（机械制造及其自动化专业论文）刀具刃口钝化及刀具管理集成信息系统研究.pdf

摘要 摘要 刀具在切削加工过程中占用重要地位，刀具性能的改善与提高对于切削 加工具有重要意义。 刀具刃口钝化技术在目前尚未引起人们足够的重视。相较于刀具材料、 刀具结构、刀具涂层等技术的发展，刀具刃口钝化技术相对滞后。通过对刀 具刃口进行合理的钝化处理，可以明显提高刀具寿命及切削性能，提高切削 系统的稳定性。 本文对刀具刃口钝化技术进行了综合研究，主要研究内容包括：针对目 前刀具刃口钝化名称及内涵的庞杂，对刀具刃口钝化技术的内涵进行界定， 提出了刀具刃口钝化的狭义范畴和广义范畴；分析了刀具刃口钝化对于切肖0 加工的影响，包括对切削力的影响，对切削温度的影响，对切削系统稳定性 的影响等；通过单因素对比试验，分析了刀具刃口钝化对于切削力与表面粗 糙度的影响；刀具刃口钝化尺寸计算公式推导，提出了钝化尺寸的计算公式， 该公式可以用于进行钝化参数的计算，以做钝化参数选择的参考依据；刀具 刃口钝化参数的选择，总结了钝化参数的选择原则，以及一些常用的钝化参 数；刀具刃口钝化的工艺方法和设备研究，对钝化设备的设计进行了研究， 包括刀片的刃口钝化设备及整体立铣刀的钝化设备设计；开发了刀具刃口钝 化查询系统，该系统是本课题所开发的刀具管理集成信息系统的子模块。 针对具体企业需求，对刀具管理集成信息系统进行研究。本文详细论述 了刀具管理系统的内涵，分别讨论了刀具管理系统与p d m 系统、e r p 系统、 工作流管理系统的集成问题。开发了基于开源平台的刀具管理集成系统，该 刀具管理集成信息系统，集成了工作流管理、p d m 系统以及刀具管理等技术， 基于a p a c h e + p h p + m y s q l 开源平台，开发了独创的工作流引擎，实现了刀具 订货流程管理、刀具图纸设计流程管理、刀具品种表管理、刀具数据管理、 用户角色及权限管理、系统管理等功能。 关键词：刃口钝化刀具管理集成系统p h pm y s q l a b s t r a c t a b s t r a c t t h et o o l p l a y s a n i m p o r t a n t r o l ei nt h em a c h i n i n g p r o c e s s ，s ot h e i m p r o v e m e n to f t h ec u t t i n gt o o lc a p a c i t yi sm e a n i n g f u lt ot h em a c h i n i n g t h ei m p o r t a n c eo ft h ec u t t i n gt o o le d g ep r e p a r a t i o ni sn o tr e g a r d e de n o u g h n o w c o m p a r a e dt ot h ed e v e l o p m e n to ft h et o o lm a t e r i a l ，t h et o o lc o n f i g u r a t i o n a n dt h et o o lc o a t i n g ，t h ed e v e l o p m e n to ft h ec u t t i n gt o o le d g ep r e p a r a t i o ni s l a g g e d t h et o o ll i f e ，t h ec u t t i n gc a p a c i t ya n dt h ec u t t i n gs t a b i l i t yc o u l db e i m p r o v e db yt h ep r o p e re d g ep r e p a r a t i o n t h eb a s i cr e s e a r c hw o r kh a sb e e n d o n eb yt h ea u t h o r t h ec o n t e n t si n c l u d e ： ( 1 ) t h er e g u l a t i o no ft h ec u t t i n gt o o le d g ei sp r e p a r a t e d t h en a r r o ws e n s ea n d t h eb r o a ds e n s eo ft h ec o n c e p ta r eb o t hb r o u g h tf o r w a r d ( 2 ) t h ei n f l u e n c eo ft h ee d g ep r e p a r a t i o nt ot h em a c h i n i n gp r o c e s si ss t u d i e d ， i n c l u d i n gt h ec u t t i n gf o r c e ，c u t t i n gt e m p e r a t u r ea n dt h et o o lc o a t i n g ( 3 ) t h ec a c u l a t i n ge q u a t i o no ft h ee d g er a d i u si sb r o u g h tf o r w a r d ，t o o t h e e q u a t i o nc o u l db eu s e dt oc a l c u l a t et h es m a l l e s te d g er a d i u sa st h er e f e r e n c ef o r t h ec o n f i r m a t i o no ft h ee d g er a d i u s ( 4 ) t h ep r i n c i p a l so ft h ec o n f i r m a t i o no ft h ee d g er a d i u sa r es t u d i e d ( 5 ) t h ee q u i p m e n td e s i g nw o r k h a sb e e nd o n eb yt h ea u t h o r , i n c l u d i n gt h ed e s i g n o ft h ei n s e r t sa n dt h ei n t e g r a t e dt o o le d g ep r e p a r a t i o ne q u i p m e n t s t h ei n t e g r a t e dt o o lm a n a g e m e n ts y s t e mh a sb e e ns t u d i e di nt h ep a p e r t h e i n t e g r a t i o no ft h et o o lm a n a g e m e n ts y s t e mw i t hp d ms y s t e m ，e r ps y s t e ma n d t h ew o r k f l o ws y s t e mi ss t u d i e d t h ei n t e g r a t e dt o o lm a n a g e m e n tb a s e do nt h e o p e ns o u r c es o f t w a r e ( o s s ) h a sb e e nd e v e l o p e d t h ew o r k f l o ws y s t e m ，p d m s y s t e ma r eb o t hi n t e g r a t e di nt h et o o lm a n a g e m e n ts y s t e m t h eo p e ns o u r c e s o f t w a r e ( o s s ) i sa p a c h e + p h p + m y s q l t h eo r i g i n a lw o r k f l o we n g i n ei s d e v e l o p e d ，t o o t h e f u n c t i o nm o d u l e so fi n t e g r a t e dt o o lm a n a g e m e n ts y s t e m i n c l u d e ：t h eo r d e rw o r k f l o w ；t h et o o ld e s i g nw o r k f l o w ；t h et o o lc a t e g o r ys h e e t m a n a g e m e n t ；t h et o o ld a t am a n a g e m e n t ；t h e u s e rr o l ea n da u t h o r i t ym a n a g e m e n t ； t h es y s t e mm a n a g e m e n t k e yw o r d s ：e d g ep r e p a r a t i o n ；t o o lm a n a g e m e n t ；i n t e g r a t e ds y s t e m ；p h p ；m y s q l i i i 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或者集体已经发表或撰写过的科研成 果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明 确方式标明。本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：毒立扯 日期：监兰l 一 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：互董址导师签名：燮日期：垒星：兰兰 第一章绪论 第一章绪论 1 1 刀具在切削加工中的重要性 在切削加工中，刀具被称为机床的“牙齿 。改进刀具对降低切削成本 比其他任何单一过程的改变都更具有潜力。合理的选择和应用现代切削刀具 是降低生产成本的关键。据统计，刀具费用占制造成本2 4 4 ，却直接影 响占制造成本2 0 的机床费用和3 8 的人工费用。 1 2 刀具技术的发展现状 1 2 1 刀具材料 刀具材料是刀具技术的关键因素，主导着刀具性能的发展。目前，硬质 合金在刀具材料中占主导地位。陶瓷、金刚石和立方氮化硼己可作常规刀具 材料在生产中应用。刀具材料与涂层技术相结合为高速切削、硬切削和干切 削工艺创造了条件，涂层刀具已经成为现代刀具的标志，在刀具中的比例已 超过5 0 1 1 。表1 1 为国内外硬质合金年生产量。 表1 1 国内外硬质合金年生产量【1 1 硬质合金刀具材料的发展主要在两个方面： ( 1 ) 细化硬化硬质合金。在硬质合金的发展初期，由于脆性高、弯曲强度低 等缺点，使其发展缓慢。5 0 年代，采用细化强化使硬质合金的硬度及弯曲 强度同时提高。2 0 世纪6 0 年代前只能生产粗晶及中晶硬质合金，6 0 年代出 现细晶硬质合金，7 0 年代出现亚微晶硬质合金，8 0 年代出现超细晶硬质合 金。2 0 0 4 年，亚微晶和超细晶硬质合金的产量已经达到1 5 万吨。2 0 世纪 9 0 年代，纳米晶硬质合金开始从实验室走向生产，s a n d v i k 已经能批量生产 介于超细晶及纳米晶之间的0 2 u m 的硬质合金i l j 。 ( 2 ) 特种硬质合金。 i i j 东大学硕七学位论文 1 ) 特粗晶硬质合金。在向纳米晶硬质合金方向发展的同时又发展了2 0 u m 的 特粗晶硬质合金【7 】【8 1 ，这类硬质合金导热系数高，膨胀系数低且断裂韧性高。 2 ) 功能梯度硬质合金。功能梯度硬质合金包括成分梯度及结构梯度。成分 梯度硬质合金可以通过各种化学热处理方法获得，也可采用分层压制法【9 1 。 结构梯度硬质合金可以通过表面涂覆晶粒长大抑制剂然后烧结的方法【10 1 ， 也可以采用分层压制法桫j 。 3 ) 复合硬质合金。复合硬质合金可以通过各种方法将硬质合金与聚晶金刚石 复合在一起，也可以将硬质合金与高速钢复合在一起。另一种复合硬质合 金是将金刚石、w c 粉、c o 粉混合后烧结而成的】。 4 ) 双烧结硬质合金。双烧结硬质合金是将w c 与c o 烧结成球粒，然后将烧 结球与c o 混合后再次烧结而成。目的是提高断裂韧性而不降低耐磨性【1 2 】。 1 2 2 刀具结构 刀具结构的创新是提高刀具切削性能的重要途径。通过采用先进的 c a d c a e c a m 等技术，以及随着模具技术的高速发展，涌现出了越来越 多的先进的刀具结构。多功能面铣刀、模块式立铣刀、大进给铣刀代表着刀 具结构发展的新趋势，与此同时，出现了各种新型可转位刀片结构，如多功 能、多盘的机夹梅花刀，形状复杂的带前角铣刀刀片等【3 】。通过先进的刀具 结构，可以更好的发挥刀具材料和刀具涂层的功用，提高刀具的整体切削性 能。 1 2 3 刀具涂层 瑞典s a n d v i k 公司和德国k r u p p 公司于4 0 年前研发了c v d 涂层技术， 并于1 9 6 9 年推出了c v dt i c 涂层硬质合金刀片产品。此后，c v d 技术不断 发展，出现了多种及多层涂层材料。上世纪7 0 年代，p v d 涂层技术面世， 并可用于高速钢刀具涂层【4 】。目前，刀具涂层技术的发展趋势主要体现在以 下几个方面： ( 1 ) c v d 涂层技术的发展 c v d ( 化学气相沉积) 涂层技术是较早出现的刀具涂层技术。目前，高温化 学气相沉积( h t c v d ) 是硬质合金涂层最常用的方法。在常压或负压的沉积 系统中，将纯净的h 2 、c h 4 、n 2 、t i c l 4 、a 1 c 1 3 、c 0 2 等气体按沉积物的成分， 2 第一苹绪论 将其中的有关气体按一定配比均匀复合，依次涂到硬质合金刀片表面。 p c v d ( 等离子体化学气相沉积) 法是另外一种常用的方法，其涂层温度 在7 0 0 。n 8 0 0 。之间，因温度较低，因此刀片抗弯强度受损较少，适合铣刀 涂层。涂覆前，基体刀片表面须净化， 料和基体材料的线膨胀系数存在差异， 切削刃必须经过钝化处理。因涂层材 因此刀片表面会产生残余拉应力而使 刀片抗弯强度降低。因t i c 与基体材料的线膨胀系数最接近，因此通常先用t i c 薄层先涂覆在基体表面上，外面再涂覆其他涂层材料。用c v d 工艺还可以在 硬质合金上涂覆金刚石薄膜。常用的工艺有“热丝c v d 法”、“等离子喷射c v d 法和“火焰燃烧法等。 ( 2 ) p v d ( 物理气相沉积法) 涂层技术的发展 常用的p v d 涂层技术有“真空磁控溅射法 和“真空等离子镀工艺。 过去，硬质合金刀具涂层通常不采用p v d 法，但是随着p v d 技术的进步， 目前约有一半的硬质合金涂层采用p v d 技术。欧瑞康巴尔查斯公司的p v d 涂层技术在全世界处于领先地位。该公司开发的涂层材料品种多，性能先进 【4 】 o ( 3 ) 纳米涂层技术的发展 材料中的某一相的尺度达到纳米级时，材料的某些特性颇有可能发生突 变。将纳米材料与表面涂层技术结合，可以提高表面涂层的改性效果。目前， 刀具的纳米涂层技术已实用化。刀具纳米涂层技术是将百层的纳米材料涂敷 在刀具基体表面。由于表面效应、小尺寸效应等因素影响，纳米材料会在物 理力学性能方面表现出高强高韧等优良性能。纳米涂层硬度可达h v 2 8 0 0 以上，耐磨性能相较亚微米材料提高5 1 0 。据报道，目前已经开发出碳 化钛及碳氧化钛交替涂层达到6 2 层的涂层刀具和4 0 0 层的 t i a l n t i a i n a 1 2 0 3 纳米涂层刀具【3 】【5 】。 1 3 刀具行业的发展趋势 多功能复合刀具、智能刀具、高速高效刀具是刀具的重点发展方向。面 对着日益增多的难加工材料，必须着力在刀具材料、刀具涂层和刀具结构等 方面改进和发展刀具技术。目前，刀具行业的发展趋势主要有以下几个方面： ( 1 ) 硬质合金仍然是最重要的刀具材料。世界各国刀具厂商均在着力发展该 种材料，细颗粒、超细颗粒硬质合金材料的开发可进一步提高刀具可靠性， 纳米涂层、梯度结构涂层及全新结构、材料的涂层可进一步提高刀具的使用 山东大学硕十学位论文 性能，物理涂层的应用会日益增多。 ( 2 ) 刀具的研发更具针对性。通用牌号及结构的刀具将不再是研发重点，针 对性更强的刀片槽型结构、牌号将逐渐取代通用的槽型和牌号。 ( 3 ) 刀具制造企业网络化、信息化程度日益提高。网络化和信息化程度的提 高将大大提高企业的生产和管理效率，降低企业成本，提高企业的市场竞争 力。 ( 4 ) 刀具制造商的角色将逐渐转变。 ( 5 ) 刀具技术需适应高速切削、硬切削、干切削技术的发展【6 】。 ( 6 ) 智能刀具与专用复合刀具的快速发展。 1 4 刀具刃口钝化技术国内外研究现状 刀具刃口钝化技术涉及到企业的核心机密，因此其工艺方法受到严格 保护，文献资料较少。 y u n g c h a n gy e n 等人采用有限元仿真方法研究了刀具刃口半径对于切 削加工的影响，包括对切削力、切削温度等因素的影响【l6 。 k d b o u z a k i 等人采用有限元仿真和试验相结合的方法分析了刀具 刃口钝化半径对于涂层刀具寿命的影响【17 1 。 方宁等人分析了刀具刃口钝化对于铝合金加工的影响【18 1 。 j r e c h 等人分析了刀具刃口半径对于高速钢铣刀片抗磨损性能 的影响【19 1 。 国内的桂育鹏研发了小型可转位刀片钝化机，用于刀片刃口钝化，取 得了较好的经济效果【2 0 1 。 陈德洪等人分析了刀具刃口钝化对于硬质合金螺纹刀具的影响，研发 了振动钝化的工艺方法【2 1 1 。 1 5 刀具管理信息系统国内外研究现状 目前，国内外对刀具管理信息系统都有较多的研究。比较著名的刀具 管理信息系统有s m a r tc r i b 、t d ms y s t e m 、k a t m s 、e t m s 等。 西北工业大学对刀具管理系统进行了较为系统的研究，对刀具全寿命 周期管理进行了研究，对基于d n c 的刀具管理系统进行了研究与开发，对 面向e r p 的刀具管理信息系统进行了研究与开发【2 6 】【27 1 。 4 第一苹绪论 河北科技大学对基于w e b 网络平台的刀具管理系统的模型做了一定的 研究，对信息化制造中的刀具管理系统进行了研究，并开发了相应的刀具管 理系统 2 8 1 。 上海交通大学提出了基于b s 结构的刀具管理，该系统以一家烟草企 业现有的刀具库为基础，通过内部局域网以及与e r p 和p d m 的数据接口实 现了与e r p 和p d m 的信息集成与整合，从软件实现方面介绍了烟草刀具管 理系统( 2 5 1 。 上海交通大学的何邦勇等人，对刀具管理系统的开源平台进行了研究 2 2 1 o 广东工业大学的刘洋等人，对刀具管理系统的基础理论进行了综合研 究【2 3 】。 1 6 课题的来源和意义 该课题来自于和国内某航空企业合作的刀具国产化项目。 刀具刃口钝化技术在目前尚未引起足够的重视，国内外学者研究较少。 国际著名的刀具企业均具有其独自的刀具刃口钝化技术，该技术作为企业的 核心技术机密受到保护，鲜有见诸于文献。本课题在刀具刃口钝化技术这一 领域进行探讨，对刀具刃口钝化参数选择以及刀具刃口钝化的工艺方法进行 研究。 刀具刃口钝化具有其独特的重要性：经钝化后的刀具能有效提高刃口强 度、提高刀具寿命和切削过程的稳定性f 2 9 】。影响刀具切削性能和刀具寿命 的主要因素，除了刀具材料、刀具几何参数、刀具结构、切削用量优化等， 刀具刃区的型式与参数也极为重要。 主要是在以下几种情况下需要对刀具进行钝化： ( 1 ) 一般情况下，刃磨后的刀具均需钝化。 ( 2 ) 在重负载及冲击性载荷条件下，需要对刀具刃口进行强化。 进口刀具的刃口一般都经过良好钝化处理。刀具刃口钝化一般可有效延 长刀具寿命2 0 以上，甚至达到2 0 0 或更多，因此大大降低刀具成本，给用 户带来巨大的经济效益【2 9 1 。 ( 3 ) 涂层的需要。 c v d 涂层刀具或刀片在涂层前几乎毫无例外的对刀具刃口进行钝化处 理，才能保证涂层的牢固性和使用寿命。 山东大学硕十学伊论文 陈德洪等人采用振动钝化的方法提高硬质合金螺纹刀片耐用度。其试验 结果显示，采用锋刃( r = 2 1 8 u r n ) 切削加工时，车削螺纹的废品率高达2 0 ， 车削初期稳定性较差，刀片容易崩刃和破损，导致产生波纹( 振动刀痕) 、 划痕和毛刺等，每片刀片的平均有效耐用度不到3 0 头。采用中等刃口倒圆 半径时，其刀片耐用度和加工合格率高于其他刃口倒圆半径的刀片，且切削 过程稳定，其中，刃口钝化均匀的刀具优于不均匀组【2 1 1 。 精加工使用绞刀时，刀具刃1 2 1 未经钝化时，其加工内孔表面有时达不到 图样要求，经过良好钝化处理后，其表面粗糙度可稳定达n r1 6 - - 0 8 u m ，同 时刀具寿命可提高一倍左右【2 9 1 。 桂育鹏等人对整体硬质合金立铣刀所进行的钝化试验表明，经过钝化处 理后，刀具寿命可提高4 7 ，同时表面粗糙度稳定提高一级【2 0 】。 刀具管理系统，是针对该企业目前刀具订货管理、图纸审批管理、刀具 品种表管理、人员管理、数据管理等存在的问题，从而构建统一的刀具管理 系统软件平台，实现企业刀具管理的电子化、网络化、信息化。 1 7 本文的研究内容 6 本文的研究内容包括如下： ( 1 ) 刀具刃口钝化技术的研究 刀具刃口钝化技术的研究包括： 1 ) 刀具刃1 2 1 钝化技术的内涵界定 2 ) 刀具刃口钝化尺寸计算公式推导 3 ) 刀具刃1 2 1 钝化参数的选择 4 ) 刀具刃口钝化对切削加工的影响 5 ) 刀具刃口钝化技术的工艺方法及设备研究 6 ) 刀具刃1 2 钝化设备的设计 7 ) 刀具刃口钝化查询系统设计 ( 2 ) 面向刀具管理的集成信息系统研究 研究内容包括： 1 ) 刀具管理信息系统的内涵 2 ) 刀具管理信息系统的关键技术 3 ) 刀具管理系统与p d m 、e r p 、工作流系统的集成 ( 3 ) 基于开源平台的刀具管理集成信息系统开发 第一章绪论 研究内容包括： 1 ) 系统开发平台 2 ) 数据库设计 3 ) 功能模块设计 7 第二章刀具刃口钝化技术研究 第二章刀具刃口钝化技术研究 2 1 刀具刃口钝化的内涵界定 经普通砂轮或金刚石砂轮刃磨后的刀具刃口，确实存在程度不同的微观 缺口( 即微小崩刃与锯口) 。其微观缺口一般在0 0 1 0 0 5 m m ，严重者高达 0 1 m m 以上【29 1 。图2 1 为刀具刃口的s e m 扫描图【1 9 】。 ( a )( b ) 图2 1 刀具刃口s e m 扫描图 ( a ) 图中刀具刃口未经过钝化处理，可以明显的观察到刀具刃口的微观 缺口。在切削过程中刀具刃口微观缺口极易扩展，加快刀具磨损和损坏【2 9 1 。 ( b ) 图中的刀具刃口经过喷砂钝化处理，可以看出，其刃口均匀一致，无微 观缺口。经过钝化后，刀具耐磨性和寿命都有显著提高。目前国外刀具产品 大都经过钝化处理，故其性能较佳。 目前，国内外关于“刀具刃口钝化”这一概念及其内涵，尚无统一的看 法。除刀具刃口钝化外，还有刃口准备、刃口强化、e r ( e d g er a d i u s ) 处理 等名称，但各个名称之间的真正内涵并不一致。 各名称内涵的差异可由表2 1 所示。 本文的观点是将“刀具刃口钝化”划分为狭义和广义两个范畴： 1 刀具刃口钝化的狭义内涵：即对刃口进行的钝化处理。钝化形式包括两 种：对称型和瀑布型。如图2 2 所示。 2 刀具刃口钝化的广义内涵：即对刃口进行的各种技术处理，包括刃型的 选择和刃口的钝化两个方面。常见刀具刃型如表2 2 所示。 9 l i j 东大学硕+ 学位论文 圄孤型刃口瀑布型刃口 图2 - 2 两种刃口钝化型式2 9 】 表2 1 各名称内涵 名蒜7 撕_ 一篡y 。，t 、“i ， 鼍：io ：7 ，妒。_ ? 扎t ：呼+ j ol ：p “? n ，”。，f h ， 。7 i | 。m+ 、 l l 、j涵差异铂”： ? 。，嘶一? v 。：一，| 。? i 。 ，。i，4 刃口准备刃口准备( e d g ep r e p a r a t i o n ) 这个概念，其实是针对涂层 ( e d g e刀具而言的。c v d ( 化学气相沉积) 涂层的刀具，在刃磨 p r e p a r a t i o n ) 之后涂层之前，必须对刃口进行钝化处理以获得规整的倒 圆刃口，以保证涂层与基体之间有足够的粘结面积，增强 两者之间的粘合性。同时，亦能防止应力集中，提高刀具 寿命。 刃口强化刃口强化这个概念偏重于对刀具刃口的钝化与强化，以增 强刃区强度为目的，避免崩刃等刀具破损状况的发生。刃 口强化型式通常有：倒圆刃、倒棱刃以及倒圆与倒棱相结 合等三种形式。 e r ( e d g er a d i u s )e r ( e d g er a d i u s ) 处理这个概念，主要偏重于对倒圆刃的 处理钝化处理。通过钝化工艺，获得钝化尺寸不同的刃口，以 适用于不同的切削加工系统。 表2 - ：2 常见刀具刃型【2 9 1 i 刃型名掺，。办。懋0 。，k 二，刃型结鹤。，砌锄 备注蠢i _ 。7 ，鬟 锋刃 伧， 刃磨前、后刀面相交而 嘶静 自然形成的锐刃。 l o 第二章刀具刃口钝化技术研究 倒棱刃 在刃口附近前刀面上， 刃磨出很窄的负前角棱 弋 。侈7 驹 边。 、1 、 消振棱刃在刃口附近的后刀面上 一物 磨出一条很窄的负后角 棱边，切削时增大刀具 趣与工件的接触面积，消 除切削过程振动。 白刃 音鹞￥移 在刃口附近的后刀面上 磨有一条后角为o o 的窄 边或刃带，可起到支撑 导向和挤压光整作用。 倒圆刃在刃口上刃磨或钝化成 够m 一定参数的圆角，增加 刃口强度，提高刀具寿 命。 狭义的刀具刃口钝化概念的内涵也包括两个方面： ( 1 ) 刀具刃口的均匀性和一致性。这是刀具钝化的首要目标，即获得均 匀性和一致性良好的刃口。 ( 2 ) 刀具刃口的强化。 2 2 刀具刃口钝化尺寸计算公式推导 刀具刃口钝化的首要目标是消除刃口的凹凸不平，获得均匀性和一致性 良好的刀具刃口。从这个角度出发，可以推导出刀具刃口最小钝化尺寸的公 式。 l i j 东大学硕+ 学何论文 图2 - 3 倒圆刃几何关系 如图2 3 所示的倒圆刃，o a 段为刃口的不平度的峰值，a b 为倒圆刃 c d 的半径长度r 。则由图中关系可以推导出 b cr s l n 口= 一= 一 伽+ a bo a + r ( 1 ) 一般的刀具刃口不平度的峰值在o 0 1 m m 至o 0 5 m m 之间，即 o a - - 0 0 1 0 0 5 m m 。假设刀具的前角加后角之和为1 5 。，则a = 3 7 5 。将以上 数据代入公式，可以得到刀具刃口钝化的半径值。 如若o a - - 0 0 1 m m ，将以上数值带入公式( 1 ) ，得 s i n 3 7 5 。：l ：上 o a + ro 0 1 + r ( 2 ) 通过计算公式2 ，得r _ o 0 1 5 6 m m ，此即为最小的钝化半径。 如若o a - - 0 0 5 m m ，带入公式1 得 s i n 3 7 5 。：l ：上 o a + r0 0 5 + r ( 3 ) 通过计算公式3 ，得r - - 0 0 7 7 8 m m 。 因此，在确定钝化参数时，需要考虑之前刃磨的状况。如果刃磨后刀具 刃口的凹凸不平度较大，钝化参数需要相应增大。反之，则可适当减小。 倒棱刃的计算亦是如此。在此不赘述。 2 3 刀具刃口钝化参数研究 刀具材料、工件材料和切削加工实际条件，是金属切削刀具刃区参数选 择的三个基本依据。只有在弄清这些基本情况后，才能合理的选择修圆刃、 倒角和倒棱等刃区参数【4 7 1 。 第二苹7 具刃口钝化技术研究 钝化参数的选择原则是： ( 1 ) 必须首先要满足均匀性和一致性的要求，即消除刃口的凸凹不平。 ( 2 ) 粗加工时，钝化参数取较大值。精加工时，钝化参数取较小值。 ( 3 ) 钝化参数不是越大越好，也不是越小越好。需要根据刀具材料、工件材 料和切削加工实际条件进行合理选择。一般来说，在确定的加工条件下， 存在一个最佳的钝化参数值。 常用的钝化参数表见表2 - 3 。与国外刃口钝化参数相对照，占7 0 ；7 3 具钝 化值是在0 0 2 5 4 0 0 7 6 2 之间。最大值0 1 2 7 - 0 2 0 3 2 m m 。最小值： 0 0 1 2 7 m m 2 9 1 。在文献中，可查阅到常用的钛合金刀具的钝化参数为 0 o 卜0 0 2 m m 之间硬质合金刃口钝化半径存在一个最佳值r = 5 0 u m 2 1 1 。 在文献 i 9 中，j r e c h 等人采用不同的钝化刃口的铣刀片进行磨损试验， 试验条件如下： 刀片的参数如图2 4 所示【1 9 j ： 降； ”_ ，霸 图2 4 刀片参数示意图 切削参数：v 。= 1 4 0 m m i n ，f z = o 1 5 m m r e v ，干切削，2 7 m n c r 5 钢，硬度 2 0 0 h b 得到的试验结果如图2 5 所示【1 9 】： 图2 - 5 刀具寿命对比 从该图中，我们可以看出，表现性能最好的是珩磨刃口半径为1 0 u r n 左 右的刀片。该参数可以作为涂层刀具选择钝化参数的参考。 盼 秘 静 静 拍 0 基墨啦1o oh膏暑每、) 一曼葛一。暑声毒： 山东大学硕十学位论文 表2 - 3 常用的钝化参数【2 9 j n n 、，；7 i 。j t + ? ，二 刃嚣钝化值j刀 加工条件刃口f 型式 茂 班二：每t ，囊一廊彬；韬 精加工0 0 1 - 0 0 3 锋刃 粗加工0 0 3 - 0 0 5 铸铁件 硬 冲击加工 负倒棱刃：y m - 一1 5 。， 0 0 5 - 0 1 0 质 b 0 1 - ( 0 5 - 0 8 ) f 厶 精加工负倒棱刃：y m _ - 1 5 。o 0 i - 0 0 3 口 金 粗加工b o l - ( 0 5 - 0 8 ) f0 0 3 - 0 0 5 钢件 负倒棱刃：y o i - = - 2 0 。， 冲击加工0 0 5 - 0 1 0 b o 。= ( 0 8 1 2 ) f 粗精加工 负倒棱刃：y 讲= 一3 0 。， 0 0 2 - 0 0 5 陶 铸铁件b o l = ( 0 8 - i 2 ) f 瓷 钢件 负倒棱刃：y 讲- 一3 0 。， 冲击加工0 0 5 - 0 1 0 b o l - ( o 8 - i 5 ) f 2 4 刀具刃口钝化与非钝化形状s e m 观察实验 2 4 1 实验目的 观察刀具刃口的钝化( 涂层) 与非钝化几何形状，记录刃口原始几何形 状及尺寸，供刀刃钝化研究参考。 2 4 2 实验仪器 日本日立s e m 测试仪。 2 4 3 实验方法与过程 1 4 实验方法：采用s e m 观察； 实验过程：刀刃干纸擦拭丙酮液清洗空气囊吹试验观察。 ，茎三茎窒垦呈呈彗些垫童墼耋 2 44 实验结果及分析 1 实验结果 在相同刃口处，钝化和非钝化刀具分别放大4 0 、1 0 0 、5 0 0 、1 0 0 0 倍观 察，试验相片分别如下图所示： 钝化刀刃形状相片 ( 放大5 0 0 倍) ( c ) 图2 - 6 钝化刀刃形状相片 ( 放大1 0 0 0 倍) ( d ) 非钝化刀刃形状相片 ( 放大5 0 0 倍) ( c ) ( 放大1 0 0 0 倍) ( d ) 幽2 7 非钝化刀刃形状相片 2 实验分析 非钝化刀刃成锐状，钝化刀刃成圆弧状； 钝化刀刃成近似对称圆弧状； 在放大1 0 0 0 倍下，两种刀刃微观结构成形并不均匀，特别是钝化刀 刃，估计是刃磨、钝化等工艺引起。 第二章刀具刃口钝化技术研究 2 5 刀具刃口钝化对切削加工系统各因素影响分析 刀具刃口影响到切削加工的各个方面，包括切屑的形成、切削力、切削 温度、刀具磨损及刀具寿命、加工表面质量( 表面粗糙度、残余应力) 等方 面。 图2 - 8 切削几何模型 如图2 8 所示，由于刃口半径r b 的存在，切削层金属o 点以上部分通 过剪切滑移，沿前刀面流出成为切屑；o 点以下的一层金属在圆弧刃的作用 下，被挤压留在已加工表面上，在b c 段，这层金属又受到后刀面上b c 段 的挤压与摩擦，使该层金属又受到剪切变形，随之，该层金属产生弹性恢复， 又受到刀具c d 段的摩擦，最后形成已加工表面。刃口半径r b 的存在，会 对切削过程中的各个因素产生影响。 1 刀具刃口钝化对切削力的影响 切削力的来源包含三个方面： 1 ) 克服工件材料弹性变形的力； 2 ) 克服工件材料塑性变形的力； 3 ) 克服刀一屑、刀一工接触面上的摩擦力。 由于刀具刃口钝化半径的存在，刀一屑、刀一工接触面上的摩擦力会随 之变大，克服工件弹塑性变形的力亦会随之增加，因此，使得切削力总体增 加。 一般来说，随着倒圆半径的增加，切削力会随之增大；随着倒棱宽度的 增加，切削力亦会随之增加；随着倒棱角度的增加，切削力随之增大。 y u n g c h a n gy e n u 6 1 等人采用有限元数值仿真与试验数据相对比的方式得到 了上述的结论。 2 刀具刃口钝化对切削温度的影响 山东大学硕十学何论文 刀具刃口钝化尺寸增大，则刃前区变形增大，同时后刀面与工件之间摩 擦增大，故切削温度增大。 一般来说，随着刃口钝化尺寸的增加，切削温度亦会随之增加，这与切 削力的变化规律是一致的。 因此，在加工如钛合金等导热系数较低的难加工材料时，刀具刃口钝化 尺寸不可过大，以免增加切削温度，其效果很可能会抵消刀具刃口钝化带来 的刀具寿命的增加效果，并造成被加工表面质量下降。 3 刀具刃口钝化对切削系统稳定性的影响分析 刀具刃口经过钝化处理后，刃口均匀性与一致性增加，在切削加工过程 中，刀具刃口与工件材料的接触面积增加，且接触面为均匀一致的规整面， 因此，通过刀具刃口钝化可以降低切削颤振，提高切削加工系统的稳定性， 由此，可以降低被加工表面粗糙度，提高刀具使用寿命。 2 6 钝化与非钝化刀具切削ti - 6 ai - 4 v 钛合金实验研究 2 6 1 实验目的 在稳态切削条件下，对比钝化刀具与非钝化刀具在相同切削参数下切削 加工生成的切削力与表面粗糙度，研究刀具刃口钝化对此两者的影响规律。 2 6 2 实验设备及材料 机床参数：d a e w o oa c e v 5 0 0 立式加工中心，主轴最高转速 1 6 0 0 0 r m i n 机床功率为1l k w ，最大进给速度为1 2 m m i n ( 空行程) 。 工件材料：t i 6 a 1 4 v 钛合金，尺寸为：1 0 0 m mx8 5 m mx2 0 m m 矩形块； 材料主要化学成分见表2 4 。 表2 4t i 6 a 1 4 v 化学成分( ) 刀具参数：采用钝化与非钝化两把刀具，刀具为整体硬质合金四齿立铣刀， 规格为2 0 x 3 0 6 0 r 4 。 测量仪器：k i s t l e r 9 2 5 7 a 三向压电式动态测力仪，k i s t l t e r 5 0 0 73 通道电荷 第_ 二章刀具刃口钝化技术研究 放大器，a z 2 0 8 r8 通道数据采集卡，便携式粗糙度测量仪，d e l l 笔记型 计算机，振动及动态信号采集分析处理系统c r a s s 一套( 南京安正软件有 限公司) 。图2 - 9 为铣削力测试原理示意图。 ，、 l吃特效人器 t 铀 l k i s i j e r9 2 5 7 a 一1 铣 3 | l 数荆采锭 ? i 紫| l c 馏s 数糍震镟j 她f j 系统 铡力致k i s 妇汀9 2 5 7 a _ j 彳l rj 住乍 2 6 3 实验条件及方案 图2 - 9 铣削力测试原理示意图 铣削方式：顺铣； 冷却方式：干切削； 铣削方案：铣削参数如下表所示，钝化与非钝化刀具均采用此组参数。 表2 5 单因素实验切削参数 切削速度( m m i n ) 每齿进给量( m m ) 进 序号 切深( m m )切宽( m m ) t t 速( r m i n )给速度( m m m i n ) 13 0 4 7 8 2 5 0 7 9 6 37 0 1 1 1 5 1 0 01 37 49 0 1 4 3 3 511 0 1 7 5 2 61 3 0 2 0 7 7 4 0 6 3 7 0 0 2 5 0 9 61 o7 80 0 3 7 6 4 4 90 0 4 1 0 1 9 2 1 00 0 5 l2 7 4 1 9 山东大学硕十学位论文 切削速度( m m i n ) 每齿进给量( m m ) 进 序号 切深( f i l m ) 切宽( m m ) 转速( r r a i n )给速度( m m m i n ) 1 10 0 6 15 2 8 8 1 20 0 7 17 8 3 6 1 3 3 1 45 1 5 7 4 0 6 3 71 0 00 7 1 69 1 7 l l 1 8 1 3 1 90 3 2 00 5 2 1 o 7 4 0 6 3 71 0 07 2 2o 9 2 31 1 2 4 1 3 2 6 4 切削力钝化对比实验结果分析 采用k i s t l e r 9 2 5 7 a 三向压电式动态测力仪测量切削力，测量结果如下： 表2 - 6 钝化刀具单因素实验切削力 序号切削速度转速每齿进给量进给速度切深切宽f 。( n ) f y ( n )f ：( n ) 13 0 4 7 87 2 6 71 1 68 2 3 3 25 0 7 9 6 5 4 2 47 9 6 4 6 7 3 7 0 1 1 1 55 8 98 3 77 0 1 0 01 37 49 0 1 4 3 35 05 37 5 511 0 1 7 5 2 6 87 2 77 4 7 6l3 0 2 0 7 04 6 35 17 0 74 0 6 3 70 0 2 5 0 9 6 1 o7 3 75 8 36 5 80 0 3 7 6 4 4 4 56 8 35 6 7 90 0 4 1 0 1 9 2 5 3 38 87 7 2 0 第一二章刀具刃口钝化技术研究 序号切削速度转速每齿进给量进给速度切深切宽f 。( n ) f y ( n )f z ( n ) 1 00 0 5 12 7 4 5 18 2 37 6 1 l0 0 6 15 2 8 8 6 6 3 1 118 0 6 7 1 20 0 7 17 8 3 6 6 6 31 1 4 38 1 1 3 3 3 4 76 34 7 1 45 3 7 78 05 7 3 1 57 4 2 6 05 5 4 0 6 3 71 0 0o 7 1 69 5 04 15 4 3 1 71 1 3 83 1 34 8 7 1 81 3 2 4 3 5 4 5 1 90 3 2 4 73 4 74 7 2 0 o 5 3 4 74 7 75 7 6 7 2 10 7 4 0 36 1 76 3 7 4 0 6 3 71 0 0 7 2 2 0 9 5 1 2 7 05 7 2 31 1 5 28 2 6 77 4 2 41 3 6 1 7 1 1 0 78 8 表2 7 未钝化刀具单因素实验切削力 序号切削速度转速每齿进给量进给速度 切深切宽 f x f y f z 13 0 4 7 86 1 99 2 63 6 9 25 0 7 9 65 1 8 78 3 9 43 6 9 3 37 0 1 1 1 53 6 4 15 7 4 93 6 8 7 1 0 01 37 49 0 1 4 3 33 4 9 45 0 53 5 0 7 511 0 1 7 5 2 3 4 7 7 5 0 5 83 2 7 9 6l3 0 2 0 7 04 26 4 1 43 2 9 1 74 0 6 3 70 0 2 5 0 9 61 o73 3 35 73 0 6 7 8 0 0 3 7 6 4 43 95 8 93 4 8 90 0 4 1 0 1 9 23 6 56 8 73 5 3 1 0 0 0 5 l2 7 44 3 16 8 93 8 6 7 1 10 0 6 15 2 8 84 6 79 1 34 1 2 3 2 1 山东大学硕十学位论文 序号切削速度转速每齿进给量进给速度切深 切宽f x f y f z 1 20 0 7 17 8 3 66 5 6 71 1 6 34 2 3 1 333 96 0 33 2 1 1 4