新型刀具材料为硬质合金材料,这是由德国研制出厂,迅速在刀具领域得到广泛应用;直到1950年,经过人们的不断探索,终于研制出了人造金刚石,超硬材料刀具广泛使用的时代就此幵始。1972年,聚晶金刚石复合片首次出现,这是由GE公司通过高压合成技术进行合成的,复合片材料的出现对天然金刚石稀缺、幵采难度大和成本较高的问题进行了很好的解决,从而聚晶金刚石刀具材料在航空、电子仪器、汽车制造、木材加工等多个领域广泛应用。经过多年的研究发现,PCD刀具具有很好加工性能,特别是在高精密切削和难加工材料切削等领域具有广阔的发展空间。同时很多专家也在对PCD刀具的加工和使用技术进行深入研究,集美大学的王大镇用PCD刀具切削Al/SiC复合材料时,将表面粗糖度降低到0.008pm。据了解,10多年前,PCD刀具就己经在日本得到广泛的使用,使用量早已达到100万。PCD刀具在美国也得到了较好的应用,经过调查,在市场份额中,除硬质合金刀具外,陶瓷刀具占7%左右,PCD等超硬刀片占9%左右,其它各种刀具占8%左右。目前,国外先进国家己经大规模投入使用PCD和PCBN刀具,特别是由于PCD刀具具有耐磨性较好、硬度较高、导热性好等优点,在汽车工业中占据大量的市场份额。目前立方氮化硼和聚晶金刚石是能够有效提高生产率的两种超硬材料刀具。
 1.1.2 PCD刀具的性能及主要技术指标在金刚石晶体中,碳原了价键是典型的四面体结构,非常稳固,并且其巾每个碳原子又同时与四个相邻的原子形成紧密共价键,使结构更加稳固,从而使得金刚石材料具有极高硬度。但PCD刀具是聚晶金刚石材料,它是由方向不同一的较细粒度的金刚石烧结体构成,结构不是很稳定,这就使得其硬度以及耐磨性等方面与单晶的金刚石材料存在着差距。PCD材料具有如下特性:(1)PCD刀具材料的硬度较高,可达8000HV,是硬质合金的8-12倍;(2)PCD刀具材料的导热性好,导热系数较高,基本可以达到700W/mK,要高于硬质合金,甚至还要高于同为超硬材料的PCBN;(3)PCD刀具材料的具有较低的摩擦系数,比硬质合金材料要小,因此PCD刀具在切削加工过程中摩擦力就较小,从而可以减小切削过程中的切削力;(4)PCD刀具材料具有较小的热膨胀系数,其值为0.9X10A-6?1.18X10A-6,这要远远低于硬质合金刀具材料,所以PCD刀具在加工过程中受热变形量很小,可以得到较高的加工表面精度和质量;(5)PCD刀具与有色金属和非金属材料几乎不发士任何的化学反应,因此在加工过程中切屑不易粘结在加工表面。
 2磨削试验设备与试验过程
 2. 1试验设备的选择与磨削工艺2.1.1磨床选择刃磨设备需要具有以下几个方面的条件:一是要有较好的稳定性和刚性。因为PCD材料具有极高硬度,如果砂轮和工件间没有一定的压力,便不能磨除PCD材料。这就要求砂轮轴和其他机构必须具备足够的刚性。此外,主轴功率应大于1KW,为使其足够大,推荐使用2KW。二是要有有效的砂轮摆动机构。为避免由于砂轮磨耗比过低而引起砂轮表面出现沟槽,使用的工具磨床应与一般的工具磨床不同,砂轮架是进行横向摆动;此外,为避免砂轮在换向摆动过程中产生微小抖动影响刃口质量,工具磨床应使用精密导轨、精密轴承和较为精准的带传动机构。
 3PCD刀具刃磨机理研究..............183.1 PCD刀具材料磨削过程.............183.2 PCD刀具刃磨机理试验.............193.2.1 PCD刀具的磨削模型.............193.2.2金刚石刀具磨削对比试验方案.............203.3本草小结.............254 PCD刀具加工钛合金研究.............274.1 PCD刀具加工钛合金的试验设计.............274.1.1设计PCD刀具.............274.1.2工件材料的化学成分和性能.............304.2试验过程.............314.2.1试验口的.............314.2.2试验设备及条件.............314.3切削力和表而粗糙度试验结果分析.............334.4小结.............40
 结 论
 本论文中,笔者通过阅读和研究大量文献,对PCD刀具的刃磨机理和加工钛合金研究现状和PCD刀具的制造工艺及使用进行了系统的总结。同时,在大量的试验研究及理论分析的基础上,对PCD刀具的刃磨工艺条件,不同结合剂金刚石砂轮的刃磨机理区别,以及PCD刀具加工有钛合金的规律等方面进行了深入的分析。具体结论如下:(1)金刚石砂轮磨削过程中,磨除率和磨耗比与结合剂材料有很大关系,所有磨削条件相同,只釆用不同结合剂金刚石砂轮试验,当轴向进给量在一定范围内时,陶瓷结合剂砂轮的磨除率始终高于其它两种结合剂金刚石砂轮,当达到某一临界轴向进给量时,金属结合剂金刚石砂轮的磨除率开始高于陶瓷结合剂金刚石砂轮的磨除率。经过对三种结合剂金刚石砂轮的磨耗比定性分析,可以得出,其中金属结合剂砂轮最人,树脂结合剂砂轮最小陶瓷结合剂金刚石砂轮介于两者之间。(2)通过对不同结合剂金刚石砂轮的刃磨质量试验,得出了相应的表面质量微观形貌图,从而分析出不同结合剂金刚石砂轮具有不同特性,刃磨机理和刃磨质量均不同。金属结合剂金刚石砂轮对PCD刀具实现磨削是通过磨粒的破碎来不断保持磨粒的锋刃状态,磨削效率较高,刃磨的刀具表面粗糙度较低:树脂结合剂金刚石砂轮具有较差的耐热性,砂轮磨粒会由于温度的影响发生脱落,砂轮表面会因为受热而发生变形,刃磨效率变低,宜采用较低磨削速度;陶瓷结合剂金刚石砂轮的自励性好,磨削生产率高,但由于结合剂是由多种材料配压而成,磨削过程中由结合剂和金刚石磨粒容易集体脱落,致使PCD刀具表面处留下凹坑。(3)对PCD刀具切削Ti-6A1-4V棒材所得到的相应三个静态力进行分析,并绘出相应的曲线图。其中,所分析的静态切削力随切削速度的变化较小,而随进给量和切削深度的变化较大。(4)对PCD刀具切削Ti-6Al-4V棒材所得到的三个动态力进行分析,并绘出相应曲线图。经过分析可以发现,试验中的切削力的波动比较明显,其中动态力Fdynaz随切削用量的变化较为明显,但动态力Fdynax和Fdynay变化几乎为零。(5)对PCD刀具切削Ti-6A1-4V棒材所得到的工件表面粗糙度变化规律进行分析,并绘制相应变化曲线图,可以看出,表面粗糙度随切削速度的变化较小,而随进给量和切削深度变化较大。
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