第37卷第11期
2009年11月
华南理工大学学报(自然科学版)
JournalofSouthChinaUniversityofTechnology
(NaturalScienceEdition)
V01.37No.1l
November2009
文章编号:1000-565X(2009)11—0129—05
微细金属纤维的刨削成形木
周伟 汤勇 魏小玲 潘敏强 万珍平
(华南理工大学机械与汽车工程学院,广东广州510640)
摘要:采用刨削加工法,利用多齿刀具在普通刨床上加工获得质量稳定的微细金属纤
维,纤维的长度为10~22mm,直径可达100¨m以下.通过综合分析金属纤维刨削成形过
程,研究切削参数对金属纤维刨削成形的影响规律,并获得合理的金属纤维加工工艺参
数.研究结果
明:在金属纤维刨削成形过程中,刀具参数和切削用量对纤维质量的影响
显著,较大的刀具前角和合适的刀具后角有利于纤维的成形,背吃刀量对金属纤维的成形
影响最大,切削速度和进给量的影响则不明显.在背吃刀量为0.04~O.06lnln、切削速度
为30~60m/min、进给量为O.72~1.44mm/r的条件下选择前角为300、后角为8。的多齿
刀具(齿距为O.3mm,齿高为0.2mm),可以获得质量稳定的微细铜纤维.
关键词:金属纤维;刨削;多齿刀具;切削参数
中图分类号:TG306 文献标汉码:A
随着社会的发展和科技的进步导致新技术领域
的不断涌现,对材料特性的要求越来越高,材料的复
合化、功能化、微细化已成为新材料发展的主要潮
流,金属纤维正是以它所具有的独有特性成为了金
属材料科学发展的一个重要领域.金属纤维具有良
好的导电性、导热性、耐磨性、高弹性、高强度以及良
好的烧结性,同时还具有非金属纤维的柔软和町纺
性等特性,不仅广泛应用于化工、机械、冶金、建筑和
纺织等一般工业部门,而且在航空航天、核工业、电
子及军事等高新技术领域都有着重要的用途¨。4j.
目前金属纤维的用途是主要用于过滤、分离、增强、
填充、消音、阻火、防震、隐形、流体分布、防静电、抗
干扰等.会属纤维制造技术难度大、工艺复杂,比利
时Bekaert公司、美国Memtec公司、13本金线公司和
中国婀部金属材料股份有限公司在金属纤维的规模
化生产方面走在世界的前列.
近年来金属纤维制造方法得到不断地创新和完
善,目前金属纤维主要制造方法有3种:熔抽法、拉
拔法和切削法”J.熔抽法利用金属熔液直接生产金
属纤维,但T艺和技术要求高,加工设备较复杂,纤
维直径为50~150Ixm,长度为3—25mm∞4o.拉拔法
分单根拉拔和集束拉拔两种.单根拉拔法得到的金
属纤维尺寸精确,但成本高,主要用于某些特殊领
域,如高精度筛网等.集束拉拔法是把多根金属线包
在外包材料里,经过多级拉丝模进行连续拉拔形成
纤维,该法制备工艺复杂,生产成本高,日前主要用
于不锈钢纤维的牛产一。10|.切削法是目前使用较为
广泛的金属纤维的制造方法,既可制取短纤维也口』-
制取长纤维,设备简单,成本低廉,综合性能优越,适
用于不同材质的金属如低碳钢、不锈钢、铸铁、铜、铝
及其合金等纤维加工.利用切削法制造的纤维主要
应用在过滤与分离、催化反应、增强材料等领
域【11-15].文中提出采用刨削加工法,利用多齿刀具
在刨床}:加工获得质量稳定的微细铜纤维,综合分
析金属纤维刨削成形过程的基本原理,研究了切削
参数对金属纤维刨削成形的影响规律,并获得合理
收稿日期:2008—10-06
}基金项日:国家自然科学资金资助项目(50675070,50805052);广东省自然科学资金重点项目(07118064);国家建设高水平
大学公派研究生项目(2008615021);华南理工大学优秀博士学位
创新基金项目(200902008)
作者简介:周伟(1982.),男,博士生,主要从事微反应功能结构和金属纤维加工及应用研究.E.mail:abczhoulin@163.tom
万方数据
华南理工大学学报(自然科学版) 第37卷
的金属纤维的刨削加工工艺参数.
1 刨削成形实验装置
金属纤维的加工实验在牛头刨床B60f的B上进行.
加工工件材料足外)l!I!尺寸为40mm×40Ⅱ帅×40nⅡn的
立方体形状的紫铜块(材料型号为他).多齿刀具材
料为V3N超硬型高速钢(W12M03Cr4V3N).图I为
多齿刀具的基本形状及参数.加上前将多齿刀具固
定在刀架E,并使刀具主切削刃与工件的表面平行.
刀具齿形利用线切割加工制成,由钼丝的轨迹控制
切削刃的形状,使主切削刃由多个细小刀齿组成.多
齿刀具的后刀面A。的直线刃Z将切削刃分割成很
多细小的三角形刀齿(包括两个切削刃S。和S:).
刀具切削时叮以有多个细齿同时参与切削,切削过
程中由于分屑作用,可以同时加T出多根均匀的微
细金属纤维.图2为多岗刀具刨削铜纤维的现场图.
实验过程中町以通过选择合适的月齿形状和刀具角
度,及一定的切削用量可以获得满足不同质量要求
的金属纤维.
图1 多齿刀具的基本形状及参数
Fig.1Shapeandparametersofmulti—edgetool
图2多齿刀具刨削铜纤维的现场图
Fig.2Planingprocessofcopperfabricatedbymulti—edgetool
2 刨削成形过程分析
图3为金属纤维刨削成形过程示意图.在开始
进行多齿刀具刨削金属纤维之前,先调节刨削速度
和进给量,选择适当的背吃刀量把工件的表面刨削
成水平面,然后对刀,选定背吃刀量,进行多齿刨削.
由图3可以看到多齿刀具刨削金属纤维的全过程,
从左到右的方向观察发现,在合适的切削条件下,刀
具接触工件后,多齿刀具开始进行金属纤维的刨削
加工,由于在多齿刀具的细小刀齿和刀具后刀面直
线刃的共同作用下而使得多齿刀具具有分屑作用,
在金属纤维的成形过程中,多齿刀具可以将整个切
削层分屑而形成多根微细的金属纤维,随后会属纤
维沿刀具的前刀面A。均匀流出,直到从j二件和刀具
表面脱离,最后获得所需的金属纤维.如何高效加工
获得质量稳定的金属纤维,还与刀具的参数和切削
用量的选择有很大关系.
切
进给量£一工件进给方向
图3金属纤维刨削成形过程示意图
Fig.3Schematicdiagramofplaningprocessofcopperfiber
3切削参数的影响
3.1 刀具参数
刀具参数主要包括前角、后角、齿形(齿宽m和
齿高h).根据实验结果分析刀具参数对多齿刀具加
工金属纤维的影响规律,选择最合适的刀具参数并
改进刀具,再用改进后的刀具配合合适的切削用量,
即可加上出质鼍良好的金属纤维.
3.1.1 刀具角度的影响
刀具角度对于金属纤维的性能具有重要的影响,
大的前角町以减小切削变形,有利于金属纤维的切削
成形过程,但是刀具刀尖过于锋利,有可能会导致刀
具的崩齿现象产牛,后角则对于金属纤维的连续性和
已加_T表面质量具有一定的影响.根据切削法制造金
属纤维的基本规律:纤维的强度和延伸率随变形系数
的减少而提高¨41.因此减小切削变形将有利于提高
金属纤维的质量,而增大刀具前角是减小切削变形
最有效的方法之一.理论上前角越大加工出的金属
万方数据
第1I期 周伟等:微细金属纤维的刨削成形 131
纤维质量越好,但足前角越大,多齿刀具的刀齿就越
容易崩断,所以要加t出更好金属纤维在保证刀具
不崩齿的前提条件下,应该选择合适的刀具前角.图
4(a)和图4(b)是多齿刀具前角分别为30。和15。,
后角均为8。的条件下加工的铜纤维的外观图.
图4不同刀具角度条件下3JUT-的铜纤维外观图
Fig.4Appearanceimagesofcopperfiberfabricatedatthedi—
ffercnttoolang/es
前角为30。的多齿刨刀加下的金属纤维,如图4
(a)所示,为细长带有一定螺旋状的金属纤维.前角
为15。的多齿刨刀加工的金属纤维同样有一定螺旋
状如图4(b)所示,但是纤维的长度明显比300前角
加工出的金属纤维短,而且15。前角的多齿刨刀加
工金属纤维的卷曲程度比30。前角刀具加工出来的
金属纤维的卷曲程度要大,因此多齿刀具的前角对
金属纤维的长度和卷曲程度都有影响.从图4分析
发现随着刀具的角增大,切削力明显减小,切屑厚度
减小,有助于延长纤维从产生到断裂的时间,金属纤
维的卷曲变形程度逐渐降低,冈而大前角的多齿刀
具能加工il{比较长的金属纤维.刀具Ij{『角也是影响
金属纤维在刨削成形过程中被挤断的主要冈素,在
刨削过程中纤维沿着前刀面流动形成,前角越小,前
刀面与会属纤维的接触面积就越大,因此纤维在成
形的过程受到前刀面的摩擦阻力较大,纤维容易折
断.前角为300时多齿刀具因为前角比较大,前刀面
与金属纤维的接触面积较小,因而对金属纤维的形
成的阻碍较小,所以加工的金属纤维长度较长.
3.1.2刀具齿型的影响
多断刀具细齿齿型(齿宽m、齿高h等)与加工
的金属纤维的直径大小、长度和横截面的形状有关.
多齿刀具的主切削刃是由多个细小刀齿组成,而细
齿齿宽和齿高的大小主要由钼丝的加工轨迹控制.
为获得一定质量要求的金属纤维,齿宽和齿高的选
择也相当关键.细齿齿宽和齿高选择太小,将会导致
加工过程中纤维的连续性比较差,同时还给刀具的
制造带来一定的困难.而细齿齿宽和齿高选择太
大,加工出的纤维直径将会明显变粗,不适合于加
工微细的金属纤维.图5(a)和图6(a)分别是齿型
A(m=0.3mm,h=0.2mm)和齿型B(m=0.5nl/n,
h=0.3mm)的多齿刀具在相同切削条件下加工的
紫铜纤维的外观图.由上面两图可以看出两种刀具
加工的金属纤维的外观的变化不大,纤维外观上都
是呈略微的卷曲状.通过随机抽取十根纤维样本分
析表明:齿形A刀具加工出的纤维的长度范围为
10.00~16.00rain,平均长度约为12.15lnnq,曲率直径
为2.1Imm.齿形B刀具加工出的纤维的长度范围
17.00~22.00mm,平均长度约为19.12mln,曲率直
径为2.4811111"1.由图5(b)和图6(b)的SEM图还可以
看出两种刀具参数下加工的纤维的表面均具备有粗
糙的茸状表面结构,纤维的当量直径在100pxn左右.
图5齿型A多齿刀具刨削的铜纤维的外观和SEM照片
Fig.5AppearanceandSEMimagesofcopperfiberfabricated
withmulti—toothtool(ShapeA)
切削条件:y=30。;“=8。;/=1.44mm/r;
口=31m/rain;背吃刀量8p=O.04mr.
图6齿型B多齿刀具刨削的铜纤维的外观和SEM照片
Fig.6AppearanceandSEMimagesofcopperfiberfabricated
withmulti-toothtool(ShapeB)
切削条件:',=30。;or=80;/=1.44mm/r;
口=31m/rain;背吃刀量ap=0.04mm
3.2 切削用量的选择
为高效加工金属纤维,在选定刀具参数的前提
条件下,必须研究切削用量对金属纤维刨削成形的
影响规律.切削用量主要包括背吃刀量a小刨削速
度秽、进给量,三个因素.根据实验结果,分析切削用
量影响多齿刀具加工金属纤维时的影响规律,选择
最合适的切削用量加工金属纤维.
3.2.1 背吃刀量的影响
在金属纤维的刨削成形过程中,背吃刀量的大
小对金属纤维的质量有重要影响.多齿刀具由于各
细齿的分屑作用,可以将切削层金属连续分屑而形
成多根微细金属纤维.加工过程中选择的背吃刀量
万方数据
132 华南理工大学学报(自然科学版) 第37卷
越小,理论上加工出的金属纤维直径就越小,但过小
的纤维直径将会导致金属纤维很难实现连续成形.
同时由于受刀具的各细齿齿形的限制,增大背吃刀
量将会使得纤维直径变粗,并且还有可能导致纤维
不能分屑而很难形成微细金属纤维.此外,增大背吃
刀量,将使得切削厚度增加,由多齿刀具分屑后而形
成的纤维与前刀面的摩擦力加大,纤维变形程度变
大将会加剧纤维的卷曲程度.
图7为在不同背吃刀量条件下多齿刀具刨削的铜
纤维外观和SEM照片.实验结果表明在n。=0.04toni
条件下可以获得质量均匀的金属纤维,加工的纤维
表面具有丰富的茸状表面微结构,如图7(a)和
7(b)所示;在o。=0.06mm时加工出的纤维就开始
变粗,并会出现一定程度的卷曲(图略);当口。=
0.08mm的时候,卷曲程度发生了很明硅的增大,并
且出现纤维不能完全分屑的现象,如图7(c)和
7(d)所示.因此,在加工的过程中合适的背吃刀量
的选择对金属纤维的成形具有重要影响.经过反复
实验研究结果表明在口。为0.04mm的条件下加工
的金属纤维的在直径大小、长度均匀性和卷曲程度
等方面最为理想.
图7不同背吃刀量条件下加工的铜纤维外观和SEM照片
Fig.7AppearanceandSEMimagesofcopperfiberfabricated
atthedifferentbackengagements
切削条件:m=O.3mm;h=O.2mm;y=30。;a=8。;
口=31m/min;f=i.44mln/r
3.2.2切削速度的影响
切削速度是影响切削变形的重要参数,对金属
纤维的刨削成形也有一定的影响.切削速度是通过
积屑瘤使剪切角改变和通过切削温度使摩擦系数变
化而影响切削变形的.理论上来说切削速度的提高
是减小切削变形和提高金属纤维加工效率的最有效
方法.一定切削速度范围内随着加工过程中积屑瘤
高度的增加,刀具的实际前角增大,使剪切角增大,
变形系数减小.当切削速度继续提高,由于切削温度
升高,使得摩擦系数下降,故变形系数减小.同时也
由于切削速度快,切削层受力小,切削变形不充分而
使切屑变形减小.如果切削速度太大,积屑瘤开始消
失,刀具实际前角减小,使剪切角减小,变形系数增
大.因此合理的切削速度的选择相当重要.
图8为切削速度为31m/min和86m/rain条件
下刨削加工的铜纤维外观图.在实验研究中发现,在
一定切削速度范围内,由于多齿刀具的分屑作用将
切削层迅速分屑,可以得到质量均匀的金属纤维.在
选择较大的切削速度时,多齿刀具加工纤维效率得
到明硅提高,但是由于切削温度的升高和出纤速度
的加快,导致纤维很容易出现卷曲和折断,加工出的
纤维质量较差,同时在较高的切削速度的条件下,刀
具容易产生切削颤振和发生脆断的町能性也明显加
大,刀具的耐用度有所降低.囚此在一定切削速度范
围内,切削速度对金属纤维的质量影响不大.在满足
金属纤维质量要求的前提条件下,应尽量选择较高
的切削速度来提高金属纤维的加工效率,推荐选用
的切削速度范围为30—60m/min.
图8不同切削速度下加工的铜纤维外观照片
Fig.8Appearanceimagesofcopperfiberfabricatedatthedi—
fferentcuttingspeeds
切削条件:m=0.3nlm;^=O.2mm;7=30。;d=8。;
口。=O.04ram;f=1.44mm/r
3.2.3进给量的影响
在刨削加工过程中进给鞋的大小对金属纤维的
质量也有一定影响.根据进给量埘切削变形的影响
规律,一方面进给量增大,切削层面积厚度将成正比
例增加,变形系数减小,摩擦系数降低,有利于纤维
沿前刀面流动,因此多齿刀具可以顺利发挥分屑作
用而形成一定长度的连续型纤维.但是另一方面进
给量增大,也可以使得切削力增加,则正应力加大,
纤维的连续性变差,加工过程中纤维比较容易折断,
同时也会削弱刀齿的强度,易造成崩刃.经过实验验
证,在一定进给量范围内,选择较大进给量,多齿刀
具能同时加工出多根金属纤维,可以提高切削加工
效率.f日是为了保证可以有效加工工件表面和刀具
的使用寿命,进给量不能选择过大.图9为进给量分
万方数据
第11期 周伟等:微细金属纤维的刨削成形 133
别为1.44mrn/r和0.72mm/r条件下刨削的铜纤维
外观图.由图可见,在两种参数条件下获得的金属纤
维的外观没有明显的区别,所以进给量对加工金属
纤维的质量特性影响不大,但在进给量为1.44mln/r
的条件下加工获得的金属纤维数量明显多于进给量
为0,72mm/r的条件下加T的金属纤维.因此进给
量的大小町以根据刀具刀齿的形状进行合理调节.
图9不同进给量下加工的铜纤维外观照片
Fig.9Appearanceimagesofcopperfiberfabricatedatthedi—
fferentfeeds
切削条件:m=0.3mm;h=0.2mm;y=30。;a=8。;
ap20·04mm;v=31m/rain
4结论
为获得质虽稳定的微细金属纤维,文中采用刨
削加工法,利用多齿刀具在普通刨床上加工铜纤维,
从而获得的纤维长度为lO~22mm,纤维直径可达
100txm以下.综合分析金属纤维刨削成形的机理,
多齿刀具由于各个细齿和刀具后刀面直线刃的共同
作用下具有分屑作用,将整个切削层分屑而形成多根
微细的金属纤维.在金属纤维刨削成形过程中,刀具
参数和切削用最对纤维的质量影响显著,较大的刀具
前角和合适的刀具后角有利于纤维的成形,而背吃刀
量对金属纤维的成形影响最大,切削速度和进给量的
影响则不明显.在背吃刀量0.04~0.06mm之间,切
削速度为30—60m/min,进给揖为0.72~1.44mm/r
的条件下选择前角为30。,后角为8。的多齿刨刀
(m=0.3mm,h=0.2am),可以获得质量稳定的金
属纤维.因此采用该种加工方法町以同时获得多根
微细金属纤维,不仅为金属纤维的制造提供了一条
有效的技术途径,而且也为金属纤维的推广和应用
进一步奠定了基础.
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(下转第150页)
万方数据
150 华南理工大学学报(自然科学版) 第37卷
NumericalSimulationofMetallicFlowFormingvia
ExtrusioninPocketandPortholeDies
ZhouZhao—ya01PanJian—yilWangYa01TanChi.don92ChenHe—ai2
(1.SchoolofMechanicalandAutomotiveEngineering,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510640,Guangdong,China;
2.XingshunPrecisionDiesCo.,Ltd.,Foshan528061,Guangdong,China)
Abstract:Twomodelstoanalyzethealuminiumalloyextrusioninthepocketandtheportholediesarerespectively
established.andthedistributionsofstressandvelocityfieldofthebilletrespectivelyinthetwodiesduringtheex-
trusionarethencomparedandanalyzedusingthefinitevolumemethod(rVM).Theresultsindicatethatthestress
distributionofthebilletisnotdirectlvrelatedtotheheightofthediebearingandtheflowequilibriumofthemateri—
al,whiletheadjustmentofthediebearingplaysacertainroleintheimprovementofmetalflow.Aimingattheflow
equilibriumofthematerialattheoutlet,acriterionisthenproposedtojudgewhetherstablequalifiedproductscan
beobtainedbytheextrusion.Moreover.thestandarddeviationofthevelocityfield(SDV)attheoutletiscalcula—
ted.Theresultsshowthat,whentheSDVdecreaseswiththeincreaseintimetolessthanacriticalconvergenceva—
lue,stablequalifiedproductscanbeobtained.
Keywords:aluminiumalloyextrusion;pocketdie;portholedie;numericalsimulation;finitevolumemethod
(上接第133页)
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FormationofFineMetalFiberbyPlaning
ZhouWeiTangyo昭WeiXiao—lingPanMin—qiangWanZhen-ping
(SchoolofMechanicalandAutomotiveEngineering,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510640,Guangdong,China)
Abstract:Stable—qualityfinemetalfiberswithalengthof10~22mmandadiameteroflessthan100¨mwerefab—
ricatedbyplanningonacommonplanerwitha multi—tootht001.Then,bycomprehensivelyanalyzingtheplaning
processandbyinvestigatingtheeffectsofcuttingparametersontheplaningprocess,reasonableprocessingparame‘
tersweredetermined.Theresultsshowthatboththetoolparametersandthecuttingparametersgreatlyinfluencethe
qualityofmetalfibersintheplaningprocess,thatalargerrakeangleandanappropriateclearanceangle
ofthetool
arebothfavourabletothefabricationofmetalfibers,thatthebackengagementhasthegreatestinfluenceonthe
formingprocess,whilethecuttingspeedandthefeedratehavenoobviouseffectontheformingprocess,andthat,
atabackengagementof0.04~0.06mm.acuttingspeedof30—60m/minandafeedrateof0.72—1.44mm/r,
finecopperfiberswithstablequalitycanbefabricatedusingthemulti—toothtoolwitharakeangleof30。.aclea。
ranceangleof8。,atoothpitchof0.3rainandatoothheightof0.2mm.
Keywords:metalfiber;planing;multi—toothtool;cuttingparameter
万方数据
微细金属纤维的刨削成形
作者: 周伟, 汤勇, 魏小玲, 潘敏强, 万珍平, Zhou Wei, Tang Yong, Wei Xiao-ling,
Pan Min-qiang, Wan Zhen-ping
作者单位: 华南理工大学,机械与汽车工程学院,广东,广州,510640
刊名: 华南理工大学学报(自然科学版)
英文刊名: JOURNAL OF SOUTH CHINA UNIVERSITY OF TECHNOLOGY(NATURAL SCIENCE EDITION)
年,卷(期): 2009,37(11)
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