（机械制造及其自动化专业论文）wiper车刀片大进给切削性能研究.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 随着世界能源的日益紧张和对环境保护的重视，人们开始采用新型、高效、 优质的刀具来提高切削效率、减少原材料的浪费。刀具材料和涂层技术的发展为 提高切削效率打下了基础，通过先进的刀具结构设计能进一步发挥刀具材料和涂 层的优势。w i p e r 刀片具有新型几何结构和参数，为了促进w i p e r 刀片在切削加工 中的应用，本文对w i p e r 车刀刀片的大进给切削性能进行详细研究。 首先，分析w i p e r 车刀刀片的几何形状、刃口形状、主要角度，探讨c n m g 型号w i p e r 刀片的设计原理：采用大圆弧连接刀尖半径与副切削刃或采用直线连 接刀尖半径与副切削刃，通过这两种方法来减小副偏角，提高加工表面质量。并 提出w i p e r 刀片使用中应注意的问题。 其次，研究普通刀片和w i p e r 7 j 片切削4 5 # 钢时的加工表面粗糙度。根据w i p e r 刀片和普通刀片的几何形状建立不同进给量下的表面粗糙度的理论模型，求解出 两种刀片不同进给量下的理论表面粗糙度，并通过切削试验验证表面粗糙度理论 模型的正确性。指出在相同进给量下，w i p e r 刀片可以大大提高加工表面质量。在 得到相同的表面质量时，w i p e r 刀片采用大进给量进行，可比普通刀片的切削效率 提高一倍。 然后，研究普通刀片和w i p e r 刀片切削4 5 # 钢时的切削力根据两种刀片的 几何形状建立切削力理论模型，求解在不同进给量下的切削层面积和切削层宽度， 建立切削力的理论预测公式通过切削力的理论和试验分析可以看出，在相同的 进给量下，w i p e r 刀片所产生的切削力要大于普通刀片所产生的切削力。 最后，分析w i p e n 刀片的基本磨损形态。通过试验对比w i p e r 刀片和普通刀片 切削4 5 # 钢时的磨损形式发现，两种刀片均存在的几种磨损形式为：刀尖磨损、 后刀面磨损、片状剥落，只是磨损量有所不同。摩擦力、机械应力和热应力是导 致刀具磨损的主要原因。 论文得到国家自然科学基金( 5 0 6 7 5 1 2 2 ) 、山东省优秀博士后基金( 2 0 0 6 0 2 0 0 8 ) 和教育部新世纪优秀人才资助计划( n c e t - 0 4 - 0 6 2 9 ) 的资助 关键词：大进给切削，w i p e r 刀片、普通刀片、表面粗糙度、切削力、磨损 v 山东大学硕士学位论文 c o n s i d e r i n gt h ed e c r e a s i n gl - e , s o u r c ca n dt h ei m p o r t a n e oo f e n v i r o n m e n tp r o t e c t i o n , p e o p l eu s cl l c wt o o l st oe l l h a l l c , et h ec u t t i n ge f f i c i e n c ya n dr e d u c et h ew a s t eo fl a w m a t e r i a l s t h ed e v e l o p m e n to f t o o lm a t e r i a la n dc o a t i n gi l i i 椰o v et h ec u t t i n ge f f i c i e n c y , a d v a n c e dt o o ls l z u c t u r ed e s i g nd i s p l a y sa d v a n t a g e so f m a t e r i a la n dc o a t i n gs u f f i c i e n t l y w i p e rt o o li s ai l c w g e o m e t r ys l a u e t u r eo fc u t t i n gt 0 0 1 i no r d e rt oi m p r o v ei t s a p p l i c a t i o ni nt h ec u t t i n g , t h ec u t t i n gp e r f o r m a n c e ao fw i p e rt o o l 黜i n v e s t i g a t e di n d c t a i li nt h i st h e s i s t h et o o lg e o m e t r y , t h ee d g eg e o m e l r y , t h em a i na n g l eo ft u m i n gt o o l 躺f i r s t l y 血a l y z e d d e s i g nt h e o r yo fc n m gt y p ew i p e rt o o li sp r e s e n t e d w i p e rt o o lu s c bs h o r t l a r g ea 盯s t r a i g h tl i l a ct ol i n kt h ei i o s or a d i u sa n da u x i l i a r yc u t t i n ge d g e t h u s ，t l a o a u x i l i a r yl e a da n g l oo f w i p e rt o o le a nb ec l e c r e a s e c ka n dt h em a c h i n e ds u r f a c ef i n i s hc a n b ei m p r o v e d t h ea p p l i c a t i o ng u i d a n c eo f w i p e rt o o li sa l s op r e s e n t e di nt h i st h e s i s s u r f a c ef i n i s hg e n e r a t e di nt u r n i n go f 4 5 # s t e e lp a r t su s i n gc o n v e n t i o n a la n dw i p e r i n s e r t s 撒s e c o n d l y r e s e a r e l a e db yt h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a lt l p p r o a c l l l 。8 , r e s p e c t i v e l y t h es t l r f a c el o u g h n e l l 8m o d e l sw i t hc o n v e n t i o n a la n dw i p e ri n s e r t s 躺e s t a b l i s h e d0 1 3 h eb a s i so f t h et o o lg e o m e t r y w i t ht h e 觏h 低r o u g h n e s sf o r m u l aa td i f f e r e n tf e e d r a t e s , t h et l a c o l _ c t i c a ls u r f a c el o l l g l l l l e f l gc l l nb eo b t a i n e df o rw i p e ra n dc o n v e n t i o n a li m e r t s t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sa 砖c o n s i s t e n tw i t ht h e o r e t i c a la n a l y s i s i ti sf o u n dt h a tw i p e r i n s e r t sc o u l di m p r o v es u r f a c eq u a l i t yv e r yw e l la tt h es a n l ef e e d s ，a n di f t h er e q u i r e m e n t o f s u r f a c eq u a l i t yi st h e8 m i l e ，t h em a c h i n i n ge f f i c i e n to f w i p e ri n s e t sc a l lb ed o u b l eb y u s i n gd o u b l ef e e d r a t e s r e s e 黜l a0 1 1c u t t i n gf o r c ei nt u r n i n go f4 5 # g t e e lp a r t su s i n ge o n v e a t i o n a la n d w i p e ri n s e r t sb yt h e o r e t i c a la n d 矗x p e r i m o n t a la p p r o a c h e sa t h i r d l yc o n d u c t e d o nt h e b a s i so f t h et o o lg c o m o l t y , t h ec u t t i n gf o r c em o d e l sf o rc o n v e n t i o n a la n dw i p e ri n s e r t s a 托髑橱蜥s h e d ，t h ec h i p 绷a n dw i d t h 蛳c a l c u l a t e d 砒d i f f e r e n tf e a x l r a t c s ，a n dt h e c u t t i n gf o r c ef o r m u l ac a nb eu s e dt op r e d i c tt h et a n g e n t i a lc u t t i n gf o r c e , r a d i a lc u t t i n g v i 山东大学硕士学位论文 f o r c e ，a n df e e df o r c ec o m p o n e n t s w i me x p e r i m e n t a lr e s u l ta n dt h e o r e t i c a la n a l y s i s t h e c u t t i n gf o r c ei nt h r e ed i r e c t i o n sf o rw i p e ri n s e r t sa r ea l lg r e a t e rt h a nc o n v e n t i o n a lo n e s s y s t e m a t i cr e s e a r c hi sl a s t l yc o n d u c t e do nt u r n i n gt o o lw e a r w i t l ie x p e r i m e n t so f t u m i n go f 4 5 # s t e e lp a r t su s i n gc o n v e n t i o n a la n dw i p e ri n s e r t s ，i ti sf o u n dt h a tt h et o o l w e a l t y o e sa r cn o s ew e a r ，f l a n kw e a r 、c h i p p i n ge x f o l a t i o nf o rc o n v e n t i o n a la n dw i p e r i n s e r t s , t h ew e a rl a n di sd i f f e r e n tf o rt w oi n s 柏t h ef r i c t i o n , m e c h a n i c a l 砒r e 昭a n d t h e r m a ls t r e s sr e s u l t si nt o o lw e a r t h i st h e s i si ss u p p o r t e db yn a t i o n a ln a t u r a l s c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n a ( 5 0 6 7 5 1 2 2 ) ，e x c e l l e n tp o s t d o c t o m lf o u n d a t i o no fs h a n d o n gp r o v i n c e ( 2 0 0 6 0 2 0 0 s ) ， a n dt h ep r o g r a mf o rn e wc e n t u r ye x c e l l e n tt a l e n t si nu n i v e r s i t y ( u c e t - 0 * - 0 6 2 9 ) k e y w o r d s ：碰g hf c e d r a t em a c h i n i n g , w i p e ri n s e r t s ，c o n v e n t i o n a li n s e r t s 。 s u r f a c em u g h n e 船，c u t t i n gf o r c e ，t o o lw e a r 原刨性声明 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集体已经发表或撰写过的科研成果。对本 文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标 明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：熬鸱 日 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：丞豳导师签名：丕：3 毯连 日期：鱼望丝! 婴 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 近年来随着设计技术、数控机床、控制系统、刀具材料及涂层技术和信息技 术等高新技术的发展，开创了高效高速、高精密、柔性、复合、环保的切削加工 技术，使切削加工的总体水平达到了一个新的高度。本章阐明课题研究的背景， 综述国内外的研究现状，指出存在的问题，介绍本文的主要研究内容。 1 1 课题研究的背景 机械制造业是国民经济和社会发展及国防建设的物质基础，是国民生产总值 的主要组成部分，是国家综合实力的重要标志【l 】。摆在中国机械制造业面前的一个 突出问题，就是如何提高加工效率和加工质量，降低制造费用，提高经济效益和 产品市场竞争力采用新型刀具材料可以提高刀具的切削性能，而优化刀具切削 部分的几何形状则能进一步充分发挥新型刀具材料的效能。因此采用新型刀具实 现高效、优质、低成本生产是现代企业提高经济效益的重要途径 2 3 1 图1 - 1 是德国汽车零件加工的单件成本构成的示意图。分析图1 - 1 可以发现， 与加工效率有关的人员工资、企业一般费用、设备运行和能源费、利息和设备折 图1 - 1 德国汽车零件加工的单件成本的构成 旧费4 项费用之和占到制造成本的近8 0 。提高加工效率是降低制造成本的首选 措施，从德国制造业的统计来看，就刀具而言，降低刀具采购成本的3 0 ，大约 可以降低制造费用1 ，延长刀具寿命5 0 ，同样可以降低制造费用l ，而提高 山东大学硕士学位论文 加工效率2 0 ，则可以降低制造费用约1 5 。因此提高加工效率是降低制造费用 的最好方法【4 】。 如何实现加工效率的提高呢? 总体上说，提高切削效率主要还是通过提高切 削用量来实现：( 1 ) 提高切削速度( 高速切削)( 2 ) 提高进绘速度( 大进给 切削) ( 3 ) 增加切削深度( 大切深切削) 。 ( 1 ) 提高切削速度 为了实现加工效率的提高，人们最自然地就想到提高切削速度。提高切削速 度时，单位时间内材料去除率增加。切削加工的时间减少，大幅度提高了加工效 率。德国切削物理学家萨洛蒙博士在进行了一系列超高速模拟实验后提出了高速 切削的概念。1 9 3 1 年他发表了著名的超高速切削理论，该理论指出，在常规切削 速度范围内，切削温度随着切削速度的提高而升高，但切削速度提高到一定临界 值后，切削速度进一步提高时切削温度不但不升高反会降低，且该切削速度值1 ， 与工件材料的种类有关 5 1 ( 如图1 - 2 所示) 。 s ， 夕 _ - 淋b l 童 董1 瑚 、l a l l o y s 、 主 皱 聃 ，、i 重 敝二 冀s ：鑫5 0 c b ”前觳1 m _ _ i l _ 日_ 董撕艮凡 篮篡篓西 意 l a 詈枷 i nioflftd澍tl$metals 二0 |_ _ _ l i 二： 1 _ _ l4 - _ r j i i 7 0 e 2 0 01 o1 0 0 03 o c 嘲岫p dv 【i i j 喇嗍 图1 - 2 s a l o m o n 曲线 同时，高速切削时切削力也会大幅度下降。也就是说，在一定速度的高速区 进行切削加工，会有比较低的切削温度和比较小的切削力，不仅有可能用现有的 刀具进行超高速切削，从而大幅度地减少切削时间，提高机床的生产率，而且还 将给切削过程带来一系列的优良特性。 2 山东大学硕士学位论文 目前，高速切削( h i g hs p e e dc u t t i n g - h s c ) 尸, 经越来越成为中国制造业提高加 工效率的选择。二十世纪八十年代以来，欧美刀具业经过大量的试验研究，对切 削机理的认识有了新的突破，即当切削速度的提高超过某个临界值( 不同材料有不 同的临界值) 后，刀具的磨损并非按照泰勒曲线的规律急剧增加，反而在以后的一 个区间内随切削速度的增加而有所减少，在经历一个谷底后再重新上升【6 】。虽然这 一现象的理论解释尚未得到统一，但这并不妨碍在那个谷底附近对高速加工技术 进行应用。按目前看，工业发达国家的航空 7 1 ，汽车 8 , 9 1 、动力机械、模具、轴承、 机床【1 0 n 垮行业首先受惠于该项新技术，使上述行业的产品质量明显提高，成本 大幅度降低，获得了市场竞争优势。 ( 2 ) 增加切削深度 大切深加工对于提高加工效率同样非常有效。在加工余量较大的场合，运用 大切深加工可以有效减少走刀次数，从而提高金属切除率。一般切削深度大的切 削称为重切削，如用具有立装刀片结构的重切削铣刀进行切削。 但是切深过大会出现一些负面影响，对于大切深而言，刀具的受力条件会恶 化【1 纠4 】大量载荷集中作用在切削刃上，这对刀具的韧性提出了更高要求。因此， 这时的刀具材料应有更高的韧性 切深很大时常常带来大的切削功率需求，在应用时要注意机床主轴和进给系 统能否满足其功率需求。同时，大切深加工对刀具结构刚性也有一定要求，如刃 口增加倒棱和倒圆，刀体对刀片的支承、夹持系统对刀杆的支持都必须得到加强， 单面负型刀片要优于双面负型刀片，立装刀片要优于卧装刀片等等。同时，选择 合理的刀具几何参数，如减少主偏角以避免切削载荷过分集中等，常常都也是必 须加以考虑的。 ( 3 ) 提高进给速度 提高切削加工中的进给量，可以提高加工效率近年来，车削加工中出现了 一种被称为w i p e r 刀片的新技术。所谓w i p e r 刀片，就是用w i p e r 技术构成宽的 精加工刀刃的技术就技术原理而言，它用一个短的直线或短的大半径圆弧来连 结刀尖圆角和副切削刃，从而有利于减小加工表面粗糙度。 使用w i p e r 刀片技术能在维持原有生产节拍的条件下大幅度降低工件表面粗 3 山东大学硕士学位论文 糙度值，提高表面质量；也可以在保持原来工件质量的前提下大大减少加工时间， 使车削的加工效率提高，经济效益十分明显。w i p e r 技术在铣削上的应用已经较为 成熟，在铣削中通常称为修光刃技术【1 5 】例如，如果使用f = o 6 3 m m z 的相同迸 给量，r 0 8 普通刀片加工的工件表面粗糙度约为1 6 t t m ，而使用w i p e r 刀片( m w 槽形) 加工的工件表面粗糙度仅为2 s t u n ，如果用r o 8 普通刀片要达到2 5 t t m 的工 件表面粗糙度，需要将进给量减小到约，卸2 2 m m z 因此，使用w i p e r 技术能在保证相同的表面质量时使用更高的切削参数，这 意味着生产效率的提高。那么，w i p e r 技术的刀片还提供另一种可能，即在相同的 进给量时能获得更好的表面质量。如果原来需要半精加工，由于使用w i p e r 刀片 技术就可以不需要了，可减少加工工序 1 2 国内外的研究现状 1 2 1 先进刀具设计技术研究 为了实现高速、大进给、大切深的高效切削，人们在研制高效加工装备的同 时开始研制不同的刀具，切削技术的发展历史实际上就是刀具技术不断进步的历 史。刀具技术的发展可以分为刀具结构、刀具材料和刀具涂层技术的发展。 ( 1 ) 刀具材料的创新 从十九世纪中期迄今。刀具材料的发展进程如表1 - 1 所示。刀具材料的进步是 切削加工技术进步的决定性因素之一，对于高速切削加工，刀具材料更具有举足轻 重的影响1 6 1 刀。近三、四十年来刀具材料所取得的突破使高速切削中出现的问题 得到了较好解决一些新型刀具材料( 如氧化物、碳化物、氮化物陶瓷刀具和c b n 等) 具有良好的耐热性；晶须增韧陶瓷刀具大大提高了刀具韧性，用聚晶方法得到的 聚晶立方氮化硼( p c 蹦) 刀片的硬度高达3 5 0 0 4 5 0 0 1 t v ，己成为高速切削淬硬钢 的主要刀具材料【1 8 挎1 ；同样用聚晶方法得到的聚晶金刚石( p c d ) 刀片的硬度可 达6 0 0 0 1 0 0 0 0 h v ，用p c d 材料制作的车刀、铣刀等可对有色金属进行高速切削 目前适用于高速切削的刀具主要有金属陶瓷( t i c n 基硬质合金) 刀具咖l 、陶瓷刀具 1 2 1 - 2 3 1 、立方氮化硼( c b n ) 舭6 】、聚晶金刚石( p c d ) 刀具伫7 - 2 9 等，这些新型刀具材料 的出现和发展，构成了切削技术领域的一个个重大的里程碑。在1 0 0 年以前，人 4 山东大学硕士学位论文 们主要应用高碳钢进行切削加工。通过刀具材料的创新发展，加工效率的提高十 分惊人，如1 0 0 年前需要1 0 0 分钟完成切削加工的工件，现在只需要短短1 分钟 即可完成切削 表1 - 1 刀具材料的发展进程 材料类型各种刀具材料系列发展年代 碳素工具钢 工具钢 1 8 5 0 合金工具钢 通用高速钢 1 9 2 8 1 9 7 8 高性能高速钢 1 9 5 4 高速钢 低合金高速钢 1 9 7 0 1 9 8 0 粉末冶金高速钢 1 9 7 7 涂层高速钢 普通硬质合金 1 9 2 3 1 9 6 9 超微粒硬质合金1 9 6 a 1 9 7 0 硬质合金 涂层硬质合金 1 9 5 9 - - 1 9 7 8 t i c 基硬质合金 1 9 6 5 1 9 7 4 氧化铝基陶瓷1 9 3 8 1 9 5 5 陶瓷 碳化硅基陶瓷 1 9 8 1 天然金刚石 超硬刀具材料 聚晶金刚石 1 9 5 5 1 9 7 4 立方氮化硼 1 9 5 7 一1 9 7 4 刀具材料的创新还体现在其晶粒的大小( 微晶粒) 、形状和分布、合金的成分 和纯度以及均匀性上。 ( 2 ) 刀具涂层技术 涂层刀具是在具有高强度和韧性的基体材料上涂上一层耐高温、耐磨损的材 料鲫。涂层材料及基体之间要求粘结牢固，不易脱落。涂层技术以其效果显著、 适应性好等特点，对刀具性能的提高和切削技术的进步发挥十分重要的推动作用。 目前，最常用的刀具涂层方法有化学气相沉积( c v d ) 1 3 l 】、物理气相沉积( m ) 3 2 3 3 1 、等离子体化学气相沉积( p c v d ) 嗍、盐裕浸镀法、等离子喷涂、热解沉积 涂层以及化学涂敷法等，其中以c v d 和p r o 应用最为广泛。 涂层刀具是在刀具基体上涂覆金属化合物薄膜，以获得远高于基体的表面硬 度和优良的切削性能【3 5 】常用的刀具基体材料主要有高速钢、硬质合金、金属陶 山东大学硕士学位论文 瓷、陶瓷等；涂层既可以是单涂层、双涂层或多涂层，也可以是由几种涂层材料 复合而成的复合涂层1 3 乱3 7 】。硬涂层刀具的涂层材料主要有氮化钛( t i n ) 、碳氮化钛 ( t i c n ) 、氮化铝钛( t i m n ) 、碳氮化铝钛( t i a l c n ) 等，其中t i a l n 在高速切削 中性能优异，其最高工作温度可达8 0 0 。近年来相继开发的一些新型p v d 硬涂 层材料。如c b n 、氮化碳( c n x ) 、a 1 2 0 3 、氮化物( t i n n b n ，t i n v n ) 掣3 州，在 高温下具有良好的热稳定性，十分适合用于高速切削。金刚石膜涂层刀具主要适用 于加工有色金属。软涂层刀具( 如采用硫族化合物m o s 2 、w s 2 作为涂层材料的高 速钢刀具) 主要用于加工高强度铝合金、钛合金或贵重金属材料【4 l 】。 此外，纳米涂层刀具材料在高速切削中也具有广阔的应用前景，将上百层每层 几个纳米厚的材料涂在刀具基体材料上称为纳米涂层【4 2 】，纳米涂层材料的每一个 颗粒尺寸都非常小，因此晶粒边界非常长，从而具有很高的硬度、强度和断裂韧 性。纳米涂层硬度可达i w 2 8 0 0 3 0 0 0 ，耐磨性能比亚微米材料提高5 5 0 。日 本住友公司已开发出纳米t i n a 1 n 复合涂层铣刀片，涂层共达2 0 0 0 层，每层涂层 厚度为2 5 n m 4 3 ( 3 ) 刀具结构的创新 刀具材料和涂层技术的发展为提高切割效率打下了基础，通过先进的刀具结 构更能充分发挥刀具材料和涂层的优势。因此研究人员非常重视刀具结构的研究 和开发 目前，刀具结构的创新可以分为以下几个方面： 1 ) 加大刀具的前角，降低切削力，减轻刀具的载荷，为提高切削效率创造 有利条件。如山高刀具( s e c o ) 公司的o u a t t r o m i l l 平面铣刀( 图1 _ 3 ) 刀槽是 1 0 0 正前角，加上正前角的刀片，安装后最大有效前角高达3 5 0 ，可显著降低切削 力和切削功率。w a l t e r 公司的x t r a t e c 钻头，是机夹刀片硬质合金钻头，较大的 前角，较短的横刃，以及对刀体( 槽) 表面的硬化处理和可靠的定位装夹方式， 使钻削轻快，排屑顺畅，加上应用了该公司的q u a r t e c 的材质和t i g e r t e c 的涂 层技术据称可提高切削效率1 0 0 。该系列的台肩铣刀、面铣刀的可转位刀片都 有很大的前角。 6 山东大学硕士学位论文 图1 - 3q u a m o m i l l 平面铣刀 2 )改变切削图形降低切削力，加大进给速度如山特维克公司的 c o r o d r i l l 8 8 0 浅孔钻( 图l - 4 ) ，使用台阶形的中心刀片与四方形的外周刀片，工 作时两个刃的切削图形相互搭接，形成分屑的效果，从而降低切削力，提高进给 速度。钻头切削负荷的分配还顾及到径向力的平衡，加上外周刀片很小的副偏角， 产生修光作用，这样在高进给时仍能获得较好的尺寸精度和表面质量。i s c a r 公司 开发的风火轮铣刀配置的齿形刀片与圆刀片比较也具有分屑的效果，不仅降低切 削力，而且细小的切屑有利于排屑。 ( 3 ) 通过结构设计减少铣削加工中的振动。如日立公司的四刃圆角铣刀( 图 i - 5 ) ，两个被称为副刃的外径略小于铣刀的公称尺寸，使四刃处在椭圆形的截面 上，副刃与端刃连接的“圆”弧也是椭圆的一部分切削时主刃与副刃分别切下 不同长度、厚度的切屑，改变了切削力的周期性，抑制了刀具的振动，可提高铣 刀每齿进给量( o 5 o 7 m m z ) ，实现高效加工嗍。 图1 4c o r o d r i h 8 8 0 浅孔钻图l - 5 四刃圆角铣刀 1 2 2w i p e r 刀片技术原理 修光刃技术在刀具中已经进行了很多的尝试和试验。使用修光刃刀片可获得 7 山东人学硕士学位论文 | | | 一i i 大进给量加工能力。实际上修光刃的原理就是在刀尖圆弧之后加工成一个大圆弧 或多个大圆弧。由于接触区域更宽且能缩小切削生成表面的波峰和波谷的比值， 这使得刀片具有与大圆弧或圆刀片相同的效果。这也使得进给量增加后表面粗糙 度不会变差。修光刃的原理如图1 6 所示 标准刀片謦光刃刀片 标准刀片廓形 ( 名义刀尖半径) 图l - 6 修光刃 铣削刀具的修光刃技术已经得到较为广泛的应用，而修光刃技术在车削中 的应用是近几年来刀具开发研究人员大力推广的一种新型技术。这种技术被普遍 称为“w i p e r ”技术，使用这种技术可以带来以下几方面的好处：1 ) 使用原来加 工条件，即使在一定范围内提高进给量也能改善加工表面粗糙度。2 ) 提商进给量 不仅能缩短加工时间，同时将半精加工与精加工两道工序，合并成一个工序而提 高生产率3 ) 大进给量使切屑厚度增加，切屑易折断，改善了切屑处理性能。 长春光学精密机械学院的于化东对修光刃刀片的应用进行了试验研究【b l ，采 用p m 和w m 两种刀片，对比两种刀片的切削力和加工表面租糙度，同样的切削条 件下，修光刃比普通刀片的切削力要大，在进给量相同的情况下，修光刃加工得 到的表面质量明显好于普通刀片加工得到的表面质量。波兰奥博蕾大学的w c n - z e s i k 。t w a n a t 采用a l ：0 3 - t i c 复合陶瓷刀片加工低铬合金钢，分别用普通刀片和 w i p e r 】片进行加工，对零件的加工表面粗糙度进行比较1 4 5 1 。除了对不同进给量下 进行表面粗糙度的研究外，还对刀具磨损对加工表面粗糙度的影响进行了研究， 研究表明在3 0 分钟内，随着刀具磨损增加表面粗糙度参数r a 有微小的变化，也就 是说在加工初期刀具磨损对表面粗糙度的影响是很小的，w i p e r 刀片相对于传统刀 片有着更优异的切削性能。 8 山东大学硕士学位论文 2 3 l l i p o r 刀片技术的应用 随着刀具制造技术的进步，w i p e r 技术原理很好的应用于硬质合金刀片、p c b n 刀片、陶瓷刀片，并采用先进的涂层技术，取得了优异的切削性能。 由于w i p e r 刀片改变了刀尖圆弧的几何形状，在达到相同的表面质量的情况 下，进给量可以提高一倍，实现大进给切削；如果切削参数不变，则可以提高表 面质量。因此s a n d v i kc o r o m a n t 公司将w i p e r 技术引入p c b n 刀片的应用，用于 高生产率和高表面质量外圆和内圆切削工序，在精加工以及半精加工和粗加工车 削中都取得了巨大的成功。伴随着w i p e r 刀片技术的在淬硬材料加工中的应用， 车削已经大大加强了对磨削的竞争优势 s e c o 刀具公司推出的一种新型宽刃刮削w i p e r 片，可显著增大进给量而不影 响表面粗糙度。该刀片有硼和1 f 两种槽型，删型刀片与普通刀片相比，允许进给 速度增大l 倍，f 型与普通刀片相比，可显著降低工件加工表面粗糙度。 东芝公司采用w i p e r 技术研制出4 种新型p c b n 刀片：b x 3 1 0 、b x 3 3 0 型刀片 适于连续或断续切削硬度为5 0 6 0 h r c 的淬硬钢，这种刀片由中等c b n 颗粒与耐 热陶瓷粘结荆烧结而成，可提高刀具的表面质量，在w i p e r 刀片技术提高切削效 率的基础上，增强刀具的抗磨损性能：b x 9 3 0 、b x 9 5 0 型刀片适于高速精加工耐热 合金钢、铸铁，这种刀片是由高含量的c b n 颗粒与c o 及碳化物烧结而成，增强了 刀具横向抗断裂的性能，提高了w i p e r 刀片技术的应用范围。 1 3 课厦的提出、研究目的和主要内容 从近年来刀具行业的发展看，切削刀具在生产活动中的作用正越来越受到企 业的重视在传统机械制造企业中，刀具费用通常占生产成本的3 4 0 a ，从表 面上看刀具费用在生产成本中所占的比重非常小，因此企业对解决其它闯题，如 技术改造、结构调整等更加重视。实际上，刀具是机械加工中最具活力的因索， 它对生产成本、效率、质量及环境都有重大影响，随着人们对切削加工认识的加 深，开始发现除了刀具的直接费用，其间接影响而产生的费用不容忽视，这一点 由前面对德国汽车零件加工的单件成本构成的分析中不难看出。造成这种现象的 背景是能源紧张和环境保护对机械制造业的影响以及人们对综合自动化的追求。 9 山东大学硕士学位论文 2 0 世纪9 0 年代以来各国切削界和刀具行业纷纷提出高能耗工艺的替代工艺，研究 精密及无冷却润滑的洁净成本加工技术，高效，高速切削、以车代磨、干式切削等 工艺已从研究进入实用脚4 7 1 1 3 1 新型刀具在实际运用中存在的问题 采用新型刀具实现高效优质低成本生产是现代机械制造企业提高经济效益的 重要途径之一【鹌】。欧洲一生产液压阀体的工厂，在原工艺中主要使用高速钢钻头、 铰刀、丝锥等普通工具，刀具费用在生产总成本中占8 5 ；在新工艺中主要使用 硬质合金阶梯钻头、内冷却硬质合金钻头、硬质合金铰刀等新型工具，刀具费用 在生产总成本中的比例上升为1 1 2 。但使用效果是，生产时间减少5 8 ，生产成 本降低5 6 8 现在，国内数控机床甚至加工中心已经得到广泛应用，但许多新型 高效加工刀具还得不到应用1 4 9 1 ，结果是先进的设备使用落后的刀具，其优良性能 根本得不到发挥，这实际上造成了浪费。 国内外工具生产厂家在开发新型刀具时多集中在刀具材料的应用上。实际上， 通过刀具几何设计改善切削状态是生产实践中一条行之有效的方法，c i r p 曾公布 一项研究报告指出：”由于刀具材料的改进，刀具许用切削速度每隔十年提高一 倍而由于刀具结构和几何参数的改进，刀具耐用度每隔十年几乎提高二倍，采 用新型刀具材料可以提高刀具的切削性能，而优化刀具切削部分的几何形状则能 充分发挥新型材料的威力【2 1 1 3 2 课题的研究目的 本文研究的主要目的就是通过研究w i p e r 刀片的切削机理，分析w i p e r 刀片 的切削性能，促进新型刀片在生产中的应用，以便在加工中节约成本、提高生产 效率。 1 3 3 课题主要的研究内容 w i p e r 刀片是一种新型刀片，通过改变刀具结构和几何参数来改善刀具的切削 加工性能，本文通过和传统刀具对比，采用理论和试验的两种方式，研究这种新 型刀具的优良切削性能： 山东大学硕士学位论文 ( 1 ) 通过和普通刀片几何形状的比较研究，分析w i p e r 刀片的设计原理，根 据w i p e r 刀片特殊几何形状，提出实际应用中应注意的问题。 ( 2 ) 建立w i p e r 刀片和普通刀片加工表面粗糙度、切削层和切削力理论模型。 对加工表面粗糙度和切削力进行理论分析；并进行切削试验，通过改变进给量， 对比两者的加工表面质量和切削力的不同，从而对w i p e r 刀片的切削性能进行分 析。 ( 3 ) 通过试验研究w i p e r 刀片的磨损规律，并从理论方面分析刀片的磨损形 式、磨损机理，从刀具磨损方面来分析w i p e r 刀片的切削性能。 山东大学硕士学位论文 第二章w i p e r 刀片的几何形状研究 在切削加工中，针对特定的加工对刀片切削刃的几何参数进行优化设计已经 取得了显著的进步这些先进的、具有精确公差的刀片几何形状设计能确保高效 排屑，降低切削阻力，并提高工件表面的质量。w i p e r 刀片是一个提高加工生产率的 刀片创新设计的实例。与传统的刀片相比，这种刀片设计了一个经过改进的刀尖圆 弧半径，能获得极高的表面加工质量，可应用于半精加工和精加工。在成倍提高进 给量的同时可获得与传统刀片加工相媲美的表面质量；而在普通刀片通常采用的 切削条件下，w i p e r 刀片则能获得极小的表面粗糙度。本章对w i p e r 刀片的几何形状 进行分析研究。 2 1 车刀刀片几何形状 2 1 1 刀片的形状 i s o 标准和我国标准规定了车刀刀片型号的含义。本文研究采用的是肯纳刀 具，刀具的型号为a 心d g l 2 0 4 0 8 f w ，第一个字母c 即代表这个型号的刀片的形状， 下面分别介绍常见的车刀刀片形状，刀片形状如图2 - 1 所示。 产坪中 弼佛嘎 姘 率- v 中 蟛 蛾喇 图2 1 车刀刀片形状 s 形：四个刃口，刃口较短( 指同等内切圆直径) ，刀尖强度较高，主要用于7 5 。、 山东大学硕士学位论文 4 5 。车刀，在内孔刀中用于加工通孔。 t 形：三个刃口，刃口较长，刀尖强度低，在普通车床上使用时常采用带副偏角的 刀片以提高刀尖强度。主要用于9 0 。车刀。在内孔车刀中主要用于加工盲孔、 台阶孔。 c 形：有两种刀尖角1 0 0 。刀尖角的两个刀尖强度高，一般做成7 5 。车刀，用来 粗车外圆、端面，8 0 。刀尖角的两个刃口强度较高，用它不用换刀即可加工 端面或圆柱面，在内孔车刀中一般用于加工台阶孔。 r 形：圆形刃口，用于特殊圆弧面的加工，刀片利用率高，但径向力大。 - 形：三个刃口且较短，刀尖角8 0 。刀尖强度较高，主要用在普通车床上加工圆 柱面和台阶面。 d 形：两个刃口且较长，刀尖角5 5 。刀尖强度较低，主要用于仿形加工，当做成 9 3 。车刀时切入角不得大于2 7 。3 0 。；做成6 2 5 。车刀时，切入角不得 大于5 7 。6 0 。，在加工内孔时可用于台阶孔及较浅的清根 v 形：两个刃口并且长，刀尖角3 5 。刀尖强度低，用于仿形加工做成9 3 。车刀 时切入角不大于5 0 。；做成7 2 5 。车刀时切入角不大于7 0 。；做成1 0 7 5 。 车刀时切入角不大于3 5 。 2 1 2 刀具刃口形式 刃口形式：尖刃、倒圆刃、倒棱刃口、倒圆且倒棱刃口，如图2 - 2 所示。 ( a ) 尖刃( b ) 倒圆刃( c ) 倒前刀面棱角 ( d ) 倒后刀面棱角( e ) 倒圆且倒棱角 图2 - 2 刃口形式 山东大学硕士学位论文 尖刃：优点：由于其刃口圆弧半径“小，刀刃锋利，能切下薄层金属。r n 越小，切 下的切削层越多，就能保证加工表面的质量。缺点：由于尖刃薄弱的刃口， 其刀刃强度和散热性条件都很差，很难抵御粗车时所产生的大切削力和高 的切削温度。易磨损。用于精加工，成型车刀、铣刀、铰刀，齿轮刀具等 倒棱刃：倒棱既可以保证刀具的原前角作用，又可提高刀刃的切削强度。缺点是 对负倒棱宽度的修磨掌握很不容易，如果宽度过大，切屑不再沿着前刀面 流出，而是沿着负倒棱面流出。用于粗加工和半精加工等刀具。 倒圆刃；在刃口上刃磨或钝化成一定参数的园角，增加刃口强度，提高刀具寿命， 用于各种粗加工和半精加工的可转位刀具剐。 2 1 3 车刀的主要角度 在w i p e r 刀片设计、制造、刃磨及测量时，主要角度有：主偏角k 、副偏角 k f 、前角v o 和后角a o 。如图2 - 3 所示。 图2 - 3 车刀的角度 主偏角k ：在基面中测量的主切削平面与假定工作平面间的夹角。 副偏角n ：在基面中测量的副切削平面与假定工作平面问的夹角。 主偏角主要影响切削层截面的形状和参数，影响切削分力的变化，并和副偏角 一起影响已加工表面的粗糙度；副偏角还有减小副后刀面与已加工表面间摩擦 的作用。如图2 _ 4 所示，当切削深度和进给量一定时，主偏角愈小，切削层公 1 4 山东大学硕士学位论文 称宽度愈大而公称厚度愈小，即切下宽而薄的切屑。这时，主切削刃单位长度 上的负荷较小，并且散热条件较好，有利于刀具寿命的提高。由图2 5 可以看 出，当主、副偏角小时，已加工表面残留面积的高度h 。亦小，因而可减小表 面粗糙度的值，并且刀尖强度和散热条件较好，有利于提高刀具寿命。但是， 当主偏角减小时，径向力将增大，若加工刚度较差的工件( 如车细长轴) ，则 容易引起工件变形，并可能产生振动。主、副偏角应根据工件的刚度及加工 要求选取合理的数值。一般车刀常用的主偏角有4 5 。、6 0 。、7 5 。、。等几种； 副偏角为5 。1 5 。，粗加工时取较大值睁1 1 。 图2 4 主副偏角对切削层参数的影响 2 2 w i p e r 刀片的概念及其设计 2 2 1 w i p e r 刀片的概念 车削加工中，传统的认识是加工表面质量与刀具进给速度和刀尖半径有直接 的关系。增大进给量会缩短切削时间，但是同时会使表面质量降低。大的刀尖半 径会产生好的表面质量，但刀尖半径过大会产生振动趋向、不满意的断屑效果和 由于刀刃的连接强度问题而导致刀具寿命变短。因此，实际使用时刀片的刀尖半 径和进给量是受到加工效率和加工质量限制的，而进给量对加工效率和加工质量 的影响是相互矛盾的。 为了打破这种上述限制一在高的进给速度下得到好的表面质量，w i p 盯技术被 山尔大学硕士学位论文 应用在车削过程中。w i p e r 技术主要是对刀尖和副切削刃的连接部分进行修正，用 直线或一个大圆弧来进行连接，这样会改善车削表面质量。 w i p e r 刀片有着与普通刀片不一样的几何结构。在铣削中，又被称为修光刃刀 片，它在刀尖后面有一条宽的直线或者大圆弧，使加工表面更加光滑以便得到好 的加工表面质量。在车削中w i p e r 刀片的设计