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电镀金刚石刀具切割石材磨损相关内容解析

http://www.momo35.com   来源:磨商网  日期:2016/12/15

目的研究数控设备各加工参数对电镀金刚石刀具磨损量的影响,确定合理的加工参数,提高加工效率。方法采用正交实验方法设计金刚石铣刀磨损实验,在数控石材机床上铣削玄武岩,金刚石铣刀采用电镀法制造,铣刀磨损量采用高精密度电子天平测量。金刚石铣刀磨损表面采用Leica MZ95体式显微镜分析。结果影响金刚石铣刀磨损量的主要加工参数为刀具主轴转速、其次是进给速度和切割深度、最后是金刚石粒度。刀具底面的磨损比侧面严重,底面金刚石主要以脱落为主,侧面金刚石磨损以冲击破碎为主。结论数控机床加工参数对电镀金刚石磨损量具有很大影响,金刚石粒度影响较小,刀具应以侧面加工为主。


  1、引言


  目前使用数控加工中心加工异型石材成为石材发展趋势,但是在数控机床中金刚石刀具的制造和合理使用是一项关键技术问题。金刚石刀具在石材加工中起到重要作用,金刚石刀具的寿命和价格直接决定石材的成本。另外在数控机床上金刚石刀具要保持完好的廓形和很好的耐用度,才能发挥数控机床的优势和提高加工质量及加工效率。而采用电镀方法制备金刚石刀具可以很好地解决该问题。电镀法制备金刚石刀具是通过金属的电沉积,将松散的金刚石颗粒固结在电镀层中,使金刚石颗粒具有切削能力。金刚石刀具的耐磨性受到很多因素的影响,包括金刚石刀具制造参数、石材性能参数和加工参数等。笔者采用电镀法制备金刚石铣刀并在数控石材雕刻机上对石材进行加工,基于正交设计方法设计各加工参数用以评定各参数对金刚石刀具磨损量的影响程度,研究金刚石刀具磨损机理和选择最佳加工参数。


  2、实验


  圆柱金刚石刀头采用电镀方法,金刚石为MBD型,粒度为分别选择210μm、150μm、125μm。电镀时电流密度为1。5A/d㎡,电镀时间为10~11h。工具基体为高速钢,直径6mm,切割部分高度为30mm。电镀金刚石铣刀磨损实验在LK6090三坐标数控石材加工机床上进行,该设备实现X轴、Y轴和Z轴3个方向自动进给。金刚石铣刀加工时采用水冷却,其磨损量用精度为±0。1mg的FA2104N精密电子天平称重。金刚石铣刀表面磨损形貌采用Leica MZ95型体式显微镜观测。


  3、方案


  本实验中主要考虑加工参数对金刚石铣刀磨损量的影响,将金刚石铣刀的磨损量作为考核指标,不考虑石材性能和冷却参数。加工参数主要有主轴转速n、进给速度f、切割深度口ap金刚石粒度d,将这四个影响参数分别定为因素A、B、C,D,各因素选三个水平进行磨损量实验,选择L9(3)正交表,各实验因素和水平如表1所示,所得结果见表2。


 

  

         4、结果分析


  从表2的实验结果极差R来看,RA>RB>RC>RD,说明刀具主轴的回转速度对刀具的磨损量影响最大,其次是进给速度和切割深度,而金刚石粒度影响最小。


  图1是金刚石铣刀的磨损量与各水平下大影响因素趋势图。从图1中可以看到金刚石铣刀的磨损量随刀具主轴转速的增加而明显降低,随刀具切割深度的增加而增加,另外金刚石铣刀的磨损量与进给速度和金刚石粒度呈曲线关系。金刚石铣刀的磨损量随进给速度和切割深度增加而加大,这主要是进给速度和切割深度增加,切割力加大,导致金刚石铣刀法向力增加,金刚石铣刀磨损加大。从总的磨损量来看,刀具主轴转速对磨损量影响都比其他参数大。如果以刀具磨损量最小为指标,从实验直接结果可以看到采用第四组和第八组实验参数为最佳。但是从计算结果来看选择刀具主轴转速5000r/m、进给速度400mm/min、切割深为0。2mm、金刚石粒度210μm为最佳组合。


  金刚石刀具加工石材时存在多种表面磨损形式,这主要与加工条件和影响因素有关。金刚石铣刀在铣削石材时,铣刀参与加工的表面主要是圆柱铣刀的底面和圆柱表面。在铣削时,圆柱铣刀的底面始终与石材接触,而形成连续摩擦,因此相对圆柱表面磨损严重见图2。图2和图3中(a)(b)(c)是金刚石铣刀分别在表2中1、2、3组实验条件下底面和侧面的磨损表面。从图2可以看到,金刚石粒度分别是210μm、150μm时,底面磨损比较严重,出现比较大的沟痕。在金刚石铣刀的底面,越靠近主轴回转中心,铣刀磨损越严重。从图2(a)可以看到,靠近圆周处,有部分金刚石脱落而形成凹坑。在图2(b)中刀具边缘处脱落的金刚石最多,刀具中心处形成比较大的犁沟。而在图2(c)中,金刚石还保持原来形状没有脱落,同时底面没有出现犁沟和凹坑。由此可以看到当金刚石粒度为125μm时耐磨性最好。


  当金刚石粒度较小时,金刚石与基体把持强度高,减少金刚石冲击力。当金刚石粒度比较大时,参与切割部分比较多,导致金刚石受力大,冲击力大,金刚石容易脱落。而脱落的金刚石处在刀具底面和石材之间形成三磨体磨粒磨损。磨粒在压力作用下,对基体形成犁削,表面形成犁沟。犁沟尺寸主要与滚动的磨粒尺寸和压力成正比,磨粒尺寸和压力越大,表面犁沟宽度和深度也越大。同时犁沟的轨迹与刀具的运动轨迹相一致。刀具的侧面磨损从图3中可以看到,当金刚石粒度分别是210μm、150μm时刀具侧面产生一些磨损,而金刚石粒度是125μm时,刀具侧面基本没有产生磨损。从图3(a)和图3(b)中可以看到刀具侧面的磨损形式主要是金刚石磨钝和基体产生犁沟,此外还有部分金刚石脱落。从图3(c)可以看到金刚石被磨顿和破碎,但基体没有出现犁沟。从金刚石刀具侧面磨损来看,侧面金刚石脱落要比刀具底面小,同时基体的犁沟深度相对也比刀具底面磨损要小。刀具侧面犁沟方向与切割石材线速度方向一致。刀具侧面切割时冷却效果比刀具底面要好,但是侧面线速度快,冲击力大,切割时不是连续切割,导致金刚石容易破碎。因此电镀金刚石刀具在切割石材过程中,金刚石粒度和品质应与电镀结合剂保持适当的匹配。当金刚石颗粒大时,金刚石受到的抗冲击力较大,镀层结合剂应保证对金刚石具有足够的把持力,而当金刚石颗粒小时,切削过程中金刚石受到的切割力小,可以适当调整结合剂的耐磨性,降低结合剂的硬度,保证金刚石粒度与结合剂的同步性。制备电镀金刚石刀具时,调整电镀规范。如镀液配方、电镀工艺等,获得所需性能的结合剂。


  5、结论


  (1)数控机床加工石材时加工参数对金刚石刀具磨损量影响很大,影响量最大的参数为刀具主轴转速,其次是进给速度和切割深度,最后是金刚石粒度。磨损量基本上随主轴转速增加而降低,随切割深度和进给速度增加而加大。金刚石粒度对磨损量影响具有非线性关系。最佳加工参数:刀具主轴转速5000r/m、进给速度400mm/min、切割深度0。2mm、金刚石粒度210μm。


  (2)金刚石铣刀底面磨损比侧面磨损严重,底面金刚石磨损主要以金刚石脱落为主,侧面金刚石磨损组要以金刚石破碎为主。金刚石粒度为210μm和150μm时其磨损比125μm严重。


  (3)电镀金刚石可以作为数控机床加工石材刀具,但是切割面应以侧面为主。

 
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