金刚石车刀前角与切削刃钝圆半径对单晶硅加工表层质量的影响_赵清亮
切削加工表面质量的重要性
切削加工表面质量的重要性1刀具几何形状对表面粗糙度的影响在切削过程中，数控刀具几何参数的不同组合形成不同的切削形态。
直接影响切削过程的稳定性和表面质量。
理想状态下，采用圆弧刃金刚石刀具进行超精密车削加工软金属时，在工件加工表面形成轮廓峰和轮廓谷，它们之间的距离，被称为理论粗糙度，其大小等于f2/8R(f为进给量，R为刀具圆弧半径)。
在超精密切削塑性金属时，主切削刃和前刀面的主要任务是去除金属，切削层在前刀面的挤压作用下发生剪切滑移和塑性变形，然后形成切屑沿前刀面流出。
前刀面的形状直接影响塑性变形的程度、切屑的卷曲形式和切屑刀具之间的摩擦特性，并直接对切削力、切削温度、切屑的折断方式和加工表面质量造成显著影响。
主切削刃是前刀面和后刀面的交线。
实际上前刀面和后刀面的交线不可能为理想直线，而是一微观交接的曲线。
该曲线的形状可以近似用与其在不同位置的法平面相交成交线的平均曲率半径来反映，称其为刃口半径ρ。
切削时刃前区的应力状态十分复杂，应力集中造成金属中位错集中，导致金属产生塑性变形和滑移分离，一部分金属成为切屑沿前刀面流出，另一部分金属经后刀面熨压留在已加工表面。
因为两部分金属运动方向不同，必然使刀具刃口前金属呈拉伸状态，拉应力使刃前区金属的抗剪能力下降，在刀刃的直接作用下，金属产生滑移分离。
刃口半径越小，应力越集中，变形越容易，切削力越小，加工表面质量越好。
也就是说刃口半径对切削过程有较大影响，同时对切削力、切削温度和切屑变形系数都有不同程度的影响。
因此，提高刀具的锋锐程度，可减小刀具对金属的挤压力，使金属的变形程度降低，减缓金属的冷作硬化，有助于提高切削过程的稳定性，改善加工表面质量和延长刀具的使用寿命。
2最小切削厚度对表面粗糙度的影响除了机床本身的性能以外，使用刀具切削刃有效地切除工件材料时，最小切削厚度(MTC)的可控性和重复性是影响加工精度的主要因素。
MTC不仅可以反映切削刃的纳米级微观结构，还可以反映出刀具和工件材料之间的相互作用状态。
金刚石刀具的形状会不会对加工质量有影响？
金刚石刀具的形状会不会对加工质量有影响？
金刚石刀具因其卓越的切削性能而在超精密加工中得到了广泛的应用，下面就金刚石刀具的形状会不会对加工质量产生影响进行讨论：
一、刀刃形状对加工质量的影响
超精密切削时用的单晶金刚石刀具，有做成直线修光刃的，也有做成圆弧刃的，那么这两种形状的有什么区别呢？
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，可以得到令人满意的加工表面，另外，直线修光刃制造研磨容易。
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。
修光刃的长度一般取0.05～0.20mm。
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，对刀容易,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。
超精密切削时进给量甚小，一般f<0.02mmΠR。
国外金刚石刀具较多的采用圆弧修光刃。
推荐的修光刃圆弧半径R=0.5～3mm。
二、刀刃半径对加工质量的影响
刀刃刃口半径ρ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，经实验和生产证明，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
由此可见，实际生产中我们总是希望刀刃刃口半径ρ尽可能小，这样才能得到高质量的加工表面。
刀具前角对聚晶金刚石刀具磨损过程的影响
第7期2016年7月组合机床与自动化加工技术Modular Machine Tool & Automatic Manufacturing TechniqueNo. 7Jul. 2016文章编号：1001 -2265(2016)07 -0027 -03D01：10.13462/j. cnki. mmtamt. 2016. 07. 008刀具前角对聚晶金刚石刀具磨损过程的影响+王奔，刘东玺，王明海，郑耀辉，印文典(沈阳航空航天大学航空制造工艺数字化国防重点学科实验室，沈阳110136)摘要：为了研究刀具前角对聚晶金刚石刀具磨损过程的影响，采用两种不同前角的聚晶金刚石刀具进行各向同性热解石墨切削加工试验，对刀具磨损过程、磨损机理和表面加工质量进行了分析对比 研究。
通过对试验结果的研究分析表明：两种不同前角的聚晶金刚石刀具磨损都主要发生在后刀 面，切削刃都出现了崩刃现象。
刀具磨损区域都出现了平行沟槽式的磨损形貌，但是出现的时间存 在明显差异。
磨粒磨损是这两种不同前角的聚晶金刚石刀具的主要磨损机理，前角为5。
的聚晶金刚 石的磨损机理还包括冲蚀磨损。
与前角为5。
的聚晶金刚石刀具相比，前角为-20。
的聚晶金刚石刀 具具有较好切削加工性能。
关键词：各向同性热解石墨；刀具前角；平行沟槽;磨粒磨损 中图分类号:TH 161;TG 506 文献标识码:AThe Influence of Rake Angle on Poly c rystalline Diamond Tool Wear ProcessWANG Ben , LIU Dong -x i , WANG Ming -hai , ZHENG Yao -hui , YIN Wen-dian(Key Laboratory of Fundamental Science for National Defense of Aeronautical Digital Manufacturing Process , Shenyang Aerospace University , Shenyang 110136, China )Abstract ： In order to study the influence of rake angle on polycrystalline diamond tool wear process , turningof isotropic pyrolytic graphite tests were conducted with different rake angle polycrystalline diamond tools , the wear process of tool , wear mechanism of tool and surface machining quality were studied comparatively . Based on the experimental results and analysis ： the wear of two kinds of polycrystalline diamond tool mainly occurred in the flank fa ce , and cutting edge emerged tipping phenomenon . The morphology of tool wear ar ea had both been appeared in the parallel grooves , but the time was obviously different . The main wear mechanism of poly c rystalline diamond tool was abrasive w ear , the wear mechanism of polycrystalline dia mond tool with 5° rake angle was also contain erosive wear . Compared with polycrystalline diamond tool with 5° rake angle , polycrystalline diamond tool with -20° rake angle has a better processing performance .Key words ： isotropic pyrolytic graphite ； rake angle ； parallel grooves ； abrasive wear〇引言作为一种新型高性能石墨材料，各向同性热解石 墨具有低密度，抗热冲击性好，热膨胀系数低，良好的 自润滑性，低而稳定摩擦系数等一系列优点，在航空航 天等领域得到了广泛应用[14]。
高速切削中刀尖圆角半径对表面质量的影响分析
高速切削中刀尖圆角半径对表面质量的影响分析引言高速切削技术在现代制造业中得到广泛应用，对于提高加工效率和降低成本具有重要意义。
在高速切削过程中，刀具的设计和性能对表面质量起着关键作用。
本文将详细分析高速切削中刀尖圆角半径对表面质量的影响，并讨论其成因及对加工结果的影响。
1. 刀尖圆角半径对表面粗糙度的影响刀尖圆角半径是决定切削刃尖部形状的关键参数之一。
研究发现，刀尖圆角半径的大小直接影响着切削过程中刀具的进给力分布和切削力的大小，进而对表面粗糙度产生重要影响。
在高速切削过程中，较小的刀尖圆角半径能够减少切削力的集中作用，有利于减小表面粗糙度。
较小的刀尖圆角半径还能减少切削温度的上升，从而减小热引起的表面缺陷风险。
另一方面，较大的刀尖圆角半径容易导致刀尖接触区域扩大，切削力分布不均匀，进而产生较大的表面粗糙度。
2. 刀尖圆角半径对切削副表面质量的影响切削副表面质量是指切削过程中所形成的工件表面的质量，其对加工工件的性能和寿命起着重要影响。
刀尖圆角半径的大小会影响切削副表面质量的粗糙度和硬度。
研究表明，较小的刀尖圆角半径能够减小切削副表面质量的粗糙度。
这是因为较小的刀尖圆角半径能减少材料的流动，降低切削副表面的形变。
然而，较小的刀尖圆角半径也会导致切削副表面硬度升高，可能对加工工件的使用寿命产生负面影响。
3. 刀尖圆角半径对加工表面残余应力的影响刀尖圆角半径对加工过程中残余应力的产生和分布同样具有影响。
刀尖圆角半径较小会使切削过程中产生的残余应力集中在表面附近，导致表面开裂等问题。
而较大的刀尖圆角半径能够使残余应力得到有效分散，减小对加工工件的不良影响。
4. 切削参数对刀尖圆角半径影响的研究除了刀尖圆角半径本身的影响外，切削参数也会对刀尖圆角半径的影响产生较大影响。
研究表明，较小的刀尖圆角半径在高速切削过程中对切削参数的敏感性更强。
刀尖圆角半径较大则对切削参数的变化相对不敏感。
切削速度、进给量和切削深度是影响切削过程的三个重要参数。
刀具刃口半径对单晶硅金刚石车削的影响
刀具刃口半径对单晶硅金刚石车削的影响
许伟静;孙振华;舒霞云;黄分平;常雪峰
【期刊名称】《工具技术》
【年(卷),期】2022(56)10
【摘要】由于纳米去除的尺度效应,单晶硅切削过程中刀具刃口半径对材料去除机理有显著影响。
利用有限元方法模拟了较大刃口半径条件下单晶硅纳米尺度的去除过程,通过提取切削层材料的位移矢量分析材料流动规律,研究刀具刃口半径对最小切削厚度的影响,对切削力、应力分布以及切屑形态进行分析。
结合仿真模拟开展单晶硅金刚石车削试验,结果表明:单晶硅切削厚度不小于刀具刃口半径的0.2倍时才能实现稳定切削;纳米切削过程中刀具对材料以挤压而非剪切作用为主,刃口半径增大将显著增大切深抗力,有利于单晶硅切削,但过大的刃口半径会影响切屑的产生和排出以及单晶硅的表面质量。
【总页数】7页(P86-92)
【作者】许伟静;孙振华;舒霞云;黄分平;常雪峰
【作者单位】厦门理工学院机械与汽车工程学院;集美大学海洋装备与机械工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】TG703;TG51
【相关文献】
1.CVD金刚石厚膜刀具刃口半径研磨的实验研究
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3.天然金刚石刀具的研磨及其刃口半径检测技术
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5.用原子力显微镜扫描测量金刚石刀具刃口半径
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机械研磨单晶金刚石刀具前刀面精度
机械研磨单晶金刚石刀具前刀面精度吴百融;薛常喜【摘要】为提高金刚石刀具的精度,理论分析机械研磨法加工金刚石前刀面的模型,并实验研究研磨盘表面质量和研磨晶向对金刚石刀具前刀面粗糙度的影响.结果表明:研磨盘经过充分平整后,刀具前刀面的粗糙度Ra由1.308 nm下降到0.920 nm.在(110)晶面精细研磨时,<100>晶向研磨后的表面粗糙度为0.540 nm,<110>晶向研磨后的表面粗糙度为0.430 nm,实现了对金刚石刀具的精密研磨.【期刊名称】《金刚石与磨料磨具工程》【年(卷),期】2019(039)002【总页数】5页(P21-25)【关键词】金刚石刀具;机械研磨;研磨盘;晶向;表面粗糙度【作者】吴百融;薛常喜【作者单位】长春理工大学光电工程学院,长春130022;长春理工大学光电工程学院,长春130022【正文语种】中文【中图分类】TG71;TG58单点金刚石车削技术被广泛用于加工有色金属、光学塑料、光学晶体等材料[1]，可以直接获得亚微米级的面形精度和纳米级的表面粗糙度。
加工时，高精度刀具直接作用于工件表面，其精度影响加工效果[2]。
理想的超精密刀具材料是单晶金刚石，其具有强度高、摩擦系数低、化学稳定性好等优异的物理化学特性[3]，但加工困难。
目前的加工方法主要有：化学机械抛光[4]，聚焦离子束加工[5]，飞秒激光加工[6]和机械研磨法等。
其中，机械研磨法由于工艺简单、加工效率高，一直是加工金刚石工具时最广泛使用的方法。
金刚石刀具的刃口由前、后刀面研磨后复合组成，前刀面质量较差时会降低刀具刃口的精度。
同时，由于在切削过程中切屑沿刀具前刀面流出，其精度影响切屑的排出情况，从而影响工件的表面质量[7]。
许多研究者对此进行了一系列研究：姚晨佼等[8]采用铁、铜等不同材质的研磨盘研磨金刚石刀具，对研磨后的研磨盘和刀具表面质量进行了定性分析；DORONIN等[9]通过分子动力学模拟和实验研究了沿不同晶向研磨时金刚石表面材料去除速率的差异；宗文俊等[10]研究了研磨压力、速度等工艺参数对金刚石刀具精度的影响，但研磨后金刚石刀具的表面粗糙度有待进一步提高。
影响单点金刚石切削表面质量的因素
影响单点金刚石切削表面质量的因素王昊【摘要】单点金刚石切削(single point diamond turning,简称SPDT)是一种使用纳米金刚石刀具进行加工的生产过程.而纳米单晶金刚石刀具具有刃口锋利、可反复成形和耐磨性高等特点.该方法能够使微米至亚微米级制造组件的形状精度和表面粗糙度控制在纳米级的范围内.单点金刚石切削优异的表面成形质量和面形精度,使该技术被广泛地应用于制造各种精密机械和光学部件,如注射成型塑料镜头和扫描反射镜.虽然单点金刚石切削满足了很多高精密零件的制造需求,但目前所了解的影响因素和表面生成的机制仍不完善,在生产中有很多因素会影响到单点金刚石的表面质量和面形精度,如主轴转速、进给速度和切削深度等,本文对此进行了分析.【期刊名称】《新技术新工艺》【年(卷),期】2014(000)001【总页数】4页(P116-119)【关键词】单点金刚石切削;表面粗糙度;加工参数【作者】王昊【作者单位】昆明理工大学机电工程学院,云南昆明650500【正文语种】中文【中图分类】TH161+.14在20世纪50年代，单点金刚石切削技术在美国发展起来，经过60多年的发展，目前已经广泛应用于国防、航天和天文观测等领域。
近30年来，单点金刚石切削技术开始逐步进入民用领域，美国的普瑞泰克和摩尔公司以及日本的日立和东芝公司都在政府的支持下，将单点金刚石切削机床商品化，开始应用于民用，生产高精密的光学镜头。
随着单点金刚石切削技术民用化的不断成熟，在汽车、能源、医疗器材、信息、光电和通信等产业的推动下，单点金刚石切削技术广泛应用于非球面光学镜片、超精密模具、磁盘驱动器磁头、磁盘基板和半导体基片等零件的加工[1]；此外，设备精度也逐渐接近纳米级水平，可加工工件的尺寸范围也变得更大，应用越来越广泛。
目前，单点金刚石切削已经达到了机械加工的顶峰水准，加工精度步入纳米级，而表面粗糙度也可以控制在3～8 nm。
在这种加工精度下，很多在传统机械加工过程中不被重视的客观因素都会对单点金刚石切削的表面质量产生影响。
高硅铝合金的金刚石涂层刀具铣削损伤机理研究
第３３卷第２期中国机械工程V o l ．３３㊀N o ．２２０２２年１月C H I N A M E C HA N I C A LE N G I N E E R I N Gp p．１５３Ｇ１５９高硅铝合金的金刚石涂层刀具铣削损伤机理研究赵国龙１㊀信连甲１㊀李㊀亮１㊀王㊀珉２㊀郝秀清１㊀何㊀宁１１．南京航空航天大学机电学院,南京,２１００１６２．南京市计量监督检测院几何量检测部,南京,２１００４９摘要:高硅铝合金由于硅含量很高,故切削加工性较差,切削刀具极易磨损且已加工表面存在大量缺陷.为进一步研究材料加工损伤,采用化学气相沉积法制备了金刚石涂层铣刀,开展７０％S i /A l(７０％指质量分数)合金材料铣削试验.试验研究了铣削力㊁刀具磨损及加工损伤机理,并与常用T i N 涂层铣刀进行了对比.结果表明:铣削过程中由于初晶硅硬质颗粒的冲击和刻划,金刚石涂层刀具的失效形式主要是涂层剥落和磨粒磨损;在金刚石涂层铣刀的正常磨损阶段,铣削力稳定在４３．５７~４８．９５N ,而相同切削用量下T i N 涂层铣刀的铣削力更大㊁刀具寿命更短;加工表面存在凹坑㊁划痕和颗粒破碎等损伤,在保证刃口强度的前提下适当减小切削刃圆弧半径可明显减小加工损伤;铣刀刃口圆弧半径r ＝１２μm 的已加工表面粗糙度(S a ＝２．３μm )远低于r ＝１５６μm 时加工的表面粗糙度(S a ＝６．７μm ).关键词:７０％S i /A l 合金;铣削力;刀具磨损;加工损伤机理中图分类号:T H １６１D O I :１０．３９６９/j．i s s n ．１００４ １３２X．２０２２．０２．００４开放科学(资源服务)标识码(O S I D ):S t u d y o nD a m a g eM e c h a n i s mo fH i g h Ｇv o l u m eF r a c t i o nS i l i c o nA l u m i n u m A l l o y M i l l e dw i t hD i a m o n dC o a t e dC u t t i n g To o l s Z H A O G u o l o n g １㊀X I N L i a n j i a １㊀L IL i a n g １㊀WA N G M i n ２㊀H A O X i u q i n g １㊀H E N i n g１１．C o l l e g e o fM e c h a n i c a l a n dE l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g ,N a n j i n g U n i v e r s i t y ofA e r o n a u t i c s a n dA s t r o n a u t i c s ,N a n j i n g ,２１００１６２．D e p a r t m e n t o fG e o m e t r i cM e a s u r e m e n t ,N a n j i n g I n s t i t u t e o fM e a s u r e m e n t a n dT e s t i n g T e c h n o l o g y ,N a n j i n g,２１００４９A b s t r a c t :D u e t o t h e l a r g e a m o u n t o f s i l i c o n p a r t i c l e s ,t h em a c h i n a b i l i t y o f t h e h i gh Ｇv o l u m e f r a c Ｇt i o n s i l i c o na l u m i n u ma l l o y sw a s p o o r ．S e v e r e t o o lw e a r a n dd e t e r i o r a t e d m a c h i n e ds u r f a c e sw i t hd e Ｇf e c t sw e r em a j o r p r o b l e m s i n c u t t i n g h i gh Ｇv o l u m e f r a c t i o n s i l i c o n a l u m i n u m m a t e r i a l s ．T o f u r t h e r e x Ｇp l o r e t h em a c h i n i n g d a m a g e s ,t h em i l l i n g e x p e r i m e n t so f ７０％S i /A l (m a s s f r a c t i o n i s７０％)a l l o yw e r e c a r r i e do u t ,w h e r e t h e t o o l sw e r e p r e p a r e db y c h e m i c a l v a p o r d e po s i t i o n (C V D )m e t h o d ．M i l l Ｇi n g f o r c e ,t o o l w e a r a n dm e c h a n i s mo fm a c h i n i n g d a m a g e sw e r e i n v e s t i g a t e d ．A s a c o m pa r i s o n ,m i l l Ｇi n g t o o l sw i t hT i Nc o a t i n g w e r e a l s o u t i l i z e d u n d e r i d e n t i c a l c u t t i n g pa r a m e t e r s ．T h e r e s u l t s s h o wt h a t t h em a i n t o o lw e a rm o d e so f t h ed i a m o n dc o a t e d t o o l s a r e c o a t i n gp e e l i n g an da b r a s i v ew e a r ,w h i c h a r ed u e t o t h e i m p a c t a n d s c r a t c h i n g o f h a r d s i l i c o n p a r t i c l e s i nm i l l i n gpr o c e s s e s ．I n t h e n o r m a lw e a r s t a g e s o f t h e d i a m o n d c o a t e d t o o l s ,t h em i l l i n g f o r c e i s s t a b l e i n t h e r a n ge of ４３ ５７~４８ ９５N ,w h i l e t h em i l l i ng f o r c e o fT i Nc o a t e d t o o l s i shi g h e r a n d t h e t o o l l i f e i s s h o r t e r ．T h ed a m a ge s o n m a c h i n e d s u rf a c e s a r em a i n l yp i t s ,s c r a t c h e s a n d r u p t u r e d p a r t i c l e ．U n d e r t h e p r e m i s e o f e n s u r i ng th e s t r e n g t h o f c u t ti n g Ｇe d g er a d i u s ,m a c h i n i n g d a m a g e m a y b eo b v i o u s l y r e d u c e db y r e d u c i n g th er a d i u so f t o o l c u t t i n g Ｇe d g e ．T h es u r f a c er o u g h n e s sv a l u e (S a ＝２ ３μm )m a c h i n e d w i t hac u t t i n g Ｇe d g er a d i u so f １２μmi s l o w e r t h a n t h a tw i t ha r a d i u s o f １５６μm (S a ＝６ ７μm )．K e y wo r d s :７０％S i /A l a l l o y ;m i l l i n g f o r c e ;t o o lw e a r ;m e c h a n i s mo fm a c h i n e dd a m a g e 收稿日期:２０２１０６２３基金项目:国家自然科学基金(５２０７５２５５,５１９７５２８８);南京航空航天大学研究生开放基金(k f j j２０２００５０５)０㊀引言随着集成电路集成度的增加及系统级芯片(s y s t e mo nc h i p,S o C )的发展,芯片的单位功率密度上升,芯片发热量急剧上升,寿命明显下降[１],传统的电子封装材料已经无法满足航空航天㊁军事电子器材和大规模集成电路等领域的需求[２Ｇ４].高硅铝合金作为第三代组件级封装材料,具有极好的综合优势,拥有显著的经济效益和广泛的应用前景[５].从发展趋势上来说,高硅铝合金在很多方面将逐步替代K o v a r 合金㊁钨铜㊁钼３５１ Copyright ©博看网. All Rights Reserved.铜等封装材料[６Ｇ７].硅铝合金主要由A l㊁S i两种元素组成,密度低㊁电镀性好㊁可循环再利用[８].根据硅元素的含量可将硅铝合金分为亚共晶㊁共晶和过共晶,通常将S i含量高于１７％(质量分数)的硅铝合金称为高硅铝合金[９].高硅铝合金因热膨胀系数小㊁导热性好和易于焊接等优点而被广泛应用于微波组件管壳和基体㊁发动机活塞[１０]等.然而,S i含量w(S i)ȡ５０％的高硅铝合金在封装应用中无法通过净近尺寸成形工艺满足微波组件㊁电子元器件的封装需求,必须通过二次加工使其满足使用需求[１１].此类材料的二次加工主要以铣削㊁车削和钻孔等机械加工为主,但高硅铝合金作为铝合金中最难加工的材料之一,材料的脆性和非均质性会使已加工表面出现大量凹坑㊁裂纹和划痕,且刀具磨损十分严重[１２Ｇ１４].国内外学者针对高硅铝合金难加工的特点,在材料的加工工艺㊁刀具参数和表面形成机理等方面进行了多角度深层次的研究.徐志伟等[１５]研究了使用硬质合金铣刀加工C E１１(w(S i)＝５０％)时,背吃刀量和切削速度对铣削力和切削温度的影响规律,得到了加工C E１１较优的参数,但在较优参数下,由于硬质合金自身的硬脆性,刀具磨损仍然十分严重,铣刀寿命仍难以保持稳定.C H E N等[１６]在车削w(S i)＝１４％的硅铝合金时发现,金刚石涂层的硬质合金铣刀寿命明显延长. R A O等[１７]研究了搅拌摩擦加工硅铝合金的切屑特性,发现随着搅拌摩擦的增加切屑由不规则的脆性粉末转变为规则的卷曲韧性切屑,且表面粗糙度值明显减小.Z HO U等[１８]利用J o h n s o nＧC o o k(J C)本构建立了车削加工Z L１０９型硅铝合金的仿真模型,并通过试验分析了已加工表面粗糙度和残余应力与加工参数的关系,结果表明较高的切削速度可以得到较好的表面质量.余宗宁等[１９]通过有限元仿真模型预测T i A l N涂层刀具铣削C E１１型硅铝合金的刀具磨损,得到了刀具磨损量最小的加工参数,但未分析刀具磨损机理且仅靠铣削参数降低刀具磨损并不可靠.目前,众多研究者对高硅铝合金机械加工方面的研究仅针对w(S i)ɤ５０％的材料,对新一代电子封装材料７０％S i/A l合金的切削加工未见报道.本文针对７０％S i/A l合金的难加工特性,制备金刚石涂层铣刀,开展高硅铝合金的铣削加工试验研究,并以工业生产常用的T i N涂层铣刀作为对照组,对铣削力㊁刀具磨损机理以及加工损伤机理进行分析与讨论.１㊀试验研究１．１㊀试验材料工件材料为利用喷射沉积及后续加工技术生产的高硅铝合金(７０％S i/A l)材料,材料的主要参数如表１所示.首先使用电火花线切割技术将材料毛坯预处理以便后续铣削试验装夹,然后对试样各表面进行研磨㊁抛光,最后将试样放入无水酒精中超声清洗５m i n去除材料表面杂质.图１所示为工件表面形貌,７０％S i/A l合金中的初晶硅颗粒粒径R g为８０~２００μm.表１㊀高硅铝合金试验材料的主要参数T a b．１㊀T h em a i n p a r a m e t e r s o f h i g h s i l i c o na l u m i n u ma l l o yt e s tm a t e r i a l s名称参数弹性模量(G P a)１２９弯曲强度(G P a)１４３屈服强度(G P a)１００密度(g/c m３)２．４热膨胀系数(１０－６/K)７．４热导率(W/(m K))１２０图１㊀７０％S i/A l合金表面形貌F i g．１㊀S u r f a c em o r p h o l o g y o f７０％S i/A l a l l o y １．２㊀刀具制备试验中的刀具基体选用ϕ４mm的硬质合金棒料(牌号:W CＧC o,Y G６),使用五轴高精度数控磨床(P G３,德国H A L L E R)加工出铣刀的基本结构,刀具总长为５０mm.磨削加工完成后,对刀具基体进行预处理,去除基体上的C o元素,减少金刚石在沉积过程中的石墨化.具体步骤如下:首先将刀具毛坯放入丙酮中超声清洗１０m i n去除材料表面杂质;之后烘干,再放入M u r a k a m i n 碱溶液(质量比w(K O H)ʒw(K３[F e(C N)６])ʒw(H２O)＝１ʒ１ʒ１０)中超声处理２５m i n,去除材料表层暴露出来的部分W C,获得含钴量较高的表面;然后放入酸溶液(体积比V(H２S O４)ʒV(H２O２)＝１ʒ５)中超声清洗２０s,去除刀具毛坯表面的C o元素;最后放入体积分数为９９．５％的无水乙醇中超声清洗５m i n去除残余溶液,烘干.４５１中国机械工程第３３卷第２期２０２２年１月下半月Copyright©博看网. All Rights Reserved.预处理完毕后,使用化学气相沉积(C V D )法在刀具毛坯表面沉积金刚石薄膜.沉积过程在密闭的真空反应室中进行,为保证金刚石薄膜的纯度,在C V D 金刚石薄膜开始沉积前对热丝进行碳化处理.在C V D 过程中,丙酮由氢气带入真空室中为反应提供碳源,金刚石薄膜具体制备参数如表２所示.表２㊀金刚石薄膜的沉积参数T a b ．２㊀D e po s i t i o n p a r a m e t e r s o f t h e d i a m o n d f i l m 参数数值参数数值丙酮体积分数２．５％刀具基体温度(ħ)８５０氢气流量(m L /m i n )２００反应压力(k P a )４．５热丝温度(ħ)２０００沉积时间(h)５㊀㊀图２所示为C V D 金刚石涂层铣刀形貌.C VD 金刚石薄膜完成后刀具的基本参数如表３所示.为比较C V D 金刚石涂层铣刀的加工性能,制备出工业生产常用的T i N 涂层铣刀进行对照试验.图２㊀C V D 法制备的四刃金刚石圆柱铣刀F i g ．２㊀F o u r e d g e d i a m o n d e n dm i l l p r e p a r e db y CV D 表３㊀铣刀基本参数T a b ．３㊀B a s i c p a r a m e t e r s o f t h e e n dm i l l参数数值参数数值端刃前角(ʎ)３侧刃前角(ʎ)５轴向后角(ʎ)８径向后角(ʎ)１２端刃副偏角(ʎ)１．５刃口圆弧半径(μm )４侧刃(mm )１３刀尖圆弧半径(μm )６螺旋角(ʎ)４０１．３㊀铣削试验方案在五轴高速加工中心(D MU ６０m o n o B ＧL O C K ,德国德马吉)上进行常温干切试验.根据前期探索的试验优选加工参数,采用顺铣加工,切削速度v ＝８０m /m i n ,轴向切深a p ＝０．４mm ,径向切深a e ＝１．８mm ,每齿进给量f z ＝０．３mm .铣削加工过程中的铣削力采用三向高精度测力仪测量.测力系统由三向多功能压电传感器(９２５７B ,瑞士K i s t l e r )和多通道电荷放大器以及计算机(主要由数据采集卡㊁传感线和数据收集与处理软件等组成)组成,其最大采样频率和测量精度分别为３．５k H z 和０．０１N .由于７０％S i /A l 合金中有大量的初晶硅颗粒,故铣削加工后已加工表面除刀痕外还会出现大量凹坑和划痕.表面二维评价参数R a 仅能反映已加工表面的线粗糙度,无法真实准确地表征表面上的凹坑㊁微裂纹等缺陷,而面粗糙度S a 可以较为全面地反映上述缺陷对已加工表面造成的影响,所以试验完成后使用三维共聚焦显微镜(SN e o x ,S e n s o f a r)测量已加工表面的面粗糙度S a .已加工表面形貌使用扫描电子显微镜(S ４８００,日立)进行表征,同时分别使用E D S 能谱和扫描电子显微镜(T M ３０００,日立)对刀具磨损进行分析与表征.２㊀结果分析与讨论２．１㊀铣削力铣削力是衡量刀具性能的一个重要指标,图３所示为使用两种涂层的刀具加工７０％S i /A l 合金的主切削力F 随铣削长度的变化.由于７０％S i /A l 材料内部的初晶硅与周围的S i /A l 基体的硬度㊁韧性有较大差异,铣削过程中切削刃上的每个点都在不断进行着 切削初晶硅颗粒 与 切削S i /A l 基体 的循环,因此,加工过程中铣削力非常不稳定,且振动与噪声较大.在铣削长度X 为０~８０mm 时,金刚石涂层刀具的主切削力较小,但由于在制备过程中刀具前后刀面的涂层存在粗糙不平和微观裂纹,且刀具与工件和切屑的接触面积小,所以作用在切削刃附近的压力大,刀刃磨损较快,从而导致铣削力增长速度较快.在铣削长度X 为８０~４００mm 时,金刚石涂层铣刀的铣削力在４３．５７~４８．９５N 间呈稳定上升趋势,且增长较为缓慢.当铣削长度X ＞４００mm 时,铣刀刃口及后刀面处涂层脱落,切削刃变钝,硬质合金基体暴露,７０％S i /A l 合金材料的铣削加工从原图３㊀两种刀具铣削加工７０％S i /A l 合金的主切削力F i g ．３㊀T h em a i n c u t t i n gf o r c e s o f t h e t w o t o o l s i n m i l l i ng ７０％S i /A l a l l o y５５１ 高硅铝合金的金刚石涂层刀具铣削损伤机理研究赵国龙㊀信连甲㊀李㊀亮等Copyright ©博看网. All Rights Reserved.本的使用带有金刚石涂层的锋利切削刃切削去除方式变为使用大钝圆硬质合金切削刃挤压去除方式,这种改变导致刀具与工件的摩擦加剧,进而导致金刚石涂层铣刀的铣削力急剧上升.在X＝５２０mm时,铣削力已达７０．３７N.金刚石涂层铣刀在有效工作期(正常磨损阶段)铣削力变化较为稳定,且在剧烈磨损阶段承受较大的切削力时,仍可工作较长时间;而T i N涂层铣刀的铣削力在X 为０~２４０mm过程中均呈急剧上升趋势,当铣削长度X达到２４０mm时铣刀已无法正常使用.２．２㊀刀具磨损机理刀具磨损是衡量刀具性能的重要指标,两种涂层刀具的后刀面磨损量V B随铣削长度的变化规律如图４所示.由于７０％S i/A l材料内部含有大量的初晶硅颗粒,铣削加工过程中初晶硅硬质颗粒不断冲击㊁刻划刀具切削刃及后刀面,这造成了刀具切削刃及后刀面剧烈的机械磨损.铣削长度X为０~８０mm是金刚石涂层铣刀的初期磨损阶段,由于金刚石涂层硬度明显高于T i N涂层的硬度,金刚石涂层铣刀初期磨损量仅为０．１２２mm,此阶段主要是因为刀具表面存在粗糙不平,切削刃附近应力大而导致的少量磨损.刀具经历过初期磨损后,切削刃处出现了磨损小棱面,随着这个小棱面的出现,刀刃处应力减小,刀具的磨损速度变缓,后刀面磨损量随着铣削长度的增加而均匀增加,此正常磨损阶段为刀具的有效工作期.铣削长度X为８０~４００mm是金刚石涂层铣刀的正常磨损阶段.在铣削长度X＞４００mm时,金刚石涂层铣刀进入剧烈磨损阶段,刀具的切削刃变钝,后刀面磨损量急剧上升,加工过程中噪声变得更加尖锐,已加工表面粗糙度明显增大.T i N涂层的初期磨损㊁正常磨损和剧烈磨损阶段分别为０＜Xɤ６０mm㊁６０mm＜Xɤ１４０mm和X＞１４０mm.金刚石涂层铣刀有效工作期(正常磨损阶段)为T i N涂层铣刀有效工图４㊀后刀面磨损随铣削长度变化规律F i g．４㊀T e n d e n c e o f s u r f a c ew e a rw i t hm i l l i n g l e n g t h 作期的５倍以上,金刚石涂层刀具寿命远长于后者.图５所示为铣削长度为２２０mm的刀具磨损形貌.两种刀具的主要磨损形式均为磨粒磨损和涂层剥落,伴有少量的黏结磨损.金刚石涂层铣刀的后刀面磨损量V B＝０．２１mm,涂层剥落现象仅存在于刀尖处,刃口圆弧半径增加至４２μm,过渡圆弧刃半径增加至９０μm.T i N涂层铣刀后刀面磨损量V B高达０．３８８mm,后刀面出现大量的硬质S i颗粒刻划导致的磨粒磨损,铣刀端刃及侧刃的涂层已全部剥落,刃口圆弧半径增大至０．１８mm,端刃与侧刃的过渡圆弧刃半径增大至０．２３mm,切削刃的前角㊁后角均变小,刀具已经变钝.此外,通过E D S能谱分析图５中的A㊁B 两点,两种刀具的黏结磨损均出现在涂层剥落后暴露出的基体上且均较轻微(图６).㊀㊀(a)金刚石涂层铣刀㊀㊀㊀(b)与T i N涂层铣刀图５㊀两种刀具的磨损形貌F i g．５㊀W e a rm o r p h o l o g y o f t h e t w o t o o ls(a)金刚石涂层铣刀㊀(b)T i N涂层铣刀图６㊀两种刀具的刃口磨损部位E D S能谱分析F i g．６㊀E D S a n a l y s i s o f t h e t w o t o o l s６５１中国机械工程第３３卷第２期２０２２年１月下半月Copyright©博看网. All Rights Reserved.２．３㊀加工损伤机理已加工表面存在的大量凹坑㊁划痕和微裂纹等缺陷,严重影响７０％S i /A l 材料的表面质量.铣削加工７０％S i /A l 材料示意图见图７.由于试验中刀具径向切深小于铣刀直径,铣削加工过程中压力角φs 可表示为φs ＝９０ʎ＋a r c s i n a e －D c２D c ２(１)其中,D c 为铣刀直径.由所得压力角可得铣削加工过程的平均切厚h m 的表达式:h m ＝k f z (a eD c)s i n κφs(２)其中,к为铣刀主偏角,k 为常数(k ＝１１４．７).根据式(２),当平均切厚h m 大于初晶硅粒径R g 时,铣刀切削刃可以整颗去除材料中的初晶硅颗粒.在此参数下铣刀去除材料时,切削刃切削初晶硅硬质颗粒的机会大幅减少,刀具磨损减轻,破碎的初晶硅颗粒减少,已加工表面质量提高.但由于初晶硅在基体内部排列的无序性,位于已加工表面的初晶硅颗粒在切削过程中仍不可避免地会发生颗粒挤裂㊁切断㊁挤出和刻划已加工表面的现象.在这几种初晶硅的切削破坏形式中,初晶硅被切断对已加工表面的损伤最小.图７㊀表面形成机理示意图F i g ．７㊀S c h e m a t i c d i a gr a mo f s u r f a c e f o r m a t i o nm e c h a n i s m 图８所示为不同的刃口圆弧半径下已加工表面的微观形貌.如图８a 所示,铣刀的刃口圆弧半径r ＝１２μm ,铣削过程中作用在初晶硅颗粒上的应力很大,刀刃易切入初晶硅颗粒,位于已加工表面上的大部分初晶硅颗粒是以切断的形式破坏且断面平坦光滑,少数以挤裂的方式破坏,已加工表面平整且凹坑㊁微裂纹等缺陷很少,表面粗糙度S a １＝２．３μm .当铣刀刃口圆弧半径r ＝７１μm (图８b ),铣刀的切削刃在切削一些较小的初晶硅颗粒(粒径为８０~１００μm )时,无法切入并切断这些颗粒,因此初晶硅颗粒出现挤出现象,已加工表面出现凹坑和较多的微裂纹且颗粒对已加工表面的刻划现象较为严重,此时已加工表面的粗糙度S a ２＝３．６μm .当刀具刃口圆弧半径r ＝１５４μm 时(图８c ),切削刃无法切入并切断大部分初晶硅颗粒,仅能靠压力挤压初晶硅,从而造成颗粒的挤裂㊁挤出.大量的初晶硅颗粒被挤裂或挤出,已加工表面变得高低不平,表面粗糙度S a ３＝６．７μm .与此同时,挤裂的颗粒被刃口圆弧压入已加工表面,在后刀面的挤压㊁摩擦下刻划㊁刮擦已加工表面,对已加工表面造成二次损伤.(a )刃口圆弧半径r ＝１２μm(b )刃口圆弧半径r ＝７１μm(c )刃口圆弧半径r ＝１５４μm图８㊀不同刃口圆弧半径下已加工表面微观形貌F i g ．８㊀M i c r o m o r p h o l o g y ofm a c h i n e d s u r f a c ew i t h d i f f e r e n t c u t t i n g e d ge r a d i u s 图９所示为已加工表面粗糙度随刃口圆弧半径的变化规律.结果表明,刃口圆弧半径r ＝１２μm 时材料已加工表面粗糙度最低.刀具刃口圆弧半径过小会导致刃口强度降低,在大量初晶硅的冲击㊁刻划作用下,刃口会出现崩刃从而导致７５１ 高硅铝合金的金刚石涂层刀具铣削损伤机理研究赵国龙㊀信连甲㊀李㊀亮等Copyright ©博看网. All Rights Reserved.表面粗糙度较高,所以在４μmɤr ＜１２μm 时已加工表面粗糙度随刀具刃口圆弧半径的增加而减小;当r ȡ１２μm 时,铣削加工过程中刃口强度较高,避免了刀具刃口出现严重崩刃.图９㊀已加工表面粗糙度随刃口圆弧半径变化规律F i g ．９㊀R o u gh n e s s o fm a c h i n e d s u r f a c e v a r i e sw i t h d i f f e r e n t c u t t i n g Ｇe d ge r a d i u s 已加工表面三维形貌如图１０所示.因初晶硅颗粒的弹性模量大于结合处S i /A l 材料的弹性模量,且初晶硅颗粒较脆,所以,在铣削过程中虽然初晶硅颗粒被切断形成断面,且在刀具后刀面挤压㊁摩擦的作用下,初晶硅颗粒断面上的部分材料被去除,但是其周围的S i /A l材料仅发生了弹(a )刃口圆弧半径r ＝１２μm(b )刃口圆弧半径r ＝７１μm(c )刃口圆弧半径r ＝１５４μm 图１０㊀已加工表面三维形貌F i g ．１０㊀３D m o r p h o l o g y ofm a c h i n e d s u r f a c e 性形变并在后刀面经过后发生回弹,从而导致铣削加工后材料表面的初晶硅断面均低于S i /A l 合金基体的表面,如图１０a 所示.此种加工损伤是由７０％S i /A l 合金的自身性质导致的.随着刀刃圆弧半径的增加,颗粒切断现象减少,蓝色区域已不是颗粒切断形成的断面,而是颗粒挤裂㊁挤出和刻划现象形成的凹坑,如图１０b ㊁图１０c 所示.已加工表面粗糙度S a 由于这些凹坑的增多而迅速增大,材料的加工损伤变得较为严重.因此,刃口圆弧半径是７０％S i /A l 合金铣削加工表面质量的重要影响因素,可以通过减小刀具的刃口圆弧半径来改善此材料的已加工表面质量.３㊀结论(１)金刚石涂层刀具的铣削力在铣削长度X 为８０~４００mm 的有效工作期内呈缓慢㊁稳定的增长趋势(最大主切削力为４８．９５N ).在铣削长度相同的条件下,金刚石涂层保证了刀具的切削刃比T i N 涂层刀具更锋利,因而铣削力也更小.(２)金刚石涂层铣刀在加工７０％S i /A l 合金材料时的主要磨损形式为初晶硅对后刀面和切削刃的高频冲击㊁刻划造成的磨粒磨损和涂层剥落.金刚石涂层的高硬度和高耐磨性使铣刀的有效工作期是T i N 涂层铣刀的５倍以上.在T i N 涂层铣刀完全磨损时金刚石涂层刀具仅有刀尖部分涂层剥落和后刀面的部分磨损.(３)已加工表面的初晶硅颗粒在切削过程中会发生颗粒挤裂㊁切断㊁挤出和刻划.其中,初晶硅颗粒的切断破坏对表面损伤的影响最小,在保证刃口强度的前提下减小刀具的刃口圆弧半径可显著提高刀具切断初晶硅的能力,进而降低已加工表面损伤.在切削速度v ＝８０m /m i n 时,刃口圆弧半径为１２μm 的铣刀可切断大部分初晶硅颗粒,颗粒断面光滑且已加工表面平整.此外,控制平均切厚h m 大于初晶硅粒径R g ,可减少切削刃切削初晶硅的数目,进而有效保证刃口圆弧的耐磨性,减少已加工表面的损伤.参考文献:[１]㊀S I L V ALF M D．M a t e r i a l sD e s i g n a n dA p pl i c a t i o n s [M ]．H e i d e l b e r g :S p r i n g e r I n t e r n a t i o n a l P u b l i s h i n g,２０１７．[２]㊀Z HA N G P R ,L I U Z Q ,D UJ ,e t a l ．C o r r e l a t i o nb e t w e e nt h e M ic r o s t r u c t u r e a nd M a c h i n a b i l i t y i n M a c h i n i n g A l Ｇ(５Ｇ２５)w t ％S iA l l o y s [J ]．P r o ce e d i n gs o f t h eI n s t i t u t i o no f M e c h a n i c a lE n gi n e e r sP a r tB :J o u r n a lo f E n g i n e e r i n g Ma n u f a c t u r e ,２０２０,２３４８５１ 中国机械工程第３３卷第２期２０２２年１月下半月Copyright ©博看网. All Rights Reserved.(９):１１７３Ｇ１１８４．[３]㊀张深圳,牛秋林,李爽,等．硅铝合金表面缺陷形成机理及其加工工艺优化研究进展[J]．宇航材料工艺,２０２１,５１(１):１０Ｇ１６．Z HA N GS h e n z h e n,N I U Q i u l i n,L IS h u a n g,e t a l．A d v a n c e s i nS u r f a c e D e f e c tF o r m a t i o n M e c h a n i s ma n d M a c h i n i n g P r o c e s sO p t i m i z a t i o no fS iＧA lA l l o y[J]．A e r o s p a c e M a t e r i a l s&T e c h n o l o g y,２０２１,５１(１):１０Ｇ１６．[４]㊀S U N H,L IA,Z HO U Y H,e t a l．D r y W e a r C h a rＧa c t e r i s t i c s o f M a c h i n e d Z L１０９A l u m i n u mＧs i l i c o nA l l o y S u r f a c eu n d e r U n i d i r e c t i o n a la n d R e c i p r o c aＧt i n g R o l l i n gＧc o n t a c tF r i c t i o n[J]．S u r f a c eT o p o g r aＧp h y:M e t r o l o g y a n d P r o p e r t i e s,２０２０,８(１):０１５００１．[５]㊀刘小莹,郭佳,陈宏,等．硬质合金刀具铣削高硅铝合金C E１１的摩擦特性研究[J]．机床与液压,２０１８(７):７８Ｇ８１．L I U X i a o y i n g,G U OJ i a,C H E N H o n g,e t a l．R eＧs e a r c ho nF r i c t i o nC h a r a c t e r i s t i c so fC e m e n t e dC a rＧb i d eT o o l f o rM i l l i n g H i g hS i l ic o nA l u m i n u m A l l o yC E１１[J]．M a c h i n eT o o l&H y d r a u l i c s,２０１８(７):７８Ｇ８１．[６]㊀UH L MA N N E,F LÖG E LK,S AMM L E RF,e t a l．M a c h i n i n g o f H y p e r e u t e c t i c A l u m i n u m S i l i c o n A lＧl o y s[J]．P r o c e d i aC I R P,２０１４,１４:２２３Ｇ２２８．[７]㊀徐骁．硅铝合金外壳激光气密封装技术优化与验证[D]．南京:东南大学,２０１９．X U X i a o．O p t i m i z a t i o n a n d V a l i d a t i o n o f L a s e rG a s t i g h tP a c k a g i n g T e c h n o l o g y f o rS iＧA l S h e l l[D]．N a n j i n g:S o u t h e a s tU n i v e r s i t y,２０１９．[８]㊀C U I C,S C HU L Z A,S C H I MA N S K I K,e ta l．S p r a y F o r m i n g o f H y p e r e u t e c t i c A lＧS iA l l o y s[J]．J o u r n a l o fM a t e r i a l sP r o c e s s i n g T e c h n o l o g y,２００９,２０９(１１):５２２０Ｇ５２２８．[９]㊀李斐．A lＧ２７％S i合金扩散焊性能研究[D]．哈尔滨:哈尔滨工业大学,２０２０．L I F e i．S t u d y o nD i f f u s i o nW e l d i n g P r o p e r t i e s o fA lＧ２７％S iA l l o y[D]．H a r b i n:H a r b i n I n s t i t u t e o fT e c hＧn o l o g y,２０２０．[１０]㊀文均,雷基林,邓晰文,等．活塞结构对其传热及强度的影响分析[J]．中国机械工程,２０１９,３０(１９):２２８７Ｇ２２９３．W E NJ u n,L E I J i l i n,D E N G X i w e n,e ta l．I n f l uＧe n c eA n a l y s i s of P i s t o nS t r u c t u r e o nH e a t T r a n s f e ra n dS t r e n g t h[J]．C h i n a M e c h a n i c a lE n g i n e e r i n g,２０１９,３０(１９):２２８７Ｇ２２９３．[１１]㊀S A N T O S M C,MA C HA D O A R,S A L E S W F,e ta l．M a c h i n i n g of A l u m i n u m A l l o y s:a R e v i e w[J]．I n t e r n a t i o n a lJ o u r n a lo f A d v a n c e d M a n u f a cＧt u r i n g T e c h n o l o g y,２０１６,８６:３０６７Ｇ３０８０．[１２]㊀R A HAMA N M L,Z HA N G L．A nI n v e s t i g a t i o ni n t o t h eF r i c t i o n a n dW e a rM e c h a n i s m s o fA l u m i nＧi u m H i g hS i l i c o n A l l o y u n d e rC o n t a c tS l i d i n g[J]．W e a r,２０１７,３７６/３７７:９４０Ｇ９４６．[１３]㊀L I UJ,C HO U Y K．O nT e m p e r a t u r e sa n dT o o l W e a ri n M a c h i n i n g H y p e r e u t e c t i c A lＧS i A l l o y sw i t hV o r t e xＧt u b eC o o l i n g[J]．I n t e r n a t i o n a l J o u r n a lo fM a c h i n e T o o l s&M a n u f a c t u r e,２００７,４７(３/４):６３５Ｇ６４５．[１４]㊀B A R O O A H R K,A R I F A,P A I V AJ M,e ta l．W e a ro fF o r m T a p si n T h r e a d i n g o f A lＧS iA l l o yP a r t s:M e c h a n i s m sa n d M e a s u r e m e n t s[J]．W e a r,２０１９,４４２/４４３:２０３１５３．[１５]㊀徐志伟,王振亚．T/R组件封装用铝硅合金高速铣削试验研究[J]．电子机械工程,２０１８,３４(６):４７Ｇ５０．X U Z h i w e i,WA N G Z h e n y a．E x p e r i m e n t a lS t u d yo n H i g hＧs p e e d M i l l i n g o f A lＧS i A l l o y f o r T/RM o d u l e P a c k a g i n g[J]．E l e c t r oＧm e c h a n i c a l E n g iＧn e e r i n g,２０１８,３４(６):４７Ｇ５０．[１６]㊀C H E N N C,S U N F H．C u t t i n g P e r f o r m a n c eo f M u l t i l a y e rD i a m o n dC o a t e dS i l i c o n N i t r i d e I n s e r t si nM a c h i n i n g A l u m i n u mＧs i l i c o nA l l o y[J]．T r a n s a cＧt i o n s o f N o n f e r r o u s M e t a l s S o c i e t y o f C h i n a,２０１３,２３(７):１９８５Ｇ１９９２．[１７]㊀R A O A G,D E S HMU K H V P,P R A B HU N,e ta l．E n h a n c i n g t h e M a c h i n ab i l i t y o f H y p e r e u t ec t i cA lＧ３０S iA l l o y b y F r i c t i o nS t i r P r o c e s s i n g[J]．J o u rＧn a lo f M a n u f a c t u r i n g P r o c e s s e s,２０１６,２３:１３０Ｇ１３４．[１８]㊀Z HO U Y,S U N H,L IA,e t a l．F E M S i m u l a t i o nＧb a s e dC u t t i n g P a r a m e t e r s O p t i m i z a t i o ni n M ac h iＧn i n g A l u m i n u mＧs i l i c o n P i s t o n A l l o y Z L１０９w i t hP C D T o o l[J]．J o u r n a lo f M e c h a n i c a lS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y,２０１９,３３(７):３４５７Ｇ３４６５．[１９]㊀余宗宁,周利平,刘晓莹,等．T i A l N涂层铣刀铣削C E１１高硅铝合金的刀具磨损分析[J]．工具技术,２０１９,５３(４):４７Ｇ５１．Y U Z o n g n i n g,Z HO U L i p i n g,L I U X i a o y i n g,e ta l．A n a l y s i s o f T o o lW e a r i nM i l l i n g C E１１H i g hS iＧA lA l l o y w i t h T i A l N C o a t e d C u t t e r s[J]．T o o lT e c h n o l o g y,２０１９,５３(４):４７Ｇ５１．(编辑㊀袁兴玲)作者简介:赵国龙,男,１９８７年生,教授㊁博士研究生导师.研究方向为高效精密加工技术.李㊀亮(通信作者),男,１９７３年生,教授㊁博士研究生导师.研究方向为先进切削技术.EＧm a i l:l i lＧi a n g＠n u a a．e d u．c n.９５１高硅铝合金的金刚石涂层刀具铣削损伤机理研究 赵国龙㊀信连甲㊀李㊀亮等Copyright©博看网. 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如何检测金刚石刀具刃口锋利度和粗糙度及刀面质量？
如何检测金刚石刀具刃口锋利度和粗糙度及刀面质量？
刃磨后的金刚石刀具刃口及刀面质量将直接影响被加工零件表面质量完整性。
如切削刃钝圆半径R过大，会增加刀具切入工件的难度、增加切削力、加大表面的变形程度及变形层深度，刃口锯齿度、刃口和刀面的表面粗糙度、波度都会复印到已加工工件表面等。
所以，在超精密切削加工中金刚石刀具刃口的锋利度、刃口及刀面的表面粗糙度、刃口的几何精度是衡量金刚石刀具质量的重要技术指标。
一般来说，高精度金刚石车刀刃磨指标为刃口钝圆半径R≤ 0.05μm刃口及刀面表面粗糙度值Ra≤0.01μm或更小，线轮廓度和圆轮廓度不大于0.05μm或更小，因此，选择合理的金刚石刀具刃口检测方法是保证刀具刃磨质量的重要手段之一。
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目前国际上最流行的测量金刚石刀具切削刃钝圆半径的方法是扫描电子显微镜法，由于采用该方法之前必须在金刚石表面镀上一层导电薄膜，故测量不能反映刀具刃口及刀面的真实形貌，且当刀具刃口钝圆半径R<100nm后，该方法的分辨率明显不够，图像边缘比较模糊，难以实现100nm精度内的有效测量。
国际上已出现了一些高精度的测量方法，如日本国立横滨大学提出用SEM检测的细金线压痕法、美国Oklahoma大学提出的直接用原子力显微镜测量金刚石刀具切削刃钝圆半径等。
金刚石刀具刀尖圆弧波纹度的测量及评价
金刚石刀具刀尖圆弧波纹度的测量及评价雷大江;岳晓斌;崔海龙;张晓峰【摘要】To realize the ultra-precision measurement for tip arc waviness of diamond tools ,an arc pro-file measurement system based on an atomic force microscopy and an ultra-precision spindle was estab-lished .The evaluation method of tool tip arc waviness and the scheme to control measuring error were investigated .Firstly ,the selection principle of waviness cut-off wavelength was proposed in the arc waviness evaluation and the flowchart of tool tip arc waviness measurement waspresented .Then ,the measurement and evaluation for radial rotation errors of the ultra-precision spindle were discussed ,the control for mounting errors of eccentric and declination angles and the calibration for nonlinear error of atomic force scan system were described .Finally ,the tip arc waviness of a diamond tool was measured by self-developed ultra-precision profile measurement system ,and the measurement accuracy and un-certainty were analyzed .Experimental results show that the tip arc waviness of diamond tools can be accurately described by proposed method ,the waviness is 0 .106 μm ,and the uncertainty is 23 .8 nm . These results satisfy the system requirements for higher precision and stabilization .%为实现金刚石刀具刀尖圆弧波纹度超精密测量,构建了基于原子力显微镜(AFM)和精密回转轴系的刀尖圆弧轮廓测量系统,研究了刀尖圆弧波纹度评价方法和控制测量系统引入误差的策略.提出了评价刀尖圆弧波纹度时截止波长的确定原则和方法,并介绍了刀尖圆弧波纹度测量原理及评价流程.讨论了精密回转轴系径向回转误差的测量和评定、刀具安装偏心和偏角误差的控制和原子力扫描系统Z向非线性误差的校准方法.最后,在构建的测量系统上测量了了金刚石刀具刀尖圆弧波纹度并对测量不确定度进行了分析.实验测量显示:所评价金刚石刀具的刀尖圆弧波纹度为0.106μm,测量不确定度为23.8 nm,表明所构建的测量系统基本满足金刚石刀具刀尖圆弧波纹度纳米级测量及评价的需求,测量结果稳定可靠、精度高.【期刊名称】《光学精密工程》【年(卷),期】2017(025)010【总页数】9页(P2697-2705)【关键词】金刚石刀具;刀尖圆弧波纹度;径向回转误差;偏心偏角误差;非线性误差【作者】雷大江;岳晓斌;崔海龙;张晓峰【作者单位】中国工程物理研究院机械制造工艺研究所,四川绵阳621900;中国工程物理研究院机械制造工艺研究所,四川绵阳621900;中国工程物理研究院机械制造工艺研究所,四川绵阳621900;中国工程物理研究院机械制造工艺研究所,四川绵阳621900【正文语种】中文【中图分类】TG580.619.2在超精密金刚石切削加工中，如果金刚石刀具刀尖圆弧轮廓在切削过程中曲率保持不变，工件容易获得极高的面形精度，这在国防、宇航、航空、光学、天文、核技术中球面、非球曲面等零件的超精密切削加工中有着巨大的现实意义和潜在需求[1-4]。
单晶金刚石刀具刃磨特点
单晶金刚石刀具刃磨特点超精密切削是超精密加工中的一个重要领域,它是一项内容广泛的新技术。
使用精密的单晶金刚石刀具加工有色金属和非金属,能够直接切出超光滑的加工表面,这样就可以取代超精密磨削等精加工工序,极大的提高加工效率,同时也可以保证加工精度和加工表面质量。
近些年来,单晶金刚石刀具已经深入到机械加工的各个领域,起着越来越重要的作用。
金刚石的硬度大,耐磨性好,使得金刚石成为理想的刀具材料,但是与此同时也给单晶金刚石刀具的研磨带来了极大的困难。
天然单晶金刚石刀具的刃磨特点超精密加工中，单晶金刚石刀具的两个基本精度是刀刃轮廓精度和刃口的钝圆半径。
要求加工非球面透镜用的圆弧刀具刃口的圆度为0.05μm以下,加工多面体反射镜用的刀刃直线度为0.02μm；刀具刃口的钝圆半径(ρ值)表示了刀具刃口的锋利程度，为了适应各种加工要求，刀刃刃口半径范围从20nm～1μm。
单晶金刚石刀具的晶面选择金刚石晶体属于立方晶系，由于每个晶面上原子排列形式和原子密度的不同以及晶面之间距离的不同，造成天然金刚石晶体的各向异性，因此金刚石不仅各晶面表现的物理机械性能不同、其制造难易程度和使用寿命都不相同，各晶面的微观破损强度也有明显差别。
金刚石晶体的微观强度可用Hertz试验法来测定，由于金刚石是典型的脆性材料，其强度数值一般偏差较大，主要依赖于应力分布的形态和分布范围，因此适合用概率论来分析。
当作用应力相同时，（110）晶面的破损概率最大，（111）晶面次之，（100）晶面产生破损的概率最小。
即在外力作用下，（110）晶面最易破损，（111）晶面次之，（100）最不易破损。
尽管（110）晶面的磨削率高于（100）晶面，但实验结果表明，（100）晶面较其它晶面具有更高的抗应力、腐蚀和热退化能力。
结合微观强度综合考虑，用（100）面做刀具的前后刀面，容易刃磨出高质量的刀具刃口，不易产生微观崩刃。
通常应根据刀具的要求来进行单晶金刚石刀具的晶面选择。
单晶金刚石车刀在超精密单点切削中的磨损分析
单晶金刚石车刀在超精密单点切削中的磨损分析磨损分析是评估单晶金刚石车刀在超精密单点切削中使用过程中的性能退化情况。
磨损是由切削力和摩擦力引起的，而超精密单点切削要求较小的切削力和摩擦力。
因此，单晶金刚石车刀的磨损是非常重要的。
首先，单晶金刚石车刀的磨损主要有两种形式：刃口磨损和表面磨损。
刃口磨损会导致车刀的切削边缘变钝，从而降低切削效率和切削质量。
表面磨损主要是由刀具与工件表面接触时产生的摩擦引起的。
这些磨损形式都会导致单晶金刚石车刀的使用寿命减少。
其次，可以通过磨损分析来确定单晶金刚石车刀的磨损程度。
常用的磨损评估方法有：测量切削力和刀具表面形貌、观察工件表面质量等。
测量切削力可以间接评估刃口磨损程度，如果切削力增加，则说明刃口已经磨损。
观察工件表面质量也可以判断磨损情况，如果工件表面粗糙度增加，则说明刃口已经损坏。
最后，还可以通过磨损分析找出导致单晶金刚石车刀磨损的原因。
可能的原因包括：切削条件不合适、切削速度过高、切削液不合适等。
通过找出磨损原因，可以采取相应的措施来减少磨损，延长单晶金刚石车刀的使用寿命。
总之，单晶金刚石车刀在超精密单点切削中的磨损分析是评估其使用寿命和性能的重要手段。
通过磨损分析，可以确定磨损程度，找出导致磨损的原因，并采取相应的措施来延长车刀的使用寿命。
此外，单晶金刚石车刀磨损分析还可以提供对刀具寿命的预测和刀具性能的改进。
通过磨损分析，可以获取关于刀具磨损速率和刀具寿命的重要信息。
这些信息对于制定合理的刀具更换计划非常关键，以避免频繁更换刀具或过度使用磨损严重的刀具。
磨损分析还可以帮助改进单晶金刚石车刀的设计和制造工艺。
通过观察磨损形态和区域，可以了解刀具的磨损机制和影响因素。
这对于优化刀具的材料、几何形状和涂层等方面非常有价值。
例如，可以针对刀具的磨损情况进行改进，使其更耐磨、更耐用，并提高切削效率和切削质量。
此外，磨损分析还可以通过对比不同切削条件下的磨损情况，寻找最佳的切削参数组合。
PCD刀具金刚石砂轮刃磨表面质量及其对加工工件表面质量的影响
PCD刀具金刚石砂轮刃磨表面质量及其对加工工件表面质量的影响江兆周 张弘 大连理工大学摘 要:对树脂结合剂、金属结合剂和陶瓷结合剂金刚石砂轮刃磨PC D刀具的过程特点进行了比较分析,认为陶瓷结合剂金刚石砂轮刃磨PC D刀具可以得到较好的刃磨表面质量且刃磨效率最高;同时对加工工件表面的形成过程进行了分析,认为PC D刀具的后刀面表面质量是最重要的影响因素。
关键词:PC D刀具, 刃磨, 金刚石砂轮, 表面质量Surface Q uality of PCD Cutting Tool G rinded with Diamond Wheel and Its E ffect onMachining Surface Q uality of WorkpieceJiang Zhaozhou Zhang hong taoAbstract:The traits of PC D cutting tool grinding process with resin2bond,metal2bond and vitrified2bond diam ond wheel are compared and analyzed.Presented the highest efficiency and better surface quality can be acquired when PC D cutting tool is grind2 ed with vitrified2bond diam ond wheel.Meanwhile after a research on formation process of cutting surface,it is considered that flank surface quality of PC D cutting tool is the m ost important factor.K eyw ords:PC D cutting tool, grinding, diam ond grinding wheel, surface quality 1 引言聚晶金刚石(PC D)具有高硬度及耐磨性,是理想的刀具材料,被广泛应用于汽车、航空、航天、建材等领域。
刀尖半径对切削力与加工质量的影响及其最优选择
刀尖半径对切削力与加工质量的影响及其最优选择刀具是在机械加工中起着至关重要的作用的设备，它对于切削力和加工质量的影响不可忽视。
在刀具中，刀尖半径是一个重要的参数，它直接影响着刀具与工件接触的切削力以及加工表面的质量。
本文将探讨刀尖半径对切削力与加工质量的影响，并提出最优选择。
切削力是机械加工过程中最主要的力之一，它直接影响着机械加工的效率和工件的质量。
刀尖半径会对切削力产生直接影响。
根据切削力的计算公式可知，刀尖半径越大，相同切削深度和进给速度下的切削力也越大。
这是因为刀尖半径的增大会导致刀削角度变小，切削刃长度变长，使得刀尖处的切削力增大。
然而，刀尖半径的增大并不一定会带来更好的加工质量。
刀尖半径对加工表面的质量也有一定的影响。
具体而言，刀尖半径的增大会使切削过程中切屑的形状变得更不规则，容易造成粘刀现象，进而影响加工表面的光洁度和精度。
因此，选择合适的刀尖半径是确保加工质量的关键。
针对上述问题，最优选择需要综合考虑切削力和加工质量的因素。
为了降低切削力，减少机床的负荷以及延长刀具的使用寿命，刀尖半径的选取应尽量小。
特别是对于高硬度材料的加工，小刀尖半径能够大大降低切削力，提高加工效率。
然而，小刀尖半径也会带来切削过程中的一些问题，如容易产生刀尖磨损、切削力集中等。
因此，选取刀尖半径时需要考虑加工质量的要求。
在实际生产中，刀尖半径的选取应根据具体的加工材料和加工要求进行选择。
对于加工硬度较高的材料，如钢、铜、铝合金等，一般选取较小的刀尖半径；对于加工软性材料，如木材、塑料等，可以选取较大的刀尖半径。
在选择刀尖半径时，还应考虑刀具的稳定性和加工精度的要求。
对于刚性较差的刀具或需要较高加工精度的场合，应选择较小的刀尖半径。
此外，随着数控技术的发展，对于不同的刀具和加工情况，可以通过优化刀具的刃型和刀尖半径来获得更好的切削效果。
例如，采用小刀尖半径的刀具可以提高加工表面的光洁度和精度；采用大刀尖半径的刀具可以提高加工效率和切屑排出的效果。
刀具几何角度对零件加工质量影响规律
刀具几何角度对零件加工质量影响规律1.切削角对零件加工质量的影响：切削角是指刀具主切削刃上的刃前切削面与切削方向的夹角。
切削角的大小直接影响切削力和切削热量的分布。
当切削角增大时，切削力也增大，加工过程中的切削热量也变大，容易导致零件表面温度升高和变形增大，影响加工精度。
因此，选取合适的切削角可以提高零件的加工质量。
2.后角对零件加工质量的影响：后角是指刀具工作面上的刃前切削面和基准面之间的夹角。
后角大小的选择对刀具的耐磨性和切削力的分布有着重要影响。
适当的后角可以增加切削刃的强度，降低刃口磨损，提高刀具的寿命。
同时，合适的后角还可以有效降低切削力，减小对零件表面的变形，提高加工质量。
3.前角对零件加工质量的影响：前角是指刀具主切削刃上的刃前切削面和刃后切削面之间的夹角。
前角大小的选择对切削刃的尖锐度和进给沿刀具边缘方向的切屑流动有着重要影响。
适当的前角可以增加刃口尖锐度，提高切削效果，减小表面粗糙度。
同时，合适的前角也能够改善切屑的流动，降低切削力，提高加工精度。
4.刀尖圆弧半径对零件加工质量的影响：刀尖圆弧半径是指刀具主切削刃的刀尖部分的圆弧的半径。
刀尖圆弧半径大小对加工零件的表面质量和尺寸精度有着重要影响。
较小的刀尖圆弧半径可以减小切削刃与工件之间的接触面积，降低切削力和表面压力，减小表面粗糙度。
但是，过小的刀尖圆弧半径会导致切削刃的强度减小，容易出现断刃现象，降低刀具的寿命。
因此，需要在刀尖圆弧半径的选择上进行综合考虑。
在实际生产中，刀具的几何角度的选择应根据具体加工要求和材料特性进行合理的选择，以提高零件的加工质量。
此外，刀具的几何角度也与机床精度、切削液的选用、刀具刀路的选择等因素有关，需要综合考虑多个因素，进行合理的优化设计。
精密和超精密加工技术复习思考题答案
精密和超精密加工技术复习思考题答案精密和超精密加工技术复习思考题答案第一章1.试述精密和超精密加工技术对发展国防和尖端技术的重要意义。
答：超精密加工技术在尖端产品和现代化武器的制造中占有非常重要的地位。
国防方面，例如：对于导弹来说，具有决定意义的是导弹的命中精度，而命中精度是由惯性仪表的精度所决定的。
制造惯性仪表，需要有超精密加工技术和相应的设备。
尖端技术方面，大规模集成电路的发展，促进了微细工程的发展，并且密切依赖于微细工程的发展。
因为集成电路的发展要求电路中各种元件微型化，使有限的微小面积上能容纳更多的电子元件，以形成功能复杂和完备的电路。
因此，提高超精密加工水平以减小电路微细图案的最小线条宽度就成了提高集成电路集成度的技术关键。
2.从机械制造技术发展看，过去和现在达到怎样的精度可被称为精密和超精密加工。
答：通常将加工精度在0.1-lμm，加工表面粗糙度在Ra 0.02-0.1μm之间的加工方法称为精密加工。
而将加工精度高于0.1μm，加工表面粗糙度小于Ra 0.01μm的加工方法称为超精密加工。
3.精密和超精密加工现在包括哪些领域。
答：精密和超精密加工目前包含三个领域：1)超精密切削，如超精密金刚石刀具切削，可加工各种镜面。
它成功地解决了高精度陀螺仪，激光反射镜和某些大型反射镜的加工。
2)精密和超精密磨削研磨。
例如解决了大规模集成电路基片的加工和高精度硬磁盘等的加工。
3)精密特种加工。
如电子束，离子束加工。
使美国超大规模集成电路线宽达到0.1μm。
4.试展望精密和超精密加工技术的发展。
答：精密和超精密加工的发展分为两大方面：一是高密度高能量的粒子束加工的研究和开发；另一方面是以三维曲面加工为主的高性能的超精密机械加工技术以及作为配套的三维超精密检测技术和加工环境的控制技术。
5.我国的精密和超精密加工技术和发达国家相比情况如何。
答：我国当前某些精密产品尚靠进口，有些精密产品靠老工人于艺，因而废品率极高，例如现在生产的某种高精度惯性仪表，从十几台甚至几十台中才能挑选出一台合格品。