專利名稱：有序化超硬纖維刀具及制作方法
技術領域：
本發明涉及超硬纖維、有序化超硬纖維刀具及其制備方法。本發明所述 的刀具適于對刀具耐用度要求較高的大尺寸難加工材料零件的加工以及低剛 度零件的加工。
背景技術：
磨削和切削加工始終在工程材料加工領域占據著主流地位，由于磨削加 工和切削加工各有千秋，它們都是現代制造中不可或缺的加工技術。磨削加
工的最大特點是加工表面質量好、精度高，但加工效率低；相反，切削加工 效率高，但工件表面質量低、精度也差些。眾所都知，砂輪磨削之所以能獲 得較高的加工表面質量與尺寸精度，是因為砂輪磨削過程中同時參與切削的 磨粒數量多，并且單個磨粒的切削厚度很小，往往在亞微米級甚至納米級， 因而加工質量較好。然而，由于砂輪磨粒形狀及其分布具有一定的隨機性， 從而導致砂輪的磨削過程實質上是眾多磨粒以大負前角的切削過程，因而法 向力/切向力之比大，材料去除比能高，對磨床剛度要求高，磨削加工所需的 材料去除比能幾乎是切削加工的5-io倍。對于切削加工，刀具的形狀與切削 角度均可人為控制，在切削過程中往往是以一定的正前角參與切削，因而法 向力/切向力之比小、切削比能低。然而，由于切削加工中參與切削的刀刃數 量少、單個刀刃的切削層厚度相對較大，因而加工質量相對較差。并且，任 何切削刃的損壞(如崩刃、破碎、斷裂等)都會影響工件的加工質量，甚至 使整個刀具無法繼續進行切削，刀具耐用度相對較低。如果我們能開發一種 刀具，其參與切削的刀刃數量多、單個刀刃的形狀與切削角度均可人為控制， 則可以在降低單個刀刃的切削層厚度以提高加工質量的同時，降低法向力與 切向力之比，降低切削比能，從而集傳統砂輪與切削刀具的優點于一身。
發明內容
本發明的目的是提供一種超硬纖維刀具及制作方法。 本發明的目的是通過如下方式實現的， 一種有序化超硬纖維刀具，有機高分子材料將超硬纖維徑向輻射狀均勻排布固定在金屬芯上，超硬纖維前端 突出有機高分子材料表面并有刃口。
超硬纖維截面形狀為矩形，截面尺寸為長0.2-lmmx寬0. 2-lmm,超硬纖 維長度為l-10mm,超硬纖維長度與纖維寬度之比大于等于5。
超硬纖維與徑向成1-10°角度，軸向相鄰超硬纖維相互錯開，周向弧長為 5-20mm。
超硬纖維材料為聚晶金剛石或聚晶立方氮化硼。 超硬纖維之間的間距為超硬纖維的截面尺寸的0. 8-1倍。 有機高分子材料為酚醛樹脂或環氧樹脂。
一種有序化超硬纖維刀具的制作方法首先采用激光切割方法制備方條 狀的超硬纖維；通過模具定向排布方法使各超硬纖維呈輻射狀均勻排布并固 定在金屬芯上；并且，從金屬芯軸線方向看，各纖維呈一排排輻射狀結構， 每排纖維相互之間相平行且間距為超硬纖維寬度尺寸的0.8-1倍，相鄰排纖 維之間相互錯開，互相錯開寬度為超硬纖維寬度尺寸的0.8-1倍，相鄰排超 硬纖維之間的周向夾角為5-15°;利用模具澆注法，在排布好的超硬纖維之間 填充高分子材料并固化，制成有序化超硬纖維刀具的坯料；將有序化超硬纖 維刀具坯料裝夾在一分度機構上，采用磨粒粒徑小于W10的碟形樹脂結合劑 金剛石砂輪進行刃磨，制備成具有鋒利刀刃的有序化超硬纖維刀具。
本發明是一種集傳統砂輪與切削刀具優點于一身的新型刀具，既具有砂 輪磨削時加工質量好的優點，同時又具有切削刀具加工效率高、切削比能低、 對機床剛度要求低的優點。為達到上述目的，本發明提出了一種有序化超硬 纖維刀具及其制備方法釆用方條狀的超硬纖維取代砂輪的磨粒與切削刀具 的刀片，刀具基體中超硬纖維的數量比傳統刀具的刀片數量大得多，因此， 單個纖維的切削層厚度較小，加工質量好；并且，有序化超硬纖維刀具經過 人為刃磨，每個纖維具有鋒利的刀刃與一定的切削角度，因此，有序化超硬 纖維刀具具有切削比能低、加工質量好的優點。
圖l是有序化超硬纖維刀具結構示意圖；圖2是有序化超硬纖維刀具周向展開示意圖
圖中l為金屬芯；2為有機高分子填充材料；3為超硬纖維；
具體實施例方式
本發明中的有序化超硬纖維刀具，由于其超硬纖維的刀刃分布在圓周上, 其軸向沒有刀刃參與切削，因此，本發明中的有序化超硬纖維刀具只適于平 面加工，在刀具刃磨之前，可用砂輪打磨有序化超硬纖維刀具的圓周表面， 使超硬纖維凸出基體高度0.2mm以內(與纖維截面尺寸有關，截面尺寸大時 可取大值)，從而使每個超硬纖維切削加工時有容屑空間并防止刀具基體與工 件接觸。在加工過程中，每次切削深度的參考值，需根據圓周上分布的纖維 的排數、纖維的截面尺寸與切削過程中單個纖維的最大切削層厚度而定。如 果單個纖維的最大切削層厚度過大、纖維截面尺寸過小時，可能會導致超硬 纖維的斷裂，因此，有序化超硬纖維刀具的單纖維最大切削層厚度可根據超 硬纖維截面尺寸的不同而控制在0-10jjim之間，纖維截面尺寸較大時，取大值。 單纖維的最大切削層厚度可根據下式計算而得
式中、為單纖維最大切削層厚度，S為有序化超硬纖維刀具轉過相鄰切 刃的間隔時間內工件平移的距離；^為設定切削深度；d為有序化超硬纖維刀 具的直徑。
例如有序化超硬纖維刀具圓周分布32排超硬纖維，刀具直徑為lOOmm， 切削深度為lmm，工作臺進給速度為600mm/min,刀具的旋轉速度為 1200rev/min。由于相鄰排超硬纖維相互錯開，估算每一層切削層由兩排超硬 纖維承擔，因此，計算S時的有效纖維排數為16，計算得S為3L25(jun, ^為 6. 24(xm.
下面結合實施例對本發明做進一步說明
實施例:1. 采用激光切割方法將聚晶金剛石或聚晶立方氮化硼制備成尺寸為長
10mm x寬0.6mm x高0.6mm的超硬纖維3 ，取每排內各超硬纖維3的間距為 0.4mm;要求有序化超硬纖維刀具在軸向的有效切削寬度為10mm,則沿刀具 軸線方向排布的超硬纖維3數量為10根，假定有序化超硬纖維刀具直徑為 lOOmm，取相鄰排超硬纖維3的夾角為10°，沿刀具周向排布的超硬纖維3排 數為36排，該實例中超硬纖維3的總需量為360根；金屬芯1外徑為80mm。
2. 采用模具，每10根一排、間距為0.4mm，將超硬纖維3均勻排布并 膠粘劑將各纖維固定好，共制備36排超硬纖維3，然后將36排超硬纖維3呈 輻狀均勻固定在金屬芯l上。
3. 將轱結了超硬纖維3的金屬芯l置于澆注模具中，在超硬纖維3之間 填充有機高分子材料2，有機高分子材料2為酚醛樹脂或環氧樹脂，待填充材 料固化后脫模。
4. 將脫模后的有序化超硬纖維刀具裝夾在帶心軸的分度盤上，要求分度 盤能實現10。轉角的分度。釆用砂帶打磨方法使各超硬纖維3凸出有機高分子 材料2基體0.2mm，然后釆用W5的碟形樹脂結合劑金剛石砂輪刃磨有序化超 硬纖維刀具。使各超硬纖維3具有鋒利的刀刃。
權利要求
1、一種有序化超硬纖維刀具，其特征在于有機高分子材料[2]將超硬纖維[3]徑向輻射狀均勻排布固定在金屬芯[1]上，超硬纖維[3]前端突出有機高分子材料[2]表面并有刃口。
2、 根據權利要求l所述的一種有序化超硬纖維刀具，其特征在于超硬 纖維[3]截面形狀為矩形，截面尺寸為長0.2-lmmx寬0. 2-lmm，超硬纖維[3 ]長度為1-10mm,超硬纖維[3 ]長度與纖維寬度尺寸之比大于等于5。
3、 根據權利要求l所述的一種有序化超硬纖維刀具，其特征在于沿軸 向各超硬纖維排布成一排排輻射狀結構，相鄰排超硬纖維[3 ]相互錯開超硬 纖維[3 ]寬度尺寸的0. 8-1倍，相鄰排超硬纖維[3 ]的端面夾角為5-15°。
4、 根據權利要求l所述的一種有序化超硬纖維刀具，其特征在于超硬 纖維[3]材料為聚晶金剛石或聚晶立方氮化硼。
5、 根據權利要求l所述的一種有序化超硬纖維刀具，其特征在于每排 超硬纖維[3 ]內部各纖維的間距為超硬纖維[3 ]截面寬度尺寸的0. 8-1倍。
6、 根據權利要求l所述的一種有序化超硬纖維刀具，其特征在于有機 高分子材料[2 ]為酚醛樹脂或環氧樹脂。
7、 ^:據權利要求1所述的一種有序化超硬纖維刀具的制作方法，其特征 在于采用激光切割方法制備方條狀的超硬纖維[3];通過模具定向排布方 法使各超硬纖維[3 ]呈輻射狀均勻排布并固定在金屬芯上；利用模具澆注法， 在排布好的超硬纖維[3]之間填充高分子材料并固化，制成有序化超硬纖維 刀具的坯料；將有序化超硬纖維刀具坯料裝夾在一分度機構上，釆用磨粒粒 徑小于W10的碟形樹脂結合劑金剛石砂輪進行刃磨，制備成具有鋒利刀刃的 有序化超硬纖維刀具。
全文摘要
本發明公開了一種有序化超硬纖維刀具及其制備方法，有序化超硬纖維刀具，有機高分子材料將超硬纖維徑向輻射狀均勻排布固定在金屬芯上，超硬纖維前端突出有機高分子材料表面并有刃口。本發明是一種集傳統砂輪與切削刀具優點于一身的新型刀具，既具有砂輪磨削時加工質量好的優點，同時又具有切削刀具加工效率高、切削比能低、對機床剛度要求低的優點。為達到上述目的，本發明提出了一種有序化超硬纖維刀具及其制備方法采用方條狀的超硬纖維取代砂輪的磨粒與切削刀具的刀片，刀具基體中超硬纖維的數量比傳統刀具的刀片數量大得多，因此，單個纖維的切削層厚度較小，加工質量好；并且，有序化超硬纖維刀具經過人為刃磨，每個纖維具有鋒利的刀刃與一定的切削角度，因此，有序化超硬纖維刀具具有切削比能低、加工質量好的優點。
文檔編號B23B27/00GK101642819SQ20091004421
公開日2010年2月10日 申請日期2009年8月28日 優先權日2009年8月28日
發明者璧 張, 張高峰, 譚援強, 鄧朝暉 申請人:湘潭大學