BW Professional Cutter Expert www.tool-tool.com

Bewise Inc. www.tool-tool.com Reference source from the internet.
目 前精密切削是在超精密车床上使用金刚石或超硬材料如立方氮化硼之类刀具来实现的。机床主轴转速通常在10000r／min以上，切削速度是很高的，切削时 不会形成鳞刺和积屑瘤，因而，所获得的已加工表面粗糙度可小至Rz0.1—0.05μm，如果再采取下文讲的熨平方法，所获得的粗糙度小至 Rz0.01μm，使已加工表面成为镜面。
影响超精密切削时已加工表面质量的主要因素有：
一、切削刃的不平整
用不平整的切削刃切削时在已加工表面上会切出许多深浅不一，互相平行的犁沟。这是在§9—5中讲过的现象。犁沟的深浅决定于切削刃的锯齿形高度，但是，由于已加工表面弹性恢复的原因，犁沟的深度有可能小于切削刃上的锯齿高度。
二、工件材料中的空穴
由 于工件材料中含有杂质，而形成一些空穴。例如易切钢中含有添加物MnS，在MnS与Fe之间常常有空穴存在，这是已经由电子显微镜观察结果所证实了的。当 切削刃恰好从空穴中间切过，在已加工表面上使出现一个黑色的小坑。如果空穴很多，小坑就密，就会增大已加工表面粗糙度。图9—32表示黑小坑的形成过程。
三、晶体的各向异性
机械制造用的金属都是多晶体的；而且这些晶体的取向都是随机的。可是晶体的滑移。面和滑移方向则是有限的(见§3—9)，因此，不可能期望所有晶粒都沿着 最大剪应力的方向滑移，而是只能沿着各自的滑移系统中最接近最大剪应力方向的滑移面和滑移方向滑移，因此，这些晶粒的滑移方向也都是随机的，不可能都沿着 同一方向滑移。由沿着不同方向进行滑移后得到的晶粒表面所构成的已加工表面是不平整的，从而影响到已加工表面的粗糙度。
针对上述主要影响因素，在超精密切削时，采取下述措施，可以减小已加工表面粗糙度。
(1)选择刚性好的超精密机床，以防止切削时发生振动。
(2)减小刀具前后刀面的粗糙度，以便提高切削刃的平整度。如欲获得粗糙度很小的已加工表面，最好把前后刀面抛光成镜面。
(3)在后刀面上作出一个后角为零度的烫平面棱带，将已加工表面上的犁沟、黑小坑和不平的晶粒表面熨平。目前超精密切削多采用这个方法来获得镜面，采用熨平法，粗糙度可减小到Rz0.015μm。

Bewise Inc. www.tool-tool.com Reference source from the internet.
一、概 述
刀具合理几何参数的选择是切削刀具理论与实践的重要课题。中国有句谚语说：“工欲善其事，必先利其器”，刀具正是切削加工的直接作用工具，它的完善程度对 切削加工的现状和发展起着决定性的作用。CIRP的一项研究报告指出：“由于刀具材料的改进，刀具的允许切削速度每隔十年几乎提高一倍；由于刀具结构和几 何参数的改进，刀具使用寿命每隔十年几乎提高二倍。”这也说明了选择刀具合理几何参数的重要意义。
什么是刀具的合理(或最佳)几何参数呢？
在保证加工质量的前提下，能够满足刀具使用寿命长、生产效率高、加工成本低的刀具几何参数，称为刀具的合理几何参数。
一 般地说，选定刀具几何参数的合理值问题，本质上是多变量函数针对某一目标计算求解最佳值的问题。但是，由于影响切削加工效益的因素很多，而且影响因素之间 又是相互作用的，因而建立数学模型的难度甚大。实用的优化或最佳化工作，只能在固定若干因素后，改变少数参量，取得实验数据，并且采用适当方法(例如方差 分析法、回归分析法等)进行处理，得出优选结果。
二、刀具合理几何参数的基本内容
刀具的合理几何参数包含以下四个方面基本内容：
1.刃形
刃形即是切削刃的形状。从简单的直线刃发展到折线刃、圆弧刃、月牙弧刃、波形刃、阶梯刃及其他适宜的空间曲线刃，同时也明确了一定的切削加工条件必定对应有某种适宜的刃形。这是刀具几何构形趋于合理的一种标志。刀尖形状的变革，也是刃形变革的内容之一。
刃形直接影响切削层的形状，影响切削图形的合理性；刃形的变化，将带来切削刃各点工作角度的变化。因此，选择合理的刃形，对于提高刀具使用寿命、改善已加 工表面质量、提高刀具的抗振性和改变切屑形态等，都有直接的意义。以切断刀为例(图10—1)，说明改革的刃形具有多样性。图中a为左偏刃，b为右偏刃， 可避免切断后工件芯部残留一段细杆，亦可防止切断终了时刀头折断；c为双过渡刃，增强了两个刀尖；d为双偏角刃，e、f、g、h、i、j为折线刃或圆弧 刃，均可增加切削刃的有效长度，改善刀尖处散热条件，获得有利于排屑的切削层形状；k、l为月牙弧刃，有抗振作用；m、n为前刀面上磨出—条或几条纵向槽 (搓板槽)形成的波形刃，抗振性好；o为单面阶梯打；p为双阶梯刃。这些刃形总的特点是强化了刀尖，减少单位切削刃长度上的切削负荷，排屑顺利，还有一定 的抗振作用，因而在各自适宜的切削条件下均可发挥较好的作用。
图10—3所示为普通的平直切削刃切断刀与双阶梯刃切断刀(图10—2)的切削力实验曲线。这是刃形对比实验研究的一个适例。
进行实验的双阶梯刃切断刀(图10—2)和普通平直刃切断刀的刀片材料均为YT5，除刃形不同外，其他几何参数都一样。图10—3为三种不同的进给量下， 两把切断刀的切入深度h对主切削力Fc的影响曲线。由图可见，随着切入深度h的增加，普通平直刃的切削力迅速上升，约为阶梯刃切削力的两倍。这是因为阶梯 刃的主切削刃分为三段，切屑也相应地分成三条，切屑同切出槽形两壁之间的摩擦大大减小，即使切入较深时，也不致使切屑 阻塞在刀头与切出槽形两壁之间。同时，切削液也容易注入切削区域，因此切削力和切削温度均显著减小。当切入深度增加时，阶梯刃切断刀仅仅由于切削速度降低 而使切削力略有增加。实验得知，阶梯刃的切削温度同平直刃相比，约降低20％—25％，而刀具使用寿命延长了50％一100％。由此可以看出变革刃形的重 要意义。
2.切削刃刃区的剖面型式及参数
切削刃的剖面型式，我们通常将它简称为刃区型式，对切削加工效率、质量和成本有重要的意义。针对不同的加工条件和技术要求，选择合理的刃区型式(如锋刃、 前刀面负倒棱刃、后刀面消振棱刃、倒圆刃、零度后角的刃带)及其合理的参数值，是选择刀具合理几何参数的基本内容。图10—4所示为五种刃区型式，其合理 参数值的选择见附录10。
3.刀面型式及参数
IS0 标准确立了多棱面前、后刀面的定义，标志着切削刀具刀面型式的发展和多样性。前刀面上的卷屑槽、断屑槽，后刀面的双重刃磨、铲背以及波形刀面等，都是常见 的刀面型式。选择合理的刀面型式及其参数值，对切屑的变形、卷曲和折断，对切削力、切削热、刀具磨损及使用寿命，有着直接的影响，其中前刀面的影响和作用 更大。关于刀面作用机理及其参数选择，可参阅本书第三章和后续课程《金属切削刀具》第一章。
4.刀具角度
刀具角度包括主切削刃的前角γ。、后角α。、主偏角kr、刃倾角λs和副切削刃的副后角α。’、副偏角kr’等。
三、选择刀具合理几何参数的一般性原则
1.要考虑工件的实际情况
选择刀具合理几何参数，要考虑工件的实际情况，主要是工件材料的化学成分、制造方没热处理状态、物理机械性能(包括硬度、抗拉强度、延伸率、冲击韧性、导热系数等)，还有毛坯表层情况、工件的形状、尺寸、精度和表面质量要求等。
2.要考虑刀具材料和刀具结构
选择刀具合理几何参数时，要考虑刀具材料的化学成分、物理机械性能(包括硬度、抗弯强度、冲击值、耐磨性、热硬性和导热系数)，还有刀具的结构型式，是整体式、焊接式或机夹式等。
3.要注意各个几何参数之间的联系
刀具的刃形、刃区、刀面和角度之间是相互联系的，应该综合起来考虑它们之间的作用与影响，分别确定其合理数值。从本质上看，这是一个多变量函数的优化设计 问题，若用单因素法难免有很大的局限性。例如，选择前角γ。时，至少要考虑卷屑槽型、有无倒棱及刃倾角λs的正负大小等，联系这些情况，优选合理的前角 值，不要割裂它们之间的内在联系，孤立地选择某一参数。
4.要考虑具体的加工条件
选择合理几何参数，也要考虑加工条件，这就是机 床、夹具的情况，工艺系统刚度及功率大小，切削用量和切削液性能等。一般地说，粗加工时，着重考虑保证最长的刀具使用寿命，精加工时，主要考虑保证加工精 度和已加工表面质量的要求；对于自动线生产用的刀具，主要考虑刀具工作的稳定性，有时需要着重解决断屑问题；机床刚性和动力不足时，刀具应力求锋利(如增 大前角和主偏角，减小切削刃钝圆半径等)，以减小切削力和振动。

Bewise Inc. www.tool-tool.com Reference source from the internet.
一、前角的功用及合理前角值的选择
从金属切削的变形规律可知，前角(γ。)是切削刀具上重要的几何参数之一，它的大小直接影响切削力、切削温度和切削功率，影响刃区和刀头的强度、容热体积和导热面积，从而影响刀具使用寿命和切削加工生产率。选择合理的前角，是刀具设计的重要问题。
1.前角的主要功用
(1)影响切削区域的变形程度：若增大刀具前角，可减小前刀面挤压切削层时的塑性变形，减小切屑流经前刀面的摩擦阻力，从而减小了切削力、切削热和功率。 第四章图4—14所示，为前角γ。对三个切削分力的影响，当前角增大时，Fc、Fp、Ff力均显著减小，这是增大前角的有利方面。
(2)影响切削刃与刀头的强度、受力性质和散热条件：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；过份加大前角，有可能导致切削刃处出现弯曲应力，造成崩刃。这些都是增大前角的不利方面。
(3)影响切屑形态和断屑效果：若减小前角，可以增大切屑的变形，使之易于脆化断裂。
(4)影响已加工表面质量：前角与表面质量的关系，在第九章已有论述。值得法意的是，前角大小同切削过程中的振动现象有关，减小前角或者采用负前角时，振幅急剧增大，如图10—5所示。
2.合理前角的概念
从上述前角的作用可知，增大或减小前角，各有其有利和不利两方面的影响。例如，从切削热的产生和散热来说，增大前角，可以减小切削热的产生，切削温度不致 太高；但如果前角太大，则因刀头导热面积和容热体积减小，切削温度反而升高。在切削很硬的材料时，应用较小的前角，甚至选用适宜的负前角，以加强切削刃， 并改善刀头容热和散热条件；但若是前角太小，或取很大的负前角，则因切削变形严重，产生热量多，来不及散逸，结果还会使切削温度上升。可见，在一定的条件 下，前角有一个合理的数值。
图10—6为刀具前角对使用寿命影响的示意曲线。可见前角太大、太小都会使刀具使用寿命显著降低。对于不同的刀具材料，各有其对应着刀具最大使用寿命的前 角，称为合理前角γopt。显然，由于硬质合金的抗弯强度较低，抗冲击韧性差，其γopt也就小于高速钢刀具的γopt。同理，工件材料不同时，刀具的合 理前角也不同(图10—7)。从实验曲线可以看出，加工塑性材料比加工脆性材料的合理前角值大，加工低强度钢比加工高强度钢的合理前角值大。这是因为切削 塑性大的金属材料产生的切屑，在切削过程中，它同前刀面接触长度(刀—屑接触长度)较大，由于塑性变形的缘故，刀—屑之间的压力和摩擦力很大，为了减少切 削变形和切屑流动阻力，应取较大的前角。加工材料的强度硬度较高时，由于单位切削力大，切削温度容易升高，为了提高切削刃强度，增加刀头导热面积和容热体 积，需适当减小前角。切削脆性材料时，塑性变形不大，切出的崩碎切屑，与前刀面的接触长度很小，压力集中在切削刃附近，为了保护切削刃，宜取较小的前角。
以上所讲的都是保证刀具最大使用寿命的前角。在某些情况下，这样选定的γopt未必是最适宜的，例如在出现振动的情况下，为了减小振动的振幅或消除振动， 除采取其他措施外，有时需增大前角；在精加工条件下，往往需要考虑加工精度和已加工表面的粗糙度要求，选择某一适宜的前角；有些刀具需考虑其重磨次数最多 而选择某一前角，等等。
3.合理前角的选择原则
(1)工件材料的强度、硬度低，可以取较大的甚至很大的前角；工件材料强度、硬度高，应取较小的前角；加工特别硬的工件(如淬硬钢)时，前角很小甚至取负值。
(2)加工塑性材料时，尤其是冷加工硬化严重的材料，应取较大的前角；加工脆性材料时，可取较小的前角。
(3)粗加工，特别是断续切削，承受冲击性载荷，或对有硬皮的铸锻件粗切时，为保证刀具有足够的强度，应适当减小前角；但在采取某些强化切削刃及刀尖的措施之后，也可增大前角至合理的数值。
(4)成形刀具和前角影响刀刃形状的其它刀具，为防止刃形畸变，常取较小的前角，甚至取γ。＝0，但这些刀具的切削条件不好，应在保证切削刃成形精度的前提下，设法增大前角，例如有增大前角的螺纹车刀和齿轮滚刀等。
(5)刀具材料的抗弯强度较大、韧性较好时，应选用较大的前角，如高速钢刀具比硬质合金刀具，允许选用较大的前角(约可增大5—10º)。
(6)工艺系统刚性差和机床功率不足时，应选取较大的前角。
(7)数控机床和自动机、自动线用刀具，应考虑保障刀具尺寸公差范围的使用寿命及工作的稳定性，而选用较小的前角。
硬质合金车刀合理前角参考值见附录9的表9.1。
二、后角的功用及合理后角值的选择
后角也是刀具上主要的几何参数之一，它的数值合理与否直接影响已加工表面的质量、刀具使用寿命和生产率。
1.后角的功用
(1)后角的主要功用是减小后刀面与过渡表面之间的摩擦。由于切屑形成过程中的弹性、塑性变形和切削刃钝圆半径rn的作用，在过渡表面上有一个弹性恢复 层。后角越小，弹性恢复层同后刀面的摩擦接触长度越大，它是导致切削刃及后刀面磨损的直接原因之一。从这个意义上来看，增大后角能减小摩擦，可以提高已加 工表面质量和刀具使用寿命。
(2)后角越大，切削刃钝圆半径rn值越小，切削刃越锋利。
(3)在同样的磨钝标准VB下，后角大的刀具由新用到磨钝，所磨去的金属体积较大(图10—8a)，这也是增大后角可以延长刀具使用寿命的原因之一。但它带来的问题是刀具.

Bewise Inc. www.tool-tool.com Reference source from the internet.
磨削曾是加工时间很长、磨除材料很少的精细加工，然而，现代磨削则完全突破了这种传统界限，把磨削只作为精加工方法的习惯认识早已过时。
随着近代机械制造业的飞速发展，各种高强度和难切削加工材料的广泛应用，以及零件制造精度和表面质量的高要求，磨削加工获得了越来越广泛的应用和非常迅猛 的发展。这是任何其他机械加工方法所难以比拟的。目前，在工业发达的国家中，磨床占机床总数的30％—40％，在轴承制造业中则多达60％左右。磨削加工 精度为5—6级，甚至高于5级；表面粗糙度可小至Rz0.2—0.04μm。更有意义的是，磨削加工不仅广泛用于精加工，而且还用于粗加工和毛坯去皮加 工，并能获得较高的生产率和良好的经济性。现在，可磨削的工件重量已达125 吨，工件直径为3000mm，长度达18000mm，在功率为250千瓦的重型磨床上磨除余量达6mm以上，砂轮(现在也有磨轮之称)直径为 3000mm，每小时磨除金属达250—360kg。
很明显，大力开展磨料、砂轮、磨具和磨削原理的研究，进一步扩大磨削的使用范围，发展新磨料和磨削新技术，是机械制造业的重要基础工艺研究任务。
§14—l 砂轮的特性和砂轮选择
砂轮是由磨料加结合剂用制造陶瓷的工艺方法制成的。制造砂轮时，用不同的配方和不同的投料密度来控制砂轮的硬度和组织。
砂轮的特性由下列五个因素来决定：磨料、粒度、结合剂、硬度和组织
一、磨 料 常用的磨料有氧化物系、碳化物系、高硬磨科系三类。
氧化物系磨料的主要成分是A1203，由于它的纯度不同和加入金属元素不同，而分为不同的品种。碳化物系磨料主要以碳化硅、碳化硼等为基体，也是因材料的纯度不同而分为不同品种。高硬磨料系中主要有人造金刚石和立方氮化硼。
各种磨料的特性及适用范围见附录表14—1。其中立方氮化硼是我国近年发展起来的新型磨科，虽然它的硬度比金刚石略低，但其耐热性(1400℃)比金刚石 (800℃)高出许多，而且对铁元素的化学惰性高，所以特别适合于磨削既硬又韧的钢材。在加工高速钢、模具钢、耐热钢时，立方氮化硼的工作能力超过金刚石 5—10倍。同时，立方氮化硼的磨粒切削刃锋利，在磨削时可减小加工表面材料的塑性变形，因此，磨出的表面粗糙度比用一般砂轮小。
在相同切削条件下，立方氮化硼砂轮加工所得的表面层为残余压应力，而氧化铝砂轮加工的表面层为残余张应力(参看图14—1)。所以用立方氮化硼砂轮所加工出的零件，其使用寿命要高些。由此可见，立方氮化硼是一种很有前途的磨料。
二、粒 度
粒度表示磨粒的大小程度。以磨粒刚能通过的一号筛网的网号来表示磨粒的粒度。例如60粒度是指磨粒刚可通过每英寸长度上有60个孔眼的筛网。
当磨粒的直径小于40μm时，这些磨粒称为微粉。它的粒度以微粉的尺寸大小来表示。如尺寸为28μm的微粉，其粒度号标为W28。
磨粒粒度及其尺寸范围见表14—2。
磨粒粒度对磨削生产率和加工表面粗糙度有很大的影响。一般来说，粗磨用颗粒较粗的磨粒，精磨用颗粒较细的磨粒。当工件材料软、塑性大和磨削面积大时，为避免堵塞砂轮，也可采用较粗的磨粒。常用的砂轮粒度及其应用范围见表14—3。
三、结 合 剂
结合剂的作用是将磨粒粘合在一起，使砂轮具有必要的形状和强度。常用的砂轮结合剂有：
1.陶瓷结合剂(Vitrified，代号V)
它是由粘土、长石、滑石、硼玻璃和硅石等陶瓷材料配制而成。特点是化学性质稳定，耐水、耐酸、耐热和成本低，但较脆。所以除切断砂轮外，大多数砂轮都是采用陶瓷结合剂。它所制成的砂轮线速度一般为35m／s。
2.树脂结合剂(Bakelite，代号B)
其成分主要为酚醛树脂，但也有采用环氧树脂的。
树脂结合剂的强度高，弹性好，故多用于高速磨削、切断和开槽等工序，也用于制作荒磨砂轮、砂瓦等。但是，树脂结合剂的耐热性差，当磨削温度达200— 300℃时，它的结合能力便大大降低。利用它强度降低时磨粒易于脱落而露出锋利的新磨粒(自砺)的特点，在一些对磨削烧伤和磨削裂纹特别敏感的工序(如磨 薄壁件、超精磨或刃磨硬质合金等)都可采用 树脂结合剂。
人造树脂与碱性物质会起化学作用。在采用树脂砂轮时，切削液的含碱量不宜超过1.5％。另外，树脂结合制砂轮也不宜长期存放，存放太久可能会变质而使结合强度降低。
3.橡胶结合剂(Rubber，代号R)
多数采用人造橡胶。橡胶结合剂比树脂结合剂更富有弹性，可使砂轮具有良好的抛光作用。多用于制作无心磨床的导轮和切断、开槽及抛光砂轮。但不宜于用作粗加工砂轮。
4.金属结合剂(Metal，代号M)
常见的是青铜结合剂，主要用于制作金刚石砂轮。青铜结合剂金刚石砂轮的特点是型 面的成型性好，强度高，有—定韧性，但自砺性较差。主要用于粗磨、半精磨硬质合金以及切断光学玻璃、陶瓷、半导体等。
四、硬 度
砂轮的硬度是反映磨粒在磨削力作用下，从砂轮表面上脱落的难易程度。砂轮硬，即表示磨粒难以脱落；砂轮软，表示磨粒容易脱落。
砂轮的软硬和磨粒的软硬是两个不同的概念，必须区分清楚。砂轮硬度等级见表14—4。
选用砂轮时，应注意硬度选得适当。若砂轮选得太硬，会使磨钝了的磨粒不能及时脱落，因而产生大量磨削热，造成工件烧伤；若选得太软，会使磨粒脱落得太快而不能充分发挥其切削作用。
选择砂轮硬度时，可参照以下几条原则：
1.工件硬度
工件材料越硬，砂轮硬度应选得软些，使磨钝了的磨粒快点脱落，以便砂轮经常保持有锐利的磨粒在工作，避免工件因磨削温度过高而烧伤。工件材料越软，砂轮的硬度应选得硬些，使磨粒脱落得慢些，以便充分发挥磨粒的切削作用。
2.加工接触面
砂轮与工件的接触面大时，应选用软砂轮，使磨粒脱落快些，以免工件因磨屑堵塞砂轮表面而引起表面烧伤。内圆磨削和端面平磨时，砂轮硬度应比外圆磨削的砂轮硬度低。磨削薄壁零件及导热性差的工件时，砂轮硬度也应选得低些。
3.精磨和成形磨削
精磨和成形磨削时，应选用硬一些的砂轮，以保持砂轮必要的形状精度。
4.砂轮粒度大小
砂轮的粒度号越大，其硬度应选低一些的，以免砂轮表面组织被磨屑堵塞。
5.工件材科
磨削有色金属、橡胶、树脂等软材料，应选用较软的砂轮，以免砂轮表面被磨屑堵塞。
在机械加工中，常用的砂轮硬度是软2(H)至中2(N)。荒磨钢锭及铸件时可用中硬2(Q)的砂轮。
五、组 织
砂轮的组织反映了磨粒、结合剂、气孔三者之间的比例关系。磨粒在砂轮总体积中所占的比例越大，则砂轮的组织越紧密，气孔越小；反之，磨粒的比例越小，则组织越疏松，气孔越大。
砂轮组织的级别可分为紧密、中等、疏松三大类别(图14—2)，细分可分为13级，见表14—5。
紧密组织的砂轮适用于重压力下的磨削。在成形磨削和精密磨削时，紧密组织的砂轮能保持砂轮的成形性，并可获得较小的粗糙度。
中等组织的砂轮适用于一般的磨削工作，如淬火钢的磨削及刀具刃磨等。
疏松组织的砂轮不易堵塞，适用于平面磨、内圆磨等磨削接触面积较大的工序，以及磨 削热敏性强的材料或薄工件。磨削软质材料最好采用组织号为10号以上的疏松组织，以免磨屑堵塞砂轮。大气孔砂轮的组织大约相当于10—14号的组织。这种 砂轮的气孔尺寸可能要比磨粒尺寸大好几倍。适用于磨削热敏性材料(如磁钢、钨银合金等)、薄壁零件、软金属(如铝)等。也可用于磨削非金属软质材料。
一般砂轮未标明组织号，即为中等组织。
六、砂轮形状
常用砂轮的形状、代号及其用途见表14—6。
在砂轮的端面上一般都印有标志，例如A60SV6P300×30×75，即代表该砂轮的磨料是棕刚玉，60号粒度，硬度为硬1，陶瓷结合剂，6号组织，平型砂轮，外径为300mm，厚度为30mm，内径为75mm。
常用砂轮的形状、代号及其用途见表14—6。
在砂轮的端面上一般都印有标志，例如A60SV6P300×30×75，即代表该砂轮的磨料是棕刚玉，60号粒度，硬度为硬1，陶瓷结合剂，6号组织，平型砂轮，外径为300mm，厚度为30mm，内径为75mm。

Bewise Inc. www.tool-tool.com Reference source from the internet.
一、磨削加工类型

Bewise Inc. www.tool-tool.com Reference source from the internet.
一、单个磨粒的磨削过程

Bewise Inc. www.tool-tool.com Reference source from the internet.
一、磨削力的特征

Bewise Inc. www.tool-tool.com Reference source from the internet.
实验结果证明，在磨削过程中，砂轮的耕犁、滑擦以及形成切屑的能量，几乎全部转化为热。耕犁和滑擦而产生的热能，近乎全部传入工件；形成切屑而产生热能，也有55％ 左右传入工件中。磨削时由于速度很高，同时切除单位切屑体积所需的能约为普通切削加工的10—20倍，所以磨削温度必然较用其他刀具切削时为高。这样高的 温度会导致工件尺寸精度下降和已加工表面质量的降低。因此，控制磨削温度是提高表面质量和保证加工精度的重要途径；为了降低切削温度，通常在磨削时大量喷 注冷却性能良好的切削液（如乳化液）。但是，仍须对磨削温度进行充分研究，以便从根本上解决这个问题。

Bewise Inc. www.tool-tool.com Reference source from the internet.
同其他切削工具一样，砂轮在加工了一定数量的工件后，同样会产生磨损。砂轮磨损后如继续使用，将引起振动、噪音、已加工表面粗糙度增大、产生裂纹、烧伤和残余张应力等，同时也不能保证工件的几何精度。

砂轮虽有一定的自砺性，例如粗磨时砂轮的磨削表面就是靠自砺更新的，但在一般条件下不可能完全自砺，因此磨损后必须及时修整，以获得良好的表面形貌，保证其磨削性能。

Bewise Inc. www.tool-tool.com Reference source from the internet.
磨削表面质量包括磨削表面的微观不平度(表 面粗糙度)和磨削表面层的机械物理性能两方面内容。由于磨削点的瞬时温度变化可达1000℃左右，被磨工件表面层的金相组织和硬度将发生某种变化，同时也 将影响表层残余应力的性质和大小。又因为磨粒具有很大的负前角和刃区钝圆半径，且磨削厚度很小，因而磨削的加工硬化程度比其他切削加工方法严重得多，加上 磨粒随机分布的复杂情况等，使磨削表面质量问题成为有别于一般切削加工的特殊问题。

Bewise Inc. www.tool-tool.com Reference source from the internet.
目前，磨削正朝着两个方向发展：—是高精度、小粗糙度磨削，二是高效磨削。

Bewise Inc. www.tool-tool.com Reference source from the internet.
ＣＢＮ （ＣｌｌｂｉＢｏｒｏｎＮｉｔｒｉｄｅ立方氮化硼）是在高温高压下合成的非天然物质，其 硬度仅次于金刚石，且具有较高的热稳定性，在１２００—１３００ｏＣ时，也不与铁系金属起化学作用，是理想的切削铁系金属的刀具材料．自从１９５７年美国 ＧＥ公司首先开发成功后，ＣＢＮ主要作为磨料用于磨削．７０年代初期苏联、美国、中国等国家又先后研制成功了大颗粒的ＰＣＢＮ （ＰｏｌｙＣｒｙｓｔａｌｌｉｎＣｕｂｉｃＢｏｒｏｎＮｉｅｄｅ聚晶立方氨化硼）烧结块及ＰＣＢＮ复合片，开始用于切削加工．ＰＣＢＮ是ＣＢＮ颗粒加结合 剂在高温高压下烧结而成，具有和ＣＢＮ几乎相同的耐热性和硬度，根据结合剂种类的不同及ＣＢＮ含量的不同，ＰＣＢＮ复合片的切削性能也有所不同ｌ’， ２１．目前各国都推出了不同牌号的ＰＣＢＮ复合片．我国使用较多的是贵州第六砂轮厂生产的ＰＣＢＮ复合片，进口的ＰＣＢＮ复合片主要是英国ｈＢｅｅｒｓ公 司和美国ＧＥ公司的产品．本文就实际应用ＰＣＢＮ刀具进行切削加工的参数选取等进行探讨．ＩＰＣＢＮ刀具几何参数选择复合片脆性比硬质合金大，因此，在设 计ＰＣＢＮ刀具时要着重考虑刀刃及刀尖强度问题．在ＰＣＢＮ刀具研制及使用过程中，为增强刀尖强度，将刀尖部分研磨成半径为Ｃ。０．４ｍｍ的刀尖圆弧；增 加切削刃强度的方法主要是磨制出负倒棱，倒棱前角取ｙｏ— 一１０ｏ——３０ｏ，负倒核宽度与切削用量及被加工材料性能有关．在加工高合金耐磨铸铁时，用国产ＰＣＢＮ复合片，倒校前角ｙｏ－２０ｏ，负倒棱宽度ｂ， 一０．３采用切削用量为：切削速度ｖ—９３．４４ｍ／Ｉｎｉｎ、进给量ｆ—０·４８Ｉｎｍ／ｒ、背吃刀量ａｐ—０．５ｍｍ、切削时间为６ｍｍ、刀具后刀面 磨损ＶＢ＝０．Ｉｎｎｎ左右，切削平稳，加工表面质量符合技术要求．用相同的ａ。和ｆ，且要保证切削时间同样为６Ｉｍｎ（加工完一个工件）时，如用 ＹＴ１５硬质合金刀具，切削速度只能选择ｖ—２５ｆｏｒ．用俄罗斯产＊ＣＢＮ刀具切削表面喷焊材料（含镍刀％一８０％，硬度为ＨＲ刀）时，切削用量为：切 削速度Ｖ＝Ｈｍ／Ｉｎｊｎ、背吃刀量ｑ一０．８——、进给量ｆ—ｏ．３见叩，考虑具体情况，取刀尖圆弧半径、一０．６——，刀具切削时间ｇｏｎｕｎ，加工 表面粗糙度为凡一２．８仰ｎ，满足技术要求．而用国产＊＊＊Ｎ刀具采用同样的切削用量时，仅切削３ｎｕｎ即产生崩刃．为保证切削刃有足够强度，后角要取得 小一些，一般不大于６ｏＺ前角和刃倾角可取为队主偏角和副切削刃的设计则要根据具体加工情况而定ｍ．２ＰＣＢＮ刀具切削部分的结构形式及特点分析目前常见 ＰＣＢＮ刀具切削部分的结构种类如图１所示．图ｌａ结构为大颗粒烧结块固定于刀头之上，然后再通过机夹方式将此刀头夹于刀杆之上．目前俄罗斯的刀具常用这 种结构形式．这种结构容易出现的问题是当切削时间较长或选择切削用量较大时，切削温度较高，刀头材料软化，易造成打刀或烧结块脱落；另一个缺点是烧结块大 小有限，因此重磨次数少，且重磨时需磨３个刀面．图比所示结构为机夹可重磨式复合刀头，这种结构具有一般机夹刀具的优点，即刀头部分可重磨，增加了刀具的 使用寿命，刀杯又可重复使用．但就刀具整体而言，刀头部分占整个刀具成本的９０％左右．这种结构也存在缺点，即增加了一个连接部分，刀头夹固不好时，产生 微小的串动也会造成打刀，刀具的可靠性有所降低；另一个弱点是刀尖部分ＰＣＢＮ复合片面积小，重磨次数非常有限，同时ＰＣＢＮ复合片与刀头焊接面积小，当 切削温度升高时，焊接部分软化，强度下降，整个ＰＣＢＮ复合片易脱落，造成打刀．图ＩＣ所示为在可转位硬质合金刀片一角上焊有一ＰＣＢＮ复合片．这种结构 同标准硬质合金刀片一样，可直接用于可转位刀杆之上，这种结构同图ｆｏ所示结构具有同样缺点，而且还不能重磨，因此，成本较高．目前这种结构刀具主要用于 自动化程度较高的加工中心及数控机床．图ｉｄ为焊接式ＰＣＢＮ刀具结构．此种结构特点是重磨次数多，且ＰＣＢＮ复合片与刀具连接可靠．但这种刀具要求 ＰＣＢＮ复合片质量要高，不然易产生大面积崩刃，使整个刀具报废．３ＰＣＢＮ刀具切削用量的选择原则３．ｌ切削速度的选择ＰＣＢＮ刀具材料由于其常温与高 温硬度都很高，且热稳定性好，因此可以用于较高速度的切削加工．试验研究证明，其切削速度高于一定数值后，切削速度与刀具寿命关系便不再符合泰勒公式．图 ２所示为ＰＣＢＮ刀具切削淬硬高速钢的磨损曲线［４］．由图２可以看出，当切削速度低于５４ｗｔ时，刀具寿命随切削速度提高而增加，当切削速度高于 ５４ｆｏｒ时，刀具寿命随速度提高而降低．由图３可看出，当切削灰铸铁时，切削速度在高速区域刀具寿命反而高ｌｑ．因此可以看出，ＰＣＢＮ刀具的切削速度 有一最佳值且与被切削材料的性能有关，同时也与背吃刀量有关．实验研究证明，采用ＰＣＢＮ刀具切削淬硬材料和灰铸铁时，可以得到很小的表面粗糙度值，另外 可以以车代磨提高效率．３．２背吃刀量的选择选择背吃刀量应先考虑金属的软化效应．金属软化最早由英国ＤｅＢｅｅｒｓ公司发现并提出的，认为用ＰＣＢＮ刀 具切削硬度大于ＨＲＣ４５的淬火材料时，精细切削易造成刀具快速磨损，而大切深的粗加工由于有足够的热量对切削区金属进行软化，ＰＣＢＮ刀具的磨损反而降 低，ＰＣＢＮ刀具的上述切削性能称为金属软化效应．图４中两把刀具ＢＮＩ、ＢＮ３的材料来源、刀具角度、工件材料完全一致，在试验开始约ｓｎｄｎ后，大切 深（０．６ｍｍ）的ＢＮ３刀具磨损开始小于小切深（０．２ｍｍ）的ＢＮＩ刀具磨损，随着切削时间的延长，两者的差值有扩大的趋势．比较图５中两把刀具的切 削力对比，也可看出，ＢＮ３的切削力是ＢＮＩ的近３倍，这说明ＢＮ３切削刀尖部分在承受３倍于ＢＮＩ切削力的情况下，其磨损反而更低，这就是ＰＣＢＮ这种 超硬材料刀具所独有的金属软化现象Ｉ’］．要使ＰＣＢＮ刀具切削时产生金属软化效应，就需使切削面积足够大，有资料表明，产生金属软化的临界面积为０． Ｚｍｍｘｏ．６ｍｒｎ．因此，在进给量确定后，背吃刀量的选择应考虑生成大于产生金属软化效应的切削面积．３．３进给量的选择由于ＰＣＢＮ刀具需制出负倒 棱，因此，进给量的选择要大于倒棱宽度．另外，ＰＣＢＮ刀具主要用于精加工，背吃刀量一般较小，为产生金属软化效应，进给量应取大些．在加工高铬铸铁时取 ｆ—０．４８ｒｕｍ／ｒ，ｔｏ工表面喷镍压辊时取ｆ—０．３ｍｍ／ｒ，都取得了较好的效果．切削用量的选择要注意这三者之间的综合影响，ＰＣＢＮ复合片耐 高温，但复合片与其它部分的连接强度往往制约切削效率的提高．如切削杂质泵套（高铬抗磨铸铁材质），当选用切削用量：ｖ—９４ｍ／ｒｘｌｌｌ：ｌ、ｆ— ０．４８ｎｕｎ／ｒ、ａ。一０．５０ｍｍ时，加工一个件的切削时间为４ｍｉｎ，刀具磨损不明显，加工表面质量满足要求．但将切削用量调整为ｖ— １１５ｍ／Ｉｎｉｎ、ｆ—０．４８ｎｄ、闪一２ｒｕｍ时，复合刀片与刀体连接部脱焊，刀片错位，造成打刀．４适合ＰＣＢＮ刀具加工的材料硬度由于ＰＣＢＮ 刀具耐高温１２００—１３００℃，而且在１２００℃以上也不与铁系金属产生化学反应，因此，目前ＰＣＢＮ刀具多用于淬硬钢、冷硬铸铁及表面热喷涂料的切削 加工，而用于加工中等硬度的材料时往往体现不出较好的切削性能．在一定条件下，刀具寿命与工件硬度的关系如图６所示．在两种不同切削速度下，ＰＣＢＮ刀具 的寿命都在工件硬度ＩＩＲＣ３５左右时最低，因此就ＰＣＢＮ刀具而言不适用于加工中等硬度的材料．图７所示为不同工件硬度下，ＰＣＢＮ刀具与硬质合金刀具 寿命的对比．可看出：在加工中、低硬度的工件时，ＰＣＢＮ刀具寿命还没有硬质合金刀具寿命高．在加工ＨＲＣ５０以上硬度工件时，刀具才开始发挥出其超硬性 能，在加工ＨＲＣ６０以上硬度的工件时，其寿命要高于硬质合金刀具寿命１０倍以上．从以上分析看出：ＰＣＢＮ刀具用于加工高硬度材料才能发挥出其优越的性 能．５ＰＣＢＮ刀具的使用条件１）加工设备由于ＰＣＢＮ刀具脆性大，因此要求机床主轴偏摆要小，刀架及整个加工系统刚性要好，且机床振动要小，以防打刀． ２）冷却润滑虽然ＰＣＢＮ复合片能承受１２００～１３００℃的切削温度，但ＰＣＢＮ复合片与刀体的连接部分却仅能承受７００℃（铜焊情况下）左右的温度， 因此，最好进行冷却润滑．但是ＰＣＢＮ刀具在１０００ｔ左右时易产生磨损，因此不宜用水或其它氧化性冷却液，以免加剧氧化磨损．比较适宜的冷却液是有极压 作用的切削油．３）ＰＣＢＮ刀具使用前的修磨与检查ＰＣＢＮ刀具使用前最好将前、后刀面进行研磨，以减小切削过程中的摩擦，另外也可以提高切削刃的直线度 预防刀具的非正常破损．在使用前要用５０倍以上的放大镜检查切削刃的质量，若锯齿度大将会影响刀具寿命．（下转第刀页）（上接第６７页）６结语由于 ＰＣＢＮ刀具应用前景广阔，应用时应充分了解其使用条件和切削性能，使效益价格比达到最高．ＰＣＢＮ复合片用于切削加工近２０年，且已有很多成功实例，但 对这种刀具材料切削性能的系统定量研究还很不深人．其原因之一是刀具价格太高；之二是国产刀片材质性能还很不稳定，再就是能发挥其切削效果的高硬度被加工 材料也比较昂贵．因此，为开发出高效的超硬材料ＰＣＢＮ刀具，还需投人大量的财力及人力进行深人系统的研究，以取得能真正用于生产实际、产生经济效益的研 究成果 ．