文章前言
上期文章中,我们介绍了渐变式倒棱的应用背景和意义。
本期文章,我们介绍一下渐变倒棱的制造方式,为了保证与前期文章的递进关系,我们仍沿用上期文章的章节编号。
本期重点3、渐变倒棱PCBN刀具制备
3.1逼近式磨削轨迹规划
传统定参数倒棱结构刀具的磨削面由具有定斜度值的旋转面和斜面所组成,可通过设定砂轮倾角和磨削包络楔角一次磨削成型,其磨削原理如图6所示。
![倒棱新结构:渐变倒棱-制造方式篇(图1) 倒棱新结构:渐变倒棱-制造方式篇(图1)](/uploads/ueditor/20220818/1-220QQ11450252.png)
与定参数倒棱结构相比,渐变倒棱结构的磨削面曲率变化大,对磨削精度要求高,磨制成型难度较大。
本文结合端面磨削方式和化归思想,将渐变倒棱结构离散,分为多次磨削,每次改变砂轮倾角和包络楔角来逼近渐变倒棱结构。
然而,在渐变参数倒棱区域磨削面成型的同时,由砂轮扫掠作用在其临近的定参数倒棱区域边界将引入小范围的过切区,使定参数倒棱区域减小,如图7a所示。
![倒棱新结构:渐变倒棱-制造方式篇(图2) 倒棱新结构:渐变倒棱-制造方式篇(图2)](/uploads/ueditor/20220818/1-220QQ11513548.png)
这里通过调小初始磨削的砂轮倾角,以适当地减少定参数和渐变参数倒棱交界区材料初始去除量。并在过切区和定参数倒棱区域增设一次刀路,其磨削倾角为起始倒棱角度,磨削轨迹与初始刀路相同,从而去除初始磨削砂轮倾角调整所引入的残留区域,由此消除砂轮过切的影响,其结果如图7b所示。
逼近式磨削轨迹规划方案如图8所示,通过n次磨削即可在刀尖刃口区域形成渐变倒棱,其中每次磨削轨迹可分为两段直线轨迹和一段圆弧轨迹。
![倒棱新结构:渐变倒棱-制造方式篇(图3) 倒棱新结构:渐变倒棱-制造方式篇(图3)](/uploads/ueditor/20220818/1-220QQ1153D25.png)
设渐变倒棱结构的角度变化范围为(γA,γB),砂轮倾角为γi,包络楔角为εi,则进行第m(m<n) 次磨削时,砂轮倾角为:
![倒棱新结构:渐变倒棱-制造方式篇(图4) 倒棱新结构:渐变倒棱-制造方式篇(图4)](/uploads/ueditor/20220818/1-220QQ1160Q36.png)
式中,γ1为第1次磨削砂轮倾角,且γ1<γA。包络楔角为
![倒棱新结构:渐变倒棱-制造方式篇(图5) 倒棱新结构:渐变倒棱-制造方式篇(图5)](/uploads/ueditor/20220818/1-220QQ116353P.png)
圆弧段磨削轨迹起止角度分别为:
![倒棱新结构:渐变倒棱-制造方式篇(图6) 倒棱新结构:渐变倒棱-制造方式篇(图6)](/uploads/ueditor/20220818/1-220QQ11AJ94.png)
此时两段直线磨削轨迹分别以倾角90°+Φ1和Φ2-90°沿直线扫掠形成。
而第n次磨削时,砂轮倾角为γn(γn=γA),包络楔角为0,其磨削轨迹与第1次相同。
3.2磨削仿真优化
磨削仿真过程中,首先将刀具的整个磨削面分解为若干磨削段,各段磨削时,砂轮沿磨削轨迹线扫掠将与刀具实体形成相应的重叠区域,对该区域做相减布尔运算即可实现各磨削段材料的去除,这样经过系列逼近式分段磨削即可实现整个刀具的磨制。
以80°菱形刀片为例,倒棱宽度为0.15 mm,倒棱角度变化范围为15°~30°,磨削仿真过程和结果如图9所示。
![倒棱新结构:渐变倒棱-制造方式篇(图7) 倒棱新结构:渐变倒棱-制造方式篇(图7)](/uploads/ueditor/20220818/1-220QQ11GKS.png)
加工过程中,磨削次数对加工效率和磨削精度有较大影响,以下分别选择4次、6次、8次、10次4种不同磨削次数进行仿真,磨削仿真所得的渐变倒棱刀具如图10所示。
提取刀具刃线数据点经拟合绘制成空间曲线,与理论刃线进行对比,其结果如图11所示。
![倒棱新结构:渐变倒棱-制造方式篇(图8) 倒棱新结构:渐变倒棱-制造方式篇(图8)](/uploads/ueditor/20220818/1-220QQ11T1632.png)
![倒棱新结构:渐变倒棱-制造方式篇(图9) 倒棱新结构:渐变倒棱-制造方式篇(图9)](/uploads/ueditor/20220818/1-220QQ11U4E9.png)
从图10和图11中可以看出,4次磨削的拟合效果与理论刃线偏差较大;而6次、8次、10次磨削的拟合效果相对较好。
为进一步分析不同磨削方法所形成的渐变倒棱结构与理论值的偏差,后续对仿真结果进行进一步分析。
如图12所示,在刀具中心线左侧的刀尖圆弧曲线上平均取5点,并与圆心0相连,以这5条线为基准做垂直于前刀面的截面,分别为I、II、III、IV、V。
![倒棱新结构:渐变倒棱-制造方式篇(图10) 倒棱新结构:渐变倒棱-制造方式篇(图10)](/uploads/ueditor/20220818/1-220QQ11926108.png)
在截面上提取倒棱部分的轮廓线,与理论截面进行对比,如图13所示。
![倒棱新结构:渐变倒棱-制造方式篇(图11) 倒棱新结构:渐变倒棱-制造方式篇(图11)](/uploads/ueditor/20220818/1-220QQ119462B.png)
测量其角度值如表1(括号内为理论模型在此截面处的角度)所示。
![倒棱新结构:渐变倒棱-制造方式篇(图12) 倒棱新结构:渐变倒棱-制造方式篇(图12)](/uploads/ueditor/20220818/1-220QQ12004317.png)
根据图13和表1可知,随着磨削次数的增加,各截面的磨削误差逐渐减小,磨削次数达到8次及以上时,其磨削误差逐渐接近;磨削相同次数条件下,与截面III、IV磨削误差相比,截面II误差相对最大。
3.3刀具磨制
渐变倒棱PCBN刀具磨制选用Coborn公司的五轴磨床RG9,砂轮主轴功率为2.2kW,最大旋转速度为4000r/min。其中X轴定位误差和重复性定位误差为±1 μm,A轴和C轴角度误差为±0.05°。
刀具毛坯选用PCBN刀片DCC500,维氏硬度为36.4±0.48 GPa,粒度为1.5μm。砂轮采用以陶瓷为结合剂的碟形金刚石砂轮6A2,直径150mm,转速2000r/min,刀具磨制及样刀如图14所示。
磨削过程中将毛坯刀片分为3组,对应的磨削次数分别为6次、8次和10次,每组磨制4片刀具,共计12片,分组编号便于后续磨削精度检测。
![倒棱新结构:渐变倒棱-制造方式篇(图13) 倒棱新结构:渐变倒棱-制造方式篇(图13)](/uploads/ueditor/20220818/1-220QQ1202W27.png)