（机械制造及其自动化专业论文）pcbn刀具负倒棱作用及其加工球墨铸铁的研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 p c b n 刀具具有硬度高、耐磨性好、热稳定性和化学稳定性好，导热性良好以及摩擦 系数低等优点，在硬态加工铁系材料时具有无可比拟的优越性，正逐步取代磨削加工而 成为一种新的精加工途径。但由于p c b n 刀具的脆性较大，在加工中易出现破损现象， 大大降低了加工可靠性，并且p c b n 刀具本身成本较高，破损后会造成较大的经济损失。 因此在加工之前一定要对p c b n 刀具的刃口进行处理以提高其抗破损能力，最常用最有 效的方法就是在刃口处磨出负倒棱，这样就可以大大提高p c b n 刀具在加工使用中的效 率和可靠性，但在生产实践中p c b n 刀具负倒棱参数往往仅凭借对硬质合金刀具的经验 来选择，没有专门针对p c b n 刀具的理论指导，因此有必要对p c b n 刀具负倒棱在加工中 的作用进行深入的研究。 p c b n 刀具应用在淬硬钢中的切削性能目前国内外已有了大量的研究，并且得出了很 多有价值的实验结果和结论。但是对于铸铁加工领域的研究则相对较少，除了对高速切 削和铣削灰铸铁有较为深入的研究探讨外，关于p c b n 刀具对球墨铸铁、蠕墨铸铁等材 料加工应用的研究却很少，而这两种材料近些年已经大量的应用于汽车、航空、机床等 制造业中，因此如何经济有效的加工这样难加工材料成为迫切需要解决的问题。 本论文共分四章：第一章绪论部分总结回顾了p c b n 刀具的特性及应用现状，简要介 绍了硬态切削技术以及p c b n 刀具加工铸铁的现状；论文第二章系统地研究了p c b n 刀具在 ) j n t 淬硬轴承钢时负倒棱参数对切削力、刀具寿命、刀具磨损形式、加工表面粗糙度以 及所得切屑形态的影响，同时验证了p c b n 刀具在加工淬硬钢时切削参数与切削力的变化 关系，通过对试验数据的分析和处理，得至i j p c b n 刀具在负倒棱参数为y 。，= 一1 5 。、b ，。 = o 2 m m 时，精加工淬硬钢可以获得最好的加工效果；第三章中通过两种高含量c b n 的 p c b n 刀具( b n 5 0 0 和b n 7 0 0 ) 在加工球墨铸铁时切削性能的对比分析，得出p c b n 刀具在) j n t 球墨铸铁时的磨损形式、加工表面粗糙度及切削力的变化范围等结果，通过对比实验结 果得出b n 7 0 0p c b n 刀具更适合加工球墨铸铁；最后在第四章对上述试验中出现的p c b n 刀 具破损现象做了分析和总结，并对p c b n 刀具近几年来的新发展做了概括。 关键词：p c b n 刀具；硬态切削；负倒棱；球墨铸铁 p c b n 刀具负倒棱作用及其加工球墨铸铁的研究 s t u d i e so nc h a m f e re f f e c to fp c b n c u t t i n gt o o la n di t sc u t t i n g p e r f o r m a n c ef o rm a c h i n i n gn o d u l a rc a s ti r o n a b s t r a c t t h ep c b nc u t t i n gt o o l ，w i t hm a n ya d v a n t a g e ss u c ha sg o o dw e a l r e s i s t a n c e , t h e r m a la n d c h e m i c a ls t a b i l i t y , l o wf r i c t i o nf a c t o ra n ds oo n , h a si n c o m p a r a b l es u p e r i o r i t yw h e nh a r d m a c h i n i n gf e r r e o u sm a t e r i a l s ，i n s t e a do fg r i n d i n g , i sb e c o m i n gan e wk i n d o ff i n i s h m a c h i n i n gw a y h o w e v e ro w n t oh i g hf r i a b i l i t y , t h ep c b nt o o li se a s yt ob eb r o k e ni nc u t t i n g p r o c e s s ，w h i c hr e d u c em a c h i n i n gp r o c e s sr e l i a b i l i t yg r e a t l y ，a n dr e s u l ti nl a r g ee c o n o m i cl o s s f o ri t sh i 曲c o s t t h e r e f o r e , t h ec u t t i n ge d g eo fp c b nt o o lm u s tb ed i s p o s e d 幻e n h a n c e b r e a k a g er e s i s t a n c eb e f o r em a c h i n i n g , a n dt h em o s tc o n l m o na n de f f e c t i v em e t h o di st og r i n d c h a m f e ro nc u t t i n ge d g e i nt h i sw a y , t h ee f f i c i e n c ya n dr e l i a b i l i t yc a nb ei m p r o v e dg r e a t l y h o w e v e rt h ec h a m f e rp a r a m e t e r so f t e nw e r es e l e c t e dj u s tr e f e r i n gt ot h ee x p e r i e n c e so f c e m e n tc a r b i d et o o l ，h a v i n gn o tt h es p e c i a li n s t r u c t i o n a lt h e o r y , h e n c e , i ti sn e c e s s a r yt oc a r r y o ni n - d e p t hi n v e s t i g a t i o ni nt h ee f f e c to f p c b nt 0 0 1 b o t hi nh o m ea n da b r o a dt h e r ew a sa b u n d a n tr e s e a r c ho nc u t t i n gh a r d e n e ds t e e lw i t h p c b nt o o l ，a n dm a n yv a l u a b l ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sa n dc o n c l u s i o n sw o r eo b t a i n e d ，b u tt h e r e s e a r c ho np c b nt o o lc u t t i n gc a s ti r o nw a sr a t h e rl i m i t e d e x c e p tf o rr e s e a r c ha n dd i s c u s so n t u r n i n ga n dm i l l i n gg r a yc a s ti r o nu n d e rh i g hc u r i n gs p e e d , o n l yf e ws t u d i e sa b o u tm a c h i n i n g n o d u l a rc a s ti r o na n dv e r m i c u l a rc a s ti r o nw i t hp c b nt o o lw e r ec u r d c do u t , w h i l et h et w o m a t e r i a l sa r ew i d e l yu s e di nm a n u f a e t u r i n g , s p e c i a l l ya u t o m o b i l e ，a v i a t i o na n dm a c h i n et 0 0 1 t h e r e f o r eh o wt oc u t t i n gt h e s eh a r d t o - m a c h i n em a t e r i a l se c o n o m i c a l l ya n de f f e c t i v e l yi s b e c o m i n g a l lu r g e n t - t o s o l v ep r o b l e m t h e r ea r ef o u rc h a p t e r si nt h i st h e s i s i nt h ec h a p t e ro fi n t r o d u c t i o n , t h ec h a r a c t e r i s t i c s a n da p p l i c a t i o no fp c b nt o o lw e r es u m m a r i z e da n dr e v i e w e d ，a n dh a r dc u t t i n gt e c h n o l o g y a n dt h es i t u a t i o no fp c b nt o o la p p l i e dt om a c h i n i n gc a s ti r o nw e r ec o n c i s e l yi n t r o d u c e d i n t h ec h a p t e rt w o ，t h ee f f e c to fc h a m f e rp a r a m e t e ro fp c b nt o o l0 1 1c u t t i n gf o r c e , t o o ll i f e , s u r f a c er o u g h n e s sa n dc h i pf o r mw a ss y s t e m i c a l l yi n v e s t i g a t e d ，m e a n w h i l et h ev a r i e t y r e l a t i o n sb e t w e e nc u t t i n gp a r a m 啪a n dc u t t i n gf o r c e sw e r ev e r i f i e dw h e nt h ep c b nt o o l t u r n i n gh a r d e n e ds t e e l t h r o u g hd i s p o s e da n da n a l y s e dt h ee x p e r i m e n t a ld a t a , i tw a s c o n c l u d e dt h a tt h eb e s tm a c h i n i n ge f f e c tc a nb eg o t t e na tt h ec h a m f e rp a r e m e t e ro fyo l = 一 1 5 。，by i = o 2 m mw h e nt h ep c b nt o o lf i n i s hm a c h i n i n gh a r d e n e db e a r i n gs t e e l i nt h et h i r d c h a p t e ro f t h et h e s i s ，t h ep e r f o r m a n c e so f t h et w oh i g hc o n t e n tc b nt o o l ( b n s 0 0a n db n 7 0 0 ) i nm a c h i n i n gn o d u l a rc a s ti r o nw e r ec o m p a r e da n da n a l y s e d , a n dt h er e s u l t sa b o u tt h ew e a r 大连理工大学硕士学位论文 t y p e s ，t h ev a r i e t yr a n g eo fs u r f a c er o u g h n e s s a n dc u t t i n gf o r c ew e r ea c h i e v e d t h e e x p e r i m e n t a ld a t as h o w e dt h a tb n 7 0 0p c b nt o o lh a ss u p e r i o rp e r f o r m a n c ei nc u t t i n gn o d u l a r c a s ti r o n i nt h ef o u r t hc h a p t e rt h eb r e a k a g ep h e n o m e n ao fp c b nt o o la p p e a r e di nt h ea b o v e e x p e r i m e n t sw e r ea n a l y s e da n ds u m m a r i z e d ，m o r e o v e r ，t h en e wd e v e l o po fp c b nt o o li n r e c e n ty e a r sw a ss u m e du p k e yw o r d s ：p c b nt o o l ：h a r dc u t t i n g ：c h a m f e r ：n o d u l a rc a s t i r o n 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名： 刎1 2 - 吾j 人连理工人学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工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，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名：馋丰色爿行 导师签名： 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 本课题的研究背景 随着制造技术的发展，切削加工作为制造技术的主要基础工艺，进入了以发展高速 切削、开发新的切削工艺和加工方法、提供成套技术为特征的新阶段。与此同时，刀具 技术也向着高硬度、高速度、高精度和干式加工方向发展，在汽车、航空航天、能源、 军事、模具等领域发挥着重要作用。 p c b n 刀具、陶瓷刀具、涂层刀具等均具有很高的硬度、耐磨性和化学稳定性，适于 高速切削、干式切削、硬态切削等绿色制造的要求。由于p c b n 刀具在加工精度、切削 效率、刀具寿命等各个方面具有无可比拟的优越性，因此，p c b n 刀具的推广应用可创造 巨大的经济效益。 p c b n 作为新兴的超硬刀具材料给精密和超精密加工带来了新的活力，与磨削加工 相比，用p c b n 刀具硬态切削淬硬材料可以有更好的加工柔性，同时得到更好的加工表 面质量。在精密硬态加工中，着重考虑的问题是如何使得刀具的磨损最小，从而保持工 件的形状准确，表面完整性良好。因此，为了以最小的成本获得最高的生产率，需要优 化刀具的几何形状。早期对刀具几何形状的研究是针对刀具前刀面以及刀尖形状展开的 p 】，得出在加工中合理的刀尖和刀面参数值。p c b n 的高硬脆性特点决定了刀具刃口的 处理是加工中的一个重要因素，最常用的刃口处理方式是在刃口处倒出负倒棱，以加强 刀具强度和抗剪切能力。 。 h o s h i 首先提出刀具加工时采用负倒棱和正前角相结合的刀具刃口模式【“，它在研 究中发现负倒棱刀具在加工中出现金属死区，使得刀具具有更好刃口强度，同时减小了 刀具磨损。负倒棱在加工中对径向力的影响最大。m o o r e 做了另外一项有关负倒棱作用 的试验 2 1 ，他发现陶瓷刀具的抗破损能力会在有负倒棱的情况下增强，因此刀具的寿命 得以提高。由此可见，p c b n 刀具负倒棱参数的合理选择对于p c b n 刀具的使用效果有 重大影响。但至今为止，p c b n 刀具负倒棱参数仅凭针对硬质合金刀具的传统经验来选 择，缺乏正确的理论指导，因此深入了解负倒棱在切削加工中的作用成为当前p c b n 使 用中亟待解决的问题。 p c b n 刀具负倒棱作用及其加r 球墨铸铁的研究 1 2p c b n 刀具的特。陛及应用现状 1 2 1p c b n 刀具的发展 立方氮化硼( c b n ) 是纯人工合成材料，是继人造金刚石之后美国g e 公司于1 9 5 7 年首先宣布利用高温、超高压装置合成的另一种新型超硬材料【3 】。聚晶立方氮化硼 p c b n ( p o l y c r y s t a u i n ec u b i cb o r o nn i t r i d e ) 是由c b n 微粉与少量结合剂烧结而成的多晶 体，它自1 9 7 3 年研制成功以来，经过众多材料专家及刀具专家的努力，p c b n 材料及 其刀具己完全进入实用阶段，在工业发达国家p c b n 刀具己应用于汽车、重型机械等机 械加工行业，不仅提高了这些国家该领域产品在国际市场上的竞争力，而且为它们带来 了巨大的经济效益。 其中美国在其1 9 7 5 年首次出售商标为b z n 的p c b n 复合片【4 】，其最新的牌号为 b z n - 7 0 0 0 s ，b z n 一6 0 0 0 和b z n 一8 2 0 0 ，分别用于铸铁、合金和淬硬钢的切削加工。g e 公司最 近研制出耐热双面p c b n 复合片，测试结果表明此种刀片具有较高的韧性。 日本东芝公司在1 9 7 5 年从美国g e 公司制作p c b n 刀具的技术，1 9 7 7 年住友公司研 制出日本自己的牌号s u m i b o r o nb n 2 0 0 ，相继的日本的三菱公司、黛杰公司也分别生产 出自己品牌的p c b n 复合片。目前，日本p c b n 刀具产品销量几乎占世界的5 0 。 英国d e b e e r s 公司也在7 0 年代中期研制出p c b n 刀具制品a m b o r i t ea m b 9 0 ，又于 1 9 8 6 年研制成功适合精加工的p c b n 刀具牌号d b c s o ，1 9 9 2 年推出使用范围较广d b c 8 0 牌号，1 9 9 8 年推出了新的复合片牌号d b n 4 5 【4 j 。 最近，有资料介绍，英国研制出了一种p c b n 刀片表面上用化学气相沉积( c v d ) 法涂 覆一层镍、铜、钛、钴、铬、钽的混合物，以及t i n 或t i c 的防护涂层，其耐磨性可比 普通的p c b n 刀片高4 倍。 我国于1 9 6 7 年合成出立方氮化硼样品，1 9 7 5 年开始工业生产，1 9 7 3 年1 1 月四川 省立方氮化硼协作组以立方氮化硼单晶作原料研制出我国第一代( 直径为0 2 5 0 4 r a m ) 整体聚晶立方氮化硼刀具。郑州磨料磨具磨削研究所于1 9 8 7 年生产的p c b n 复合刀片l f 0 2 5 、l f 0 1 0 、l f 0 0 5 分别用于粗、精、超精加工。冶金部桂林矿产地质研 究院超硬材料研究所和北京钢铁学院研制成功l b n 2 y 牌号系列复合刀片。此外，国内还 有新亚公司、冶金部超硬材料研究所等单位研制生产p c b n 复合片h i 。 但到目前为止，我国由于对c b n 材料及其应用技术的研究速度缓慢，缺乏有关的 系统性研究，认为它价格高，对使用条件要求高，多以单件刀具成本来片面地衡量经济 效益，限制了p c b n 刀具的推广使用，我国p c b n 刀具的年产量仅数百万元人民币，年 消耗也仅千万元左右，而且绝大部分p c b n 刀坯或刀具还要从国外进口。 大连理工大学硕十学位论文 1 2 2p c b n 刀具的性能 立方氮化硼( c b n ) 是继人工合成金刚石之后出现的，利用高温高压技术，用结构 与石墨相似的六方氮化硼转变而获得的第二种超硬材圳5 1 ，它是氮化硼b n 的同素异构 体之一，其结构如图i i 所示。它与金刚石不仅晶格常数相近( 金刚石为3 5 6 7a ，立方 氮化硼为3 6 1 5a ) ，而且晶体中的结合键基本相同，即都是四面体杂化的共价键，所不 同的是金刚石中的结合键纯系碳( c ) 原子之间的共价键，若将图1 1 中的硼( b ) 、氮( n ) 原 子均换成碳原子，则就成为金刚石的晶体结构。 o h 图i 1c b n 晶体结构 f i g i it h es t r u c t u r eo f c b nc r y s t a l 立方氮化硼的硬度虽略低于金刚石，但却远远高于其它高硬度材料，其性能指标见 表1 i 。 表i 1 立方氮化硼性能 t a b 1 1t h ec h a r a c t e r i s t i co f c b n 由于c b n 晶体与金刚石晶体都属闪锌矿型且格常数相近，化学健类型相同，因此又 具有接近金刚石的硬度和抗压强度，而又由于其是由n 、b 原子所组成，因此具有比金刚 石更高的热稳定性和化学惰性p c b n 刀具材料主要性能如下f 6 】： p c b n 刀具负倒棱作用及其加工球墨铸铁的研究 ( 1 ) 具有很高的硬度和耐磨性 c b n 单晶的显微硬度为8 0 0 0 9 0 0 0 h v ，是目前己知的第二高硬度的物质，p c b n 复合片的硬度一般为3 0 0 0 5 0 0 0 h v 左右。在切削耐磨材料时其耐磨性是硬质合金刀具 的5 0 倍、涂层硬质合金刀具的3 0 倍、陶瓷刀具的2 5 倍。 ( 2 ) 具有很高的热稳定性和高温硬度 c b n 的耐热性可达1 4 0 0 1 5 0 0 c ，在8 0 0 c 时仍具有相当a l z 0 3 t i c 陶瓷的常温硬 度。因此当切削温度较高时使被加工材料软化，与刀具问硬度差增大，有利于切削加工进 行，而对刀具寿命影响不大。 ( 3 1 具有较高的化学稳定性 c b n 具有很高的抗氧化能力，与铁系材料在1 2 0 0 1 3 0 0 时也不发生化学反应： 与碳在2 0 0 0 c 时才发生反应；在中性还原性的气体中，对酸碱是稳定的。其对各种材料 的粘结、扩散作用比硬质合金小得多。 ( 4 ) 具有较好的导热性 在各类刀具材料中c b n 的导热性仅次于金刚石，导熟系数为1 3 0 0 w ( m ) ，是紫铜 的3 2 倍，是硬质合金的2 0 倍，而且随着温度的升高，p c b n 导热系数是增加的，而氧 化铝的导热系数是降低的。p c b n 刀具导热系数高可使刀尖处温度降低，减小刀具的磨 损，有利于加工精度的提高。 ( 5 ) 具有较低的摩擦系数 与不同材料闻的摩擦系数c b n 为0 1 o - 3 ，硬质合会为0 4 0 6 ，随着切削速度的 提高，摩擦系数是减小的。这一特性导致切削时刀与屑间摩擦减小，切削变形减小，切削 力降低加工表面质量提高。 1 2 3p c b n 刀具材料的种类 p c b n 除具有以上优良的性能外，为进一步提高其强度，目前各p c b n 制造商多将 0 5 m m 左右的p c b n 层直接烧结或焊接在硬质合金基体上，使之形成一个复合整体( 也 称p c b n 复合片) 1 7 1 ，这样p c b n 材料的高硬度、高热稳定性和高化学稳定性与硬质合 金基体的强度优、可焊性好等优点结合在一起，使p c b n 刀具既能够承受巨大切削力， 同时也能够承受间断切削时的高冲击力，而且也易于生产制造。 p c b n 刀具按添加成分分为：有直接由c b n 单晶烧结而成的p c b n 和添加一定比 例粘结荆的p c b n 烧结体两大类；按制造复合方式分：有整体p c b n 烧结块和与硬质合 金复合烧结的p c b n 复合片两类【8 。目前应用较广的是带粘结剂p c b n 复合片，根据添 加的粘结剂比例不同则p c b n 硬度不同，粘结剂含量越多则硬度越低、而韧性越好；粘 大连理工大学硕士学位论文 结剂种类不同，则p c b n 的用途也不同，表1 2 所示为p c b n 刀具常见粘结剂种类及其 用途。 袁1 2p c b n 刀具常见粘结剂种类及其用途 t a b 1 2t h ec o l l l l l o nk i n do f b i n d e ro f p c b nt o o la n di t s 璐嚣 1 2 4p e l 孙l 刀具国内外的应用情况 p c b n 刀具作为比较年轻的刀具材料，经过了2 0 多年的发展，其性能已有了很大 的提高，出现许多新的适用于不同加工要求的材质牌号，在各个行业中都有了一定的应 用比例。目前，p c b n 刀具在各行业中的应用占整个p c b n 刀具应用的比例如图所示。 图i 2p c b n 刀具在各行业中的应用比例 f i g 1 2t h eu s ep r o p o r t i o no f p c b nt o o l si ni n d u s a y 由于p c b n 刀具的高硬度、抗耐磨性的特点非常适合于自动化生产方式，因此， p c b n 刀具应用于汽车制造业的比例最大，占整个用量的5 0 。其主要用于汽车零件中 的铸铁件( 如发动机缸体、缸孔、轮毂) 和淬火件( 如变速齿轮拨插槽及气门孔硬质合 金压环) 等零件的加工。在重型机械行业中，主要应用于表面喷涂( 焊) 抗磨材料的切削 加工及其他耐磨零件的切削加i i g 。 p c b n 刀具对铁族元素呈惰性，同时又具有上面介绍的优良性能，加工时具有较高 的刀具寿命，因此可在较高的切削速度下获得较高的生产率，故p c b n 刀具主要适用于 p c b n 刀具负倒棱作用及其加工球墨铸铁的研究 加工各种高硬度材料【5 】( 如冷作工具钢、热作工具钢、高速钢、轴承钢、粉末冶金钢、 粉末冶炼金属、马氏体不锈钢、高强度钢、高锰钢、白口铸铁、奥氏体软铁等) 、各种 冷硬铸铁和耐磨铸铁如i n c o n c l 7 1 8 、表面硬化合金、烧结w c 、球墨铸铁、c g i 及各种 铁基、镍基、钴基和其它热喷涂( 焊) 零件，据调查p c b n 刀具在淬硬钢和铸铁的精密切 削加工应用最为广泛，占p c b n 刀具数量的8 0 以上。另外，p c b n 刀具还可用于高速 铣削灰铸铁和冷硬铸铁，加工高温合金、硬质合金、工程陶瓷及其它难加工材料。由于 c b n 与铁素体有亲和性，因此p c b n 刀具仅用于硬态切削中( h r c 4 5 以上) ，再者某 些材料或加工条件( 如典型的软钢、奥氏体或铁素体不锈钢、高铬钢或表面涂铬材料、 采用断续切削的高速钢、铁基类表面硬化合金等) 由于容易引起p c b n 刀片的非正常化 学磨损，因此不宜采用p c b n 刀具加工。在日本p c b n 应用于淬硬钢的比例最大，占 6 5 左右。 在一些发达国家如美国、日本、德国等国家在汽车制造、难加工材料的加工中，己 大量稳定地使用p c b n 刀具，并都取得了很好的加工效果和经济效益。据统计，美国 1 9 9 6 年p c b n 刀具的年消费量约为6 亿美元，相比之下，占我国p c b n 刀具使用量9 0 以上的汽车行业其年需要量仅为1 0 0 0 万元左右，其他方面的应用量更是相当少，可 见差距之大。目前国内生产的p c b n 刀具与国外的主要差距有刀坯尺寸、原材料粒度、 刀具寿命、刀具几何精度、过渡刃均匀性、刀具标准、刀坯的切割、代销点、包装和产 品样本等1 0 项。 总结国产p c b n 刀具的薄弱环节有以下几个方面： ( 1 ) c b n 原料品种少，质量差 国内c b n 原料晶形、强度与国外产品相比有较大的差距。今年来，随着国内琥珀色 c b n 的出现，于国外产品水平的差距有所减小，但国产c b n 刀具普遍存在抗氧化性不高， 无高品级单晶，无粗颗粒c b n 和微粉供应的厂家，对c b n 单晶制造技术的研究不够，缺 乏脚踏实地的基础性研究，如h b n 的制备及提纯对c b n 的影响、合成c b n 的触媒的制备 及研究，更谈不上赶超国外先进水平。 ( 2 ) 高温高压技术与国外相比还有一定的差距 国内目前采用六面顶合成c b n ，产量低、时间短、质量差。而国外采用两面顶合成 c b n 及其复合层，其腔体大，温压参数便于控制，保压时间长，通过氯化钠传温传压， 防止了液腊石形变引起的压降，所以能生产出尺寸大、质量稳定的细颗粒度的p c b n 刀 坯。 6 一 大连理工大学硕士学位论文 ( 3 ) c b n 刀具加工机床落后于国外国内对p c b n 刀具缺乏统一的标准，生产厂家一般 采用加工硬质合金材料的工具磨床磨削p c b n 刀具。而国外采用数控工具磨床、专用夹 具磨削p c b n 刀具，所以加工精度高，圆弧过渡号，对p c b n 刀具有比较完善的检测系统。 ( 4 ) 对p c b n 刀具的应用研究少、不系统、服务性差 国内对p c b n 刀具的应用研究做的工作一般是p c b n 刀具生产厂家根据用户图纸进行 生产，推荐一些切削参数，而缺乏更加深入的研究，近些年已经有了一定的改善，但还 是存在较大差距。国外产品在样本、包装方面大大优于国内产品，肯投入、重信誉、以 优良的售前售后服务取信于用户。 1 3 硬态切削技术 硬态切削是指在铁族零件淬硬热处理后的切削加工，而过去磨削仍是其唯一的加工 方法。随着陶瓷刀具，特别是p c b n 刀具( p c b n 材料有优良的红硬性。在1 0 0 0 。c 下的 硬度仍高于硬质合金在室温下的硬度) 的研制成功，硬态切削得到飞速飞展。 1 3 1 硬态切削概念 硬态切削是指采用超硬刀具对硬度大于5 0 h r c 的淬硬钢进行精密切削的加工工艺 u o 。与磨削相比，硬态切削具有良好的加工柔性、经济性和环保性能，在精磨工序中采 用硬态切削是加工淬硬钢的最佳选择。 1 3 2 硬态切削机理 硬态干式切削条件下的进给速度、切削深度和切削速度都有别于普通切削，刀具一般 采用负倒棱来保护刃口，在高速切削状态下，一般的金属切削理论已不完全适合硬质材料 的切削过程分析，因此必须根据硬质材料和所用刀具的特点来研究其切削加工过程，硬态 干式切削的研究内容及相互联系见图1 3 。 l 刀具未磨损状态 r 叫下切削力的理论 j 分析和与琐撖 切l l 一 削p h 力ll 阿菊磊磊 l 一切削力的理论分 i 析和与预掇 贺黼卜小赢 锯齿形切屑的生ll 冷却条件下的切 成机理 l 削传热模型 亡鲨竺h 竺鲎! ! h 竺竺型 图1 3 硬态干式切削的研究内容及相互联系 f i g 1 3 t h er e s e a r c hc o n t e n t sa n d t h e r e l a t i o n s o f h a r d d r y c u t t i n g p c b n 刀具负倒棱作用及其加工球墨铸铁的研究 1 3 3 硬态切削力的特点 巴西a b r a o m e n d e s 博士【1 1 】分别选用陶瓷刀具、低c b n 含量和高c b n 含量的p c b n 刀具切削a i s l 5 2 1 0 0 轴承钢( 硬度6 2 h r c ) 时发现：径向切削力最大，其次是主切削力和 轴向切削力：粗加工时切削力约为精加工时的6 9 倍；切削力与进给量、切削深度和 后刀面磨损量成近似线性关系；当切削速度增大时，切削力稍有下降。德国阿亨工业大 学w k o n i g 教授【1 2 】通过用陶瓷刀具和p c b n 刀具切削1 0 0 c r 6 淬硬轴承钢的切削力对 比实验，研究了切削速度、切削深度和迸给量对切削力的影响趋势。研究表明：主切削 力和轴向力的变化与切深呈线性增长趋势，而径向力增长缓慢；不同的进给量对切削力 的变化影响趋势一致，轴向力的增长速率稍低于主切削力和径向力，而当进给量很小时， 会出现径向力大于主切削力的现象。日本中山一雄教授【l 习认为，提高切削速度使切削力 有所下降的主要原因是切削温度升高使工件塑性增强( 即金属的硬度因切削温度的作用 而降低1 。不过这种性质的变化仅限于一定的切削速度范围，当切削速度超过2 0 0 m m i n 时，切削力并不沿下降通道变化。这与w k o n i g 教授的研究结果一致。中山一雄教授认 为，尽管淬硬材料的硬度较高，但切削力较小，其原因一是由于断裂的产生使塑性变形 十分小，二是因为刀屑接触面积小，使摩擦力减小。哈尔滨理工大学刘献礼教授 4 采用 正交试验对切削力的各影响因素进行设计，得出了切削速度、切削深度、进给量和工件 硬度对应切削力的三维曲面，在试验条件下得出了主切削力变化规律基本符合传统金属 切削理论的结论。 英国伯明翰大学e g n g 博士【1 4 1 对p c b n 刀具切削a i s i h l 3 淬硬钢时的切削温度和切 削力进行了有限元仿真求解，其最大误差达2 5 ，精度分散性大。同时有限元计算量也 很大。张弘驶【l5 】教授运用挤压和轧制理论，根据能量原理对倒棱刀具的切削机理进行了 深入阐述，提出了倒棱刀具的三区模型( 第一变形区、金属死区、第二变形区) ，并能对 剪切角和切削力进行预报和仿真；根据金相分析和快速落刀装置，发现金属死区的存在 并不依赖于切削速度、前角和倒棱角度；在同样的切削条件下，倒棱刀具的剪切角小于 单尖刀具剪切角约2 0 3 0 。 1 3 4 硬态切削的切屑形态 金属切削过程研究的重点和核心是切屑的形成过程。硬态切削过程一般产生锯齿形 切屑。i c f k o c h 博士和p f a l l b o c h m e r 博士【1 6 1 认为，硬态切削的切屑形态受切屑厚度的 影响最大，当切屑厚度小于2 0 p r o 时易产生带状切屑，否则生成锯齿形切屑。形成锯齿 形切屑的原因主要是刀具前刀面附近的工件材料受到挤压而堆积在前刀面上，刀具继续 向前切削致使切屑材料发生突然断裂。 一8 大连理工大学硕士学 奇论文 关于锯齿形切屑形成机理有很多著名的论断。1 9 6 4 年r e c h t 提出了切削加工时突变 剪切失稳的经典模型，当名义应力一真实应变曲线斜率为零时，即温度变化的局部速率 对强度的负面影响等于或大于强度所产生的应变硬化的正面影响时，材料内部的塑性变 形区便产生突变剪断。美国俄克拉荷马州立大学的h o u z h e n - b i n 和r a n g a k o m a n d t w i 【1 7 】 提出了锯齿形切屑形成过程中的热力学模型，他们的实验表明，切削速度和进给量在剪 切发生失稳中起着重要作用。s a m i a t i n 和r a b 发现当正常的流动软化率对应变速率敏感 值之比等于或大于5 时，金属切削过程的非均匀流动立刻发生。热塑过程的不稳定性( 应 变硬化与热软化) 导致剪断区产生，即使没有热软化效应，其它机理也可使剪切带抗剪 强度明显减小。例如当剪切带产生微裂纹时，使承受应力的实际面积减小，w a l k e r 和 s h a w 认为这是机加工中切屑断裂的一种可能机理。最近s h a w 和v y a s 【18 】对较低切速下 加工a i s l 4 3 4 0 钢和低速加工钛合金产生节状切屑的研究更清楚地证实了上述概念。由 于此时的切削速度很低，剪切面产生的热可向任意侧面扩教，热软化相当困难，因此可 解释为由于微裂纹的存在使实际剪断强度降低。剪断失稳的其它机理包括材料组织转 变，如在某些钢中马氏体向奥氏体的逆转变。中山一雄对淬硬钢硬态车削时锯齿形切屑 形成机理的观点是：切屑形成起源于自由表面上剪应变值最大处邻近自由表面的变形 假设为纯剪切作用的结果，剪切断裂与自由表面夹角为4 5 0 。s h a w 用解析法获得“应变 能密度”因子s ，并在平面应变条件下模拟了锯齿形切屑的生成机理，提出硬态切削淬 硬钢时锯齿形切屑形成的新模型，给出了负载角q 与断裂角0 0 之间的关系式。 大连理工大学王敏杰、胡荣生教授【1 9 1 的研究表明，锯齿形切屑主要是因为高速切削 产生的热塑剪切失稳所致。热塑剪切失稳是广泛存在于许多动态塑性变形过程中的一种 材料破坏现象，其先决条件是变形材料的局部温升引起的热软化效应足以抵消材料的变 形强化效应。金属切削过程中的热塑剪切失稳是指发生在第一变形区的强烈局部剪切集 中，其结果导致不对称的锯齿形切屑，它与普通金属材料在低速下形成的挤裂切屑不同， 特征是切屑的各锯齿之间以变形很大的热塑剪切带相隔。采用金属陶瓷刀s n m g l 2 0 4 1 2 n _ - it g ( 牌号z k o ) 切削g c r l 5 轴承钢的试验结果表明：当切削深度为o 5 4 m m 、进 给量0 0 7 o 4 3 m m r 、切削速度2 1 3 0 1 6 0 m m i n 时，开始产生热塑剪切失稳。 1 3 5 硬态切削的已加工表面完整性 切削加工过程中切削热的产生和传导、高速摩擦和磨损等因素都会对已加工表面造 成一定程度的破坏。用硬态切削取代磨削加工的关键是如何获得理想的加工表面粗度、 形状精度和加工表面状态，而提高硬态切削的加工精度和硬态切削工件的性能是一个需 p c b n 刀具负倒棱作用及其加工球墨铸铁的研究 要长期深入研究的课题。硬态切削己加工表面的完整性主要包括以下内容：表层组织形 态及其硬度、表面粗糙度、尺寸精度、残余应力的分布和白层的产生。 美国普渡大学c r “u 教授【2 0 】早在1 9 7 6 年便发表了切屑形成过程对已加工表面亚 表层力学状态的论文，主要分析了尖刃刀具和磨损刀具对残余应力的影响。最近c r l i u 还通过实验论证了超精密硬态切削淬硬轴承钢的可行性和切削条件。并在超精密硬态切 削加工表面的残余应力模型、模拟和优化研究方面做了大量工作。德国p l e s k o v a r t l 6 的 研究工作表明：已加工表面微观硬度受进给量和后刀面磨损量的影响较大，进给量越小， 磨损量越大，表面硬度越高。刘献礼教授【2 l 】 4 1 的正交硬态切削试验结果表明：切削速度、 进给量和切削深度对表面硬度的影响都具有单一变化规律。即已加工表面硬度随切削速 度的提高而增加。随进给量和切深的增大而降低，而且已加工表面硬度越高，硬化层深 度越大。通过对试件的基体组织和表层组织的扫描电镜照片进行对比分析，认为硬态切 削过程中己加工表面硬度虽有所提高，产生一定的硬化深度，但对表面表层的金相组织 并无破坏。 伯明翰大学d i c a s p i n w s l l 教授 2 2 1 在高刚性数控车床上采用陶瓷和p c b n 刀具切削 淬硬a i s i e 5 2 1 0 0 轴承钢时发现：工件表层和亚表层的组织状态发生变化，其微观组织 由白色的未回火层和黑色的过回火层组成。实验结果显示硬态切削后工件表面均为残余 压应力，而磨削后工件的最大压应力主要集中在工件表面。 残余应力与材料的成分、组织和缺陷一样，对工件的机械性能有很大影响，多数情 况下必须控制残余应力的大小及其分布规律。硬态切削过程中残余应力的产生被认为与 切削热的形成及热源的移动速度、切削刃的几何形状、工件材料以及刀具磨损等关系密 切。国外不少学者试图通过仿真切削热的生成与移动来计算残余应力，但切削热形成的 复杂性和残余应力测量误差等原因导致仿真误差较大。最近，加拿大k u r t j a c o b u s 运用 平面应变粘弹塑性理论、美国普渡大学s m i t t a l 2 0 l 运用多项式拟合原理预测切削参数对 残余应力分布的影响，其不足之处是都需要进行大量的标定实验来估计系数。j d t h i e l e 等研究了精密硬态切削过程中切削刃几何形状和工件硬度对工件表面残余应力的影响， 实验中分别选用尖刃、倒棱、钝圆三种刃部的p c b n 刀具，测试结果显示：刀具钝圆半 径越大，残余压应力值越大；工件硬度越高，残余压应力值越大。y m a t s u m o t o 和 d w w u 【2 3 】也认为工件硬度对工件表面完整性的影响极大，工件硬度值越大，越有利于 残余压应力的形成。y m a t s m o t o 还认为，刀具几何形状也影响残余应力的形成，双倒 棱和大钝圆刀具所形成的残余压应力远远优于单一倒棱和尖刃刀具，但切削参数( 切深 和进给量1 对残余应力没有显著影响。 l o 大连理工大学硕士学位论文 1 3 6 硬态切削中刀具的磨损特征 目前关于硬态切削过程中刀具的主要磨损机理方面还存在着一些分歧，b o g g i o t 2 4 】 等人研究认为：c b n 颗粒发生化学磨损是p c b n 刀具磨损的主要原因，而粘结剂在切 削过程中的耐磨性能要好于c b n 颗粒。b a r r y 和b y m c ( 2 0 0 1 ) 两位学者赞同b o g g i o ( 1 9 9 6 ) 关于c b n 刀具磨损主要是由化学机理产生，他们指出粘结剂比c b n 颗粒更耐磨损【3 0 】。 z i m m e r m a n c t a l