汽车零件超精密切削中直线刃刀具的设计

燕山大学专业综合训练说明书题目：汽车零件超精密切削中直线刃刀具的设计 学院（系）：车辆与能源学院 年级专业： 08级车辆2班 学 号： 080113030032 学生姓名： 冯程程 指导教师： 陈俊云 燕山大学专业综合训练任务书院（系）：车辆与能源学院 基层教学单位：车辆与交通运输工程系学 号080113030032学生姓名冯程程专业（班级）08级车辆2班题 目汽车零件超精密切削中直线刃刀具的设计训 练 内 容 和 目 的1. 了解汽车零件的超精密加工工艺；2. 了解超精密加工中应用的刀具材料、结构形式；3. 了解刀具的几何参数对切削加工过程的影响；4. 分析如何实现汽车零件的超精密加工，即“以车代磨”；5. 掌握直线刃刀具的使用场合，相对于其它刀具形式的优缺点；6. 掌握直线刃刀具的结构设计；7. 掌握刀具二维和三维模型的建立。完 成 任 务 量1. 直线刃刀具的设计图纸；2. 直线刃刀具的三维模型；3. 设计报告。进 度 安 排第一周：查阅文献；第二周：阅读文献，总结相关需要了解的内容；第三周：直线刃刀具的结构设计；第四周：建立刀具的二维和三维模型。参考资料金属切削原理及刀具设计精密切削与工整加工技术精密和超精密加工技术汽车车身制造工艺学指导教师签字基层教学单位主任签字2011年11月29目 录前言 1第一章 超精密加工技术 1第二章 超精密加工金刚石刀具 22.1 超精密加工金刚石刀具的特点和应用22.2 金刚石刀具的材料及其各自特点32.3 金刚石刀具设计时最主要的问题42.4 安装调整金刚石刀具时应注意的问题6第三章 精车发动机活塞外圆刀具的设计 73.1 刀具材料的选择73.2 金刚石刀具的定向83.3 到头形式的选择93.4 金刚石刀具的主要几何参数的设计93.4.1前角o 的设计93.4.2后角o的设计103.4.3主副偏角Kr和Kr的设计103.4.4直线刃长度及刀刃钝圆半径的选择 10第四章 结论 12参考文献13solicited opinions and suggestions Article 265, including: four problems to 171. Deepening special regulation, State line State modified, side check side modified, total solution highlight problem 19 a; to rectification spirit carried out party political life, in-depth carried out heart talk, serious carried out criticism and self-critical; put built chapter State business throughout activities always, full cleanup and established perfect a involved four wind aspects of system provides, new 12 items, amendment perfect 15 items, abolition 3 items. Through educational practices, four winds problem significantly curb, party members and cadres apparent change of consciousness and ability of serving the masses increased significantly. (C) to promote the sustained and healthy development of economy and society. Adhere to the party-led township, prospering Township, eco-village, projects promoting Township and industrial Township, industry-rich Township, harmony Township, stabilization control development strategy, take economic construction as the Center, strengthen leadership over the economic work in earnest, closely around the target determined earlier this year to deal with and try to resolve the various adverse factors, pay close attention to the work. Efforts to promoting the construction of major projects. To transportation, water conservancy, urban infrastructure construction, focusing on implementation of a number of industrial structure adjustment and optimization and upgrading of key projects for leading roles; Completed has XX village pass village Highway, and township location lights bright of, and XX meters beautiful village, and township public rental and Xiang hospitals public rental, and 270 sets rural housing room 燕山大学专业综合训练说明书 前言超精密加工技术是尖端技术产品发展不可缺少的关键手段，在汽车行业得到了广泛的应用。如发动机中气缸体、活塞等都需要达到相当高的精度才能满足提高动力性的要求。活塞是汽车动力不可缺少的一部分，它的工作情况会直接影响汽车的运行状态。因此，利用超精密切削能获得高精度要求的加工表面，而超精密切削刀具的设计影响了加工表面的精度。第一章 超精密加工技术超精密加工并不是特指某一种加工技术，并且其加工精度也没有特定的衡量标准。目前一般来说，把超精密加工技术是制造尺寸和形状精度高于0.1m，表面粗糙度值小于Ra0.01m的产品所需的尖端生产技术称为超精密加工。从机床部件方面：提高主轴、导轨、进给装置的加工精度。从环境方面：理想的加工环境必须具有温度变化小、空间污染物少、振动干扰小等特点，并且加工精度越高对这几项的要求越苛刻。从刀具及材料方面：常用刀具为硬质合金。超硬刀具材料指金刚石和立方氮化硼。随材料科学的发展，继续研究开发既具有高速钢、硬质合金的强度和韧性，又具有超硬材料的硬度和耐磨性。金刚石刀具则是目前超精密加工中性能最好，最能满足加工质量要求的刀具。第二章 超精密加工金刚石刀具21 超精密加工金刚石刀具的特点和应用金刚石常以镶包或焊接的方式与刀杆连接，并用切削的方式以高效低成本确定性去除和几乎无亚表面损伤的情况下获得纳米级表面粗糙度和亚微米级尺寸廓形精度，甚至更高。211超密精加工金刚石刀具的特点1） 高硬度和高耐磨性。切削过程中的尺寸保持性极高，廓形能力极高。2） 低的线膨胀系数。切削过程中温度变化相同，尺寸变化明显小，有益于尺寸精度控制。3） 高导热性。切削热量不易集聚，切削温度低，有益于超精加工尺寸的控制，减小了对被加工工件表面质量的影响。4） 大的弹性模量。同样应力下，叫其他刀具应变小。5） 低的摩擦系数。降低切削区变形，减少切削热，降低切削温度。6） 极小的刀刃钝圆半径。刀刃钝圆半径越小，越能实现薄的切削厚度和切削深度，能降低切削区的弹塑性变形，进而降低切削力和刀具磨损，是切削变平稳。目前做到的刀刃钝圆半径为1020nm。7） 平滑的刃口。有利于工件表面精度。212超精金刚石刀具的应用金刚石刀具切削热不宜高于700，否则会发生墨化现象，工具很快磨损。金刚石刀具只能用于加工有色金属和非金属材料上，不能用于加工黑色金属。目前金刚石切削技术可加工的材料有：塑性材料，如有色金属（铜、铝合金等）、金、银、无电镍、有机玻璃、各种塑料制品（照相机的塑料镜片、隐形眼镜镜片）等；脆性材料如硅、锗、红外光学晶体（碲镉汞、锑化镉、多晶硅、硫化锌、硒化锌、氯化钠、氯化钾、氯化锶、氟化镁、氟化钙、铌酸锂、KDP晶体等）。上述材料经过金刚石超精密切削加工均可以直接达到光学表面质量要求。22 金刚石刀具材料的种类及其各自特点 金刚石刀具分为天然金刚石刀具（JT）和人造金刚石刀具（JR），人造金刚石刀具包括整体人造金刚石刀具、人造聚晶金刚石及其复合片、钎焊金刚石刀具和金刚石涂层刀具。（1）天然金刚石刀具。用它作为刀具必须选向。在不同晶面上，其硬度、强度和耐磨性差别很大，通常在（100500）倍内变化。天然金刚石性质较脆，磨削困难，价格昂贵，使其广泛的应用受到限制。主要用于精密切削铜和铜合金、铝和铝合金、塑料等有色金属及非金属材料。加工后工件表面粗糙度可达(0.10.012)m。（2）人造聚晶金刚石刀具。人造聚晶金刚石比天然金刚石硬度稍低，各方向硬度和耐磨性一致，性能稳定，可制作尺寸较大的刀片，适于切削有色金属和非金属。其加工后工件的表面粗糙度可达0.05m。（3）人造聚晶金刚石复合片刀具（PCD）。它是在抗弯强度较高的硬质合金刀片上，燃结一层微粒度为（28）m金刚石微粉的聚晶层，使刀片复合抗弯强度提高到1500MPa。PCD刀片聚晶金刚石层的硬度和耐磨性各方向一致。可以高速切削有色金属和非金属材料。他的切削效率和耐用度是硬质合金的几十甚至几百倍，而价格较便宜。其加工后工件表面粗糙度可达（0.10.05）m。（4）人造金刚石厚膜钎焊刀具（CVD）。利用化学气相沉积工艺，制成纯度较高的（0.50.7）厚，直径为（6070）的金刚石膜，用激光切割钎焊在硬质合金刀片上。性能与用途基本与PCD刀具相同。加工后工件表面粗糙度小于0.5m。（5）金刚石涂层刀具。在刃磨好的硬质合金刀片上，采用CVD工艺，涂覆一层（1025）m金刚石薄膜，以提高刀具的耐磨性和抗粘结性能。主要用于切削有色金属。23 金刚石刀具设计时最主要的问题设计金刚石刀具时需要注意以下几个问题：（1） 金刚石刀具切削部分的几何形状。刀头形式。金刚石刀具一般不采用主切削刃和服切削刃相交为一点的刀尖，因其容易崩刃和磨损，且在加工表面上留下加工痕迹，增大表面光粗糙度的值。采用直线修光刃或圆弧修光刃。直线修光刃长度一般取（0.10.2）。圆弧刃推荐半径为R=（0.53）。金刚石刀具的刀头有以下几种形式前角和后角。为增加刀刃的强度，应采用较大的刀具楔角，故前角和后角都应小。（2） 金刚石刀具前、后晶面的选择。由于单晶金刚石晶体的各向异性，各方向的性能（如硬度和耐磨性、微观强度和研磨加工的难易程度等）相差甚为悬殊，因此金刚石刀具前刀面和后刀面选择什么晶面是一个非常重要的问题。理论上可按受力、受热和磨损形式的不同而作出相应的选择。如当被加工工件存在硬质点，使刀具磨损以机械磨损为主时，可将刀具的前刀面和后刀面选择放在2个互相垂直的（110）晶面上，此时刀具的加工工艺性能最好。（3） 金刚石刀头的固定方法机械固定法：以螺钉压紧或镶嵌法。粘结固定法：常用的粘结剂为无机粘结剂和环氧树脂。优点：方法简单，刀头容易取下。复合固定法：粘结与机械复合固定。24安装调整金刚石刀具时应注意的问题（1） 刀具在安装使用前用300倍显微镜或高倍放大镜仔细检查各切削刃是否符合要求。（2） 刀具安装时，刀尖必须与工件旋转中心等高。（3） 在安装直线修光刃的金刚石刀具时，修光刃必须与进给方向平行。（4） 安装刀尖为圆弧刃的刀具比较容易。若刀尖有磨损，可将刀具水平偏转一个角度，延长刀具使用寿命。（5） 在安装和调整金刚石刀具时，只有在工件旋转时，才能使刀尖或刀刃与工件接触。（6） 高精度镜面切削所用的刀具，很大程度上取决于刀具正确安装和被切削状态。为了到达没有衍射光和散乱光的镜面，根据经验在道具调整的范围内，在刀具走刀方向，使刀具稍微向前倾斜，可以得到较好的切削效果。为了提高发动机性能，发动机活塞材料由低硅铝合金改为中硅铝合金，甚至采用高硅铝合金。随着硅含量的增多，材料的加工性能下降，以往沿用的硬质合金刀具就难以胜任，因此有必要开发新型刀具。第三章 精车发动机活塞外圆刀具的设计31 刀具材料的选择刀具材料必备的性能：（1） 硬度。刀具材料必须高于工件材料的硬度。（2） 强度和韧性。承受较大的切削力，在材料断裂前吸收能量进行塑性变形。（3） 耐磨性。（4） 热硬性。保持在高温下仍具有良好的强度。（5） 工艺性。具有良好的可加工性，可磨削性，高温塑性，不易脱碳。 由于活塞的表面精度要求很高，尤其是活塞顶部燃烧室，混合气燃烧做功会产生很大的热应力，若达不到一定要求的表面精度，活塞顶部会因热应力导致产生裂纹，进而影响发动机的工作。硅铝合金中存在着硬点，由于材料内部硬度不均匀，一般的硬质合金刀具本身硬度不够，并且加工质量根本不能达到要求的表面精度。天然单晶金刚石具有硬度高、耐磨性好、强度高、导热性好、与有色金属摩擦系数低、抗黏结性好以及优良的抗腐蚀性和化学稳定性，可以磨出极其锋利的刀刃，被认为是最理想的超精密切削用刀具材料。虽然其价格较昂贵，但与其它复合金刚石刀具相比，在合理的晶面定向的情况下，耐磨性好，其刀具使用寿命要比其它复合金刚石刀具长很多。从这个角度来看，天然单晶金刚石刀具既能达到理想的表面精度，又有较长的使用寿命。同时保证了加工质量和生产经济性。 根据被加工材料、要求的表面精度、刀具磨损及刀具寿命等综合因素考虑，硅铝合金活塞外圆精车刀具应选择天然单晶金刚石刀具。 32 金刚石刀具的定向天然单晶金刚石本身质地细密经过精密研磨，切削刃的刃口圆弧半径可小到0.0100.002m。但天然单晶金刚石较脆，其结晶各向异性，不同晶面或同一晶面不同方向的晶体硬度均有差异。在进行刀具设计时，必须选择合适的方向。要考虑用什么晶面作刀具的工作面（前刀面、后刀面），以获得刀具的高质量和较长的使用寿命。即金刚石刀具的定向。 （100）晶面较其它晶面有着更高的抗应力、抗腐蚀、抗温度的能力，当切削时，化学磨损占主导时，刀具前刀面仍可选用（110）晶面，而后刀面改用（100）晶面，这种选择还可节约金刚石材料，以为金刚石原材一般在（110）面的（100）方向具有最大长度。当加工高硬度的铝合金材料，如精车发动机活塞时，刀具多以应力破碎为主，道人强度必须要高，因材宜选用2个互相垂直的（100）晶面分别作为刀具的前刀面和后刀面。33 刀头形状的选择金刚石刀具的修光刃可以提高刀尖强度，减小刀尖崩损的可能性，也可有效降低已加工表面的粗糙度。刀具有直线修光刃时，可减少残留面积，减小加工表面的粗糙度值，可以得到令人满足的加工表面(Ra0. 02m)。另外，直线修光刃制造研磨轻易。但直线修光刃刀具要求对刀良好，直线修光刃应严格和进给方向一致，修光刃不能太长，太长会增加径向切削力，修光刃和工件表面过多摩擦会使表面粗糙度值增大，并加速刀具磨损。国内在加工圆柱面、圆锥面和端平面时，多采用直线修光刃。 刀具采用圆弧修光刃时，对刀轻易，使用方便，圆弧刃留下的残留面积极小，对表面粗糙度影响不大，但刀具制造研磨费事，价格较高。综合考虑，精车发动机活塞外圆的刀具刀头采用直线修光刃。34 金刚石刀具的主要几何参数的设计341 前角o 的设计 前角o是前刀面与基面之间的夹角。为了增强金刚石刀刃的强度，很少采用正前角，这明显不同于硬质合金和高速钢刀具。但它的前角仍根据不同的被加工材料而定。加工不同材料时，其合理的数值变化不大。通常金刚石刀具的前角为o=0。当加工材料为塑料时，选用前角o=2.525；当加工材料为铝、铜、电解镍、铍青铜、黄铜时，选用前角o=010；当加工材料为硫化锌、硒化锌时，选用前角o=1025；当加工材料为锗、硅、砷化镓时，选用前角o=1525。 增大刀具前角，会使切削刃与刀头的强度降低，刀头的导热面积和容热体积减小，适当减小前角可获得较好的断屑效果。被加工活塞材料为硅铝合金，根据被加工材料、刀刃强度和切削散热等原因考虑，选择刀具前角o=0。342 后角o的设计后角o是主后刀面与切削平面之间的夹角。后角的主要功用是减小后刀面与过度面之间的摩擦。后角o大小直接决定着刀刃的锋利程度，对加工工件的表面粗糙度也有影响。随着后角o的增大，刀具和工件的摩擦减小，对降低工件表面粗糙度有好处。适当增大后角也有利于刀具的使用寿命。它由使用要求决定，可在很大的范围内变动，一般为015。但后角的增大，会降低切削刃的强度。综合考虑，选择后角o=8。343主副偏角Kr和Kr的设计它直接影响加工表面粗糙度和切削中的径向力。减小主偏角使切削厚度和残留面积高度减小，可降低工件表面粗糙度。但主偏角减小切深抗力增大，切削的工件刚性较差时会产生振动。金刚石道具的主偏角应在3090，一般采用Kr=45。选择主偏角Kr=45。其副偏角Kr=45。344直线刃长度及刀刃钝圆半径的选择金刚石刀具刀头一般采用在主切削刃和副切削刃之间加过渡刃修光刃的形式，以对加工表面起修光作用，获得好的加工表面质量。若采用主切削刃与副切削刃相交为一点的尖锐刀尖，则刀尖不仅容易崩刃和磨损，而且还在加工表面上留下加工痕迹，从而增加表面粗糙度值。国内多采用直线修光刃，这种修光刃制造研磨简单，但要求对刀良好。修光刃不能太长，一般取（0.050.2）。选择修光刃长度为L=0.2。刀刃刃口半径r越小，刀刃锋锐度越好。实际生产中，刀刃锋锐度对加工质量有很大的影响，经实验和生产证实，它主要表现在以下几个方面： 1. 刀刃锋锐度越好，加工表面粗糙度值越小： 2. 刀刃锋锐度越好，切削变形和切削力越小： 3. 刀刃锋锐度越好，切削表面层的冷硬现象和组织位错现象越小； 4. 刀刃锋锐度越好，加工表面残留应力越小。实际生产中，刃口钝圆半径尽可能小，这样才能得到高质量的加工表面。要求刀具刃口圆弧半径小于被切削材料层的厚度。刀刃的粗糙度和完整性收前后刀面粗糙度的影响。前后刀面粗糙度低，刀具刃口粗糙度降低，刃口的完整性就好，刃口就锋利。刃口钝圆半径应不大于0.1m，选择刃口钝圆半径R=0.05m。第四章 结论 根据被加工活塞的材料，表面粗糙度，刀具材料及刀具角度对加工表面的影响及刀具磨损和使用寿命等综合因素考虑，设计刀具参数如下：刀具材料：天然单晶金刚石刀具；前、后刀面晶向：两个互相垂直的（100）晶面；前角o：o=0；后角o：o=8；主偏角Kr：Kr=45；副偏角Kr：Kr=45；直线刃长度：L=0.2；钝圆半径：R=0.05m。 参考文献1 甘肃工业大学：金属切削原理及刀具设计，上海科学技术出版社，1979年。2 哈尔滨工业大学袁哲俊、清华大学王先逵：精密切削与工整加工技术，机械工业出版社，1999年。3 哈尔滨工业大学袁哲俊、清华大学王先逵：精密和超精密加工技术，机械工业出版社，2000年。4 汽车车身制造工艺学5 中国科技大学张竞敏、黄松筠，单晶金刚石刀具的设计与应用，1999年。6 上海理工大学张松松、曾忠、倪建斌，超精密加工的现状及发展前景，2006年。7 陈定一、孙楠，超精密加工金刚石刀具的特点及应用，2008年。 13