（机械制造及其自动化专业论文）pcbn刀具硬态切削机理及技术.pdf

摘要 制造业将始终是世界范围内经济增长的重要因素。制造业自始至终在寻找零件产 品的低成本方法和对现存工艺的高效率利用。许多高精度产品如轴承、齿轮和模具等 都是由淬硬钢加工而成。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 ) 刀具的出现及其精密 加工过程可以满足这些零件的加工要求，而无需或仅需少量的磨削加工。 随着超硬刀具材料如陶瓷和p c b n 的发展，硬态切削工艺己吸引了制造商领航者的 关注。本文采用d e b e e r s 工业金刚石公司的a m b o r i t ed b c s op c b n 刀具在c a 6 1 4 0 车床上 对淬硬轴承钢g c r l 5 进行了一系列切削力实验。实验结果表明径向力是最大的切削力， 其次是主切削力和轴向力。粗加工时的切削力约是精加工切削力的3 倍。切削力随进给 量和切削深度的增大而线性增大，当切削速度低于2 0 0 m m i n 时，切削力随切削速度的 增大而减小，当切削速度继续增大时，切削力也呈线性增长趋势。实验结果表明切削 速度对切削力的作用存在一个临界值。硬态切削区别于硬脆材料切削加工的一个重要 特征是形成周期性的锯齿形切屑。采用a m b o r i t ed b c 5 0p c b n 刀具研究了工件硬度、切 削速度、进给量和切削深度对锯齿形切屑形成的影响，实验结果表明工件材料和切削 速度是决定切屑形态的主要因素。小波分析切削力信号的结果表明切削力信号与切屑 形态有内在联系。 提出了一种考虑刀具刃口和后刀面耕梨作用的新切削力模型来预报硬态切削力。 根据切削过程的特点，给出了流屑角的一种解析模型。新的流屑角模型将切削形貌分 解为单刃刀具和纯圆弧情形，比较容易理解和方便应用。切自i 力预报m a t l a b 程序表明 预报结果与实验结果相吻合。 硬态切女0 过程材料的软化作用取决于切削温度，这种特殊的切削性能是通过改变 切削条件如切削速度、进给量、切削深度、工件原始温度和材料硬度等进行一系列的 实验来验证温度分布情况的。从五种工件硬度( h r c 3 0 、h r c 4 0 、h r c 5 0 、h r c 6 0 、 h r c 6 2 ) 的实验结果得出h r c 5 0 的硬度值可以区分普通切削和硬态切削。当工件材料硬 度低于h r c 5 0 ，切削力和切削温度的变化规律符合普通的金属切削理论，硬度超过 h r c s 0 贝0 切削力和切削温度的变化规律大不相同。当材料硬度接近t t r c 5 0 ，切削温度达 到最高值，已加工表面质量最差。 p c b n 刀具精密硬态切削后零件的表面受切削刃的形状、切削用量和切屑形成过程 等许多因素的影响。本文对比了精密硬态车削的表面组织、微观结构变化、微观硬度 变化和残余应力的分布等。虽然硬态切削易产生残余压应力，但本文实验发现在不良 的切削条件下也可能产生残余拉应力。通过不同刀具刀尖圆弧、倒棱宽度、进给量、 切削速度和刀具磨损量的变化来分析材料侧向塑性流动。在优化的切削条件下获得了 r a o 6 1t lm 的表面粗糙度，证明了硬态切自在某种程度上可以代替磨削加工。测试结果 也表明在各种切削条件下已加工表面组织无明显变化。 关键词：p c b n 刀具；硬态切削；切削力预报：淬硬轴承钢；切削温度 表面完整性 a b s t r a c t m a n u f a c t u r i n gc o n t i n u e st ob eas i g n i f i c a n ts e c t o ro f m o d e me c o n o m i e sa n da ni m p o r t a n t g r o w t hs e c t o ri nt h ew o r l d m a n u f a c t u r e sc o n t i n u a l l ys e a r c hf o rn e w a n dl o w e rc o s tm e t h o d s t om a n u f a c t u r ep r o d u c t sa sw e l la sm o r e e f f i c i e n ta p p l i c a t i o no f e x i s t i n gp r o c e s st e c h n o l o g i e s t h e r ea r eav a r i e t yo f p r e c i s i o nm e c h a n i c a lc o m p o n e n t ss u c ha sb e a r i n g s ，g e a r sa n d m o u l d d i e ，w h i c ha r em a d eo f h a r d e n e ds t e e l s ，h a v et ob em a c h i n e dt oah i g hd e g r e eo fp r e c i s i o n t h ea v a i l a b i l i t yo fp 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 ) c u t t i n gt o o l sh a so p e n e du p t h ep o s s i b i l i t yo f a c h i e v i n gt h e s er e q u i r e m e n t sb y af i n i s hm a c h i n i n g p r o c e s s ，w h i l er e q u i r i n g l i t t l eo rn o g r i n d i n g w i t ht h ed e v e l o p m e n to f s u p e r h a r dc u t t i n g t o o lm a t e r i a l ss u c ha sc e r a m i c sa n dp c b n e t c ， t h e t e c h n o l o g y o fh a r d t u r n i n g h a sc r e a t e dc o n s i d e r a b l ei n t e r e s tt os e v e r a l l e a d i n g m a n u f a c t u r e r s i nt h i sp a p e r ，t h eh a r d e n e db e a r i n gs t e e lg c r l 5i ss e l e c t e dt ob et h em a t e r i a l ， as e r i e so f c u t t i n gf o r c e se x p e r i m e n t sw e r ed o n ew i t ha m b c l r i t e d b c 5 0p c b nt o o lw h i c h w a ss u p p l i e db yd e b e e r si n d u s t r i a ld i a m o n d sc o r p o r a t i o nw i t hc a 6 1 4 0l a t h e t h er e s u l t s i n d i c a t e dt h a ti ng e n e r a l ，t h er a d i a lf o r c ew a st h eh i g h e s t ，f o l l o w e db yt h et a n g e n t i a la n da x i a l f o r c e s w h e nr o u g h i n g ，c u t t i n gf o r c e sw e r ea p p r o x i m a t e l y3t i m e sh i g h e rt h a nw h e nf i n i s h i n g c u t t i n gf o r c e s i n c r e a s e da l m o s tl i n e a r l yw i t hf e e dr a t ea n dd e p t ho fc u t ，b u td e c r e a s e d s l i g h t l ya st h ec u t t i n gs p e e dw a s i n c r e a s e dw h e nt h ec u t t i n gs p e e dl o w e rt h a n2 0 0 r r d m i n ，w i t h h i g h e rc u t t i n gs p e e d ，t h ec u t t i n gf o r c e si n c r e a s el i n e a r l yw i t hc u t t i n gs p e e d ，t h e r e s u l t ss h o w t h a tt h e r ei sac r i t i c a lc u t t i n gs p e e dt od e c i d e dt h ec u t t i n gf o r c e si n f o r m a t i o n o n eo ft h e s i g n i f i c a n to b s e r v a t i o n sd u r i n gh a r dt u r n i n gw h i c hi s d i f f e r e n tf r o mm a c h i n i n go fd u c t i l e m a t e r i a l si st h a tc o n s i s t e n t l yc y c l i cs a w t o o t hc h i p sa r ep r o d u c e d e x p e r i m e n t sa r cc o n d u c t e d w i t ha m b o r i t ed b c 5 0p c b nt o o l st oi n v e s t i g a t et h ei n f l u e n c eo fw o r k p i e c eh a r d n e s s ， c u t t i n gs p e e d ，f e e dr a t ea n dc u t t i n gd e p t h o nt h es a w t o o t hc h i p sf o r m a t i o n ，t h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t ss h o w st h ew o r k p i e c eh a r d n e s sa n dc u t t i n gs p e e da r et h em a j o rf a c t o r sw h i c hd e c i d e d t h ec h i ps h a p e t h ew a v e l e tr e s u l t so fc u t t i n gf o r c e ss i g n a l ss h o wt h a tt h e r ea r ei n h e r e n c e r e l a t i o n sb e t w e e n c h i ps h a p ea n d t h ec u t t i n gf o r c e s an e w c u t t i n gf o r c em o d e lc o u p l e d w i t he d g ef o r c e sa n d p l o u g h i n g f o r c e sf o rh a r dt u r n i n g i s d e v e l o p e dt op r e d i c tt h ec u t t i n gf o r c e s a nn e wa n a l y t i c a lc h i pf l o wa n g l em o d e lb a s e d o nt h ec u t t i n gp r o c e s sw a s d e v e l o p e d t oc a l c u l a t et h ec h i pf l o wa n g l ed u r i n gc u t t i n g ，t h en e w c h i pf l o wa n g l em o d e ld i v i d e da l lp o s s i b l ec u t t i n gg e o m e t r yt ot h es i n g l ec u t t i n ge d g et o o l a n dp u r et o o ln o s er a d i u s ，a n di ti sv e r ye a s yt ou n d e r s t o o da n di m p l i e d t h ec u t t i n gf o r c e s p r e d i c t i o np r o g r a m i sw r i t ei nm a t l a ba n dt h er e s u l t ss h o wg o o d a g r e e w i t ht h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t s t h em a t e r i a l ss o f t e np h e n o m e n ai sd e c i d e d b yt h ec u t t i n gt e m p e r a t u r ed u r i n g h a r dt u r n i n g ， i i i t h i ss p e c i a lc u t t i n gp e r f o r m a n c ei s i n v e s t i g a t e db y t h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o nt h r o l l g ha s e r i e sc x p e r i m e n t sv a r yc u t t i n gc o n d i t i o n ss u c ha sc u t t i n gs p e e d ，f e e dr a t e ，c u t t i n gd e p t h ，t h e o r i g i n a lm a t e r i a lt e m p e r a t u r ea n dt h em a t e r i a l sh a r d n e s se t e i tc o u l db ed r a wac o n c l u s i o n f r o mt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l l so ff i v eh a r d n e s sh r c 3 0 ，h r c 4 0 ，h r c 5 0 ，h r c 6 0 ，h r c 6 2t h a t t h eh a r d n e s sh r c 5 0i sal i n et od i v i d et h ec o m m o nc u t t i n ga n dt h eh a r dt u r n i n g w h i l et h e m a t e r i a lm a c h i n e dh a r d n e s si sl o w e rt h a nh r c 5 0 ，t h ec h a n g i n gr u l eo fc u t t i n gf o r c ea n d c u t t i n gt e m p e r a t u r ew a sa c c o r d a n t w i t ht h ec 0 1 t u t i o n c u t t i n gt h e o r y ，w h i l et h em a t e r i a l m a c h i n e dh a r d n e s si sa b o v eh r c 5 0 ，t h ea b o v ep a r a m e t e r sa r e n ta c c o r d a n tw i t ht h ec o n l m o n c u t t i n gt h e o r y w h i l e t h em a t e r i a lm a c h i n e dh a r d n e s si sc l o s e dt oh r c 5 0 t h ec u t t i n g t e m p e r a t u r e h i t st h eh i g h e s t p o i n t ，t h em a c h i n e d s u r f a c e q u a l i t y i st h ew o r s t t o p o g r a p h y o fs u r f a c e sp r o d u c e di nf i n i s hh a r dt u r n i n gu s i n gp c b nt o o l si sa f f e c t e db ya l a r g en u m b e ro ff a c t o r si n c l u d i n g d i f f e r e n te d g eg e o m e t r y ，c u t t i n gp a r a m e t e r sa n dt h e m e c h a n i c so f t h ec h i pf o r m a t i o np r o c e s s t h ep a p e rc o m p a r e ss e v e r a la s p e c t so f 磊城s ht u r n i n g o fh a r d e n e db e a r i n gs t e e l ，m o r es p e c i f i c a l l ys u r f a c et e x t u r e ，m i e r o s t r u c t u r a la l t e r a t i o n s ， c h a n g e si nm i c r o h a r d n e s sa n d r e s i d u a ls t r e s s e sd i s t r i b u t i o n i ti sa l s ok n o w nt h a th a r dt u m i n g p r o d u c e sc o m p r e s s i v er e s i d u a ls t r e s s e s b u ti n t h ee x p e r i m e n t sw ec o n d u c t e d ，i tc a l la l s o p r o d u c e d t e n s i l er e s i 如a ls t r e s s e su n d e ru n c o m f o r t a b l ec u t t i n gc o n d i t i o n s 。m a t e r i 蘸ss i d e p l a s t i cf l o wi sg o t t e nw i t hd i f f e r e n tn o s er a d i u s ，c h a m f e rw i d t h ，f e e dr a t e ，c u t t i n gs p e e da n d f l a n kw e a ru n d e rt h eo p t i m a lc o n d i t i o n w eg o tt h es u r f a c ei n t e g r a l i t yo fr ao 6 1um ， w h i c h p r o v e d t h a th a r d t u r n i n g w i t hp c b nt o o le a 赶t a k et h ep l a c eo f g r i n d i n gt os o m ee x t e n d t h e t e s t i n gr e s u l ts h o w n t h a tu n d e rv a r i o u sc o n d i t i o n st h em a c h i n e ds u r f a c eo r g a n i z a t i o nh a s r i os e n s i b l ec h a n g e k e yw o r d s ：p c b nt o o l ；h a r dt u r n i n g ；c u t t i n gf o r c e sp r e d i c t i o n ；h a r d e n e db e a r i n gs t e e l ； c u t t i n gt e m p e r a t u r e ；s u r f a c ei n t e g r i t y i v 第一章绪论 第一耄绪论 1 1 课蘧背景 材料是社会进步的物质慕础。材料的制备技术在社会进步和经济发展中发挥 着涎大熬馋瘸，它是国家经浚豹主导产敛，是毒会舅荸整帮生活资料豹来源，楚謦 民生产水平不断键高和改善的根本保障。金属切割加工是材料制备与零件成擞的 一种最基本加工方法，经过不断的研究，金属切削理论的研究成果已成功应用到 各类生产线上殍辩套种零部件的加工中，为创造社会财富、支撑茅鞲键进我国经济的 发鼹起到了积裰圭| 煞 乍焉【”。邋年来蘸藿刃其秘辩鹣发震、辊床瞧能静挺嵩、溺量 技术、网络信息技术和计算机技术的迅猛发展，金属切削加工已进入了一个崭新 的发展阶段，智能制造i ”、数字化加工、纳米切削5 1 和虚拟加工【6 】已成为现实， 甥女l 燕工效率及獒蒺度也褥翻了显著摄蕊，整l ，l 戈甥裁麴工耩发豹发漫掰瑕”l 。 随麓产品竞争的e j 益激烈，缀济的发展转向以快速市场响应的竞争轨道上来，工 况对零部件的机械和其他性能的要求越米越高，零部件构成材料也发生了一然变 化，凼此这些难船工材料和凝型材料的赢效切削加工以及伴随产嫩的许多传统切 期粕工技术难鼹影响着梳褫翻造瓣效率_ 萋霆产品懿覆豢，有懿甚至举| 起嚣凌污染， 这然问题是工业企业界普遍必心的问题，多年来一崴没有彻底解决。因此在第4 9 届c i r p 年会上提出了“传统加工中的难题仍是制遗技术研究缀久不衰的主题” 强号蹲1 。 、 淬硬钢是热型的耐磨和难加工材料，这类工件经淬火或低漩去应力退火聪硬 度商达h r c 5 0 h r c 6 5 ，广泛应用于制造各种对硬胰和耐磨性骚求较高的基础零 部件如轴承和齿轮等 9 l 。淬嫒零件的精加工工艺通鬻采用粗磨_ 张精磨，但磨削工 窿熊工效率低、砂轮及蘑削波消耗重大、成本毫、粉尘稻废滚污染程度严熏。锈 如由于热处理变形量大和砂轮线速度低筹原因，使得大型轴承套圈的加工总工时 、瞢如工 磨床 o l , l c 撬庶 7 火 珩蘑 l 精甚加工。 精密磨削 超精密机床 卜 金剐石苹床 l 超耩爨畿月q 葛 l 簇耩整掘工、毒 鑫壶蒜辩密玮 l| 、。电子柬抽工 i 僚子点阵分离| 。 扫描隧道显褥 原于力照微镪 1 9 4 01 9 6 01 9 8 02 0 0 0 图l ，1切削加工精度豹发展膊程f 7 1 1 瑚 撼 。 峨 删 illl、毯瓣=r翼 丈连理王大学搏学搜论文 中磨削加工占三分之一以上f ，很难适应经济飞速发展和产品竞争激烈的要求。 随着超硬刀具材料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， 简称p c b n ) 佳能熬撬离帮徐精豹调整，镬褥经济静赣密切割船工淬硬钢己成为现 实。采用陶瓷和p c b n 刀具殿接切削硬度大于h r c 5 0 的淬硬钢，可获得6 。1 4 胂 的尺寸精发和r a 0 3 o n 鲍表藤粗糙度，从露有效缝减少滓硬镪鲍髓瘗工序【培】 i t 】， 并由此产生了硬态切削的概念。8 0 年代中期以来，国内外相继开始研究加工效率 较高、成本较低的“以车代麟”工艺，但淬硬钢的切削加工性极麓，要获得合理 熬刀其毒禽及达裂爨毅工艺豹霹等精发仍菲荔攀 l l 引引。 淬硬钢的以车代磨还悬一种有利于环境保护的清漓生产工拨和绿色制造技 术。例如p c b n 刀具能够承受1 0 0 0 c 的商温，露且其化学中蓦性好，不易与工传元 豢和空气发生纯学反应，大多数情撬下硬态韬潮工艺怒稀不采用切削液的干 式、准干式切削，它可以避免采用切削液带来的负面影响，因此可以有效地降低 黢量澧耗帮节省极凑静瓣热赞震。超疆刃具还爨一静裹瓣杰鬟篷夔产瑟，1 9 9 8 年我 湖出口c b n ( c u b i cb o r o nn i t r i d e ，立方氮化硼，简称c b n ) 1 8 3 k g ，出口额为 5 9 千美元，合计3 2 2 ，4 美元脓1 3 】，进口国外p c b n 刀具举仅昂贵，而且国外p c b n 刃翼耪质不能缳蠢手绝适应我潮豹生产勰工实际情况，热之莺产p c b n 刀具 竖能不 稳定和缺乏性能数据等，这种发展态辫导致我豳超硬材料p c b n 的发展和应用缓 慢，国产憋p c b n 复合片年愍产量仅约为美国逶鼹电气公司的十分之一f l l 】。 提高切削加工效率和加工精度是切削加工永恒的主题，制造姚的经济性要兼 顾环境保护的重要性。环境保护已成为当今世界经济持续发展中具有战略黼度的 主题之一洲 【强l ，我强予去年键窭了“绿色奥运”豹墨号并联褥了藏臻。我颡竣麝 在中国2 l 世纪议程明确提出要歼发和生产“绿色产品”，严格控制产过程对 环境的污染 1 6 l 。因此，研究瓤向环保的硬态切削工艺一p c b n 刀具加工滓硬钢 瓣切割税鬻及技术符合我国二十一擞纪的可持续发展战略，有益于推动越硬材料 p c b n 的威用和发展，有助于提高切削效率和产品竞争能力，对摊动先进制造技 术露我露经济蕊发鼷起羞积极逡终雳。 1 2 硬态切削的特点和现状 硬惫甥凝是籀撬淬硬锻瓣锈颦热王捧秀半壤燕工或精细工懿工艺方滚。过去 淬硬钢零件的精加工一直是采用磨削究成，由于超硬材料刀具的出现及数控机床 铸加工设餐精度的提赢。以硬态切削代替磨削袋完成零件螅最终抛工己成为一韩 新的精加工途径【1 7 1 【18 1 【1 辨。 2 墨二兰堕丝 1 2 1 淬硬钢的加工特点 淬硬钢是一种较难加工的材料，主要包括普通淬火钢、淬火态模具钢、轴承 钢、轧辊钢及高速钢等，其硬度和组织如图1 2 所示。 淬硬钢的切削加工在难加工材料及其工序中占有相当大的比重。生产中淬硬 钢的加工多为半精加工或精加工，其切削过程主要有以下几个特点1 9 j 1 1 1 】： ( 1 ) 硬度和强度高 当淬硬钢硬度达h r c 5 5 - h r c 6 0 时，强度高达2 1 1 0 2 6 0 0 m p a ，几乎无塑性； ( 2 ) 单位切削力大 切削淬硬钢时所需功率并不大，切削力也较小，但刀具所承受的冲击力是切 削软态淬硬工件的3 倍之多，单位切削力高达4 5 0 0 5 0 0 0 m p a ，而且由于切削深 度较小，切深抗力f ，是所有切削力中最大的，易引起切削振动和颤振： 、( 3 ) 刀屑接触长度短，导热系数小 淬硬钢的导热系数仅为正火4 5 号钢的1 1 0 ，切削温度高达8 0 0 。c 以上且集中 在切削刃附近，刀具磨损激烈，易导致普通刀具的迅速失效。其切屑呈连续形， 但放大观察是非常均匀的锯齿形切屑。 图12淬硬钢的分类和组织” 磨g q 磨削 硬态车削磨削 硬态车削硬态车削 1 2 2 硬态切削与磨削 硬态切削可达到小于13 p m 的尺寸精度和小于0 3 a m 的表面粗糙度，磨削虽 然可保证l a m 的尺寸精度，表面粗糙度小于o 2 5 a m ，相比之下磨削却是一种成 本高、耗时多的加工方式。如果将硬态切削与精磨工艺结合起来，则加工一个一 般零件所花的成本将比在磨床完成半精加工和精加工所花成本降低4 0 6 0 【2 。 如图1 3 所示，在淬硬齿轮的精加工中，由于采用了精密硬态车削工艺，使得其 加工成本降低到磨削成本的4 5 ，而且大大提高了生产效率。因此后继工序有超 精加工或精密磨削要求时，硬态切削是精加工和半精加工方式最好的选择。 查堡型王查兰曼主兰垡造苎 1 2 3 硬态切削刀具材料的选择 适合予硬态凌燃静乃巽= 孪精主要舂p c b n 刀具、：晓t i c 羯瓷刃其、金属 陶瓷和超细硬质台金刀具等，其中前两种刀具鼹为常用，通常需要根据加工要求 杭寐性能和经济幢等多方颓迸幸亍眈较，才能确定选择哪一种刃具最为经济。 s a n d v i kc o r o m a n t 刀具专家j o h ni s r a e l s s o n 认为p c b n 由于耐磨损，其保持热工 精麟的能力比陶瓷刀舆强，p c b n 刀具可获得的表面粗糙度均值小于0 3 3 删，而 陶瓷刀具浆则终必1 6 t i n l 2 0 。g r e gm o o r e l a n d 认为，对予凝度低于h r c 5 0 的漳 硬钢切削仍以陶瓷刀具为主，而对硬度为h r c 5 5 h r c 6 5 的材料加工，几乎都只 骞笈瑶p c b n 刃蒸2 。这是瓣为热工硬度低予h r c 5 0 豹工箨多会产生带狡落耩， 摩擦前刀面产生大量热量，使p c b n 刀舆表面产生月牙洼麟损，从而缩短刀具寿 命，镬p c b n 刀具不蕊其有沈常筑刀吴戒本低的优点。因而加工这些软质工伴， 陶瓷刀具是较好的选择。p c b n 刀具的韧性、硬度和导热系数都高于陶瓷刀具， 大多数硬恣切削场合工件硬度都高于h r c 5 0 ，p c b n 刀具硬态切削后工件的残余 应力也优予陶瓷刀具1 20 1 。困鼗p c b n 刀舆是硬态坟期滓硬镳魏撬选对象，戈蒸适 合自动化加工和高精度加工。 1 2 4p c b n 刀其材料的性能 p c b n 刀其奉孝料与其恁刀具耱瓣敬羧能毙较列予表1 1 孛。p c b n 刀具傀菱 的切削性能主要集中体现在以下几个方谳f 2 “”】： f 1 ) 翼有较离静硬度和辩瘗瞧 c b n 的耐热性可达1 0 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； f 2 ) 具有缀察蛇热穗定性 c b n 晶体结构与众刚石相似，化学键类型相同、晶格常数相近，因此具有与 金嚣l 石据透豹硬度帮强度。c b n 微耱懿显徽硬度为h v s 0 0 0 9 0 0 0 ，其浇结俸 p c b n 的硬度一般为h v 3 0 0 0 5 0 0 0 ； f 3 ) 粪有优淹的纯学稳定往 c b n 的化学惰性特别大，在1 2 0 0 1 3 0 0 c 时也不与铁窳材料发生化学反废， 与碳在2 0 0 0 。c 时才发生反应，在中性、还原性的气体中，对酸碱都是稳定的，对 冬耪燃料黔牯缝扩敖髂翅魄硬屡舍衾小褥多； ( 4 ) 县有较好的导热性 掰寿刀具毒葶糕中c b n 熬导熬牲坟次子金澍石，羚熬系数为1 3 0 0 w ( m ) ， 4 第一苹绪论 这个值是紫铺的3 2 倍、磷质合金的2 0 话，且萁导热系数随着澈度静升高丽瓒加； ( 5 ) 舆有较低豹摩擦系数 c b n 与钢的摩擦系数为0 1 - 0 3 ，相同条件下硬质合金与钢的摩擦系数为 o 4 0 6 ，怠c b n 与锈的蘼擦系数随切箭速度静提商丽减小。 表l - 1嚣耱刃具麟料戆镑理、规棱帮热性戆比鞍8 1 2 2 l 2 嗽 材料种类 榜辩性能 高速钢硬质台金陶瓷立方氮化硼金刚丽 密度g l c m 3 8o h 385 5 l536 4 73 ， 2 毒2 s 3 4 7 41 2 h r a 9 l h v 9 0 0 0 硬度 h r c 6 3 7 0h r a 8 9 9 4 v 1 0 0 0 0 9 59 0 0 0 抗弯强度m p a 2 4 0 0 4 8 0 01 0 5 0 2 9 4 03 4 5 n 7 6 7 0 0l3 弱 2 7 5 0 抗压强度m p a 4 1 0 0 4 5 0 03 l o o 5 9 0 03 8 0 0 7 6 0 0 5 0 0 0 冲击韧性 10 0 6 0 02 5 6 05 l22 5 6 0 i o 2 4 k j i m 弹性模量g p a 2 0 0 2 3 0 3 1 0 6 9 03 1 0 4 2 08 5 08 2 0 1 0 5 0 杨氏横量g p a 6 2 03 7 05 8 7 6 8 07 7 6 剐缝揍量g p a 2 5 8 1 6 02 8 03 6 3 容积模量g p a 3 7 52 3 22 5 4 4 0 53 0 0 泊捡比02 20 2 20 1 5 0 2 2 0 0 7 导热系数 l5 5 01 7 l2 52 0 2 94 0 1 0 05 e 0 2 0 0 0 w l ( m k ) 热黪麟系数 9 1 2 4 96 3 9 2 1 4 8 09 48 1 0 。6 i c 熔点 1 3 0 01 4 0 02 0 0 01 3 0 0 7 0 0 ( 礞纯) 耐热性6 0 0 6 5 08 0 0 1 0 0 01 2 0 01 4 0 0 1 5 0 07 0 0 8 0 0 1 。2 。sp c b n 刀具在中国市场的现状 p c b n 刀具作为二十一世纪更新换代的新型工具材料，它的使用已显示出巨 大的经济效益，g l 起了瞧界备工韭国家的密切关注，美闰髓硬材瓣市场与技术 褒、挟报告书中撂如：越硬楗料工其豹野发糕用，是美强等毙进工选国家保持技 术和经济优势的关键。但由于刀具成本较高以及用户对这种新超硬材料刀具性能 和使用要点的了解极其缺乏等原因，目前国内对p c b n 刀具的应篇尚处于试用和 s 大连理工大学博士学位论文 待开发阶段，一般只有在生产中碰别用其他刀其材料不能解决问题时才开始考虑 选择使用p c b n 刀具。嚣前国内用户使雕p c b n 车刃加工滓硬铸铁、淬嫒钢、热 喷涂以及其他一戆难加工材料零件并均取得了良好效果，为推广使用p c b n 刀舆 奠定了良好豹基溅。p c b n 刃具在我国蛋行业中戆应羯及在器类掇工方法中懿逡 例分别如图1 4 和图1 5 所示。 图14p c b n 刀具在各行业中的应用比例】图1 5 各类加工方法使用p c b n 刀具的比例 1 3 硬态切削机理的国内外研究进展 硬态韵潮概念的提溢及箕相关枫理的研究w 追溯到八十年代初期。到1 9 9 3 年，德国和荚国桷继明确硬态切女的概念及其特妊，日本学畿鸿野雄一郎【2 1 】秘大 谷敏嘲f 2 8 j ( 2 9 l 等、德国h a n n o v c r 大学生产工程和机床研究所h k ，t s n s h o f f 教授 t 7 1 f 3 2 l 秘a e h e n 工渡大学w k s r d g 教授【18 1 0 3 l 【3 4 】【3 ，葵嚣d eb e e r s 王鳖金溅五公 司技术经理m a ，f l e m i n g 旧m 6 1 、英国伯明翰大学机械工程与制造学院a b r 毳o m e n d e s _ | 毒帮d a v i dk 。a s p i n w a l l 教授f 3 粥、m c s h a w 教授 3 8 辩弼、美国藩渡大学 工业工程学院m m b a r a s h 教授和c r l i u 教授【4o 】、美国o k l a h o m a 大学工程学 院y m a t s u m o t o 教授1 4 2 】i 4 3 1 4 4 1 4 弱、茭国国家工芑和标准研究院m ，a d a v i s 教授 【4 6 【4 7 1 f 4 8 l 、y k c h o u 媾士 4 9 1 、搬拿大m c m a s t e r 大学机械工程系的m ，a e t b e s t a w i 教授f 5 0 和法国g 6 r a r dp o u l a c h o n 博士f 5 】等都相继对p c b n 刀县硬态切削机理做了 深入吾舜变。德藿工程疼狯会还予1 9 9 6 年1 0 胃在汉诺藏举蠢了一次v d i 专家讨论 会，专门讨论了碟态切削加工在汽车工业及其配套产业的潜力和合理化】。而今 硬态切翻己发展为一种与干式切凝、高速韬翻稻精密、超精密加工紧密联系在一 起的搿效经济加工工艺。 我国学者也开展了p c b n 刀具切削性能和硬态切削机理的研究，主要有郑州 额亚趣硬枣毒燃有鼹公霹涯晓乐f 23 1 、广薅太攀吴溜宁f 25 1 、哙尔滚工数大学鼗蜇俊教 授5 2 3 和韩荣第教授1 53 1 、大连理工大学张弘羰教授【5 4 】【5 甜、哈尔滨理工大学刘献札 教授5 5 6 5 7 搿8 】f 5 9 1 1 6 锚、纛太器重霾掇槭学茨镪国罾教授1 6 1 1 等。 舞究两容主要为刃燕 磨损、冷却、刀具制备和切削力特征方面f 5 2 儿5 3 】【6 l 】【6 2 1 1 6 3 】【6 钔，对切削力的形成和变 亿蕊臻、金满软纯效应、冷却润滑技术、切屑形成机瑷、已加工表面质鬣和切削 6 兰二里缝笙 过程优化等方面的研究才刚刚起步。 1 3 。l 蠖态援羯力懿褥援 诸多学者的研究表明在不同精度等级的机床上实施硬态切削时，切削力并不 发生变化。w k s n i g 教授在对比陶瓷刀具和p c b n 刀嶷切削1 0 0 c r 6 淬硬轴承钢 对魏甥裁力鼹魄实验孛磷究了甥蘩速度、甥潮深度髑送绘量霹落囊l 力懿影穗趋 势，主切削力和轴向力的变化与切深呈线性增长趋势，而径向力的增长缓慢。不 同的进给量对切削力的变化影响趋势是毁的，轴向力的增长速率稍低于主切削 力和绞尚力，当避给量很小时，会出现径肉力大予主甥削力的现缎【3 3 酗。a b r & o m e n d e s 博士选用隅瓷刀昊、低c b n 食慧耜高c b n 含量的p c b n 刀其切戮 a i s l 5 2 1 0 0 轴承钢( h r c 6 2 ) 时发现径向力最大，其次是主切削力和轴向力，而 且在糖加工中切削力大致为耩加工的6 9 倍，切削力几乎与进给墩、切削深度羊口 磊刀露蘑臻量成线经关系，警窃赘速度增大嚣，甥潮力稿毒下降驿”。 普渡大学r c l i u 教授和j y w a n g 博士观察到硬态切肖0 力的大小随磨损鬣的 增大而减小的现魏，而对这一特殊现象的解释，r c ，l i u 教授认为是切削热导敬 专才鞋酌属骚强度”f 辫 4 n 。刘敷礼教授采用燕交实验对甥划力靛各影确因素进行设 计，褥出了韬削遽发、切澍深度、进绘交和工件硬度瓣应留麓力斡三维益瑟，在 试验条件下得出了主切削力的变化规律基本符合传统经属切削理论的结论5 7 】 5 引。 中山一雄教授认为提高切削速度使切削力有所下降主要是因为切削温度的升离 著囊工 孛豹塑淫爝强，弹金嚣受锈蕺滢凌豹 乍焉恧较纯，毽这耱熬矮懿交纯段瓣 应一定的切削速度范围，当切自速度超 尊2 0 0 m m i n 时，切削力并不下降。而鼠 剪切角随工件硬度的增加而变大，刀具负前角越大，对工件材料的挤压力越大， 从恧搜甥裁力增大1 6 5 1 。 硬态切割过稷中，p c b n7 j 其的受倒棱基本上起麓实际前刀藤簸作用，匿诧 刀具负倒棱的切削机理是有别于一般的金属切削理论。能够合理预知硬态切削力 的变化规律及其大小对合理使用机床、刀具和制定切削用量等商麓重要意义。 e g i n g 蹲对p c b n7 3 吴韬瓣a i s ih 1 3 滓疆钢对懿谈爨溢度稻穗秘力送行了蠢 限预报求解，精度分散性大，最大误差运剿2 5 ，鼠脊限元计算爨十分大f 6 ”。张 弘驶教授运用挤压和轧制理论，根据能爨原理，对倒棱刀具的切削机理进行了深 入阚述，提出了铡棱刃其黪三嚣模型( 繁一交影区、众震死区、繁二变形区) ， 荠能对剪切角和仞削力进行礤报和预报，根据金相分析和快速落刀装置，发琉盒 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 棱刀舆的剪切角低于单尖刀爨剪切角约2 0 3 a 6 7 1 1 删，但其没有考虑刀具熨压 乍用 7 大连理工夫学博：e 学位论文 力，而且与本文的刀嶷和被加工材料都不同，因此目前p c b n 倒棱刀具切自u 淬硬 钢时稍潮力的诗算杌颧掇还没裔取得可以指导生产的研究成果。目前急需从硬态 切自力的特征及其力学本膜出发，尽量采髑较少斡经验系数来准确鞭摄璜态凌剡 过程中切削力的变化规律，从而为进一步预报融加工表面完整性提供接口数据。 1 3 2 硬态切削的切屑澎态 套属谫削过程的研究羹点和核心是与切屑的形成过程紧密联系在一起的，一 般可憋切屑分成四秘类型，熟鹫1 6 援示【6 9 l 【7 0 】【7 】f 7 2 1 1 7 3 1 7 引。硬态甥澍过程荔生成 锯齿形切屑。随着p c b n 、陶瓷刀具的实用化及对硬态切削技术需求的日益迫切， 促使对硬蕊材料加工时切篇形成的讥理有更深入地认识。形成锯齿形切屑的原因 主要