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第一作者:石新华,硕士研究生,上海交通大学机械与动力工程学院,200240上海市
First Author:Shi Xinhua,Postgraduate,School of Mechanical and Power Engineering,Shanghai Jiaotong University,Shan ghai 200240,China
收稿日期:2010年3月花岗石异型面高效加工刀具磨损破损研究
黄波,刘德宝
山东大学
摘要:基于实验和观察,从宏观和微观两方面研究了高效加工花岗石异型面时刀具磨损破损的形态和机理,基于研究结果,提出异型石材加工刀具的改进设计方案。
关键词:高效加工;异型石材;刀具磨损
中图分类号:TG711 文献标志码:A
Tool Wear and Tool Fracture During High Efficiency
Machining Special shaped Surface of Granite
Huang B o,Liu Debao
Abstract:Based on experiments and observation,patterns of tool wear and tool fracture have been studied during hi gh effi ciency machining special shaped surface of grani te.Tool failure mechanisms are investigated.Furthermore,a novel design of cu t ting tool used in special shaped surface of granite has been presented.
Keywords:high efficiency machining;special-shaped surface of stone;tool wear
1 引言
石材广泛应用于建筑装饰和制造业等领域,随着人们物质生活的日益提高,对异型石材制品的需求量也越来越大[1-0]。异型石材制品一般指除矩形板材制品以外的其它所有石材制品。石材异型制品生产的特点为多品种、小批量、订单式生产,这种生产特点也使加工设备和工具面临新的挑战。通过引进和自行研发,我国在异型石材加工设备方面已经基本达到了国际先进水平。目前,大功率、柔性化、敏捷化、智能化的先进设备(如数控加工中心等)已应用于国内石材异型制品的生产加工当中。
实现花岗石异型面高效加工的三个关键因素是优质的金刚石成型刀具、优良的机床性能与合理的加工工艺。但是在异型石材制品加工中仍然存在着两个突出问题:效率低、成本高,而金刚石刀具是决定加工成本和效率的关键。由于花岗石异型面的高效加工在于高速度、大切深、快进给的实现,金刚石刀具与花岗石之间存在着更加剧烈的摩擦,刀具磨损较快。国内外学者对锯切石材用金刚石刀具、金刚石颗粒和结合剂的磨损等方面进行了深入的研究,也形成了一定的理论基础,但是目前对加工花岗石异型面的成型刀具的磨损机理研究较少。研究高效成型加工中金刚石刀具的磨破损规律对制订合理的高效加工工艺、进一步提高成型刀具的耐用度和使用寿命、优化刀具结构和制造工艺参数、降低加工成本都有重要意义。本文以金刚石成型铣刀加工齐鲁红、济南青花岗石1/4圆弧异型面的过程为研究对象,对刀具的磨破损进行了系统的研究。
图1
平面异型制品
图2 异型圆弧加工面三维实体示意图
2 花岗石异型面高效加工刀具磨损形态 与一般非异型面加工形式相比,异型面加工刀
具的损坏形态要更加复杂,具有其特有的损坏形态。图2所示为异型圆弧加工面三维实体示意图,1/4圆弧面的成型加工过程中,不同截面的材料去除量不同导致不同截面的磨损状况不同,所以刀具结块磨损研究非常必要。从宏观上来讲,成型刀具的磨损体现在刀具直径、重量的减少和刀具几何形状的变化等几个方面。
图3为成型刀具的宏观磨损状态,图中所示 磨损后弧线 即为刀具弧面形状在磨损后的状态;(d s -h )表示刀具相应截面的直径在磨损后的状态;图中磨损前弧线和磨损后弧线之间的阴影区域的回转体重量即为刀具在磨损后重量的减少量。通过大量实验,成型刀具宏观磨损最明显的特征是刀具不同截面的磨损量不同,随着成型刀具截面直径的增大,刀具径向的磨损量也随之增大。这表明成型刀具结块弧面在加工过程中不是均匀磨损,造成此种情况的原因主要是:首先,金刚石成型刀具由于加工中刀具在不同区域花岗石材料的去除量不等,不同区域的受力情况不相同,切削温度也不相同,导致成型刀具不同区域的磨损不同;其次,由于成型刀具直径不相同,致使不同截面的圆周速度也不相同,这样相同转速条件下,金刚石颗粒受到的冲击载荷不同,也会导致金刚石刀具的磨损量不等。成型刀具磨损程度不均匀,导致成型金刚石结块形状发生变化,磨损达到一定程度时,就造成加工制品形状精度得不到保证,废品率较高。
一般金刚石工具的磨损由三个阶段组成[9],分
别为初始的快速磨损阶段(也称过渡阶段)、磨损率
约为常数的稳定磨损阶段以及随后的加速磨损阶段。加速磨损阶段表明工具不能正常工作,需要重新修整。通过分析,本研究将成型金刚石刀具的磨损分为以下四个阶段,即快速磨损、混合磨损、稳定
磨损、加速磨损阶段,这也是成型刀具加工花岗石异型面宏观磨损的特征。其中混合磨损阶段是指成型刀具不同区域进入稳定磨损阶段的时间不同(存在时间差)。磨粒磨损状态也就不同,即同时存在快速磨损和稳定磨损状态区域。当所有区域都进入稳定磨损状态时才称为稳定阶段。图4为成型刀具的不同位置1、2、3三点的磨损情况示意图。
图3 刀具的宏观磨损形态
图4 成型刀具不同截面磨损状态曲线及
刀具宏观磨损阶段示意图从宏观上看,金刚石颗粒在结块中的分布是杂乱无序的(如图5所示)。从微观上研究一颗金刚石颗粒时,随着刀具结块结合剂的不断磨损以及其自身的磨破损,将其状态分为五种甚至六种:刚出露、完整、
磨平、微观破碎、宏观破碎和脱落。成型刀具高效加工花岗石异型面时,从微观角度上讲,就是大量具有微刃的金刚石磨粒不断切削花岗石的过程。与普通切削一样,异型面高效加工时金刚石磨粒从结合剂出露到完全丧失切削能力要经历一定的过程。因此,金刚石颗粒的一般磨损和破损状态是研究和关注的重点,对此通过Leica 显微镜进行了观察。
(1)磨平:金刚石颗粒正常磨损的形式之一,也是最理想的磨损形式,因为金刚石颗粒逐渐被磨平,从而发挥了金刚石颗粒最长的使用寿命,如图6所示。
(2)局部崩落:金刚石颗粒不正常磨破损的形式之一。切削过程中的碰撞或者切削深度突然增加等
