（机械制造及其自动化专业论文）pcbn刀具断续切削性能的试验研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 聚晶立方氮化硼( p c b n ) 刀具适用于硬材料的高速切削、干式切削等先进切削加 工工艺。国外在汽车制造和自动化生产中已广泛使用p c b n 刀具加工淬硬钢、高硬度铸 铁和抗磨零件。目前，p c b n 刀具切削技术的研究主要集中在连续切削上，但是生产实 践中经常遇到断续加工，比如齿轮面、带花键轴的加工等，这对p c b n 刀具的使用性能 提出了更高的要求，而且p c b n 刀具中粘结剂种类和含量的不同对其性能影响很大。因 此，有必要对不同类型p c b n 刀具的断续切削性能进行研究。本文使用不同牌号p c b n 刀具断续切削等温淬火球墨铸铁( a d i ) 和g c r l 5 轴承钢，借助k i s f l e r 三向测力仪和 j s m 5 6 0 0 l v 型扫描电子显微镜，通过切削力试验、刀具寿命和磨损试验，对p c b n 刀 具断续切削性能和磨损机理等问题进行了深入研究，为p c b n 刀具的平稳、安全、高效 应用提供了依据和参考。 p c b n 刀具断续切削a d i 的试验结果表明：断续切削过程中切削力包括准静念切削 力和冲击力；使用d b w 8 5 或b n 7 0 0 ( 高c b n 含量) 刀具时切削速度适宜选择大些； d b w 8 5 断续切削a d i 的寿命高于d b c 5 0 ，在较高速度下( 1 3 0 m m m ) 优势更明显；高 c b n 含量刀具主要以磨粒磨损和粘结扩散磨损为主，低c b n 含量刀具主要以微崩刃和 粘结扩散磨损为主；断续切削a d i 时，p c b n 刀具的抗断裂韧性和导热性决定了其断续 切削性能。对p c b n 刀具断续切削g c r l 5 的性能分析表明：切削速度对d b c 5 0 ( 低c b n 含量) 刀具的切削力影响较小，可以选择高些；对比使用寿命，d b c 5 0 刀具要好于 d b w 8 5 ；刀具磨损的主要原因是机械磨损、粘结扩散磨损和化学磨损，同时伴随有微 崩刃；p c b n 刀具的耐高温性能及抗断裂韧性决定了其断续切削g c r l 5 轴承钢的性能； g c r l 5 的切屑形态随着切削速度的提高，在某一临界速度下，从带状切屑转变到锯齿形 切屑，最后可能形成挤裂切屑。此外，在研究p c b n 刀具断续切削性能的试验过程中， 当刀具磨损到一定程度或者速度过高( 1 6 0 r n m i n ) 时，试验所用刀具都出现严重的崩 刃破损现象，分析认为，低速断续切削时，冲击产生的机械应力是造成刀具破损的原因， 高速时，热应力和机械应力共同造成刀具破损。 关键词：p c b n 刀具；断续切削；切削力；刀具寿命；磨损机理 p c b n 刀具断续切削性能的试验研究 r e s e a r c ho nt h ep e r f o r m a n c eo fp c b nt o o l si ni n t e r r u p t e dc u t t i n g a b s t r a c t t h ep o l y e r y s t a l l i n ec u b i cb o r o nn i t r i d e ( p c b n ) t o o li ss u i t a b l et ot h eh i g h - s p e e dc u t t i n g a n dd r y - c u t t i n ga n di ti su s e dw i d e l yi nt h et h ea u t o m o b i l ei n d u s t r ya b r o a d c u r r e n t l y , s t u d yo n t h eu s i n go fp c b nt o o l si sm a i n l yf o c u so nt h ec o n t i n u o u sc u t t i n g ，b u tc o m p o n e n t sw i t h i n t e r r u p t e ds u r f a c ec a l lb em e to f t e ni np r o d u c t i v ep r a c t i c e ，s u c h 弱g e a ra n dc a s f e l l a t e ds h a f t ， e t c ，w h i c hr a i s em o r er e q u i r e m e n t st ot h ep c b nt o o l s p e r f o r m a n c ew h i c hw i l lb ed i f f e r e n t w i mt h et y p e sa n dc o n t e n to fb i n d e r s oi ti sn e c e s s a r yt od os o m er e s e a r c ho nt h e p e r f o r m a n c eo fp c b nt o o l si ni n t e r r u p t e dc u t t i n g i no r d e rt op r o v i d es o m er e f e r e n c e sa n d f o u n d a t i o n sf o rs t a b l e ，s a f e ，e f j f i c i e n ta p p l i c a t i o no fp c b nt o o l s ，d i f f e r e n tk i n d so fp c b nw e r e c h o s e nf o ri n t e r r u p t e dc u t t i n ga u s t e m p e r e dd u c t i l ei r o n ( a d i ) a n dg c r l5b e a r i n gs t e e li nt h i s p a p e r , t h e nb yu s i n gt h ek i s t l e r t h r e e d i m e n s i o n a ld y n a m o m e t e ra n dt h ej s m - 5 6 0 0 l v e l e c t r o n i cs c a n n e rm i c r o s c o p e ，t h et o o lp e r f o r m a n c eo fi n t e r r u p t e dc u t t i n ga n di t sw e a l m e c h a n i s mw e r es t u d i e dd e e p l yb a s e do nt h ec u t t i n gf o r c e ，t o o ll i f ea n dt h em i c r o g r a p ho ft o o l w e a ra r e a a c c o r d i n gt ot h er e s u l t so fi n t e r r u p t e dc u r i n ga d iu s i n gp c b n t o o l s t h ec u r i n gf o r c e c a l lb ed e v i d e di n t os t a t i cc u t t i n gf o r c ea n di m p a c tf o r c e ；c o m p a r e dw i t hd b c 5 0a n db n 2 5 0 t o o l s ，w h e nt h ed b w 8 5 o rb n 7 0 0t o o l sw h i c hh a v eh i g hc b nc o n t e n ta r eu s e dt oi n t e r r u p t e d c u ta d i ，t h ec u r i n gs p e e dc o u l db ec h o s e nh i 曲e r ；t h el i f eo fd b w 8 5t o o li sl o n g e rt h a nt h a t o fd b c 5 0a n dt h ep e r f o r m a n c eo fd b w 8 5t o o li sb e r e ra th i g h e rs p e e d ( 13 0 m m i nm o r eo r l e s s ) ；t h em a i nw e a rt y p e so fd b w 8 5t o o la r ea b r a s i v ew e a ra n da d h e s i o n d i f f u s i o nw e a r , w h i l et h em a i nw e a rt y p e so fd b c 5 0t o o la t em i c r o - - t i p p i n ga n da d h e s i o n - - d i f f u s i o nw e a r ； w h e ni n t e r r u p t e dc u t t i n ga d i t h ep e r f o r m a c eo fp c b nt o o li sd e t e r m i n e db yi t sa n t i f r a c t u r e t o u g h n e s sa n dt h e r m a lc o n d u c t i v i t y i nt h ee x p e r i m e n t so fi n t e r r u p t e d - c u t t i n gg c r l5s t e e l ，t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ec u t t i n g s p e e do fd b c 5 0c o u l db ec h o s e nh i g h e r ，b e c a u s et h es p e e da f f e c t st h ec u t t i n gf o r c eo f d b c 5 0l e s s ；d b c 5 0t o o li sb e t t e rt h a nd b w 8 5o nt h et o o ll i f e ；w h e ni n t e r r u p t e dc u t t i n g g c r l5s t e e l ，a b r a s i v ew e a r ，a d h e s i o n d i f f u s i o nw e a ra n dc h e m i c a lw e a ra r et h em a i nr e a s o n s o fp c b nt o o l sw e a l , a n d 也er e s i s t a n c et ol l i g l lt e m p e r a t u r ea n da n t i f r a c t u r et o u g h n e s s d e t e r m i n ei n t e r r u p t e d - c u t t i n gp e r f o r m a n c eo ft h et 0 0 1 a d d i t i o n , w i t ht h ei n c r e a s eo fc u r i n g s p e e d ，t h ec h i pm o r p h o l o g yo f g c r l5h a dc h a n g e df r o mc o n t i n u o u sc h i pt os e r r a t e dc h i pi n c o n d i t o no fc r i t i c a ls p e e da n dt h e nt os q u e e z i n gc h i p 大连理工大学硕士学位论文 b e s i d e s ，w h e nt o o lw e er e a c h e dt os o m ee x t e n to rt h ec u t t i n gs p e e dw a sh i g h ( 16 0 m m i n ) ，t h et o o l sc h o s e ni ne x p e r i m e n ta l lt i p p e db a d l y ，s oi ti si n d i c a t e dt h a tm e c h a n i c a l s t r e s sc a u s e st i p p i n ga tl o wc u t t i n gs p e e d ，w h e r e a st h e r m a la n dm e c h a n i c a ls t r e s sa r et h e r e a s o n so ft i p p i n ga th i g hs p e e d k e yw o r d s ：p c b nt o o l s ；i n t e r r u p t e dc u t t i n g ；c u t t i n gf o r c e ；t o o ll i f e ；w e a r m e c h e n i s m i i i 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。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。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：丝业2 墨坠缝丝垄l 丝熟五这硷硷芝 作者签名：2 爱立匿一日期：耳年j 三月j 尘日 大连理t 大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 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，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、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目：2 倒2 星逝建立壶l 墨盔五星五越墟窈廛 作者签名：歪夏主丞日期：垄翌年上土月日 导师签名：e l 期：丝丑年j 三月羔二日 ? 大连理r 丁大学硕十学位论文 1绪论 1 1 本课题研究背景 随着材料工业及精密机械工业的发展，精密切削、超精密切削和难切削材料使用的 增多，超硬刀具材料的应用日益广泛。p c b n 刀具作为最主要的超硬材料刀具之一，具 有很高的硬度、耐磨性、化学稳定性，适于高速切削、硬态切削、干式切削、以车代磨 等先进加工方法，而且适合数控设备及自动化生产线使用。由于c b n 对铁族元素化学 惰性大，抗粘结能力强，故适于加工各种淬硬钢、热喷涂材料、冷硬铸铁和h r c 3 5 以 上的钴基和镍基等难切削材料【l 】。因此，p c b n 刀具切削性能的研究成为是国内外刀具 学者研究的重点。 p c b n 刀具是由p c b n 复合片与硬质合金刀杆或转位刀片焊接而成( 现在也有氮化 硼颗粒直接烧结在硬质合金基体上的整体式p c b n 刀具) ，p c b n 复合片是切削加工的 主要部分。近年，世界各大刀具厂商陆续推出了不少新型p c b n 复合片刀具，成分不同， 性能各异。目前，p c b n 复合片按粘结剂分，主要可分为陶瓷型和金属型两种，其中陶 瓷型粘结剂p c b n 复合片耐热性好，金属型粘结剂p c b n 复合片导热性好。按c b n 含 量多少分，主要可分为高含量( c b n 含量大于8 0 ) 和低含量( c b n 含量约为5 0 7 0 ) 两类，高含量p c b n 复合片硬度高于低含量的【2 1 。 尽管p c b n 刀具已经应用了近3 0 年，但是仍有必要研究其磨损机理和特殊加工条 件下的参数优化，因为p c b n 昂贵的价格和快速磨损一直困扰着p c b n 的应用。以往 p c b n 刀具切削技术的研究主要集中在连续切削上，在断续切削上还很少有研究。生产 实践中许多硬加工情况都包括断续加工，比如齿轮面的加工，带花键轴的加工等，甚至 加工焊件焊口部分时由于材料成分不同和焊接质量的问题也会产生断续切削，而且随着 铸造技术和锻造技术的发展，断续切削在以汽车部件为中心的金属切削加工中越来越 多。相对于连续切削，由于刀具断续切入切出和负载频繁变化的性质，刀具磨损变得异 常剧烈，磨损机理会有很大的不同，因此在断续切削过程中，p c b n 刀具的最佳应用情 况会有很大不同。而且目前p c b n 刀具的应用局限在车削方面，因此也希望通过此课题 的研究，对p c b n 刀具向铣削领域的扩展提供参考。因此，目前迫切需要对p c b n 刀具 在断续切削使用方面进行全面系统的研究( 断续切削性能、磨损机理、加工条件、加工 质量等) ，以拓展p c b n 这种优秀刀具的使用范围，同时缩小我国在p c b n 刀具应用水 平上和国外的差距，提高我国p c b n 刀具的制造水平和在相关领域的产品竞争力。 p c b n 刀具断续切削性能的试验研究 1 2 超硬材料刀具p c b n 及其使用技术 1 2 1p c b n 刀具的性能 p c b n 刀具的硬度仅次于金刚石，远高于陶瓷刀具和硬质合金刀具，主要适用于加 工各种高硬材料( 如冷作工具钢、热作工具钢、高速钢、轴承钢、淬硬钢、粉末冶炼钢、 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) 、软材 料和耐磨材料( 如灰口铸铁、烧结铁等) 、难加工材料( 如i n c o n c l 7 1 8 、表面硬化合金、 烧结w c 、球墨铸铁等) 。p c b n 刀具较小的摩擦系数大大提高了工件的加工精度，其高 耐磨性和长寿命减少了换刀和磨刀的次数，提高了工效。 p c b n 刀具材料与其他刀具材料的性能比较列于表1 1 中。 表1 1各种刀具材料的物理、机械和热性能比较 3 】 t a b 1 1 t h ec o m p a r i s o no fs e v e r a lt o o lm a t e r i a l s 大连理工大学硕士学位论文 p c b n 刀具的刀片材料多为p c b n 复合片，它是由无数细小的c b n 晶粒烧结而成， 因此刀具的韧性和抗断裂能力比单晶制作的刀具大幅度提高，表现出优越的物理、化学 性能和机械性制4 】： ( 1 ) 具有较高的硬度和耐磨性 c b n 的硬度和强度与金刚石相近，其显微硬度为h v 8 0 0 0 9 0 0 0 ，烧结体p c b n 的 硬度一般为h v 3 0 0 0 5 0 0 0 。在切削耐磨材料时耐磨性为硬质合金的5 0 倍，涂层硬质合 金的3 0 倍，陶瓷刀具的2 5 倍。p c b n 刀具在切削过程中刃口保持能力强，不仅有较高 的金属切除率，而且能得到较好的加工精度和已加工表面质量，有利于实现淬硬钢“以 车代磨 的加工【5 】【6 1 ，可以减少磨床设备的投资，减少工序数，提高生产率和加工质量。 另外由于刀具的耐磨性高，能在高速下长时间的加工出高精度的零件，并且大大的减少 换刀次数和刀具磨损补偿的停机时间，因此是自动线和数控加工的理想刀具。 ( 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 ，p c b n 在8 0 0 时的硬度还高于陶瓷和硬质合金的 常温硬度。利用高温导致的金属软化现象进行高速硬态干切削是p c b n 刀具的重要应用， 国内外都有大量研究【7 】【8 】【9 】o 切削时高温使得刀具材料与工件材料硬度差增大，这样既 减小刀具的切削力又提高生产率。 ( 3 ) 具有优良的化学稳定性 c b n 的化学惰性特别大，具有很强的抗氧化性，在1 2 0 0 1 3 0 0 时也不与铁系材料 发成化学反应，与碳在2 0 0 0 时才发生反应；在中性、还原性的气体中，对酸碱都是稳 定的；其对于各种材料的黏性、扩散作用都比硬质合金小得多。虽然现在所用p c b n 刀 具中多含有不同成分的粘结剂1 0 】，会对刀具的切削性能有一定的影响【1 1 】，但对于刀具的 化学稳定性影响不大，研究表明p c b n 刀具与纯铁在1 0 0 0 时不会发生反应，直到1 3 0 0 时才发生扩散现象【1 2 1 。 ( 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，导热系数为1 3 0 0 w ( m ) ，是 紫铜的3 2 倍，是硬质合金的2 0 倍，并且立方氮化硼的导热系数随着温度的升高而增加。 高的导热系数可使刀尖处温度降低，减小刀具的磨损，有利于力n - r _ 精度的提高。 ( 5 ) 具有较低的摩擦系数 与其他刀具材料相比，c b n 的摩擦系数较低，而且随着切削速度的提高，其摩擦 系数是减小的。这一特性使得切削时刀具与切屑间摩擦减小，切削变形减小，切削力降 低，加工表面质量提高。 p c b n 刀具断续切削性能的试验研究 1 2 2p c b n 刀具材料的发展l l l 】 上世纪5 0 年代，美国通用公司特种材料研究所根据r h w e n t o f f 联想石墨转化成金 刚石的道理，采用相似的方法，成功地合成第二种超硬材料立方氮化硼微粉，简称 c b n ( c u b i cb o r o nn i t r i d e ) 。到7 0 年代，前苏联、英国、德国、日本和我国相继掌握了 立方氮化硼的合成技术【l 】。 由于立方氮化硼制造的尺寸小，并且存在易劈裂的“解理面 ，因此立方氮化硼烧 结技术成为各国研究的重点。直至7 0 年代才研制成功立方氮化硼烧结体( 即聚晶立方 氮化硼) ，简称p c b n ( p o l y c r y s t a l l i n ec u b i cb o r o nn i t r i d e ) 。聚晶立方氮化硼硬度高， 但是韧性差，因此用来作刀具的聚晶立方氮化硼多采用复合片形式，这种材料既具有 p c b n 的高硬度、高热稳定性和高的化学稳定性还具有硬质合金强度高、可焊性好的优 点，使p c b n 刀具不仅可切削各种硬度的工件，而且也易于生产。 美国在1 9 7 5 年首次出售商标为b z n 的p c b n 复合片，日本东芝公司从美国g e 公 司获得p c b n 复合片的制造技术，1 9 7 7 年住友公司研制出自己牌号的s u m i b o r o n b n 2 0 0 ，随后日本三菱公司、黛杰公司相继研制出自己牌号的p c b n 复合片。目前，日 本p c b n 刀具产品销售量几乎占世界的5 0 。英国d e b e e r s 公司也在上世纪7 0 年代中 期研制出p c b n 复合片a m b o r i t e a m b 9 0 ，又于1 9 8 6 年研制成功了用于精加工的牌号为 d b c 5 0 的p c b n 复合片。 目前，国外的p c b n 刀具复合片正向着产品系列化、规格大型化的方向发展。新牌 号的p c b n 复合片越来越多，例如，英国e l e m e n ts i x 公司( 原d e b e e r s 公司) 的产品 牌号除以前的a m o b r i t e a m b 9 0 、d b a 8 0 、d b c s 0 、d b n 4 5 外又研制出高耐磨型的新型 p c b n 复合片a m b o r i t ed c c 5 0 。另外，日本住友公司的b n 7 0 0 、b n 3 0 0 ，三菱公司 m b 8 0 2 5 ，山高公司c b n 2 0 0 、c b n 3 5 0 等也是最近几年出现的新牌号。 我国于1 9 6 7 年合成出立方氮化硼，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为原料研制出我国第一代整体立方氮化硼( 直径为q b2 5 中4 m m ) 。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【l 】。 随着研究制造的日益深入，p c b n 复合片产品出现许多新的形式：整体式刀片的推 出( 如山高公司c b n l 0 0 、3 0 、3 0 0 等) ，克服了由于焊接式刀具刀片尺寸小而引起的 切削深度的限制或由于加工过程中焊接点失效引起的p c b n 复合片脱落风险；p c b n 复 合片材料也向着多元形式的发展，涂层p c b n 复合片已经研制成功( 如，住友公司 b n c s 0 、1 5 0 、2 0 0 ；山高公司c b n 5 0 c 、4 0 0 c 等) ，并应用于工业生产。 大连理t 大学硕十学位论文 1 2 3p c b n 刀具的应用现状【1 2 】【1 3 】【1 4 】 p c b n 刀具的切削特点是硬态切削。硬态切削是指铁族零件淬硬热处理后的切f i , j j j n 工，过去磨削是其唯一的= j n - r 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 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。 p c b n 刀具进行硬态切削时，由于p c b n 不粘刀、磨损小，可获得极高的加工精度 和表面质量( r a 0 2 - 2 u r n ) ，实现以车代磨。据日本切削协会对本国5 3 个大公司的调查 表明，日本p c b n 刀具的应用有5 5 是替代原来的磨削和珩磨。 p c b n 刀具主要适用于切削h r c 4 5 以上的淬硬钢、耐磨铸铁，h r c 3 5 以上的耐热 合金或其它刀具很难加工的特殊铸铁。如果被加工材料硬度过低，则p c b n 刀具的优势 将不大明显。 目前p c b n 刀具在国外已经被广泛采用，并认为是推广新工艺、提高加工质量和加 工效率的有效途径，但p c b n 刀具在国内生产制造厂家的应用还很局限，主要是受制于 国产p c b n 刀具质量问题及p c b n 刀具使用技术未被推广。据国外统计，p c b n 刀具的 应用范围如下： 1 按行业来分，汽车工业占5 0 3 7 、重型机械2 0 7 4 、泵业8 8 9 、轴承齿轮5 9 3 、 轧滚5 1 9 、航空航天2 9 5 ，其它5 9 3 。 2 按加工材料来分，淬火钢占6 5 、铸铁2 8 、耐热钢7 。 3 按加工工序来分，车削占6 0 、镗削3 2 5 、端铣7 5 。 4 按替代原加工来分，5 0 为替代磨削、3 0 替代硬质合金刀具、1 0 替代金属陶瓷 刀具、5 替代陶瓷刀具、5 替代研磨加工。 以上数据显示p c b n 刀具在国内的市场及发展还有很大的前景。 国内外主要p c b n 刀具的种类和型号，大致可分为两大类，即高含量金属结合剂 p c b n 和低含量陶瓷结合剂p c b n 。高含量p c b n ( 一般c b n 含量8 0 , - - 9 0 ) 是以c b n 之间直接结合为主，添加少量金属相结合剂，具有高硬度、高热导性和良好韧性，这类 p c b n 刀具适合于j j n - r ：高硬度合金和组织中含有高硬质点的材料，如冷硬铸铁、硬质合 金、耐热合金等。在切削淬硬钢( 合金钢、轴承钢、模具钢、碳钢等) 时，由于切削温 度较高，要求p c b n 刀具不仅有高的硬度，还要求有较高抗氧化能力和抗扩散磨损的能 力，对此应采用陶瓷作结合剂的低含量p c b n 刀坯。尽管此类p c b n 刀具的硬度、热导 率和韧性稍低，但是正因为陶瓷材料的耐热性好与热导性差的特点，使切削区形成热滞 留温度升高，工件局部迅速形成塑性变形而易于切削，可获得较好的效果( 也称软化效 应) 。 p c b n 刀具断续切削性能的试验研究 使用p c b n 刀具硬态切削时，径向力很大，机床和系统的刚性必须很好、功率足够 大。装夹p c b n 刀具时，刀具的悬伸长度要尽可能短，以防止刀杆振动和变形，使p c b n 刀具保持良好的状态。p c b n 刀具比硬质合金刀具韧性差，因此在切削时，一般都采用 负前角( o 。1 0 。) 、较小的后角( 6 。8 。) 和负倒棱 ( 0 1 , - , 0 2 m m ) x ( 1 0 。3 0 。) 1 。 若进一步对切削刃适当钝化处理，则会更好。另外，在可能的情况下，尽可能采用小主 偏角和大的刀尖圆弧半径，这有助于保护切削刃、延长刀具使用寿命。合理使用p c b n 刀具，准确判断p c b n 刀具的耐用度是关键，p c b n 刀具后刀面磨损标准达0 3 0 5 m m ( 精车时取小值) ，进行定期重磨为好。 确定切削速度、进给量及切削深度要综合考虑生产效率和加工成本。通常情况下其 切削速度可比硬质合金刀具高2 倍左右，高的切削速度产生大的切削热，使被力i - r ：材料 的塑性增大，有利于降低切削力。 大连理工大学机械工程学院曹永泉使用p c b n 刀具干湿切削淬硬钢对比研究，指出 使用p c b n 干式切削淬硬钢，金属软化效应占主导地位，有利于刀具使用寿命的延长【1 5 】。 所以，p c b n 刀具在使用时以干切削为好，如果需要切削液时，一定要冷却充分，禁用 水溶性切削液。 1 3 断续切削的研究现状 目前，国内外专家对断续切削( 包括非连续面车削和铣削) 的研究集中在刀具的破 损机理上，主要包括以下几个方面：断续切削过程中切入切出破损研究，包括各种切 入切出类型对刀具破损的影响，切出过程的负剪切现象，动态切削力的研究，切削参数 ( 如切出角、切削速度j 进给量等) 与刀具破损之间的关系。热应力和热裂纹与破损 之间的关系，包括温度场和热应力的研究、热裂纹的产生及其对刀具破损的影响、粘结 破损现象等。动态切削力以及破损监控预报研究等，包括对切削过程的切削力、振动 信号、切削功率、电机电流等信号的测量，并采用小波分析、人工神经网络等方法对测量 信号进行分析，从中提取出破损特征量，实现对刀具状态的监测和破损预报。刀具几何 参数( 如刀具前角、后角、刀尖圆弧半径、负倒棱等) 及槽型结构对提高刀具寿命，降低刀 具发生破损几率的研究。 1 ) 断续切削过程的切入破损研究 自断续切削加工出现以后，人们惊奇地发现，虽然断续切削加工使生产率提高了 但在同样的切削条件下，进行断续切削的刀具寿命明显低于连续切削加工时的刀具寿 命。以m k r o n e n b e r g 为代表的许多专家学者研究了这一在当时认为是反常现象的问题 大连理工大学硕士学位论文 提出刀具切入时的破损是导致断续切削加工刀具失效的重要原因。1 9 4 6 年，德国学者 m k r o n e n b e r g 首先针对端铣加工，研究了切入类型与刀具破损之间的关系，并经过大 量的切削试验和切入过程模拟研究，创造性地解决了切入类型的计算问题，推导出九种 切入类型的判别公式，同时首次使用并定义了切入角【l6 1 。之后，苏联学者b p e b 根据对奥 氏体钢进行的端铣切削试验，指出端铣高强度材料时，即使使用高速钢刀具，切入类型 对刀具寿命的影响也极为显著。但是b p e b 的试验曲线与m k r o n e n b e r g 的试验曲线相 比，不同的切入类型下刀具寿命很不稳定，相差极大。为此，h o p f i z 进行了大量的分析 研究工作，深化了冲击系数( 冲击系数= 切削面积切入时间) 的概念，解释了这一问题 的原因【1 7 】。近几年来，我国学者对刀具的切入破损进行了研究。1 9 9 9 年，董丽华、李振 加等通过对不同几何角度的铣刀片进行有限元应力场分析，证明合理的刀具几何角度可 以改变切入冲击力的方向，减少刀片内部应力，改善铣削状况【i8 1 。他们对波形刃铣刀片 进行了切入切出过程分析，并通过铣削过程的振动试验，证明了波形刃可有效地减少切 入切出引起的冲击和振动，减轻铣削过程中铣刀的切入、切出破损【l9 1 。2 0 0 5 年，李振加 等人依据金属切削加工理论，在m k r o n e n b e r g 接触法和林树兴几何解析法的基础上， 研究了端面铣削过程中刀齿的接触状态，推导了九种判别式，用于计算铣刀的切入类型 【2 0 】。同年。胡映宁、王成勇等人采用动力学仿真软件对小直径铣刀在不同切削参数条件 下的切入过程进行了仿真分析，确定了小直径铣刀切入过程的载荷、运动形式，然后根 据仿真分析的载荷结果，用有限元分析确定不同切削参数下，铣刀切入过程对刀刃的应 力、变形的影响，为寻求合理的切入条件、减少刀具破损提供了参考【2 1 1 。 2 ) 断续切削过程的切出破损研究 一些学者在研究中发现，刀具的断裂主要发生在刀具切出时而不是在切入时，因此 人们开始对刀具切出工件时发生破损的现象进行了深入研究，并取得了重大的成果。 1 9 6 5 年，h o s l l i 和o k u s h i m a 通过试验数据，证明在间断切削时刀具切出时要比切入时 更容易发生断裂【2 2 1 。1 9 7 5 年，l o l a d z e 使用光弹刀具切削铅件，发现在切出时比切入有更 大的拉伸应力【2 3 1 。1 9 7 8 年，p e k d h a r i n g 通过车床模拟断续切削，提供了令人信服的证据， 证明硬质合金刀具离开切削区比进入切削区时更容易碎裂，并且在伴随有f 型切屑的 切削过程中刀具往往更容易发生破损失效。同时他亦首次发现了断续切削切出过程中 所特有的现象负剪切现象，并对其形成原因及对刀具破损的影响作了深入研究【2 4 1 。 p e k d h a r i n g 在研究中发现，在切出过程中，只要有f 型切屑形成，刀具发生破损的概率 会异常的高，而当切出角小于3 0 。或大于1 2 0 。时，f 型切屑就不会产生。1 9 7 9 年， m c s h a w 指出，在刀具切出的时候，系统中储存的弹性能迅速地释放出来，导致应力场 方向发生反转，使切削刃附近的刀具表面应力场恶化，拉应力变大，从而使刀具发生破 p c b n 刀具断续切削性能的试验研究 损【2 5 1 。1 9 8 4 年。k a m a r u d d i n 证实了p e k e l h a r i n g 关于f 型切屑的发现，并提出包含有 应力的反转以及f 型切屑形成的切削是发生刀尖破损的最危险的情况【2 6 1 。同年， y m l e e 、w s s a m p a t h 等人对不同切出条件下刀具破损的可能性进行了分析，指出与 切入角相比，切出角对于刀具破损更加重要，当切出角大于7 5 。时，就可以避免刀具破 损【2 饥。n a k a m u r a 和s h i m e s u 研究了断续切削时切出角对切削刃破损的影响，建立了早 期破损与各种切削条件的关系【2 8 1 。国内，1 9 9 2 年吴起等通过有限元分析，指出剪切角 偏转是切出过程中存在的普遍现象，是刀具切出破损的原斟2 9 1 。1 9 9 3 年，李振加、顾 祖慰等人对铣削切出过程中的负剪切现象及其对刀具破损的影响作了探讨，他们提出： 切出时的负剪切现象使卷曲的切屑以刀刃为轴线旋转，导致刀尖处的应力严重恶化是刀 具破损的主要原因 3 0 1 。2 0 0 1 年，李淑娟、阴敬盛从理论方面对端铣时刀齿切出的点及 线进行了研究，建立了端铣削切出时的模型，推导出了特征线斜角公式和切离点脱离顺 序的计算公式，为确定端铣刀合理的几何参数、铣削方式及避开刀齿破损区提供了理论 依据【3 。 3 ) 动态切削力的研究 为了准确预测刀具破损寿命，人们对切削力的动态变化规律进行了研究。1 9 7 7 年， n i g m 和s a d e k 通过高速摄影证实了在动态切削中剪切面也在不断变化。随后他们建立 模型考察了切削参数的动态变化对剪切面振动的影响【3 2 】。1 9 8 5 年，d w w u 和c r l i u 进一步基于加工硬化和滑移线场理论并考虑剪切面和刀屑接触面的应力状况推导出一 系列公式 3 3 1 。1 9 9 8 年，黄斌、李兆前等人建立了一种动态切削力的数学模型，把切削振 动和动态切削力联系起来首次提出了动态切削中动态偏角的概念【3 4 1 。 4 ) 热应力、热裂纹与刀具破损关系研究 1 9 4 7 年，b o s t o n 和g i l l b e r t 最先报告了在铣削过程中硬质合金刀具前刀面上出现 热裂纹的发现 3 5 1 。1 9 6 3 年，z o r c v 提出了拉应力理论用来解释热裂纹的扩展。该理论指 出在加工空行程时，刀具表面以高于刀体的冷却速度冷却，此时刀具内就产生拉应力导 致裂纹的形成【3 6 1 。1 9 7 8 年，b h a t i a 和p a n d e y 对断续切削中硬质合金刀具的热裂纹产生 特性进行了研究，指出空行程中硬质合金刀具热裂纹的产生与刀具表面的温度分布和伴 生热应力有着必然联系【3 7 1 。1 9 8 1 年，k u n i o 研究了切削刀具的温度梯度和相应的应力场， 认为硬质合金端铣刀在加工过程中产生的梳状裂纹是由于热冲击产生的【3 引。1 9 9 6 年， w a n g 和s a h a y 对铣刀刀齿的动态温度场进行了理论和试验研究，提出每次刀具切入 工件，热裂纹就会沿着温度场的梯度方向进行扩展。我国的专家学者在刀具温度场和热 裂纹的研究方面也做了大量的工作【3 9 1 。1 9 9 2 年，李澎东、刘国新等通过对断续切削过 大连理t 大学硕+ 学位论文 程中的非稳态温度场和应力场的计算及模拟断续切削热过程的激光冲击试验，得到断续 切削的动态温度场和应力曲线。1 9 9 9 年，尤显卿对钢结硬质合金热疲劳裂纹的产生进行 了探讨，对热疲劳过程中裂纹的萌生过程进行了细致观察，并提出了钢结硬质合金的热 疲劳裂纹扩展的微观机制。2 0 0 3 年，斯廷智等人对氧化铝基复合陶瓷的抗热震性进行了 研究，指出了陶瓷抗热震研究存在的问题。2 0 0 4 年，谭光宇、李振加等人提出并建立了 刀具表面受热密度函数，根据受热密度函数确定了边界条件，并运用模糊数学理论对铣 刀片温度场进行了模糊综合评判。目前在断续切削领域，破损机理依然是研究热点。特 别是新刀具材料，如陶瓷材料、立方氮化硼等的运用，涂层技术的发展，都将对刀具破 损的机理产生重要的影响，已经引起国内外专家的注意并开始展开研究m 】。 1 4p c b n 刀具断续切削性能 断续切削对刀具材料在抗冲击性、韧性、耐磨性等方面提出了更高要求，有研究表 明，如果p c b n 刀具的制作工艺与几何参数选择等方面做出优化选择，那么p c b n 刀 具可以克服采用硬质合金和陶瓷刀具在断续切削中发生的过早磨损，其使用寿命可以达 到陶瓷刀具的5 0 倍以上。使用p c b n 刀具断续切削的加工特点是：1 、非连续面加工； 2 、工件材料硬度高；3 、加工精度高。 p c b n 刀具属于脆性刀具材料，所以采用p c b n 刀具加工淬硬钢，无论在什么场合 下刀具前角都要取负角。同时对刀具的刀尖和刃口都有特殊要求：在刀尖处增加圆弧形 过渡刃，因为合理的刀尖圆弧不仅可以提高刀尖部分的强度，增加散热面积，而且起到 一定的光整作用，显著的提高了刀具的耐崩刃性和耐磨性；对刀具进行刃口处理，将刃 口由直线刃处理为倒棱刃或钝圆刃( 倒棱刃的强度大于钝圆刃) 可以极大的提高p c b n 刀具切削刃的强度。j e f f r e y 等人研究发现，对倒棱刃的底部增加一个钝圆半径，不仅可 以改善刀具刃口的强度，还可以提高p c b n 刀具的切削性能。j m z h o u 等人通过试验与 有限元计算相结合的研究方法发现，p c b n 刀具的倒棱角度在1 5 0 左右时，刀具的寿命 最长；刀具的倒棱角度在3 0 0 时，刀具的寿命最短。而国内的丁维军曾通过p c b n 刀具 切削淬硬g c r l 5 轴承钢试验得出p c b n 刀具的最佳倒棱角度是1 0 。王越等人指出用 p c b n 刀具加工渗碳的花键轴时，切削刃的损坏情况决定了刀具寿命，而损坏的类型则 取决于刀具与工件的撞击形式。如果工件与刀具的刀尖部分撞击，就可避免刀具的破坏 性损坏，刀具寿命和加工表面粗糙度可有较大改善。为进一步改善断续切削时的刀具寿 命，设计了后刀面有刃带的新型刀具。用此新刀具进行断续切削，寿命可达到常规刀具 的2 6 倍之多，可与连续切削时的刀具寿命相比。 p c b n 刀具断续切削性能的试验研究 p c b n 刀具的磨损机理与c b n 颗粒的直径和百分含量、粘接剂的种类、切削参数 和工件材料等许多因素有关。p c b n 刀具的磨损是在机械、热、化学等多种作用形式下 产生的，而且当切削条件发生变化时，p c b n 刀具的主要磨损形式也会发生相应变化。 断续加工过程中的p c b n 刀具主要磨损机理：氧化磨损。切削淬硬钢时，切屑呈“半 熔”态，刀尖处的高温区最高可达1 0 0 0 0 c 以上；而且在切削一段时间后，刀具刃口和 后刀面的轻微磨损使得切削压力高达1 0 g p a ，工件材料中的f e 在高温高压下很容易与 空气中的氧发生化学反应而生成f e o 的氧化层，在合理的切削条件下能起到保护刀具刃 口的作用，但这种氧化层的硬度较低，在摩擦过程中容易脱落，从而使后刀面磨损加剧。 扩散磨损。在p c b n 刀具加工淬硬钢时，刀具后刀面可检测到f e ，a 1 ，m n 和s i 元素， 同时还伴随有一些化学变化的产生。表明了p c b n 刀具切削淬硬钢时存在扩散磨损现 象。微崩刃。p c b n 刀具断续切削时，由于热切