學(xué)校名稱(chēng)

長(zhǎng) 沙 理 工 大 學(xué)

學(xué)生姓名

學(xué)  號(hào)

專(zhuān)      業(yè)

性 別

入 學(xué) 年 份

莫宇航

201421030313

機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化

男

2014

廖九源

201421030323

機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化

男

2014

汪雨婷

201421030302

機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化

女

2014

詹  凱

201421030311

機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化

男

2014

  劉興華

201421030317

機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化

男

2014

指導(dǎo)教師

毛  聰

職稱(chēng)

   教    授

項(xiàng)目所屬

一級(jí)學(xué)科

機(jī)械工程

項(xiàng)目科類(lèi)(理科/文科)

   理  科

學(xué)生曾經(jīng)參與科研的情況

    劉興華，2016年參加第十三屆“鴻宇杯”長(zhǎng)沙理工大學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽獲得二等獎(jiǎng)

    莫宇航、汪雨婷，2016年參加長(zhǎng)沙理工大學(xué)第六屆工程模型比賽獲得三等獎(jiǎng)

指導(dǎo)教師承擔(dān)科研課題情況

（1）基于微量納米顆粒懸浮液射流冷卻的磨削相關(guān)機(jī)理研究，國(guó)家自然科學(xué)基金（51005024），2011.1-2013.12

（2）油霧水滴高壓射流強(qiáng)化冷卻技術(shù)及其對(duì)磨削性能的影響，湖南省自然科學(xué)基金（10JJ3056），2010.1-2012.12

項(xiàng)目研究和實(shí)驗(yàn)的目的、內(nèi)容和要解決的主要問(wèn)題

（1）研究目的：

旨在制備一種螺旋有序排布CBN-WC-10Co纖維刀具，并研究其切削性能，解決傳統(tǒng)磨削加工過(guò)程中磨削力比大、磨削熱高、冷卻性能差、砂輪磨損嚴(yán)重等問(wèn)題；開(kāi)展螺旋有序排布CBN-WC-10Co纖維刀具設(shè)計(jì)參數(shù)的研究，實(shí)現(xiàn)纖維刀具的正前角加工；揭示刀具的螺旋型結(jié)構(gòu)對(duì)磨削液的有效施加以及排屑的影響規(guī)律，為可正前角加工的螺旋有序排布CBN-WC-10Co纖維刀具的應(yīng)用和推廣提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。

（2）研究?jī)?nèi)容：

① 纖維刀具的設(shè)計(jì)

研究螺旋頭數(shù)、螺距和纖維間距等參數(shù)對(duì)纖維刀具切削性能的影響規(guī)律；                

研究纖維螺旋型排布結(jié)構(gòu)對(duì)其排屑和冷卻能力的影響；

研究刀具前角大小的影響因素，使每根纖維均以正前角參與切削。

② 纖維刀具的制備

采用電火花線切割技術(shù)將塊狀的復(fù)合材料切割成纖維，并使用特定夾具將其夾緊，用800目金剛石砂輪進(jìn)行刃磨，獲得鋒利的纖維微刃；

通過(guò)車(chē)削技術(shù)制備出基體，然后采用壓制和燒結(jié)的方法制備出胎體—基體；

根據(jù)所設(shè)計(jì)的參數(shù)對(duì)胎體進(jìn)行打孔，將制備好的纖維嵌入其中，并使纖維出刃高度保持一致。

③ 纖維刀具的切削性能研究

進(jìn)行纖維刀具的切削實(shí)驗(yàn)，觀察并檢測(cè)纖維刀具切削過(guò)程中切削溫度、切削力比、表面質(zhì)量和纖維磨損的變化，揭示纖維刀具的切削機(jī)理；

開(kāi)展與傳統(tǒng)砂輪的磨削對(duì)比實(shí)驗(yàn)，分析刀具設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)切削性能的影響，并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。

（3）需解決的主要問(wèn)題：

①如何實(shí)現(xiàn)纖維刀具的正前角加工

通過(guò)在基體內(nèi)部設(shè)定基圓的方法使纖維微刃前刀面與胎體徑向形成一定角度，從而實(shí)現(xiàn)纖維刀具的正前角加工。

    ②如何使纖維出刃高度保持一致

采用一種合抱新工藝，在環(huán)氧樹(shù)脂膠未固化前，將刀具用抱箍抱緊并使抱箍與刀具同軸，從而保證纖維出刃高度一致。

③如何降低單根纖維微刃的磨損

通過(guò)改變螺旋線的頭數(shù)、螺距和纖維的周向間距等參數(shù)，增加單位面積內(nèi)纖維微刃的數(shù)量，減少單根纖維的切削量，從而降低纖維的磨損。

國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展動(dòng)態(tài)

在傳統(tǒng)的磨削加工過(guò)程中，磨粒無(wú)規(guī)則分布，導(dǎo)致排屑困難、磨削區(qū)實(shí)際參與磨削的磨粒數(shù)量少，從而導(dǎo)致砂輪磨損嚴(yán)重；且砂輪磨粒形狀隨機(jī)，單顆磨粒的加工過(guò)程實(shí)質(zhì)為大負(fù)前角切削過(guò)程，這樣會(huì)導(dǎo)致磨削力比過(guò)大，使得工件與砂輪接觸弧長(zhǎng)高達(dá)2~3mm，磨削液難以進(jìn)入磨削區(qū)，冷卻性能差進(jìn)而引起工件燒傷。

而在車(chē)削加工過(guò)程中，車(chē)刀的形狀不僅可以自由的選擇與更換，而且刀具對(duì)工件的加工是正前角加工，切削力比小，接觸面積小，溫度低，不會(huì)造成工件的燒傷。雖然說(shuō)，車(chē)削加工時(shí)，背吃刀量大，切削效率高，但是相對(duì)于磨削來(lái)說(shuō)，粗糙度大，加工精度低。

為了克服傳統(tǒng)砂輪在磨削加工中所存在的種種不足，國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者在砂輪的設(shè)計(jì)與創(chuàng)新方面開(kāi)展了大量的研究工作，并取得了一系列研究成果。

在改善砂輪結(jié)構(gòu)方面，田栩^[1]提出并制備了一種高效開(kāi)槽砂輪，其特點(diǎn)是在砂輪基體的上、下端面分別開(kāi)設(shè)有一與砂輪基體同軸設(shè)置的上、下環(huán)形凹槽，在上、下環(huán)形凹槽內(nèi)分別鑲嵌有一與之相匹配的上、下環(huán)形輕金屬鑲件。這種砂輪雖然用鑲嵌輕金屬的方式減輕了砂輪的質(zhì)量和主軸的負(fù)載，降低了磨削噪音，但在加工精度、表面粗糙度及生產(chǎn)效率等方面沒(méi)有顯著的提高。

在優(yōu)化磨料形狀方面，鄧朝暉教授團(tuán)隊(duì)^[2]提出并制備了一種結(jié)構(gòu)類(lèi)似于盤(pán)形銑刀的有序化超硬微刃纖維砂輪（如圖1），其特點(diǎn)是采用激光切割制備的聚晶金剛石纖維取代傳統(tǒng)銑刀片，通過(guò)增加纖維數(shù)量以降低單個(gè)纖維的切削力、降低刀具的磨損與提高刀具耐用度，同時(shí)纖維砂輪的分塊結(jié)構(gòu)有助于磨削液進(jìn)入磨削區(qū)。但是該結(jié)構(gòu)砂輪在本質(zhì)上也屬于斷續(xù)磨削，可能會(huì)出現(xiàn)Webster等^[3]所指出周期性振動(dòng)問(wèn)題。

圖1 有序化超硬微刃纖維砂輪^[2]

湖南大學(xué)張高峰教授等人^[4]提出和制備了一種結(jié)構(gòu)類(lèi)似于纖維砂輪的有序化超硬微刃刀具。實(shí)驗(yàn)采用激光切割聚晶金剛石復(fù)合片（PDC），制備出纖維狀的PDC條以取代傳統(tǒng)砂輪的磨粒與切削刀具的刀片；采用模具經(jīng)人為排布實(shí)現(xiàn)PDC纖維的定向均勻分布；澆注環(huán)氧樹(shù)脂制備出纖維片；然后在萬(wàn)能拋光機(jī)上實(shí)現(xiàn)纖維沿一定角度的刃磨以獲得鋒利平直的切削刃和一定的切削角度；最后將刃磨后的纖維片沿刀具芯體進(jìn)行周向粘結(jié)制備出新型有序化超硬微刃刀具，制備的有序化超硬微刃刀具。

    有序化超硬微刃刀具的纖維寬度在0.2~0.5mm之間，比傳統(tǒng)的切削刀具尺寸小得多，同時(shí)參與切削的纖維數(shù)量遠(yuǎn)大于普通切削刀具的刀刃數(shù)，各纖維均具有鋒利的刀刃與人為確定的切削角度和間隔距離，因而在獲得較高的加工精度和表面質(zhì)量的同時(shí)能保證較高的加工效率，但也存在斷續(xù)切削現(xiàn)象且出刃高度難以保持一致，加工精度有限，相關(guān)工藝參數(shù)也有待進(jìn)一步優(yōu)化。

沈陽(yáng)超硬中科磨具磨削研究所的鄭永閣團(tuán)隊(duì)^[5]提出了一種高精密電鍍CBN砂輪的制造工藝，該工藝是以電鍍的方法將磨粒鍍覆在基體上，提高了砂輪對(duì)磨粒的把持力，減少了磨粒的脫落，但是該砂輪工作磨粒層為單層，砂輪磨粒磨損后沒(méi)有后續(xù)磨粒補(bǔ)充，其使用壽命受到一定程度的限制，而且電鍍砂輪制作過(guò)程中要經(jīng)過(guò)多次酸洗或堿洗，對(duì)環(huán)境有較大影響，同時(shí)該發(fā)明對(duì)砂輪制作的工藝條件比較嚴(yán)苛，工藝較為復(fù)雜。

在優(yōu)化磨料排布方面，南京航空航天大學(xué)的丁文峰教授團(tuán)隊(duì)^[6]提出并制備了一種磨粒三維有序分布的立方氮化硼砂輪，另外鄭州磨料磨具磨削研究所有限公司的王亮亮團(tuán)隊(duì)^[7]提出了一種磨料的有序排列的電鍍金剛石砂輪(如圖2)的制備方法，通過(guò)人為控制砂輪基體表面孔穴的規(guī)則有序排列，實(shí)現(xiàn)了磨粒的規(guī)則有序排列，有效的解決了傳統(tǒng)金剛石砂輪磨料層中金剛石磨料排布不均勻的情況。雖然通過(guò)設(shè)計(jì)孔穴的有序排布實(shí)現(xiàn)了磨粒的規(guī)則有序排列，但是在加工過(guò)程仍是和傳統(tǒng)砂輪一樣以負(fù)前角進(jìn)行加工，這使得砂輪與工件的局部接觸狀態(tài)跟傳統(tǒng)砂輪相比區(qū)別不大，改善磨削性能的效果有限。

圖2 電鍍金剛石砂輪的結(jié)構(gòu)示意圖^[7]

大連理工大學(xué)的高航教授團(tuán)隊(duì)^[8]提出了一種磨料三維多層可控優(yōu)化排布電鍍工具制作方法，通過(guò)優(yōu)化排布磨粒群來(lái)增大砂輪容屑空間。磨粒群優(yōu)化排布可以增加砂輪的容屑空間，有利于磨削液的注入，降低磨削溫度。但是目前學(xué)者所提出的磨粒優(yōu)化排布砂輪主要是針對(duì)大顆粒磨料，其制造方法容易造成砂輪磨粒的分布密度下降，致使工件表面粗糙度增大等問(wèn)題。

綜上所述，目前廣大學(xué)者針對(duì)磨削過(guò)程中的各種問(wèn)題，在改進(jìn)磨料形狀和排布、提升磨削性能和提高磨削效率等方面進(jìn)行了一些改進(jìn)，并取得了比較好的效果，特別是零前角加工相比傳統(tǒng)砂輪負(fù)前角加工有了很大的提升，較好地解決了磨削過(guò)程中的一些問(wèn)題。但是，有兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題一直沒(méi)有得到很好地解決：其一是如何進(jìn)一步改進(jìn)纖維加工時(shí)的切削角度以獲得更好的切削性能；其二是如何保證纖維出刃高度一致，使每根纖維均參與切削。

基于此，我們提出并制備一種螺旋有序排布纖維刀具，其特點(diǎn)是將纖維沿著刀具工作面呈螺旋有序排布（如圖3），且通過(guò)設(shè)定基圓的方法使纖維微刃前刀面與胎體徑向形成一定角度，從而實(shí)現(xiàn)纖維刀具的正前角加工（如圖4），進(jìn)一步提升切削性能；采用合抱新工藝保證纖維的出刃高度一致，使每根纖維均參與切削，提高加工精度；并開(kāi)展刀具設(shè)計(jì)、制備工藝及其切削性能研究。研究成果有望能為刀具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供新思路，為該刀具的應(yīng)用和推廣提供理論依據(jù)。

圖3 螺旋有序排布方案設(shè)計(jì)圖

圖4 螺旋有序排布纖維刀具基圓設(shè)計(jì)及正前角加工示意

參考文獻(xiàn)

[1] 田栩. 一種高效開(kāi)槽砂輪. 中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利，2014: 201420860632.0.

[2] 鄧朝輝，伍俏平，張高峰，張壁. 新型砂輪研究進(jìn)展及其展望. 中國(guó)機(jī)械工程2010，21: 2632-2638.

[3] Webster J,Tricard M. Innovations in abrasive products for precision grinding. Annals of the CIRP,2004,53: 597-617.

[4] 張高峰，有序化微刃刀具設(shè)計(jì)及基礎(chǔ)研究：[湖南大學(xué)博士學(xué)位論文]. 長(zhǎng)沙：湖南大學(xué)，2008.

[5] 鄭永閣，王昆，毛儉，任虹. 一種高精密電鍍CBN砂輪的制造工藝. 中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利，2009: 200910187247.8.

[6] 丁文峰，徐九華，陳珍珍，楊長(zhǎng)勇，蘇宏華，傅玉燦，苗情. 磨粒三維有序分布的立方氮化硼砂輪及其制備方法. 中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利，2012: 201210203443.1.

[7] 王亮亮，胡玉峰，劉娜娜. 一種磨料的有序排列的電鍍金剛石砂輪. 中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利，2015: 201510607685.0.

[8] 高航，袁和平，郭東明，康仁科，金洙吉. 一種磨料三維多層可控優(yōu)化排布電鍍工具制作方法.中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利，2007: 200710010921.6.

本項(xiàng)目學(xué)生有關(guān)的研究積累和已取得的成績(jī)

在大學(xué)的頭兩年半時(shí)光里，我們學(xué)習(xí)了機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械制造和工程材料等專(zhuān)業(yè)課程，提升了對(duì)專(zhuān)業(yè)的認(rèn)知。各組員的學(xué)習(xí)成績(jī)均位于班上以及年級(jí)前列，幾乎年年都有校獎(jiǎng)學(xué)金以及勵(lì)志獎(jiǎng)學(xué)金。在平時(shí)的課余時(shí)間，我們注重提高了自己的綜合能力，通過(guò)了國(guó)家英語(yǔ)四六級(jí)考試，自學(xué)了AutoCAD、SolidWorks等有關(guān)機(jī)械的軟件。同時(shí)積極參與了學(xué)校組織的各種學(xué)習(xí)活動(dòng)和比賽，如金工實(shí)習(xí)、數(shù)學(xué)競(jìng)賽、CAD比賽、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工程模型等。通過(guò)這些我們培養(yǎng)了自己的創(chuàng)新思維，增強(qiáng)了實(shí)踐能力和團(tuán)隊(duì)合作能力，提升了動(dòng)手能力和思維方式，也接觸到了許多優(yōu)秀的同學(xué)。為了本次的研究項(xiàng)目，我們提前查閱了許多有關(guān)機(jī)械制造和材料方面的資料和書(shū)籍，對(duì)項(xiàng)目的背景有了一定的了解，為順利開(kāi)展本次項(xiàng)目奠定了一定的基礎(chǔ)。

經(jīng)過(guò)項(xiàng)目前期的工作，我們已取得一定成果，制備出了刀具的胎體—基體、CBN-WC-10Co復(fù)合材料，并將復(fù)合材料切割成了纖維。如圖5-圖7所示：

圖5 胎體—基體

        圖6 塊狀復(fù)合材料                             圖7 纖維

項(xiàng)目的創(chuàng)新點(diǎn)和特色

（1）改變傳統(tǒng)砂輪磨粒無(wú)序分布且為負(fù)前角加工的方式，使纖維有序排布并以正前角加工，大大的降低了磨削力比和磨削溫度，提高了切削性能和加工效率。

（2）通過(guò)合抱的新工藝保證纖維出刃高度一致，使每根纖維均參與切削。

（3）改變螺旋線的頭數(shù)、螺距和纖維的周向間距，增加單位面積內(nèi)纖維的數(shù)量，降低了單根纖維的磨損。

項(xiàng)目的技術(shù)路線及預(yù)期成果

技術(shù)路線：

    ③

   圖8 技術(shù)路線圖

項(xiàng)目研究總體技術(shù)路線如圖8所示，主要分為三個(gè)階段進(jìn)行：  

（1）纖維刀具的設(shè)計(jì)

纖維刀具的螺旋結(jié)構(gòu)不僅可以增大刀具的排屑能力，而且有助于切削液進(jìn)入切削區(qū)，對(duì)切削區(qū)進(jìn)行有效潤(rùn)滑冷卻。通過(guò)設(shè)計(jì)計(jì)算，初步確定螺旋刀具的結(jié)構(gòu)參數(shù):螺旋頭數(shù)為45、螺距為2.13mm、同一螺旋線上纖維周向間距為5.24mm(胎體每轉(zhuǎn)3°鉆一個(gè)孔)。

研究基圓半徑對(duì)刀具前角、纖維間相互干涉情況以及纖維數(shù)目的影響，初步確定基圓半徑為50 mm。

（2）纖維刀具的制備

采用電火花線切割技術(shù)將CBN-WC-10Co材料切割成尺寸為10 mm×0.8 mm×0.8 mm的纖維，并使用特定夾具（如圖9）將其夾緊，用800目金剛石砂輪對(duì)纖維進(jìn)行刃磨以獲得鋒利的纖維微刃；刃磨后的纖維前角為0°、后角為55°。

圖9 夾具

采用車(chē)削的加工方法將鋁合金材料制備成刀具基體，基體尺寸為Φ180 mm×15 mm，內(nèi)孔尺寸為Φ32 mm。將導(dǎo)熱材料、金屬氧化物、固體潤(rùn)滑劑和造孔劑等材料按照比例混合后加入球磨機(jī)中球磨，將混合料裝入模具型腔內(nèi)，采用壓制和燒結(jié)的加工方法與刀具基體制備成刀具胎體—基體，胎體—基體尺寸為Φ200 mm×15 mm，內(nèi)孔尺寸為Φ32 mm。其中百分比為：酚醛樹(shù)脂為60%，導(dǎo)熱材料為18%，金屬氧化物為12%，固體潤(rùn)滑劑為5%，造孔劑為3%；導(dǎo)熱材料為鋁粉，金屬氧化物為Fe₂O₃，固體潤(rùn)滑劑為MoS₂，造孔劑為碳酸銨。在胎體圓周面上鉆與徑向成30°，尺寸為Φ1.2 mm×10 mm的小孔。

用注射器往小孔內(nèi)注入環(huán)氧樹(shù)脂膠，再用鑷子將纖維嵌入胎體中，再通過(guò)合抱（如圖10）工藝使其出刃高度保持一致。

圖10 合抱示意圖

（3）纖維刀具的切削性能研究

采用杭州機(jī)床廠生產(chǎn)的MGK7126×6平面精密磨床進(jìn)行纖維刀具切削性能實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)?zāi)ゴ仓鬏S轉(zhuǎn)速為0-3000 r/min ，加工工件的材料為TC4鈦合金，尺寸為20 mm×20 mm×10 mm，密度為4.5 g/cm3,硬度為30 HRC,屈服強(qiáng)度為860 Mpa,抗拉強(qiáng)度為950 Mpa。

采用Kistler925BA壓電晶體測(cè)力計(jì)在磨床主軸帶動(dòng)轉(zhuǎn)盤(pán)高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，在線測(cè)量切削力，得出纖維刀具切削力比。

采用紅外測(cè)溫儀檢測(cè)纖維刀具加工時(shí)切削區(qū)的切削溫度。

采用掃描電子顯微鏡觀察實(shí)驗(yàn)后工件上切削劃痕的表面形貌，采用光學(xué)輪廓儀觀測(cè)實(shí)驗(yàn)后工件上劃痕的三維形貌。

用傳統(tǒng)砂輪在同一機(jī)床上以相同的加工參數(shù)加工相同的工件。從切削力比、切削溫度及表面質(zhì)量等方面進(jìn)行纖維刀具與傳統(tǒng)砂輪對(duì)比，然后分析刀具設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)切削性能的影響，并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。

預(yù)期成果：

（1）以有序排布的纖維取代傳統(tǒng)砂輪無(wú)序分布的磨粒，并通過(guò)設(shè)定基圓的方法制備出一種正前角加工螺旋有序排布纖維刀具。

（2）在國(guó)家核心期刊上發(fā)表論文1篇，申請(qǐng)發(fā)明專(zhuān)利2項(xiàng)。

年度目標(biāo)和工作內(nèi)容（分年度寫(xiě)）

2017.01-2017.03

設(shè)計(jì)纖維刀具的參數(shù)。

2017.04-2017.06

完成纖維刀具的制備。

2017.07-2017.09

進(jìn)行試切實(shí)驗(yàn)，優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)。

2017.10-2017.12

    撰寫(xiě)論文并申請(qǐng)專(zhuān)利，完成項(xiàng)目匯報(bào)。

指導(dǎo)教師意見(jiàn)

此刀具可以實(shí)現(xiàn)正前角加工，與傳統(tǒng)砂輪相比加工效率得到顯著提高，同時(shí)改善了傳統(tǒng)砂輪加工過(guò)程中磨削力比大和磨削溫度高等現(xiàn)象；采用合抱工藝能夠使纖維的出刃高度一致，顯著減少了刀具的修整工作量；此刀具可在一定程度上代替?zhèn)鹘y(tǒng)砂輪，對(duì)工件表面進(jìn)行快速加工，在提高加工效率方面有很大的推廣前景。

簽字：                   日期：2017年4月17日