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a z 9 l d 干车削加工性能研究摘要 摘要 加工镁合金时由于切削力和切削功率很小，所以，长期以来人们一直把镁合金 看成是易加工材料( 这种现象在我国尤为严重) 。但生产实践表明，镁合金是一神难加 工材料，主要表现在加工过程中产生的镁合金细屑极易燃烧，甚至发生爆炸，对加工 的环境和方法有极严格的要求，切削时产生的切屑有粘结刀具形成积屑瘤的现象，影 响已加工面的质量，并且对刀具的磨损也比较严重。 本论文通过大量的理论与实践，首次全面系统地分析了a z 9 1 d 镁合金的切削机 理及工艺。深入研究了a z 9 1 d 车削过程中的切削力，切屑形态，刀具磨损和表面粗 糙度等有关车削机理的问题，为安全高效切削a z 9 1 d 时，确定合理的切削参数提供 了科学的依据。 本文的研究内容如下： 1 、对a z 9 1 d 镁合金进行动态车削力测量，基于正交试验建立切削力的经验公 式，用单因素法分析切削参数对车削力的影响。 2 、对典型加工过程中的切屑进行收集，从切屑形态的宏观和微观两方面进行分 析，揭示切削参数对切屑形态的影响规律，探讨与加工过程有关的断屑机理、切削力 以及表面粗糙度等物理现象的本质。 3 、通过刀具的磨损试验，研究a z 9 1 d 车削过程中磨损和破损形态以及主要失 效形式，分析其磨损机理，定量衡量刀具的切削性能。 4 、通过对已加工表面粗糙度和表面二维微观形貌的测量，揭示表面粗糙度的影 响因素，分析原因，优化参数。 结果表明：切削力经验公式的建立可以有效地预测实际加工过程中车削力的大 小，为安全生产提供有效的保证，对刀具磨损、切屑形态和表面粗糙度的静态分析为 a z 9 1 d 低成本、高质量、高效率生产提供了科学依据。 关键词：镁合金；干车削；切削力；刀具磨损；表面粗糙度；切屑形态 作者：滕利军 指导老师：郭旭红 a b s t r a c ta n a l y s i so f d r yt u r n i n gf e a t u r e so f a z 9 1 dm a g n e s i u ma l l o y s a b s t r a c t f o ral o n gt i m e ，m a g n e s i u ma l l o yh a sb e e nt h o u g h t 懿am a t e r i a lt h a ti se a s yt op r o c e s s ( e s p e c i a l l yi n0 1 1 1 c o u n t r y ) ，b e c a u s eo fi t sl o wc u t t i n gf o r c ea n dl o wc u t t i n gp o w e rd u r i n g t h e p r o c e s s i n g b u ti ti sf o u n do u to fl o n ge x p e r i e n c et h a ti ti sj u s to p p o s i t e t h em a i nr e a s o ni s t h a tt h ec r u m b sp r o d u c e di nt h ep r o c e s s i n ga r ef l a m m a b l e e v e nm o r e ，t h e r ec o u l db ea l l e x p l o s i o n t h e r ea r ea l s os t r i c tr e q u i r e m e n t si nt h ee n v i r o n m e n ta n dt h ew a yo fp r o c e s s i n g s o m e t i m e st h ec r u m b sa r es t i c kt ot h ec u t t i n gt o o l ，w h i c hc o u l dl e a d st ob u i l d - u pe d g e i t w i l la f f e c tt h eq u a l i t yo f t h es u r f a c e ，a n dt h ew e a l o f t h ec u t t i n gt o o lc o u l db eal o t t h i sp a s s a g es t a t e st h ec u t t i n gm e c h a n i s ma n dt h et e c h n i c so fa z 91d m a g n e s i u m a l l o y 、析t l lad e t a i l e da n a l y s i sb yal o to fp r a c t i c e a n dt h e r ei sad e e pi n v e s t i g a t i o no f c u t t i n gf o r c e ，f o r m ，w e a l o ft h ec u t t i n gt o o la n dc u t t i n gm e c h a n i s m ，w h i c hc a no f f e ra s c i e n t i f i cb a s i st od e c i d et h ec u t t i n gp a r a m e t e ro ft h ec o m p o s i t i o no ff o r c e sw h e ns a f e l y a n de f f e c t i v e l yt u r n i n ga z 91d t h ec o n t e n to fi n v e s t i g a t i o n ： 1 m e a s u r et h ed y n a m i cc u t t i n gf o r c eo fa z 91d m a g n e s i u ma l l o y a n a l y z et h ee f f e c t o fc u u i n gf o r c e 、析也c o m p l e t e l yr a n d o md e s i g na c c o r d i n gt ot h ee x p e r i m e n t a lf o r m u l a 2 c o l l e c tt h ec r u m b sa n da n a l y z et h ec u r i n gf o r mf r o mb o t ht h em a c r o s c o p i ca n d m i c r o c o s m i cp e r s p e c t i v e s ，s oa st or e v e a lt h er u l e sc u t t i n gp a r a m e t e ra f f e c t i n gt h ec u t t i n g f o r m ，a n dd i s c u s st h ee s s e n c eo fc u t t i n gm e c h a n i s m ，c u t t i n gf o r c ea n ds u r f a c er o u g h n e s s r e l e v a n tt ot h ec o u r s eo f p r o c e s s i n g 3 t h r o u g ht h ew e a re x p e r i m e n t , i n v e s t i g a t et h ef o r mo fw e a l a n di n v a l i d a t i o n , a n a l y z et h ew e a rm e c h a n i s m ，m e a s u r et h ec a p a b i l i t yo ft h ec u t t i n gt 0 0 1 4 r e v e a lt h ef a c t o r sa f f e c t i n gt h es u r f a c er o u g h n e s s ，a n a l y z et h er e a s o n s ，o p t i m i z et h e p a r a m e t e rb ym e a s u r i n gt h er o u g h n e s sa n dt h em i c r o c o s m i ca p p e a r a n c eo ft h ep r o c e s s e d s u r f a c e t h er e s u l t ss h o wt h a ti ti se f f e c f i v et op r e d i c tt h ec u t t i n gf o r c ew h e ne s t a b l i s h i n ga n e x p e r i e n t i a lf o r m u l a t h i sc o u l de n s u r et h es a f em a n u f a c t u r e ，a n dt h es t a t i ca n a l y s i so ft h e c u t t i n gt o o lw e a r c u l l i n gf o r ma n dr o u g h n e s so f f e r sas c i e n t i f i cb a s i so nt h el o w - c o s t 。 h i g h q u a l i t ya n d e f f e c t i v em a n u f a c t u r eo f a z 91d k e yw o r d s ：m a g n e s i u ma l l o y ；d r yt u r n i n g ；c u t t i n gf o r c e ；w e a ro fc u t t i n gt o o l ；s u r f a c e r o u g h n e s s ；c u t t i n gf o r m w r i t t e n b y t e n gl jj u n s u p e r v i s e db y ：g u ox uh o n e 苏州大学学位论文独创性声明及使用授权的声明 学位论文独创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含 其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得苏州大学 或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律 责任。 研究生签名： 烨- 中 学位论文使用授权声明 苏州大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、清华大学论文 合作部、中国社科院文献信息情报中心有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本 人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文 外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分 内容。论文的公布( 包括刊登) 授权苏州大学学位办办理。 研究生签名： 导师签名： 肌日期：舭 缉一业唑 a z 9 1 d 千车削加工性能研究第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题立项背景 镁是所有结构用金属及合金材料中密度最低的，镁合金的密度约1 7 4 9 c m 3 ，约 为铝的6 4 ，锌的2 5 ，钢的2 0 f l - 2 。与其他金属结构材料相比，镁及镁合金具有 较高的比强度、比刚度、良好的尺寸稳定性能、机加工性能、导电导热性能。此外， 在电磁屏蔽性，减震性等方面镁合金材料也有优异的性能，而且9 0 以上的可以回收 利用，因此镁合金被广泛的应用于航空航天、交通工具、国防军工等领域。被誉为“2 1 世纪绿色结构材料的镁合金材料正成为继钢铁、铝之后的第三大金属工程材料【3 - 5 】。 早在2 0 世纪3 0 年代，镁合金材料就被作为一种新型的合金材料加以开发和应 用，但是由于其昂贵的价格曾一度使其推广停滞不前。在迫切需要节能、减污和节省 材料的今天，特别是随着价格和技术两大瓶颈的逐渐突破，人们节约能源及环保意识 的增强，镁合金材料正由军工向民用迅速推广。镁合金的主要用途在于轻量化。目前， 镁合金的应用产业以汽车为主，约占8 0 以上。据测算，汽车所用燃料的6 0 是消 耗于汽车自重，如果汽车自重能减轻1 0 ，则百公里油耗可减小0 4 l ，其燃油效率 将提高5 以上，如果每辆汽车能使用7 0 k g 镁，则c 0 2 的年排放量将能减少3 0 以 上。另外，自2 0 世纪7 0 年代以来，各国尤其是发达国家对汽车的节能和尾气的排放 提出了越来越严格的要求，从而迫使汽车制造商竞相开发镁合金汽车零件以减轻车 重。因此车用镁合金压铸产量在工业发达国家出现了持续快速增长的势头 6 - 9 。目前 正在使用或正处于研制中的镁合金汽车零部件至少有6 0 种，其代表性部件有：汽车仪 表盘、汽车座椅骨架、方向操纵系统部件、引擎盖、变速箱、油门踏板等。 2 1 世纪是镁合金材料飞速发展的时代，发达国家已经领导了新世纪镁材料发展 的新潮流，而我国在镁合金的研究和开发方面还十分薄弱。我国是世界上镁储量最为 丰富的国家，在青海盐湖蕴藏着氯化镁3 2 亿吨，硫酸镁1 6 亿吨；在辽宁、山西、宁 夏、内蒙、河南等省区菱镁矿均有很大储量，仅辽宁大石桥一带的储量就占世界菱镁 矿的6 0 以上，矿石品位高达4 0 t 1 0 1 。我国也是原镁产量最大的国家之一，而且近 几年在不断增加。从1 9 9 9 年的1 2 0 0 万吨增加到2 0 0 5 年的4 6 7 6 万吨，增长了近3 9 第一章绪论a z g l d 干车削加工性能研究 倍。2 0 0 6 年全国共产金属镁6 1 3 0 8 4 9 4 吨，同比增长3 2 2 3 ；2 0 0 7 年全国共产金属 镁6 7 0 1 3 0 8 7 吨，同比增长2 4 1 2 ；2 0 0 8 年1 1 0 月，全国共产金属镁5 3 9 4 9 8 3 6 吨， 同比增长6 5 9 ，约占全球总量的8 3 。尽管近几年我国在镁及镁合金的生产、开发 等方面投入了大量的人力物力，但是，在镁行业经济运行中还存在着深层次的矛盾和 问题以及制约中国镁工业可持续发展的诸多问题【1 3 】：一是镁行业整体水平不高，多 数炼镁的生产工艺技术水平相对落后，质量不够稳定，镁锭中的夹杂物和有害元素的 含量严重超标，机械化、自动化程度低，劳动效率低。与国内铜、铝等行业相比，镁 冶炼、加工企业规模小而分散，金属镁产业相对集中度比较低，多数企业缺乏规模竞 争优势。二是大多数企业仍然直接用原煤作能源，吨镁耗标煤8 5 吨，仍属高耗能行 业。必须下大力气推广新能源，节能降耗，走循环经济之路。三是镁冶炼企业受能源、 原材料、运输、环保等因素制约，煤、电、硅铁、运费不断涨价，生产成本上升，而 镁产品价格下滑，给不少企业在经营运作上带来了重重困难。四是原创性的研究成果 缺乏，目前出口的所有镁合金锭几乎全部按照国外的牌号生产，而且在镁合金产品加 工中的关键技术和装备大部分依靠进口。 为了充分发挥我国的镁资源优势，2 0 0 0 年3 月，科技部启动了“镁合金开发应 用及产业化的前期战略项目，随后，于2 0 0 1 年8 月正式通过项目论证，将该项目 列为“十五 国家科技攻关重大项目，并投入经费4 0 0 0 余万。通过技术集成创新和 机制与体制创新，以重庆为代表的全国共2 1 个省市区的4 个研究院所、7 所高校、 2 0 多家企业直接参与了该项目的实施，并且建立了具有国际竞争力的镁合金高新技 术产业群，真正意义上将镁资源优势转化为经济优势 1 4 1 。 1 2 镁合金材料研究现状 1 2 1 镁的基本性质 镁位于元素周期表中第3 周期第2 族，原子序数为1 2 ，相对原子质量为2 4 3 1 。 镁在地壳中的含量约为2 7 7 ，是仅次于铁和铝的第三种金属元素，主要以白云石( 碳 酸镁钙) ，菱镁矿等固体形式存在。海水中也储存了大量的镁资源，约占海水质量的 0 1 3 ，其供应量是无限的，且含量均匀，可用高标准化的方法提取。海水是现今镁 的主要来源【1 3 】。 由于镁的化学活泼性和钾、钠相近，不容易把它们的单质从化合物中分离出来， 2 a z 9 1 d 干车削加工性能研究第一章绪论 因此化学家们长期不能肯定它们作为元素的存在。在17 8 9 年拉瓦锡发表的元素表提 到了镁元素。1 8 0 8 年，英国化学家戴维，用钾还原白镁氧( 即氧化镁m g o ) ，最早制 得少量的镁。18 2 8 年法国科学家b u s s y a a 用金属钾还原熔融的无水氯化镁得到纯镁。 1 8 3 3 年f a r a d a y m 首先用电解法从氯化镁中还原出镁。1 8 5 2 年b u n s e n r 建立了一个 小型实验电解槽用电解法生产镁，1 8 8 6 年以b u n s e n 的电解槽为基础，在德国建立了 首个工业性电解镁厂。 2 0 世纪9 0 年代以来，市场经济拉动了中国镁工业的发展。在9 0 年代的1 0 年问， 中国原镁产量增长了3 7 倍，特别是1 9 9 5 2 0 0 0 年，年平均增长率为1 5 8 4 ，大大高 于西方世界的增长率。中国已成为世界上最大的原镁生产国和出口国。中国镁工业的 高速发展为全球镁的推广与应用做出了积极的贡献，也深刻地改变了全球镁工业的竞 争格局。 纯镁为银白色，密排六方晶体结构的金属，密排面为 0 0 0 1 ，主滑移面为基面， 冷变形较为困难，升高温度到2 5 0 以上，滑移系增多，有较好的塑性。在2 5 ( 2 时的 晶格常数为a - - 0 3 2 0 2 n m ，e - - 0 5 1 9 9 n m ；晶胞的轴比为e a - - 1 6 2 3 7 ，与理想密排六方的 轴比1 6 3 3 相差不大1 5 - 1 7 l 。镁的其他一些重要的物理化学参数见表1 1 。 表1 1 纯镁的一些重要物理化学参数 原子直 熔点 沸点 燃烧热熔化热 泊松比 径a l ( j k g 。1l 【j k g 。l 1 7 26 4 8 81 1 0 72 5 0 2 03 6 80 3 3 1 2 2 镁合金的特点 镁的化学活性大，再加上其较低的强度，其应用范围受到很大限制。通常用作 结构材料时，需要向镁中加入一些合金元素改善镁的物理、化学和力学性能。根据实 际需要，人们己经开发出为数众多的镁合金体系，大多具有如下特点1 4 , 1 8 】： 镁合金的密度比纯镁稍高，在1 7 5 1 8 5 9 e r a 之间，其比重为1 8 9 e r a 3 ，铝合 金的比重为2 7 g c m ，镁合金比铝合金轻3 0 ，比钢轻8 0 。所以，汽车及手提电 子产品中镁合金已成为零件制造的理想材料。 强度镁合金在金属及塑料等工程材料中，具有极佳的强度重量比。 良好的压铸性。镁合金允许铸件壁厚最小达到0 6 r a m ，这是塑料在相同强度 下无法达到的。铝合金的压铸性能也要在1 2 1 5 m m 以上时才能与镁合金相比。镁合 第一章绪论a z 9 1 d 干车削加工性能研究 金较易压铸成型，适合大批量压铸生产( 生产速度可达铝的1 5 倍) 。此外，镁合金 的磨损也较铝低。 弹性模量较低，有极好的吸震性能。可以避免过高的应力集中，预防冲击和 防止凹陷损坏，延长零部件的使用寿命。 尺寸稳定性好。不会因为时间或环境的变化发生较大变化。 无磁性。有良好的阻隔电磁波功能，适合生产电子产品。 切削加工性能优良。可以在大切削量下加工，使镁成为更易切削加工的金属 材料。 良好的散热性能。仅次于铝合金。 绿色环保材料，可以1 0 0 回收利用。 耐蚀性差，暴露在空气环境中，会发生氧化锈蚀。为提高耐蚀性，需对铸件 进行表面处理。 1 2 3 镁合金成型方法及工艺进展 目前，镁合金成型方法以压铸及半固态成形法为主。其中，铸件和压铸件占9 0 以上，加工件不到1 0 。镁合金的发展得益于压铸工艺技术的发展。近2 0 年来，随 着技术的发展，一些新的压铸方法如真空压铸，充氧压铸也相继得到推广，并且拥有 传统工艺无法比拟的优点【1 8 。2 2 1 。 1 传统压铸法 镁合金有热室压铸和冷室压铸两种方式。前者模具中积累的残料少，铸件表面 平整，内部气孔疏松少，生产效率高，但设备维护费较高，适用于生产重量在2 k g 以下的产品。后者铸件力学性能、热效率良好，设备费用只有前者的5 8 ，经济性较 好。但氧化夹杂物较多，尺寸精度较差。 2 真空压铸法 真空压铸通过在压铸过程中抽除型腔内的气体而消除或减少压铸件内的气孔和 溶解气体，提高了压铸件的力学性能和表面质量。目前已成功地用该方法生产出了 a m 6 0 b 的汽车轮毂、方向盘零件，其铸件伸长率由8o a 提高至1 6 o a 。 3 充氧压铸法 充氧压铸法是在金属液充型前，将氧气或其它活性气体充入型腔，置换型腔内 的空气。金属液充型时，活性气体与充型金属液反应生成金属氧化物微粒弥散分布在 4 a z 9 1 d 干车削加工性能研究第一章绪论 压铸件内，从而消除了压铸件中的气体，使压铸件可热处理强化。如日本应用充氧压 铸方法生产出了计算机镁合金整体磁头支架、汽车轮毂等产品。 4 半固态成形法 在近3 0 年里，半固态成形法以其充型平稳，无金属飞溅，金属液氧化少，节能， 操作安全，铸件内孔洞类缺陷少等优点而备受人们的期待。其工作原理是：液态金属 依靠重力从熔化及保温炉中进入搅拌筒，然后在螺旋的搅拌作用下冷却至半固态，积 累至定量的半固态金属液后，由注射装置注射成形。镁合金燃点较低，温度变化对半 固态金属浆料影响也很大，所以，温度的控制精度是镁合金半固态成形的关键因素。 成形过程中温度要严格准确的控制在( 1 2 ) ，而且成形过程中要在保护气下进行。 5 挤压铸造 挤压铸造的发展趋势是与另外的铸造成形技术相结合。如日本东芝机器公司的 l e o m a c s 系统，其特点是将挤压铸造与低压铸造及电磁定量浇注泵结合成一体，可生 产形状复杂的薄壁镁合金铸件。由挤压铸造与流变铸造结合的挤压流变铸造的工艺， 充分利用了挤压铸造与流变铸造这两种铸造方法的长处，用来弥补流变铸造的不足。 6 镁合金超塑性 镁晶体为密排六方结构，镁基体的独立滑移系较少，因此，镁合金的塑性较低， 塑性加工能力较差，大部分镁合金制品是用铸造方法成形，很少采用锻压、挤压、轧 制等塑性成型方法加工，这在很大程度上限制了镁合金的应用。因此，各国研究者很 重视镁合金的超塑性。目前，镁合金的超塑性的研究在超塑性性能及变形机理方面已 取得很大进展，而且，有些超塑性镁合金已经进入工业应用领域。 7 冲锻成型 1 9 9 9 年，日本索尼、日立金属和东京精锻所共同成功开发了镁合金冲锻成型技 术( p r e s sf o r g i n g ) ，这在产业界引起了极大的轰动。与压铸和半固态成形的工艺进行 比较，精密冲锻成型具有生产效率高、成品率高和成本低等优点，因此，精密冲锻成 型技术在开发出来的当年就得到了工业应用，并且达到了月产2 0 万套的生产规模。 精密冲锻成型技术是将冲压成型与锻造成型相结合而形成的新技术，其主要工 艺过程为将加热后的镁合金坯料在加热模具中进行冲压和锻压，其生产设备采用普通 机械式锻压机床即可，技术关键在于成型的模具与成型的工艺，包括模具设计、模具 温度控制、变形率与变形速度等参数控制。为避免零件在成型过程中出现裂纹和充不 5 第一章绪论az9ld干车削加工性能研究 满等缺陷，冲锻过程一般分为粗锻和精锻两次成型。粗锻成型和精锻成型过程在锻造 比、加热温度、模具拔模斜度和圆角大小方面都有较大差别，这些工艺参数被精确控 制就能保证获得优质零件。 1 3 国内外镁合金加工研究现状 1 3 1 国外镁合金加工技术水平 加工镁合金时由于切削力和切削功率很小，所以，长期以来人们一直把镁合金看 成是易加工材料( 这种现象在我国尤为严重) 。但生产实践表明，镁合金是一种难加工 材料，主要表现在加工过程中产生的镁合金细屑极易燃烧，甚至发生爆炸，对加工的 环境和方法有极严格的要求；切削时产生的切屑有粘结刀具形成积屑瘤的现象，影响 已加工面的质量，并且对刀具的磨损也相当严重。m i n o r ua r a i 等人在对镁合金进行 干切削的实验中指出通过改变刀具倾斜角、切削速度、切削深度和进给速度可以改变 切屑的形态，从而达到防止切屑燃烧的目的。l c l e e 等人利用热电偶对高速铣削下 镁合金的切削热进行测量，研究表明在8 1 6 m m i n 的高速切削过程中，切削温度随切屑 厚度的增加显著减小，通过热电偶可以有效的预测高速切削中的切削热，保证镁合金 安全高效的切削加工。金刚石刀具拥有很高的高温强度和硬度，而且材质细密，经过 精细研磨，切削刃钝圆直径可达0 0 2 0 0 0 5 m ，表面粗糙度r a 为0 0 5 0 0 0 8 p m 。此 外，由于金刚石与有色金属的亲和力极低，摩擦系数小，切削时不易产生积屑，从而 可以保证已加工面的精度。h k t o n s h o f f 在刀具对镁合金切削加工的影响的一文 中指出，采用金刚石刀具不但可以得到更高的切削速度和表面质量，还可以降低镁合 金的切削温度和积屑瘤的产生。但是考虑到成本，金刚石刀具只在对切削精度要求极 高的情况下才予以考虑1 2 3 2 5 1 。 国外镁合金加工技术的发展趋势： ( 1 ) 工艺技术不断推新，向节能降耗、精简连续、高速高效、广谱交叉的方向发展。 ( 2 ) 十分重视工具的结构设计、工艺参数选择、材质选择，加工工艺不断改进和 完善，质量和寿命得到极大的提高。 ( 3 ) 十分重视科技进步、技术创新和信息开发，随着信息时代和知识经济时代的 到来，这对镁合金加工技术显得更为重要。 ( 4 ) 科学管理全面实现自动化和现代化，体制和机制将不断进行调整，以适应社 6 a z 91d 干车削加工性能研究 第一章绪论 会发展和市场变化的需要。 1 3 2 国内镁合金加工技术水平 上世纪七、八十年代以来，我国镁合金的生产应用已日益增多。过去几年，在国 家“十五 科技计划的引导和带动下，我国镁业科技发展很快。但是，由于镁合金材 料的开发应用起步较晚，缺少系统深入的研究和大规模的生产与应用的经验积累，技 术水平仍不高，还有很多理论和技术问题未解决。目前，国内学者对镁合金的研究主 要集中在：组织结构特征及转变；化学成分、合金元素及其稀土元素对材料组织、性 能的影响；镁合金压铸和半固态成形方法等。在对镁合金深加工方面的工作却明显不 足，可参照的文献极少。国内的王家弟等人从刀具材料、切削参数以及安全生产等角 度探讨了镁合金切削加工中的一些关键技术，对镁合金的推广起到了积极的推动作 用。此后不久王家弟等人针对镁合金高速切削中产生积屑瘤的因素又作了进一步研究 【2 6 2 7 】。我国在汽车等交通工具上的集成应用技术还不成熟，限制了镁合金的大批量 应用，这与我国以汽车工业应用为主要方向的战略方针不符，也是今后需要集中解决 的技术问题。镁从资源角度来说供应充足，在未来结构材料发展中将承担更重要角色， 但要使它具有更高的强度、塑性，更便于低成本的制备，更易于加工成各种结构部件， 有待于科研者的努力，这是长远目标，远大理想。未来将根据中国镁产业发展的现状， 以产业链中的关键技术和薄弱环节为技术重点，针对汽车用镁合金零部件，积极开展 高强、高韧、耐蚀镁合金、变形镁合金加工成形、大型复杂镁合金零部件的成型工艺 等技术研发工作，逐步解决制约镁合金发展的强度低、塑性差、不耐蚀三大技术难题， 推动镁的广泛应用。以一汽大众和上海大众为代表的一些大的汽车生产厂相继从德 国、美国、法国、日本等引进了多条较先进的轿车数控自动生产线，技术上相当于发 达国家2 0 世纪9 0 年代中期的水平，其中还存在不少问题。 ( 1 ) 已经进口的高速机床相当一部分不能充分发挥作用，高速机床低速使用，一方 面造成功率浪费( 大马拉小车) ，另一方面使高速主轴长期承受重载荷而降低使用寿命。 ( 2 ) 企业急需开发高速切削数据库和高速加工软件包。目前我国用户主要依靠国 外供应商提供的高速切削数据库及相应高速加工软件包。 ( 3 ) 企业急需开发与高速加工相对应的上道工序一粗、半精加工( 一般为低速切 削加工) 切削数据库及加工软件。国际上一些发达国家投入很大的人力物力进行研究 开发，一些大公司还建有自己的切削实验室。 7 第一章绪论。az9ld干车削加工性能研究 鉴于上述情况我国镁合金加工技术主要沿着以下两个方向发展： ( 1 ) 大搞科技进步、技术创新和信息开发，建立技术开发中心、优化工艺，使加 工技术达到国际一流水平。 ( 2 ) 体制与机制调整，科学管理全面实现自动化和现代化，创建我国完整的镁合 金加工技术体系和自主知识产权体系。 所有这些都离不开切削数据库的建立，一方面我国企业要主动走产学研合作之 路，另一方面要建立国家切削实验室。目前我国镁合金切削加工技术还很落后，有关 切削加工镁合金方面的资料很少，镁合金方面的切削数据库更是几乎没有。在切削加 工镁合金时，如何安全高效、高精度、低损耗的生产都是急需解决的重大课题。 1 4 硬质合金刀具的分类及其性能 硬质合金是目前应用比较广泛的一种刀具材料。它所切下切屑的比重高达6 8 以上。有的国家有9 0 以上的车刀，5 5 以上的铣刀都采用了硬质合金材料。而且这 种趋势还在增加。 我国常用的硬质合金为碳化钨( w c ) 基硬质合金，随着生产发展的需要，近些 年来，又出现了碳化钛( t i c ) 基硬质合金、超细晶粒硬质合金、表面涂层硬质合金 等品种。下面分别介绍各类硬质合金刀具材料的性能与应用口耵。 1 4 1 碳化钨基硬质合金 碳化钨基硬质合金主要有钨钴( w c c o ) 类硬质合金( y g ) 、( w c - t i c - c o ) 类硬质 合金( y t ) 、钨钛钽( 铌) 钴( w c t i c t a c ( n b c ) - c o ) 类硬质合金( 1 n ) 三类。y g 类 硬质合金与y t 类硬质合金相比，有较高的抗弯强度和冲击韧性，同时导热性较好。y t 类合金具有较高的硬度，特别是较高的耐热性。高温时的硬度和抗压强度比y g 类高， 抗氧化性能好。y w 类合金兼具y g 、y t 类合金的大部分最佳性能。 1 4 2 碳( 氮) 化钛基硬质合金 碳( 氮) 化钛 t i c ( n ) 】硬质合金通常是以t i c 为主要成分的t i c - n i m o 合金。 这类合金具有硬度高、耐磨性好和理想的抗月洼磨损能力，高速切削钢料时有较低的 磨损率。此外，它还有较好的化学稳定性和耐热性( 1 1 0 0 - 1 3 0 0 高温下尚能进行切 肖0 ) 【2 9 】。 8 a z 9 1 d 千车削加工性能研究第一章绪论 1 4 - 3 超细晶粒硬质合金 超细晶粒硬质合金是一种硬度、强度都比较高的硬质合金。硬质合金通过晶粒 细化可以改善其切削性能。超细硬质合金晶粒达到亚微米级、纳米级时，它兼有硬质 合金的高硬度和高速钢的强度。超细晶粒硬质合金适合于在高速钢刀具耐磨性不够及 由于振动引起传统的硬质合金磨损或因切削速度过低而不宜使用传统硬质合金的情 况下使用。对于一些涂层刀片不能发挥其优越性的情况下，这种材料更能显示其独特 的效果。因其具有高的硬度、强度和耐磨性，与加工材料的相互吸附、扩散作用也较 小，适用于加工航空工业的超级合金、耐热合金、高强度合金和其他难加工材料。此 外，还可以用于低速切削和精密刀具【3 3 1 。 1 4 4 涂层硬质合金 在韧性较好的硬质合金基体上，通过c v d ( 化学气相沉积) 、p v d ( 物理气相沉 积) 、h v o f 3 4 。5 1 ( h i g hv e l o s i t y o x yf u e lt h e r i a ls p r a y i n g ) 等方法涂覆一层很薄的耐 磨金属化合物，可使基体的强韧性与涂层的耐磨性相结合而提高硬质合金刀具的综合 性能。它是改善刀具材料耐磨性和强韧性不易兼容的有效方法。涂层硬质合金刀具有 比基体更高的硬度及耐磨性，有高的耐热性( 可达8 0 0 - 1 0 0 0 ) 。如在常温时的硬 度为h v 2 0 0 0 ，在1 0 0 0 时仍能保持h v l 0 0 0 ，而未涂层硬质合金却下降到h v 5 0 0 。 涂层硬质合金刀具比未涂层硬质合金耐用度高( 一般可提高1 3 倍，高的可达5 1 0 倍) 。涂层硬质合金的另一优点是通用性广，一种涂层刀片可代替几种非涂层刀片 使用，因而可大大减少硬质合金品种和库存量，简化刀具管理和降低刀具成本。 发展至今，我国要也开发出了一系列牌号的涂层硬质合金刀具，其结构和力学 性能见表1 2 【3 扪。 表1 2 国产硬质合金刀具结构与力学性能 涂层厚度表面硬度粘接强度 牌号涂层材料颜色 ( pm )( h v ) ( k g ) c n l 54 1 0 l9 0 0 2 4 0 0 c n 2 54 1 019 0 0 2 2 0 0 c n 3 5 t i c t i ( c n ) - t i v 4 1 0l9 0 0 - 2 2 0 0 均为金黄色 c n l 6 4 8 3 0 0 均为3 5 c n 2 64 83 0 0 c n l 54 82 8 0 0 c n 2 5 1 f j c a 1 2 0 3灰黑色 4 8 2 8 0 0 9 第一章绪论a z 9 1 d 干车削加工性能研究 1 4 5 稀土硬质合金 稀土硬质合金具有独特的化学性能，是用途极广的合金添加剂，其氧化物是优 良的弥散强化剂。在硬质合金中添加稀土元素可以一定程度上抑制w c 晶粒的不均匀 长大从而强化合金，提高其性能。稀土元素是指化学元素周期表中的原子序数5 7 7 l ( 从l a 到l u ) ，再加上2 1 和3 9 ( s e 和共十七种元素。据原东德专利介绍，往硬质 合金粘结剂中添加0 2 c e 混合金属，其抗弯强度提高2 0 ，并使合金具有极高的硬 度、韧性和极好的耐磨性。在y t l 4 、y w l 硬质合金中加入c e 、y 等稀土元素后， 形成了稀土硬质合金y t l 4 r 、y w l r 。y t l 4 r 用于铸铁和有色金属的半精加工；y w l r 可用于各种工件材料的半精加工。经过测试，在添加稀土元素前后，硬质合金的机械、 物理性能列于表1 3 1 3 9 d p 。 表1 3y t l 4 和y t l 4 r 、y w l 和y w l r 的机械、物理性能比较 牌号 密度( g c m 3 ) 抗弯强度( m p a )室温硬度( h l u ) y t l 41 1 5 31 4 7 99 0 8 y t l 4 r1 1 5 91 7 2 69 1 0 y w l1 3 2 7 1 3 7 99 2 1 y w l r1 3 2 81 5 5 99 2 5 1 4 6 钢结硬质合金 钢结硬质合金是以钢为粘结剂，以硬质化合物作为硬质相，通过粉末冶金方法 制成的一种钢基复合材料。其组织特点是硬而耐磨的硬质相均匀分布于钢基体中，钢 基体赋予合金广泛的工艺特性，而硬质相则使得合金的硬度和耐磨性大幅度提高，这 样，钢结硬质合金就兼有了硬质相和钢的优点，其综合性能处于普通硬质合金和钢之 间，填补了他们之间的空白i 州2 】。 1 5 硬质合金刀具的发展趋势 为了改善硬质合金刀具耐磨性和强韧性不易兼顾的缺点，目前的研究热点主要 包括以下几个方面： ( 1 ) 细化晶粒 通过细化硬质相晶粒度、增大硬质相晶间表面积、增强晶粒间结合力，可使硬 质合金刀具材料的强度和耐磨性均得到提高。当w c 晶粒尺寸减小到亚微米以下时， 材料的硬度、韧性、强度、耐磨性等均可提高，达到完全致密化，所需温度也可降低。 l o a z 9 1 d 干车削加工性能研究第一章绪论 普通硬质合金晶粒度为3 5 9 m ，细晶粒硬质合金晶粒度为1 - - 1 5 1 a m ，超细晶粒硬质 合金晶粒度甚至可以达到纳米级。超细晶粒硬质合金与成分相同的普通硬质合金相 比，硬度可提高2 h r a 以上，抗弯强度可提高6 0 0 , - 一8 0 0 m p a l 4 3 1 。 ( 2 ) 表面、整体热处理和循环热处理 对强韧性较好的硬质合金表面进行渗氮、渗硼等处理，可有效提高其表面耐磨 性。对耐磨性较好但强韧性较差的硬质合金进行整体热处理，可改变材料中的粘结成 分与结构，降低w c 硬质相的邻接度，从而提高硬质合金的强度和韧性。利用循环热 处理工艺缓解或消除晶界间的应力，可全面提高硬质合金材料的综合性能 4 4 4 6 1 。 ( 3 ) 添加稀有金属 在硬质合金材料中添加t a c 、n b c 等稀有金属碳化物，可使添加物与原有硬质 相w c 、t i c 结合形成复杂固溶体结构，从而进一步强化硬质相结构，同时可起到抑 制硬质相晶粒长大、增强组织均匀性等作用，对提高硬质合金的综合性能大有益处【4 7 】。 ( 4 ) 添加稀土元素 添加有效地稀土元素可强化硬质相和粘结相，净化晶界，并改善碳化物固溶体 对粘结相的润湿性。我国稀土资源丰富，这为我们利用稀土元素改善刀具性能提供了 强大的后盾。 1 6 本文的主要研究内容 a z 9 1 d 是目前应用最为广泛的镁合金材料，各种成形技术和材料的性能都得到了 很好的改善，但是，其机加工技术做得还不够充分，可参照的文献极少，本文着重对 a z 9 1 d 的切削加工性能进行了研究，主要研究内容如下： 1 基于单因素试验和正交试验，研究切削参数、刀具几何参数对切削力的影响， 总结切削力的变化规律，优化切削参数，建立切削力与切削参数之间的经验公式。 2 测量后刀面磨损，观察刀具磨损形态，分析切削参数对刀具寿命的影响规律， 揭示刀具的磨损机理。 3 通过对切屑形态、刀具寿命、表面粗糙度等的研究，探讨镁合金安全高效生 产的加工工艺。 第二章基本理论、实验内容与试验方法a z 9 1 d 干车削加工性能研究 第二章基本理论、实验内容与试验方法 2 1 基本理论 2 1 1 切削加工性 在当今机械制造业中，金属切削加工工艺占有首要地位。切削加工性是指在一定 的切削加工技术水平条件下，工件由毛坯被切削加工成合格零件的难易程度【4 引。金属 材料的切削加工性是一个综合指标，通常是指材料在被加工过程中的生产率、刀具寿 命、切削力、已加工表面的粗糙度等。虽然人们对切削加工性进行了多年广泛的深入 研究，但目前仍有许多问题没有解决。随着科学技术的进步，各种高性能的新材料不 断涌现，它们给切削加工带来了更大的困难。所以广泛研究难加工材料切削加工性， 寻找胜任新的难加工材料的新型刀具材料、新型加工方法、新型先进刀具和最优切削 条件等，必将推动切削加工技术更快发展【4 乳5 1 1 2 1 2 影响切削加工性的因素 总体上来说，影响切削加工性的因素主要分为两部分，即材料因素和手段因素。 材料因素包括工件材料的物理性能、力学性能、化学成分及金相组织等。手段因素主 要包括刀具性能、机床性能、操作水平以及切削参数、切削液的选择等。 1 材料因素对切削加工性的影响 a 硬度和强度：工件材料的硬度和强度增大时，切削力增大，切削热增多：同时切 屑与前刀面的接触长度减小，前刀面上法向应力增大，摩擦热量集中在较小的刀一屑 接触面上，使切削温度增高，因而刀具磨损加快，切削加工性变差。材料的高温硬度 和高温强度越高，则加工性越差。当工件材料中存在显微硬度很高的硬质点时，对刀 具将产生严重的磨粒磨损，从而会降低材料的切削加工性。工件材料在切削过程中由 于强烈的塑性变形而产生加工硬化，其表面硬度比原材料的硬度提高几倍，从而会加 速刀具磨损，材料的加工硬化现象越严重，则加工性也越差 b 塑性及韧性：工件材料的塑性很大时，切削时的变形和硬化比较严重，切削力 大，塑性变形所消耗的功多，切削温度也高，而且切屑与刀具容易产生粘结，因而刀 具磨损大，加工表面粗糙。因此，塑性大的材料切削加工性差。但材料的塑性太小时， 1 2 a z 9 1 d 干车削加工性能研究第二章基本理论、实验内容与试验方法 刀一屑接触长度短，切削力和切削热都集中在刀刃附近的一小块接触面积上，因而也 会加速刀具磨损。韧性越大，则材料破坏之前所吸收的能量越多，切削力和切削温度 也都较高，断屑也越困难，故切削加工性越差。 c 导热性：工件材料的导热性越好，由切屑和工件带走的热量也越多，切削温度 越低，故切削加工性越好。 d 其它物理机械性能：热膨胀系数大的材料，加工时由于热胀冷缩，工件尺寸变 化很大，故不易控制加工精度。弹性模量小的材料，在已加工表面形成过程中弹性恢 复大，易与刀具后刀面产生较大摩擦，会给切削带来一定困难。 e 化学成分：材料的物理机械性能是由材料的化学成分决定的，进而影响切削性能。 f 金属材料的成分相同，但由于加工方法和热处理的不同其金相组织不同时，物 理机械性能和切削加工性也会不同。 2 手段因素对切削加工性的影响 a 刀具材料的发展，对切削加工性的影响很大。针对于高硬度高强度的难加工材 料，以车代磨时必须用陶瓷刀具和立方氮化硼刀具材料，如用一般硬质合金刀具则切 削加工性更差。同种刀具材料下，不同的几何参数也是影响加工性的重要因素。 b 前角越大，刀具越锋利，便于切屑流动，后角大可以降低车削时刀具与工件之 间的摩擦。但大前角、大后角都会使刀尖强度降低，加剧磨损和崩刃。主偏角越小， 可使切屑变薄，参与切削加工的主切削刃增长，单位长度上分担的力减小，切削起来 轻快；同时增加了刀尖强度和增大了散热面积，使刀具切削加工性越好，