摘要：研究數(shù)控設(shè)備加工參數(shù)對(duì)電鍍金剛石刀具切割石材時(shí)相對(duì)磨損率的影響，確定合理的加工參數(shù)，提高加工效率。采用正交實(shí)驗(yàn)方法設(shè)計(jì)金剛石銑刀磨損實(shí)驗(yàn)，在數(shù)控石材機(jī)床上銑削玄武巖，金剛石銑刀采用電鍍法制造，銑刀磨損量采用高精密度電子天平測(cè)量。金剛石銑刀磨損表面采用LeicaMZ95體式顯微鏡分析。影響相對(duì)磨損率的主要加工參數(shù)刀具主軸轉(zhuǎn)速、其次是進(jìn)給速度和切割深度、最后是金剛石粒度。刀具底面的磨損比側(cè)面嚴(yán)重，底面金剛石主要以脫落為主，側(cè)面金剛石磨損以沖擊破碎為主。

　　關(guān)鍵詞：金剛石刀具 石材加工 相對(duì)磨損率

　　目前石材已經(jīng)廣泛進(jìn)入到建筑裝飾領(lǐng)域和工業(yè)領(lǐng)域中，同時(shí)異型石材的加工提升了石材應(yīng)用價(jià)值和商業(yè)價(jià)值。石材加工技術(shù)已經(jīng)向著數(shù)控化和智能化方向發(fā)展，石材加工設(shè)備剛度和精度都有了很大的提高。尤其是石材加工中心的應(yīng)用將給石材加工帶來(lái)新的前景，同時(shí)提升了石材加工技術(shù)水平。加工中心的應(yīng)用有利于石材產(chǎn)品的質(zhì)量提高和石材加工自動(dòng)化程度的提高。加工中心配備很多金剛石刀具，研究這些金剛石刀具的磨損和效率對(duì)提高加工中心的效率和降低加工成本是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。金剛石刀具的耐磨性受到諸多因素的影響，包括金剛石刀具的制造工藝、石材的種類(lèi)和加工參數(shù)等。金剛石刀具制造工藝不同，其耐磨性評(píng)價(jià)指標(biāo)不同。金剛石刀具的耐磨性是一個(gè)很重要的指標(biāo)，一方面要保證金剛石刀具廓形，另一方面要保證切割效率，對(duì)加工中心金剛石刀具還要保證加工精度。影響金剛石刀具耐磨性的加工因素主要有石材的物理力學(xué)性能、刀具主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度、切割深度、冷卻條件等。金剛石刀具的耐磨性只是單方面衡量刀具的磨損量，而不能全面衡量加工效率和加工成本。因此，把金剛石刀具的磨損量與加工效率綜合進(jìn)行考慮，采用相對(duì)磨損率指標(biāo)即切割率與刀具磨損量的之比，即反映出刀具的單位消耗和切割效率之間關(guān)系，又可以反映出加工成本。本次實(shí)驗(yàn)基于正交設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方法，通過(guò)使用電鍍法制備金剛石刀具，并在數(shù)控雕刻機(jī)上對(duì)石材進(jìn)行加工，評(píng)定不同加工參數(shù)對(duì)相對(duì)磨損率的影響，同時(shí)研究刀具磨損形式和機(jī)理。  

　　1 實(shí)驗(yàn)   

　　圓柱金剛石刀頭采用電鍍方法，金剛石為MBD型，粒度為分別選擇80#、100#、120#。電鍍時(shí)電流密度為l.5A/din²，電鍍時(shí)間為l0-11h，電鍍液配方如表NiS04•7H2O：275(g/L)；COSO4•7H2O：lO(9/L)；NiCl•6H₂O：45(g/L)，H₃BO₃：37(g/L)。刀具基體為高速鋼，直徑6ram，切割部分高度為30ram，金剛石鍍層厚度為0.4mm。電鍍金剛石磨損實(shí)驗(yàn)在采用LK6090三坐標(biāo)數(shù)控石材加工機(jī)床，該設(shè)備實(shí)現(xiàn)X軸、Y軸和軸Z三個(gè)方向的自動(dòng)進(jìn)給，加工原理如圖l所示。刀具采用軸向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，徑向切割運(yùn)動(dòng)。主軸轉(zhuǎn)速為3000～5000rpm，進(jìn)給速度為400-600mm/min，切割深度0.2～0.6ram，主軸冷卻方式采用水冷。金剛石銑刀加工時(shí)采用水冷卻，其磨損量用精度為0.1 mg的FA2104N精密電子天平稱重。金剛石銑刀表面磨損形貌采用Leica MZ95型體式顯微鏡觀測(cè)。金剛石磨損可以用其絕對(duì)磨損量表示，即單位時(shí)間內(nèi)金剛石刀具的磨損重量。式中q為金剛石刀具磨損重量(g)，t為時(shí)間(s)。石材切割效率W可以通過(guò)圖1幾何關(guān)系表示即：

圖1  石材加一加工原理圖   W =Lhd/t    (1)

　　式中：L——工件長(zhǎng)度(cm)，h——每次進(jìn)給深度(cm)，d——銑刀直徑(cm)，t——加工時(shí)間(s)。公式中v=L/t，V——進(jìn)給速度。由此切割效率可以寫(xiě)成：    W=vhd    (2)    從公式(2)中可以明顯看到切割效率與進(jìn)給速度、切割深度和刀具直徑成正比。為了更好衡量刀具磨損量與加工效率關(guān)系，可以建立相對(duì)磨損率Q，即石材切割效率與刀具磨損率之比。公式(3)中單位為cm3／g，即單位金剛石刀具磨損重量上所切割石材體積。W越大，金剛石磨耗越小，加工效率越高，成本越低。    Q=W/w=Lhd/q    (3)

　　2  實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)   

　　本實(shí)驗(yàn)主要考慮加工參數(shù)對(duì)金剛石銑刀磨損量的影響，將金剛石銑刀的磨損量作為考核指標(biāo)。實(shí)驗(yàn)在水冷卻條件下進(jìn)行，而沒(méi)有考慮石材性能和冷卻條件。加工參數(shù)主要有主軸轉(zhuǎn)速n、進(jìn)給速度秒、切割深度ap和金剛石粒度d，將這三個(gè)影響參數(shù)分別定為因素A、B、C，D，各因素選三個(gè)水平進(jìn)行相對(duì)磨損率實(shí)驗(yàn)，選擇L9(3)4正交表，各實(shí)驗(yàn)因素和水平如表1所示。表2是所得實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

表1 實(shí)驗(yàn)因數(shù)和水平

表2  實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　3  實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析   

　　從表2的級(jí)差R可以看到RA>RB>RC>RD，由此說(shuō)明主軸轉(zhuǎn)速n對(duì)相對(duì)磨損率影響量最大，其次是進(jìn)給速度v和切割深度ap，金剛石粒度d影響最小。相對(duì)磨損率是衡量加工效率一個(gè)比較好的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，它可以綜合反映石材的切割量和金剛石的磨耗量。主軸回轉(zhuǎn)速度高，單位時(shí)間內(nèi)切割石材多，而金剛石刀具消耗小。為提高加工效率，可以選擇較高的主軸轉(zhuǎn)速。   

　　從圖2中可以看到相對(duì)磨損率Q隨主軸回轉(zhuǎn)速度增加而加大，隨金剛石粒度增加而加大，與進(jìn)給速度和切割深度關(guān)系為非線性關(guān)系。以相對(duì)磨損率為優(yōu)化目標(biāo)，直接從表2中實(shí)驗(yàn)結(jié)果應(yīng)選擇主軸轉(zhuǎn)速為5000rpm，進(jìn)給速度400mm/min，切割深度0.6mm，金剛石粒度100目。但是從理論曲線圖分析應(yīng)選擇最佳參數(shù)是主軸回轉(zhuǎn)速度5000rpm，進(jìn)給速度400mm/min，切割深度0.4mm，金剛石粒度l20目。理論分析和直接實(shí)驗(yàn)結(jié)果有一定差距，直接實(shí)驗(yàn)結(jié)果不是最佳結(jié)果。從實(shí)驗(yàn)分析來(lái)看，相對(duì)磨損率主要與切割效率成正比，與刀具磨損量成反比。而刀具的磨損量與進(jìn)給速度和切割深度成正比，與主軸回轉(zhuǎn)速度成反比。相對(duì)磨損率越大，說(shuō)明加工效率越高，刀具磨損量越小，加工成本越低。

圖2  相對(duì)磨損率與加工參數(shù)關(guān)系曲線

　　金剛石刀具的磨損除受加工參數(shù)影響外，還與刀具本身的制造工藝有關(guān)。金剛石刀具中金剛石要與基體合金有很好的把持力，同時(shí)其耐磨性與石材硬度相匹配。在金剛石刀具初始加工階段，電鍍金剛石刀具表面粗糙度很大，金剛石沒(méi)有完全參與切割，造成金剛石刀具磨損量比較大，如圖3所示，隨切割時(shí)間增加，參與切割的金剛石數(shù)量增多，單位面積上金剛石壓力減少，刀具磨損量下降，耐磨性增加。從圖3中可以明顯看到，初期金剛石刀具磨損比較嚴(yán)重，隨切割時(shí)間增加，磨損量呈下降趨勢(shì)。

圖3  金剛石刀具磨損量與磨損時(shí)間關(guān)系

　　金剛石刀具磨損形式主要有金剛石破碎、金剛石磨鈍、金剛石脫落和基體磨損。從圖4中可以看到金剛石刀具底面磨損狀況。當(dāng)金剛石粒度為80和100目時(shí)，金剛石刀具底面出現(xiàn)明顯的犁溝，從金剛石破損的形式來(lái)看，主要有金剛石微小的破損和磨鈍。金剛石基體的磨損犁溝與刀具切割速度方向一致?？拷毒呋剞D(zhuǎn)中心出現(xiàn)大的凹坑，主要由金剛石脫落造成。從圖3中可以看到金剛石鑲嵌在基體中，鑲嵌的深度各不相同。金剛石與基體的把持力與鑲嵌的深度有關(guān)。從力學(xué)觀點(diǎn)出發(fā)，鑲嵌的深度越大，即露出的金剛石高度越小，金剛石受到的彎矩越小。從加工效率觀點(diǎn)出發(fā)則相反，露出高度越小，切割效率越低。從金剛石磨損形式來(lái)看金剛石磨鈍的數(shù)量相對(duì)較少，金剛石脫落得較多，主要是金剛石與基體的結(jié)合能力較弱，有些金剛石還沒(méi)有完成切割作用就被磨掉。另外從圖4中看到金剛石粒度為120目時(shí)，刀具底面沒(méi)有出現(xiàn)明顯的犁溝，金剛石有部分破損。      

　　圖5為刀具側(cè)面磨損表面。從圖5中可以看到金剛石粒度為80和100目時(shí)，側(cè)面磨損比金剛石粒度為l20目磨損嚴(yán)重。從圖l的加工示意圖中可以看到，金剛石銑刀加工石材時(shí)，側(cè)面處于間斷切割狀態(tài)，而刀具的底部始終與石材相接觸，金剛石刀具受到很大壓力，同時(shí)冷卻液冷卻效果相對(duì)側(cè)面較差，由此導(dǎo)致底部磨損比側(cè)面磨損嚴(yán)重。此外，金剛石刀具底部的金剛石脫落后金剛石形成自由磨料，在外力作用下與石材和刀具形成三磨體磨損。導(dǎo)致刀具底面基體形成犁溝金剛石脫落。側(cè)面受到?jīng)_擊的次數(shù)比較多金剛石容易破碎。 

圖4金剛石刀具底面磨損狀況  圖5金剛石刀具側(cè)面磨損狀況 

a一80目b一100目c一1 20目    a一80目b一100目c一120目

　　4  結(jié)論 

　　影響相對(duì)磨損率的主要加工參數(shù)是刀具主軸轉(zhuǎn)速n，其次是進(jìn)給速度v和切割深度ap，金剛石粒度d影響最小。相對(duì)磨損率隨主軸回轉(zhuǎn)速度增加而加大，隨金剛石粒度增加而加大，與進(jìn)給速度和切割深度關(guān)系為非線性關(guān)系。刀具磨損量隨切割時(shí)間增加而減少。刀具底面磨損比側(cè)面磨損嚴(yán)重，金剛石刀具磨損的主要形式有金剛石磨鈍、金剛石破碎、金剛石脫落和基體產(chǎn)生磨粒磨損。以相對(duì)磨損率最大為目標(biāo)函數(shù)最佳參數(shù)應(yīng)選擇主軸回轉(zhuǎn)速度5000rpm，進(jìn)給速度400ram／rain，切割深度0.4mm，金剛石粒度120目。

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