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‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥2§2.1超精密加工金刚石刀具的特点和应用‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥2§2.2金刚石刀具的材料及其各自特点‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥3§2.3金刚石刀具设计时最主要的问题‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥4§2.4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‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥7§3.1刀具材料的选择‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥7§3.2金刚石刀具的定向‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥8§3.3到头形式的选择‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥9§3.4金刚石刀具的主要几何参数的设计‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥93.4.1前角γo的设计‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥93.4.2后角αo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‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥13燕山大学专业综合训练说明书1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0.1μm，表面粗糙度值小于Ra0.01μm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燕山大学专业综合训练说明书2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2·1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。2·1·1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燕山大学专业综合训练说明书3为10~20nm。7）平滑的刃口。有利于工件表面精度。2·1·2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。2·2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（100~500）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Ra(0.1~0.012)μm。燕山大学专业综合训练说明书4（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Ra0.05μm。（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（2~8）μm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Ra（0.1~0.05）μm。（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（0.5~0.7）㎜厚，直径为（60~70）㎜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Ra0.5μm。（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（10~25）μm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。2·3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：燕山大学专业综合训练说明书5（1）金刚石刀具切削部分的几何形状。○1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（0.1~0.2）㎜。圆弧刃推荐半径为R=（0.5~3）㎜。金刚石刀具的刀头有以下几种形式○2前角和后角。为增加刀刃的强度，应采用较大的刀具楔角β，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燕山大学专业综合训练说明书6○1机械固定法：以螺钉压紧或镶嵌法。○2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。○3复合固定法：粘结与机械复合固定。2·4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，很大程度上取决于燕山大学专业综合训练说明书7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3·1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，活塞燕山大学专业综合训练说明书8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。3·2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0.010~0.002μm。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。燕山大学专业综合训练说明书9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