霍辉程寓高超

（南京理工大学机械工程学院，江苏南京 210094）

工程陶瓷因其独特的分子构成而具有许多优良的物理、化学、机械性能，如较高的硬度和强度，较强的耐腐蚀、耐磨损、耐高温能力等。在航空、化工、军事、机械和电子等领域的应用前景十分广阔［1］，但也给工艺加工带来很大的困难。

对于加工工程陶瓷的烧结刀具，国内外的研究主要集中在胎体中金刚石颗粒磨削过程中磨损和脱落等问题上及金刚石参数选择和胎体成分对钻头耐磨性的研究。但对金刚石空心磨头结构的研究很少，多是根据经验来确定刀具的结构。金刚石空心磨头在加工直孔方面应用较为广泛。但由工程陶瓷构成的复合构件中也会涉及到一些复杂的异型孔加工，所以多采用特种加工方法，如电火花、激光、超声波和水射流等［2－3］。这些特种加工方法虽然各有优势，可以部分地克服加工中存在的一些困难，但都有一定的适用范围或加工缺陷。如电火花加工时陶瓷导电性差，需要复相改性;激光加工时陶瓷材料容易出现裂纹;水射流加工复合材料时材料容易浸水、分层，这些加工缺陷都会影响材料的使用性能。此外，特种加工设备价格昂贵、工艺较为复杂，不便于现场操作。因此研究金刚石空心磨头进行径向磨削加工很有必要。但是金刚石空心磨头磨削工程陶瓷时会出现结构破坏，所以本文采用有限元分析找出刀具结构破坏的原因并加以改进。金刚石空心磨头加工工程陶瓷时易出现断裂，如图1所示。

1 刀具的力学分析

金刚石空心磨头的结构由基体和工作层两部分组成，基体一般选用45钢或不锈钢，金刚石空心磨头按制造工艺方式的不同主要有烧结、电镀和钎焊的3种刀具。烧结金刚石空心磨头采用高温烧结法制造，工作层与基体结合强度高，成型性好，耐高温，导热性和耐磨性好，使用寿命长，可承受较大的负荷［4］。电镀金刚石空心磨头其刃口采用金属镍等合金与金刚石粉的复合电沉积，在不锈钢或45钢基体上形成以金属镍为粘结剂，以金刚石为切削材料的复合功能镀层［5］;钎焊金刚石工具采用金刚石表面金属化技术，以活性钎料或镍基钎料焊接金刚石，通过强碳化物形成元素或合金，使金刚石与工具胎体实现冶金化学结合，这大大提高了金刚石的把持力［6－7］。刀具结构示意图如图2所示，狭长槽主要是方便在加工时加入冷却液起到对刀体的冷却功能，具体结构参数见表1。

表1 刀具参数 mm

由于金刚石空心磨头磨削工程陶瓷的过程不同于一般的金属材料的材料去除方式，因此没有成熟的力学模型可以借鉴。但是金刚石空心磨头加工工程陶瓷的过程中主要有金刚石颗粒参与工作，每颗金刚石颗粒与常用铣刀刀齿类似，因此金刚石空心磨头也可以称为金刚石铣刀。金刚石空心磨头加工过程与金刚石砂轮磨削的过程完全类似，当刀具磨削工程陶瓷材料时，为便于测量和计算，将总磨削力分解为3个相互垂直的分力Fx（轴向磨削力）、Fn（径向磨削力）、Ft（切向磨削力）。由于轴向磨削力相对很小可以忽略不计，所以本文引用金刚石砂轮磨削工程陶瓷的力学模型进行近似计算。单位磨削宽度磨削力模型［8］为

式中:ap为磨削深度，μm;vs为刀具线速度，m/s;vw为进给速度，m/s;b为工作层的金刚石粒度，μm;c为工件脆性，MPa·m1/2;F'为单位磨削宽度磨削力，N/mm;下角码n代表法向，t代表切向。

在进行近似计算时选用加工工程陶瓷经验工艺参数为:刀具转速n=3 200 r/min，切削深度设置为最大工作层长度10 mm的深度，金刚石选择的是50目粒度为297 μm，通过公式计算单位磨削宽度铣削力得到:F'n=3.78 N/mm;F't=0.84 N/mm。

通过计算结果可以看出，法向力明显大于切向力。说明金刚石磨料难以切入陶瓷表面;同时也证明陶瓷被磨削时主要靠脆性破坏达到去除目的，而剪切作用很小，因而引起的切向抗力很小［9］。

由于刀具在磨削工程陶瓷的过程中，刀具结构的外径对铣削力影响显著，同时刀体的壁厚与刀具的强度和刚度有直接关系，所以为了分析刀具结构参数对磨削力的影响情况，结合常用的刀具参数分3个不同水平的数值进行模拟，刀具外径分别是D=10 mm，15 mm，20 mm;基体壁厚分别是d=1 mm，2 mm，3 mm;不同的刀具外径可以得到不同的法向磨削力和圆周切向力，值如表2。

表2 刀具的受力值

2 刀具模型的建立

因为胎体和基体之间的结合力很难测定且金刚石颗粒与胎体的结合力也无法确定，为了简化计算，刀具材料全部设置为45钢，完全可以通过刀具等效应力云图分析出刀具断裂的特点。45钢的材料性能如表3。

表3 45钢的材料性能

由于Ansys有限元软件的造图功能的不便，刀具几何模型先由Solidworks三维图形软件创建然后导入Ansys有限元软件进行分析，单元类型选择为solid、brick8node45，网格划分与载荷加载如图3所示。

3 结果分析

从有限元的等效应力云图可以看出，刀具在磨削工程陶瓷时狭长槽靠近刀柄一端的部分和刀柄过渡处容易出现应力集中，这和实际加工中刀具结构破坏的位置吻合。为了更具体地分析刀具外径和壁厚的变化对刀具所受应力的影响，具体数据如表4和表5及图4、5，有限元分析等效应力云图结果分别如图6～8。

表4 刀具最大的等效应力值σ MPa

表5 刀具最大的等效位移值d MPa

从上述数据和图表可以看出，随着刀具外径的增大，刀具所受到的最大等效应力先减小后增大，与公式中反映的一致;刀具外径越大，刀具所受到的磨削力也越大，最大等效应力减小这是因为刀具受到外力作用下，在狭长槽的上面部分和刀柄部分先会出现应力集中，而且狭长槽的上面部分先出现应力集中，当刀具外径不断增大时，最大等效应力点发生转移，刀柄部分开始出现最大的等效应力集中，但刀具整体的最大等效应力有所减小。随着刀具壁厚的不断增大，刀具的最大等效应力和最大等效位移都出现明显的减小，这表明随刀具壁厚增大，刀体的强度和刚度都有所增加，但是上述表中的数据都超过了45钢的屈服极限，刀具都发生了折断。为了减小应力集中的影响将狭长槽长度适当减小，将刀柄的半径增大。由于刀具外径过大导致材料去除率过大且产生较大的磨削热，降低加工效率，所以选择刀具外径为15 mm的刀具进行修改，将刀柄的半径由原来的4 mm增大到5．5 mm，狭长槽长度由原来的30 mm修改为20 mm。然后再使用有限元软件施加相同外径的载荷，结果如图9所示。

从等效应力云图可以看出，刀具最大等效应力出现在狭长槽的上面部分，其值为253 MPa，小于45钢的屈服极限355 MPa，所以刀具理论上可以承受加工工程陶瓷相应转速的法向力和圆周切向力。

4 试验验证

试验采用立式加工中心ZX6350A钻铣床（主轴转速范围:20～8 000 r/min;进给速度（X、Y、Z）:1～15 000 mm/min），刀具外径为15 mm，壁厚为3 mm，使用修改后的刀柄半径为5.5 mm的烧结金刚石空心磨头;材料为99.8%的氧化铝陶瓷;转速n=3 200 r/min;切屑深度分别为ap=3 mm，ap=10 mm;进给速度vf=0.26 mm/s。金刚石空心磨头未发生断裂，加工效果如图10所示。

5 结语

（1）利用Ansys有限元软件对刀具进行受力分析可以比较直观地了解刀具结构破坏的原因，避免了需要做大量刀具进行试验，节省了时间和成本。

（2）金刚石空心磨头磨削工程陶瓷的过程中随着刀具外径的增大，铣削力不断增大，材料去除率较高而且产生较多的磨削热，实际加工过程中噪声和振动增大明显不利于铣削加工，当刀具外径增加到一定的值，刀具容易发生断裂的同时陶瓷也容易出现裂纹;刀具的外径也不宜过小，因为刀具外径过小刀具的刚度较低也容易发生折断。

（3）金刚石空心磨头的壁厚直接影响刀具的强度和刚度，从模拟的数据可以看出刀具壁厚增大，刀具整体等效应力值明显减小;但是刀具壁厚也不宜过大，壁厚过大将导致材料的浪费，增加成本。因此使用金刚石空心磨头磨削工程陶瓷时，刀具结构参数宜选用外径为15 mm，壁厚为3 mm以上，狭长槽长度不宜超过20 mm，刀柄半径选用5.5 mm以上的刀具。

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