金刚石钻头的设计制造及性能研究

摘要

非铁类难加工材料由于具有高比强度、高比刚度、耐高温、耐腐蚀等优良性能，使其在航空航天、汽车、制造等领域应用日益广泛。相应对其切削加工质量和效率都提出了更高的要求。但这类材料都存在切削加工困难，刀具磨损大的问题。对钻削加工而言这一问题更为严重。金刚石刀具具有高硬度和高耐磨性等诸多优异性能，在车削铣削加工中得到了很好的应用，但在钻削加工中研究不多。
　　 本文在对复合材料切削加工研究现状及金刚石钻头进行综述分析的基础上，对适用于非铁类难加工材料高效精密钻削的金刚石钻头的设计制造问题及切削性能进行了研究，主要内容如下：
　　 应用Pro/E建立了平面刃磨和锥面刃磨模型，对PCD刀片受压强度进行分析，研究了不同后刀面形状、后角、顶角对刀片受压强度的影响，得到了刀片能承受的最大轴向切削力值。应用ABAQUS对比研究了不同排屑沟槽、不同径向截形的金刚石钻头的抗扭刚度，并通过改变钻头结构设计参数，模拟钻削过程中钻头受力情况进行分析，对比研究了结构参数变化对钻头强度刚度的影响。
　　 运用ABAQUS建立了金刚石钻削SiCp/Al复合材料的数学模型，并利用该模型对钻削力进行了模拟仿真。
　　 通过钻削实验，研究了钻削参数对钻削力的影响规律，金刚石钻头磨损、破损机理和形式，孔的加工质量等。研究表明，金刚石钻头钻削SiCp/Al复合材料时钻削力随进给的增加而增大，随切削速度增加变化较小，与模拟仿真结果一致。钻削SiCp/Al复合材料时金刚石钻头以磨料磨损为主；孔的轴向表面粗糙度值随着进给量的增加明显增大，而随着切削速度增加增幅较小。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 钻削加工的重要性及其特点

1.2 复合材料的切削加工研究现状

1.3 用于复合材料钻削的金刚石钻头的类型及特点

1.3.1 电镀式金刚石钻头

1.3.2 钎焊式金刚石钻头

1.3.3 CVD金刚石钻头

1.3.4 聚晶金刚石(PCD)钻头

1.4 国内外金刚石钻头的研究现状

1.4.1 国外金刚石钻头的研究概况

1.4.2 国内金刚石钻头的研究概况

1.5 课题研究意义和内容

1.5.1 课题研究意义

1.5.2 课题研究内容

第2章 金刚石钻头的结构、刃磨及力学特性研究

2.1 引言

2.2 金刚石钻头的性能要求

2.2.1 钻削加工的特点

2.2.2 金刚石刀具的特点

2.3 金刚石钻头的整体结构设计

2.3.1 PCD刀片

2.3.2 钻头刀体

2.4 金刚石钻头的钻尖结构、刃磨及对刀片受压强度的影响

2.4.1 钻尖的几何角度

2.4.2 后刀面的刃磨方法

2.4.3 PCD片受压强度分析

2.5 排屑沟槽的设计研究

2.5.1 直槽沟形

2.5.2 螺旋槽沟形

2.6 金刚石钻头的刚度有限元分析

2.6.1 金刚石钻头模型建立

2.6.2 网格划分及材料属性定义

2.6.3 金刚石钻头的边界条件及载荷分布

2.6.4 有限元计算结果分析

2.7 PCD刀具的焊接

2.8 本章小结

第3章 金刚石钻头钻削SiCp/Al复合材料钻削力模拟仿真

3.1 引言

3.2 切削加工有限元模拟研究进展

3.3 金刚石钻头钻削加工有限元三维模型的建立

3.3.1 金刚石钻头三维模型建立

3.3.2 模型的网格划分

3.3.3 材料本构方程

3.3.4 切屑分离准则

3.3.5 载荷及边界条件

3.4 有限元模拟结果及分析

3.4.1 切削速度对钻削力的影响

3.4.2 进给量对钻削力的影响

3.4.3 工件的等效应力及其分布

3.5 本章小结

第4章 金刚石钻头的切削性能研究

4.1 引言

4.2 试验条件

4.3 金刚石钻头钻削SiCp/Al复合材料时切削力研究

4.3.1 钻削力的组成

4.3.2 进给量对钻削力的影响

4.3.3 切削速度对钻削力的影响

4.4 金刚石钻头钻削SiCp/Al复合材料时刀具磨损及破损机理研究

4.4.1 金刚石钻头磨损及破损形式

4.4.2 金刚石钻头磨损及破损机理研究

4.4.3 金刚石钻头前刀面磨损

4.4.4 金刚石钻头横刃磨损

4.4.5 金刚石钻头后刀面磨损

4.5 刀具磨损实验研究

4.6 金刚石钻头钻削孔的表面粗糙度

4.6.1 实验研究方案

4.6.2 实验结果分析

4.7 本章小结

结 论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和获得的科研成果

致谢