學校名稱

長 沙 理 工 大 學

學生姓名

學  號

專      業(yè)

性 別

入 學 年 份

莫宇航

201421030313

機械設計制造及其自動化

男

2014

廖九源

201421030323

機械設計制造及其自動化

男

2014

汪雨婷

201421030302

機械設計制造及其自動化

女

2014

詹  凱

201421030311

機械設計制造及其自動化

男

2014

  劉興華

201421030317

機械設計制造及其自動化

男

2014

指導教師

毛  聰

職稱

   教    授

項目所屬

一級學科

機械工程

項目科類(理科/文科)

   理  科

學生曾經(jīng)參與科研的情況

    劉興華，2016年參加第十三屆“鴻宇杯”長沙理工大學結構設計競賽獲得二等獎

    莫宇航、汪雨婷，2016年參加長沙理工大學第六屆工程模型比賽獲得三等獎

指導教師承擔科研課題情況

（1）基于微量納米顆粒懸浮液射流冷卻的磨削相關機理研究，國家自然科學基金（51005024），2011.1-2013.12

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

項目研究和實驗的目的、內容和要解決的主要問題

（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)磨削加工過程中磨削力比大、磨削熱高、冷卻性能差、砂輪磨損嚴重等問題；開展螺旋有序排布CBN-WC-10Co纖維刀具設計參數(shù)的研究，實現(xiàn)纖維刀具的正前角加工；揭示刀具的螺旋型結構對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纖維刀具的應用和推廣提供理論基礎和技術支撐。

（2）研究內容：

① 纖維刀具的設計

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

研究纖維螺旋型排布結構對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將塊狀的復合材料切割成纖維，并使用特定夾具將其夾緊，用800目金剛石砂輪進行刃磨，獲得鋒利的纖維微刃；

通過車削技術制備出基體，然后采用壓制和燒結的方法制備出胎體—基體；

根據(jù)所設計的參數(shù)對胎體進行打孔，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

進行纖維刀具的切削實驗，觀察并檢測纖維刀具切削過程中切削溫度、切削力比、表面質量和纖維磨損的變化，揭示纖維刀具的切削機理；

開展與傳統(tǒng)砂輪的磨削對比實驗，分析刀具設計參數(shù)對切削性能的影響，并對其進行優(yōu)化。

（3）需解決的主要問題：

①如何實現(xiàn)纖維刀具的正前角加工

通過在基體內部設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。

國內外研究現(xiàn)狀和發(fā)展動態(tài)

在傳統(tǒng)的磨削加工過程中，磨粒無規(guī)則分布，導致排屑困難、磨削區(qū)實際參與磨削的磨粒數(shù)量少，從而導致砂輪磨損嚴重；且砂輪磨粒形狀隨機，單顆磨粒的加工過程實質為大負前角切削過程，這樣會導致磨削力比過大，使得工件與砂輪接觸弧長高達2~3mm，磨削液難以進入磨削區(qū)，冷卻性能差進而引起工件燒傷。

而在車削加工過程中，車刀的形狀不僅可以自由的選擇與更換，而且刀具對工件的加工是正前角加工，切削力比小，接觸面積小，溫度低，不會造成工件的燒傷。雖然說，車削加工時，背吃刀量大，切削效率高，但是相對于磨削來說，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，國內外相關學者在砂輪的設計與創(chuàng)新方面開展了大量的研究工作，并取得了一系列研究成果。

在改善砂輪結構方面，田栩^[1]提出并制備了一種高效開槽砂輪，其特點是在砂輪基體的上、下端面分別開設有一與砂輪基體同軸設置的上、下環(huán)形凹槽，在上、下環(huán)形凹槽內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量和主軸的負載，降低了磨削噪音，但在加工精度、表面粗糙度及生產(chǎn)效率等方面沒有顯著的提高。

在優(yōu)化磨料形狀方面，鄧朝暉教授團隊^[2]提出并制備了一種結構類似于盤形銑刀的有序化超硬微刃纖維砂輪（如圖1），其特點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，通過增加纖維數(shù)量以降低單個纖維的切削力、降低刀具的磨損與提高刀具耐用度，同時纖維砂輪的分塊結構有助于磨削液進入磨削區(qū)。但是該結構砂輪在本質上也屬于斷續(xù)磨削，可能會出現(xiàn)Webster等^[3]所指出周期性振動問題。

圖1 有序化超硬微刃纖維砂輪^[2]

湖南大學張高峰教授等人^[4]提出和制備了一種結構類似于纖維砂輪的有序化超硬微刃刀具。實驗采用激光切割聚晶金剛石復合片（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)人為排布實現(xiàn)PDC纖維的定向均勻分布；澆注環(huán)氧樹脂制備出纖維片；然后在萬能拋光機上實現(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行周向粘結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，同時參與切削的纖維數(shù)量遠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量的同時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，相關工藝參數(shù)也有待進一步優(yōu)化。

沈陽超硬中科磨具磨削研究所的鄭永閣團隊^[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，砂輪磨粒磨損后沒有后續(xù)磨粒補充，其使用壽命受到一定程度的限制，而且電鍍砂輪制作過程中要經(jīng)過多次酸洗或堿洗，對環(huán)境有較大影響，同時該發(fā)明對砂輪制作的工藝條件比較嚴苛，工藝較為復雜。

在優(yōu)化磨料排布方面，南京航空航天大學的丁文峰教授團隊^[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隊^[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，通過人為控制砂輪基體表面孔穴的規(guī)則有序排列，實現(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。雖然通過設計孔穴的有序排布實現(xiàn)了磨粒的規(guī)則有序排列，但是在加工過程仍是和傳統(tǒng)砂輪一樣以負前角進行加工，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構示意圖^[7]

大連理工大學的高航教授團隊^[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，通過優(yōu)化排布磨粒群來增大砂輪容屑空間。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。但是目前學者所提出的磨粒優(yōu)化排布砂輪主要是針對大顆粒磨料，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題。

綜上所述，目前廣大學者針對磨削過程中的各種問題，在改進磨料形狀和排布、提升磨削性能和提高磨削效率等方面進行了一些改進，并取得了比較好的效果，特別是零前角加工相比傳統(tǒng)砂輪負前角加工有了很大的提升，較好地解決了磨削過程中的一些問題。但是，有兩個關鍵問題一直沒有得到很好地解決：其一是如何進一步改進纖維加工時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，其特點是將纖維沿著刀具工作面呈螺旋有序排布（如圖3），且通過設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，從而實現(xiàn)纖維刀具的正前角加工（如圖4），進一步提升切削性能；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；并開展刀具設計、制備工藝及其切削性能研究。研究成果有望能為刀具的結構設計提供新思路，為該刀具的應用和推廣提供理論依據(jù)。

圖3 螺旋有序排布方案設計圖

圖4 螺旋有序排布纖維刀具基圓設計及正前角加工示意

參考文獻

[1] 田栩. 一種高效開槽砂輪. 中國發(fā)明專利，2014: 201420860632.0.

[2] 鄧朝輝，伍俏平，張高峰，張壁. 新型砂輪研究進展及其展望. 中國機械工程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，有序化微刃刀具設計及基礎研究：[湖南大學博士學位論文]. 長沙：湖南大學，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. 中國發(fā)明專利，2009: 200910187247.8.

[6] 丁文峰，徐九華，陳珍珍，楊長勇，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. 中國發(fā)明專利，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. 中國發(fā)明專利，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.中國發(fā)明專利，2007: 200710010921.6.

本項目學生有關的研究積累和已取得的成績

在大學的頭兩年半時光里，我們學習了機械原理、機械設計、機械制造和工程材料等專業(yè)課程，提升了對專業(yè)的認知。各組員的學習成績均位于班上以及年級前列，幾乎年年都有校獎學金以及勵志獎學金。在平時的課余時間，我們注重提高了自己的綜合能力，通過了國家英語四六級考試，自學了AutoCAD、SolidWorks等有關機械的軟件。同時積極參與了學校組織的各種學習活動和比賽，如金工實習、數(shù)學競賽、CAD比賽、結構設計、工程模型等。通過這些我們培養(yǎng)了自己的創(chuàng)新思維，增強了實踐能力和團隊合作能力，提升了動手能力和思維方式，也接觸到了許多優(yōu)秀的同學。為了本次的研究項目，我們提前查閱了許多有關機械制造和材料方面的資料和書籍，對項目的背景有了一定的了解，為順利開展本次項目奠定了一定的基礎。

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

圖5 胎體—基體

        圖6 塊狀復合材料                             圖7 纖維

項目的創(chuàng)新點和特色

（1）改變傳統(tǒng)砂輪磨粒無序分布且為負前角加工的方式，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，增加單位面積內纖維的數(shù)量，降低了單根纖維的磨損。

項目的技術路線及預期成果

技術路線：

    ③

   圖8 技術路線圖

項目研究總體技術路線如圖8所示，主要分為三個階段進行：  

（1）纖維刀具的設計

纖維刀具的螺旋結構不僅可以增大刀具的排屑能力，而且有助于切削液進入切削區(qū)，對切削區(qū)進行有效潤滑冷卻。通過設計計算，初步確定螺旋刀具的結構參數(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3°鉆一個孔)。

研究基圓半徑對刀具前角、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目金剛石砂輪對纖維進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，內孔尺寸為Φ32 mm。將導熱材料、金屬氧化物、固體潤滑劑和造孔劑等材料按照比例混合后加入球磨機中球磨，將混合料裝入模具型腔內，采用壓制和燒結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，內孔尺寸為Φ32 mm。其中百分比為：酚醛樹脂為60%，導熱材料為18%，金屬氧化物為12%，固體潤滑劑為5%，造孔劑為3%；導熱材料為鋁粉，金屬氧化物為Fe₂O₃，固體潤滑劑為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。

用注射器往小孔內注入環(huán)氧樹脂膠，再用鑷子將纖維嵌入胎體中，再通過合抱（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

采用杭州機床廠生產(chǎn)的MGK7126×6平面精密磨床進行纖維刀具切削性能實驗，實驗磨床主軸轉速為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,屈服強度為860 Mpa,抗拉強度為950 Mpa。

采用Kistler925BA壓電晶體測力計在磨床主軸帶動轉盤高速旋轉時，在線測量切削力，得出纖維刀具切削力比。

采用紅外測溫儀檢測纖維刀具加工時切削區(qū)的切削溫度。

采用掃描電子顯微鏡觀察實驗后工件上切削劃痕的表面形貌，采用光學輪廓儀觀測實驗后工件上劃痕的三維形貌。

用傳統(tǒng)砂輪在同一機床上以相同的加工參數(shù)加工相同的工件。從切削力比、切削溫度及表面質量等方面進行纖維刀具與傳統(tǒng)砂輪對比，然后分析刀具設計參數(shù)對切削性能的影響，并對其進行優(yōu)化。

預期成果：

（1）以有序排布的纖維取代傳統(tǒng)砂輪無序分布的磨粒，并通過設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）在國家核心期刊上發(fā)表論文1篇，申請發(fā)明專利2項。

年度目標和工作內容（分年度寫）

2017.01-2017.03

設計纖維刀具的參數(shù)。

2017.04-2017.06

完成纖維刀具的制備。

2017.07-2017.09

進行試切實驗，優(yōu)化設計參數(shù)。

2017.10-2017.12

    撰寫論文并申請專利，完成項目匯報。

指導教師意見

此刀具可以實現(xiàn)正前角加工，與傳統(tǒng)砂輪相比加工效率得到顯著提高，同時改善了傳統(tǒng)砂輪加工過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，對工件表面進行快速加工，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