一种可正前角加工的螺旋有序排布纤维刀具及其制备方法与流程

本发明涉及一种刀具及其制备方法，尤其是一种可正前角加工的螺旋有序排布纤维刀具及其制备方法。

背景技术：

磨削加工是机械加工的重要组成部分，具有加工精度高、表面质量好的特点，适用于硬脆难加工材料零件的精密制造。然而在传统的磨削加工中，磨粒无规则排布，而且磨粒形状随机，所以在磨削加工过程中，单颗磨粒对工件表面进行切削加工往往是呈大负前角加工，这样会导致磨削力比很大，且大部分磨削能转化为磨削热积聚在磨削区，造成磨削温度高、砂轮磨损快，进而影响工件的加工质量和磨削效率，以及砂轮的使用寿命。

为了改善砂轮磨粒的排布方式，公开号为cn102729157a的专利“磨粒三维有序分布的立方氮化硼砂轮及其制备方法”在砂轮外圆周表面设计固定间距的孔穴，公开号为cn105196196a的专利“一种磨料有序排列的电镀金刚石砂轮”，通过人为控制砂轮基体表面小孔的排列方式，实现了金刚石磨料的有序排布，有效地解决了传统金刚石砂轮磨料层中金刚石磨料无序排布的问题。上述方法虽然通过设计孔穴实现了磨粒的有序排布，但是单颗磨粒仍然和传统砂轮的磨粒一样是以大负前角进行加工。这使得砂轮与工件的局部加工状态跟传统砂轮相比区别不大，改善磨削质量的效果有限，且电镀砂轮的磨料层为单层，从而使用寿命非常有限。公开号为cn103707206a的专利“一种复合材料纤维微刃的螺旋砂轮”，提出了采用纤维微刃替代砂轮磨粒承担切削工作，且纤维微刃沿着砂轮外圆周成螺旋带状分布，磨削时纤维微刃以零前角进行切削加工，这对改善砂轮的排屑状态、降低磨削力和磨削温度开辟了新思路。然而该砂轮的纤维在切削工件时是以零前角加工，不同于车削、铣削、刨削等刀具是以正前角加工；而且由该专利的附图可知，其螺旋排布方式为单头螺旋线，专利中没有考虑磨削加工时两相邻纤维之间的间隙在工件表面所形成的残余材料，很难在后续纤维的作用下将其去除的问题，从而导致工件加工表面粗糙度大。

技术实现要素：

为了解决现有技术存在的问题，本发明提供了一种可正前角加工的螺旋有序排布纤维刀具及其制备方法。通过该方法可以制备出一种纤维在胎体外圆周面上与径向成一定角度、周向间距为数毫米、可正前角加工的螺旋有序排布纤维刀具，该刀具能够降低切削力比，增大排屑能力，促使切削液进入切削区进行有效润滑和冷却，防止工件烧伤，提高切削质量，减轻刀具磨损，延长刀具使用寿命。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种可正前角加工的螺旋有序排布纤维刀具包括纤维、胎体和钢制基体；所述纤维与钢制基体内的基圆相切，切削加工时纤维与工件呈正前角接触，可以实现纤维刀具正前角加工；所述纤维在胎体外圆周面呈多头螺旋线、且前后错位有序排布，并保证加工过程中纤维刀具表面的纤维一和纤维二之间的间隙在工件表面留下的残余材料，绝大部分会被后续紧接着错位排布的纤维三和纤维四立即去除；

一种可正前角加工的螺旋有序排布纤维刀具的具体制备步骤如下：

步骤一、采用电火花线切割技术将刀具材料切割成截面形状为正方形的纤维，然后采用专用夹具将系列纤维夹紧并用金刚石砂轮进行刃磨，使得纤维具有锋利刀刃和较大后角；

步骤二、采用压制和烧结技术在预制钢制基体上制备出胎体；

步骤三、采用钻头在胎体外圆周面上加工出周向间距为数毫米且呈多头螺旋线排布的系列小孔，并保证每个小孔的中心线与钢制基体内的基圆相切；

步骤四、在胎体的小孔内注入环氧树脂，将系列纤维插入胎体的系列小孔中，再用合抱装置抱紧，使每根纤维的出刃高度保持一致，再将其放入恒温干燥箱进行加热使环氧树脂固化，形成可正前角加工的螺旋有序排布纤维刀具。

所述的胎体外径为φ180~φ320mm，内径为φ160~φ300mm，厚度为8~25mm；所述的钢制基体外径为φ160~φ300mm，内径为φ32mm，厚度为8~25mm；所述的基圆直径为φ80~φ180mm。

所述的纤维长度为5~10mm，截面尺寸为0.6mm×0.6mm~0.8mm×0.8mm，刃磨后的纤维前角为0°、后角为20°~60°。

所述的专用夹具包括夹具单元、螺母一、螺栓一，夹具单元尺寸为150mm×15mm×3mm~200mm×25mm×5mm，夹具单元上加工有固定纤维的固定槽，固定槽的尺寸为5mm×0.6mm×0.4mm~10mm×0.8mm×0.6mm，固定槽与竖直方向的夹角为20°~60°，相邻两个固定槽的间距为5~8mm，每片夹具单元上固定槽的个数为10~30。

所述的螺旋线的参数为：螺旋线头数为45~48、螺旋升角为8.6°~10.8°、螺距为1.64~2.20mm；所述的小孔尺寸为φ0.8mm×3mm~φ1.2mm×10mm，小孔的周向间距为3.66~4.06mm、轴向间距为0.46~0.52mm。

所述的合抱装置包括辅助盘、定心底盘、抱箍、螺栓二、螺母二；辅助盘和定心底盘的外径比胎体外径大1~2mm；抱箍的内径与定心底盘的外径相同，厚度比定心底盘、辅助盘、钢制基体三者的厚度之和大2~6mm；定心底盘上加工有宽度为1~2mm的泄胶槽。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

①正前角加工显著提高了切削性能和加工效率。纤维与钢制基体内的基圆相切，使得纤维刀具在加工过程中是以正前角进行加工，与传统砂轮磨粒是以大负前角加工相比，较大降低了磨削力比和磨削温度，显著提高了切削性能和加工效率。

②有效提高了零件的加工精度。纤维呈多头螺旋线且前后错位排布，加工过程中纤维刀具表面的纤维一和纤维二之间的间隙在经过工件时因不能去除材料而会在工件表面留下残余材料，本发明在纤维一和纤维二后面紧接着错位排布有纤维三和纤维四，根据常规的砂轮线速度、工件进给速度及本发明的纤维刀具结构尺寸可知，从残余材料的形成到后续错位排布的纤维进入切削区的时间仅为数百微秒，因此纤维一和纤维二之间的间隙所留下的残余材料绝大部分会被后续紧接着错位排布的纤维三和纤维四立即去除，从而有效降低了加工表面粗糙度，提高了零件的加工精度。

③确保了纤维出刃高度保持一致。采用合抱装置抱紧刀具时，定心底盘可以将纤维刀具、辅助盘的位置固定并确保三者同轴，通过定心底盘和辅助盘可以保证抱箍和纤维刀具同轴，从而能够确保纤维出刃高度保持一致，因此切削区的每根纤维均能参与切削。

④专用夹具大大提高了纤维的刃磨效率和刃磨质量。采用专用夹具将纤维抱紧，再用金刚石砂轮对纤维进行刃磨，其中夹具单元的片数可以根据所需纤维的数量进行灵活调整，大大提高了刃磨效率，同时降低了纤维之间的刃角偏差。

⑤增大了单位面积内参与切削的有效纤维数量。在保持螺距和纤维间距不变的条件下，按照多头螺旋线排布获得的单位面积纤维数量比单头螺旋线排布的数量大，切削时能够减小单根纤维的切削厚度，从而减轻了刀具磨损，延长了刀具使用寿命。

⑥显著增大了冷却、润滑、排屑能力。纤维刀具工作面的纤维按照多头螺旋线有序排布能够增大刀具排屑能力，促使切削液进入切削区进行有效润滑和冷却，防止工件烧伤，进一步提高了切削质量。

附图说明

图1是纤维刀具加工工件时的示意图。

图2是纤维刀具与工件接触区域的局部放大图。

图3是钻孔示意图。

图4是纤维刀具胎体钻孔后示意图。

图5是刃磨夹具示意图。

图6是嵌入纤维后的纤维刀具局部放大图。

图7是合抱装置示意图。

图8是合抱装置爆炸示意图。

图9是刀具表面纤维布置方式示意图。

图10是刀具表面纤维布置方式局部放大图。

以上图1至图10的标示为。

1—纤维，2—胎体，3—钢制基体，4—基圆，5—工件，6—正前角，7—钻头，8—夹具单元，9—螺母一，10—螺栓一，11—固定槽，12—辅助盘，13—定心底盘，14—抱箍，15—螺栓二，16—螺母二，17—泄胶槽，18—纤维刀具，19—间隙，20—纤维一，21—纤维二，22—纤维三，23—纤维四，24—螺旋线，25—小孔，26—出刃高度。

具体实施方式

下面结合附图对本发明具体实施方式做进一步说明。

参见图1至图10，可正前角加工的螺旋有序排布纤维刀具包括：纤维1、胎体2和钢制基体3。所述纤维1与钢制基体3内的基圆4相切，切削加工时纤维1与工件5呈正前角6接触，可以实现纤维刀具18正前角6加工，与传统砂轮磨粒是以大负前角加工相比，较大降低了磨削力比和磨削温度，显著提高了切削性能和加工效率。所述纤维1在胎体2外圆周面呈多头螺旋线24且前后错位有序排布，并保证加工过程中纤维刀具18表面的纤维一20和纤维二21之间的间隙19在工件表面留下的残余材料，绝大部分会被后续紧接着错位排布的纤维三22和纤维四23立即去除。根据常规的砂轮线速度30m/s、工件5进给速度18m/min及本发明的纤维刀具18结构尺寸可知，从残余材料的形成到后续错位排布的纤维进入切削区的时间仅为244μs，因此纤维一20和纤维二21之间的间隙19所留下的残余材料绝大部分会被后续紧接着错位排布的纤维三22和纤维四23立即去除，从而有效降低了加工表面粗糙度，提高了零件的加工精度。

一种可正前角加工的螺旋有序排布纤维刀具制备方法的具体步骤如下：

步骤一、采用电火花线切割技术将刀具材料切割成长度为10mm，截面尺寸为0.7mm×0.7mm的纤维1，然后将系列纤维1分别嵌入专用夹具的6片尺寸为150mm×20mm×3mm的夹具单元8固定槽11内，固定槽11的尺寸为8mm×0.7mm×0.5mm，固定槽11与竖直方向的夹角为55°，相邻两个固定槽11的间距为5mm，每片夹具单元8上固定槽11的个数为20，再通过螺母一9和螺栓一10将纤维1夹紧，并用800目金刚石砂轮进行刃磨，获得前角为0°、后角为55°的纤维1。同时，夹具单元8的片数不局限于6片，可以根据所需纤维1的根数进行灵活调整，大大提高了刃磨效率，同时降低了系列纤维1之间的刃角偏差。

步骤二、采用压制和烧结技术在预制钢制基体3上制备出胎体2。钢制基体3的外径为φ180mm，内径为φ32mm，厚度为15mm。胎体2的外径为φ200mm，内径为φ180mm，厚度为15mm。

步骤三、选用钻头7直径为φ1.0mm的深孔钻，在刀具胎体2外圆周面上加工出周向间距为3.66mm、轴向间距为0.46mm、深度为8mm的呈螺旋线24排布的小孔25，螺旋线24头数为48头、螺距为1.64mm、螺旋升角为8.6°、每条螺旋线24上的小孔25的数量为28个且最末端的孔中心与胎体2端面的距离为1.29mm，同时保证钻头7中心线与钢制基体3内所设定的直径为φ100mm的基圆4相切，通过控制钻头7与刀具胎体2外圆周工作面的相对运动轨迹加工出呈螺旋线24排布的小孔25。在保持螺距和纤维1间距不变的条件下，按照单头螺旋线排布时，胎体外圆周面上每平方厘米纤维数量为13.64根，而按照多头螺旋线24排布的数量为14.26根，增大了单位面积内参与切削的有效纤维1的数量，因此能够减小单根纤维1的切削厚度，从而减轻了刀具磨损，延长了刀具使用寿命。且纤维刀具18工作面的纤维1按照多头螺旋线24有序排布能够增大刀具排屑能力，促使切削液进入切削区进行有效润滑和冷却，防止工件烧伤，进一步提高了切削质量。

步骤四、在胎体2的系列小孔25内注入环氧树脂，将系列纤维1插入胎体2的系列小孔25中，再用合抱装置抱紧，采用合抱装置抱紧纤维刀具18时，定心底盘13可以将纤维刀具18、辅助盘12的位置固定并确保三者同轴，通过定心底盘13和辅助盘12可以保证抱箍14和纤维刀具18同轴，使每根纤维1的出刃高度26保持一致，再将其放入恒温干燥箱进行加热使环氧树脂固化，形成可正前角6加工的螺旋有序排布纤维刀具18，在固化过程中，多余的环氧树脂通过定心底盘13上的泄胶槽17流出，保证了刀具表面整洁。

合抱装置包括辅助盘12、定心底盘13、抱箍14、螺栓二15、螺母二16；辅助盘12和定心底盘13的外径为φ202mm；抱箍14的内径与定心底盘13的外径相同，厚度比定心底盘13、辅助盘12、钢制基体3的厚度之和大4mm；定心底盘13上加工有宽度为2mm的泄胶槽17。

上述实施例，仅为对本发明的目的、技术方案和有益效果进一步详细说明的具体个例，本发明并非限定于此。凡是在本发明的公开范围之内所做的任何等同替换、修改等，均包含在本发明的保护范围之内。