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内镀法金刚石铰刀的设计原理与制造

http://xt.31jgj.com/ 2009年06月30日15:34 %BD%F4%B9%CC%BC%FE%D1%A7%CC%C3
生意社2009年06月30日讯

  1前言

  金刚石铰刀是近20年发展起来的一种高精度内孔加工刀具。由于它的加工精度高(一般可达2µm)、表面粗糙度值小(一般可达Ra0.4~0.2µm)、加工效率高(一般可提高3~5倍)、寿命长(一般能加工10000件以上)、质量稳定可靠,因而在液压、农机、汽车、机床、军工等行业中得到了日益广泛的应用。

  电镀金刚石铰刀是利用电镀的方法,以金属镍、铁或铜等作结合剂,将金刚石颗粒包络在刀体上形成的。电镀铰刀要求电镀层表面达到较高的几何精度,以确保磨粒切削刃具有较好的等高性和锋利性,减小切削负荷,提高铰刀的几何质量、物理质量和耐用度。

  目前,国内金刚石铰刀采用外镀法制造。制造时,需要对磨粒进行严格筛选,通过镀层金属直接将磨粒固定在刀体周围。所镀铰刀磨粒等高性差,需用金刚石砂轮修磨,但修磨将破坏磨粒的天然刃口,钝化磨粒,影响加工效率及被加工孔的表面质量。为此,我们提出了一种新型设计与制造的方法——内包容电镀法(简称内镀法),并进行了铰刀设计、制造与切削试验研究,以求其在精密孔加工中取得更佳的加工效果。

  2金刚石铰刀的内镀法原理与铰削机制

  迄今为止,内包容电镀技术已成功应用于高精度金刚石滚轮的制造,但一直未用于制造金刚石铰刀。金刚石铰刀内镀的方法是,采用稳定材料制造一个与铰刀外形相反的高精度内孔胎模,将金刚石磨粒电镀在胎模内表面,加厚形成电镀层,再将镀层与刀杆粘结在一起。为将胎膜顺利脱出,可在胎膜内表面先镀一层低熔点金属,最后加热脱模制成铰刀。同时,也可保证高精度内孔胎模不受损伤而能重复使用,以降低制造成本。

  采用内镀法制造的铰刀,其磨粒完全由高精度内孔胎模包容,镀层磨粒表面可以达到较高的几何精度,磨粒等高性好,微刃锋利,所以其切削性能优于外镀法铰刀,所加工孔的表面粗糙度值小,且刀具不需修磨,使用寿命长。

  在金刚石铰刀铰削过程中,铰刀磨粒与工件孔壁相互干涉,相互作用,不断地将干涉点切去而进行相互修整。铰刀表面和孔表面不断地产生新的干涉点,使孔壁与铰刀表面的接触面积不断增大,特别是铰刀校正部的磨粒顶部的锐边和锐角被磨成了一个个小平面。与此同时,切削余量越来越小,切削作用也越来越弱。而铰刀对孔壁的挤压和抛光的作用却越来越强,这就使孔的圆度越来越高、表面粗糙度值越来越小。这就是为什么金刚石铰刀使用时间越长,加工孔的表面粗糙度值越小的原因所在。$Page_Split$,

  1.刀体2.切屑3.粘结剂4.金刚石颗粒

  金刚石铰刀铰削工件内孔的过程中,铰刀切削部切除工件大部分余量(实际上总的铰削余量很小),而校正部只切除少许余量,但其对工件表面的挤压和抛光作用却是金刚石铰刀铰孔的主要过程,是保证工件加工质量的主要因素。同时通过挤压和抛光,工件表面会产生塑性变形而提高硬度。据实验测定,工件表面经金刚石铰刀铰削后的硬度比铰削前明显提高0.5~1.0倍,这无疑对提高工件使用寿命是非常有利的。

  对于一把正常使用的金刚石铰刀,其磨粒应露出来参加切削。因此,磨粒间的结合剂应形成一个个凹坑。在铰削的过程中,大量的切屑藏于这些凹坑中,并蚀除部分结合剂,使得磨粒前面的凹坑逐渐加深;磨粒后面的结合剂则很少被切屑所蚀除,同时由于挤压力的作用,使结合剂向后蠕动,更加强了对磨粒的支撑作用。这就是金刚石铰刀的颗粒不容易脱落,铰刀保持较长寿命的原因之一。

  1.金刚石2.切屑

  1.金刚石颗粒2.切屑3.粘结剂4.刀体

  3内包容金刚石铰刀的结构设计$Page_Split$,

  目前金刚石铰刀有固定式和可调式两大类型。为了加工出高精度内孔,金刚石铰刀宜采用固定式。因为固定式铰刀制造工艺简单,易于修磨,成本较低,加工孔的尺寸稳定性好。加工通孔用固定式金刚石铰刀。下面具体讨论一下铰刀主要部分的结构设计。

  1.夹持部2.后导部3.倒锥部4.校正部5.切削部6.前导部

  1)校正部的设计校正部是铰刀的修光和提高精度的部分,主要承担清除切削部加工时遗留下来的粗糙波峰的少许余量,是影响被加工孔的加工质量的关键因素。

  一般地,校正部的长度按加工孔径的2~3倍来选取。孔长时取小值,孔短时取大值。校正部径向尺寸取决于工件表面粗糙度、孔的形状、预制孔精度和铰削扩张量等具体条件。

  2)切削部的设计切削部是铰刀的切削部分,负担切除被加工工件的80%~90%的加工余量,对铰刀寿命和加工质量有很大影响。

  切削部的长度和锥角主要根据切削余量的大小来确定,一般地,长度取15~25mm;切削锥角粗铰时取θ=0°3′~0°15′,精铰时取θ=0°1′~0°5′,以保证铰刀在2/5~1/2处即进入实际的切削状态。

  L——切削部长度,x——实际切削长度,q——切削部锥角$Page_Split$,

  锥角大小的计算公式为

  tgθ=S/LK

  式中S——切削深度,mm

  L——切削部长度,mm

  K——长度系数,取2/5~1/2

  锥角公差取3~4级。

  3)冷却槽的设计金刚石铰刀铰孔时,若热量和切屑来不及排出,刀体将发热膨胀,孔的加工质量会明显降低,严重时还会发生“咬死”刀现象。因此铰刀的各主要表面上都要设计有冷却槽,并满足下列条件:①冷却槽必须保证铰刀工作时能得到充分冷却;②冷却槽不能影响铰刀的刚性和寿命;③冷却液流道通畅,以便能将切屑带走。

  螺旋槽一般设计2~5条,螺旋角取ψ=20°~45°,螺旋方向选用左旋,使切屑和冷却液向未铰削表面推进,确保已铰过的表面免受擦伤。同时螺旋槽和螺旋角的选择要保证铰刀切削宽度大小适当,一般以12~18mm为宜。

  4金刚石铰刀的内镀法制造工艺

  由于内包容铰刀的尺寸精度与形状精度主要由胎模精度保证,所以胎模的设计与制造至关重要。胎模内孔应设计成与铰刀外形相反,并在高精度磨床上精磨而成。$Page_Split$,

  电镀工艺方面,利用电解作用,采用光亮镀镍方法,通过制造添加剂含量,来减小镀层内应力,同时保证镀层平整。比较合理的电镀工艺规范如下表所示:

  名称含量(g/L)硫酸镍(NiSO4—7H2O)250~300氯化钠(NaCl)10~20硼酸(H3BO3)35~40糖精(6H5COSO2NH2)1~2香豆素C9H6O2)0.5~1十二烷基硫酸钠(C12H25SO4Na)0.1~0.2PH值4.0~4.5温度(℃)40~45电流密度(A/dm2)1.5~3

  为了使电镀层尺寸均匀且沉积速度快,针对内镀法电镀液流动性差的缺陷,电镀时宜采用流动电镀工艺,电镀液循环流动的速度大约为5~30m/min。

  刀体材料一般用45钢,淬火至硬度40~45HRC,经精磨而成。

  开刃和开槽处理时,必须保证铰刀的镀层尺寸精度不受影响。开刃时可用刚玉砂轮修磨镀层金属,也可通过电镀两种化学溶解度不同的金属,再进行腐蚀处理。开槽时采用电化学腐蚀及机械加工的方法即可。

  5结束语

  经过反复试验,最终我们得到了系列化和标准化的内包容精密金刚石铰刀。通过对典型材料与典型零件的加工与试验,以及和外镀法制造的铰刀技术指标与切削性能的对比,可以得到以下结论:

  1)精密和高精度金刚石铰刀更适宜采用内镀法进行设计与制造。

  2)金刚石铰刀的内镀法比外镀法加工精度更高、表面粗糙度值更小。

  3)只要工艺参数合理和规范,内镀法金刚石铰刀的设计与制造同样简单、方便

文章关键词: 线材
参考链接: 生意社