（机械制造及其自动化专业论文）整体硬质合金立铣刀的制造及其摩擦磨损机理研究.pdf

摘要 摘要 本论文以硬质合金材料的研制及整体硬质合金立铣刀磨削加工理论及其高速 铣削航空铝合金时的摩擦磨损机理为主要研究内容。以实现刀具国产化为目标， 通过建立并完善包括材料设计与制备、刃磨加工工艺在内的整体硬质合金立铣刀 制造技术，提高刀具性能及刀具寿命，改善加工质量，具有重要的理论价值和实 际意义。 通过分析国内外硬质合金刀具材料的研究现状，以及适合加工铝合金的各种 刀具材料的成分，建立了优化分析模型，对刀具i 件材料成分进行了物化分析， 同时对刀具材料性能进行了检测，提出了合理的刀具材料组分；在分析硬质合金 烧结原理的基础上，结合国内外先进的硬质合金烧结工艺，提出了合理的烧结工 艺，制备了硬质合金棒料。 在分析螺旋立铣刀磨削加工理论的基础上，运用螺旋包络理论建立了合理的 磨削加工运动数学模型，分析了刀具的磨削方法和磨削原理，结合整体硬质合金 刀具生产实例，制定了可靠实用的磨削加工工艺，为刀具的实际磨削加工奠定了 理论基础，具有实际指导意义。 针对实际加工的需要，通过摩擦实验，研究了硬质合金与铝合金摩擦时的摩 擦特性，分析了速度、压力、温度以及硬质合金成分等因素对硬质合金摩擦性能 的影响；通过铣削实验，研究了硬质合金刀具高速铣削铝合金时的摩擦磨损机理。 本论文通过实验和理论相结合的方法，所研制的刀具性能基本符合国内生产 加工的需要，同时对实现刀具国产化起到了促进作用。 关键词：高速铣削；整体硬质合金刀具；航空铝合金；磨削加工：摩擦磨损机理 本课题得到数控刀具国产化研究( 【0 5 卜0 2 7 ) 的资助。 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ed e v e l o p m e n to fc e m e n t e dc a r b i d em a t e r i a l s ，t h eg r i n d i n gp r o c e s so fs o l i d c a r b i d ee n dm i l l i n gc u t t e r sa sw e l lt h e i rf r i c t i o na n dw e a rm e c h a n i s m si nh i g h - s p e e d m i l l i n go fa e r o n a u t i c a la l u m i n u ma l l o ya r ei n v e s t i g a t e di nt h ep r e s e n tt h e s i s a i m i n ga t t h ed o m e s t i c i z a t i o no f t h es o l i dc a r b i d ee n dm i l l i n gc u t t e r sa n db ym e a n so f d e v e l o p i n g a n do p t i m i z i n gt h em a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g i e sf o rs o l i dc a r b i d ee n dm i l l i n gc u t t e r s i n c l u d i n gd e s i g na n d f a b r i c a t i o no ft o o l m a t e r i a l s ，g r i n d i n gp r o c e s s ，t h e t o o l p e r f o r m a n c e ，t o o l l i f ea n dt h em a c h i n i n gq u a l i t ya r ci m p r o v e d ，w i t hi m p o r t a n t t h e o r e t i c a lv a l u ea n dp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h es t a t eo ft h ea r tf o rd o m e s t i ca n do v a s e a sc e m e n t e d c a r b i d ed e v e l o p m e n t ，t h ec o m p o s i t i o n so ft h et o o lm a t e r i a ls u i t a b l ef o ra l u m i n u ma l l o y m a c h i n i n g a r e i n v e s t i g a t e d a n dt h e o p t i m i z a t i o n m o d e li se s t a b l i s h e d t h e p h y s i c a y c h e m i s t r ya n a l y s i si sc o n d u c t e do nt h ec u t t e r - w o r k p i e c em a t e r i a lc o m p o n e n t s ， t h ep h y s i c a l m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h et o o lm a t e r i a l sa r et e s t e d ，f r o mw h i c ht h e r e a s o n a b l ec o m p o n e n t so ft o o lm a t e r i a lw e r ed e t e r m i n e d b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h e s i n t e r i n gp r i n c i p l eo fc e m e n t e dc a r b i d ea n dc o m b i n i n gt h ed o m e s t i ca n do v e r s e a a d v a n c e ds i n t e r i n gp r o c e s so fc e m e n t e dc a r b i d e s ，ar e a s o n a b l es i n t e r i n gp r o c e s si sp u t f o r w a r d ，w h i c hi se m p l o y e dt of a b r i c a t et h ec e m e n t e dc a r b i d e sb a r s b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h eg r i n d i n gp r i n c i p l eo ft h es p i r a le n dm i l l i n gc u t t e ra n d u t i l i z i n gt h es p i r a le n v e l o p et h e o r y , ar e a s o n a b l em a t h e m a t i c a lm o d e lf o rg r i n d i n g m o v e m e n ti se s t a b l i s h e d b ya n a l y z i n gt h ec u t t e rg r i n d i n gt y p e sa n dg r i n d i n gp r i n c i p l e a n db yr e f e r e n c et ot h ep r o d u c t i o ne x a m p l e so ft h es o l i dc a r b i d et o o l s ，ar e l i a b l ea n d p r a c t i c a lg r i n d i n gp r o c e s si sp r e s e n t e d ，w h i c hl a yt h et h e o r e t i c a lf o u n d a t i o nf o rt h e p r a c t i c a lg r i n d i n g o fc u t t e r s t h er e s u l t sp r o v i d eag u i d a n c ef o rt h ep r a c t i c a l m a n u f a c t u r i n g f o rt h es a k eo fp r a c t i c a la p p l i c a t i o n ，t h ef r i c t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h ec e m e n t e d c a r b i d e s a l u m i n u ma l l o ya r ei n v e s t i g a t e dv i aas e r i e so ff r i c t i o ne x p e r i m e n t t h e i n f l u e n c eo fv a r i o u sf a c t o r ss u c ha st h es l i d i n gs p e e d ，p r e s s u r e ，t e m p e r a t u r ea sw e l la s t h ec o m p o s i t i o no ft h ec e m e n t e dc a r b i d e so nt h ef r i c t i o np e r f o r m a n c eo ft h ec e m e n t e d c a r b i d e sa r ea n a l y z e d t h ew e a rm e c h a n i s m so ft h es o l i dc a r b i d ee n dm i l l i n gc u t t e ra r e s t u d i e di nh i g hs p e e dm i l l i n go ft h ea l u m i n u ma l l o yb ym e a n so ft h em i l l i n g 山东大学硕士学位论文 e x p e r i m e n t s i n t h i s t h e s i s ，t h ee x p e r i m e n t a la n dt h e o r e t i c a lm e t h o d sa r ec o m b i n e dt o m a n u f a c t u r et h ec u t t e rw i t hp r o p e r t i e sm e e t i n gt h ed e m a n df o rp r a c t i c a lp r o d u c t i o n ， p r o m o t i n gt h ec u t t e rd o m e s t i c i z a t i o n k e y w o r d s ：h i g hs p e e dm i l l i n g ；s o l i dc a r b i d ee n dm i l l i n gc u t t e r ；a e r o n a u t i c a l a l u m i n u m a l l o y ；g r i n d i n g ；f r i c t i o na n dw e a r m e c h a n i s m s t h i st h e s i si ss u p p o r t e db yt h ed o m e s t i c i z a t i o ns t u d yo f n c c u t t e r ( 【0 5 】一0 2 7 ) 。二鳖型鹜墅盘，一 物理量名称及主要符号 仃抗弯强度( m p a ) p 断裂载荷( k g o 护转角( ) 艿磨削切角( ) 西轴交角( ) 安装角( ) 口螺旋角( ) 国角速度( r a d s ) l 螺旋导程( n u n ) p 螺旋常数 h 螺旋齿齿深( i 砌) 五砂轮锥底角( ) 螺旋升角( ) h v 维氏硬度( k g t t m m 2 ) k 无量纲磨损率 g 磨损物的质量( m 曲 p 磨损物的密度( 驴m 3 ) v 磨损体积( 哪3 ) v 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： 孪挫 日期：薹盟：丝 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：壁丝导师签名：日期：坦：! ：璺 第1 章绪论 第l 章绪论 切削加工己进入了一个以高速、高效和高精度为标志的高速加工发展新阶段， 高速切削己成为当前切削技术的重要发展方向1 1 1 。在高速加工中，刀具材料是最活 跃的因素，刀具材料的性能对切削加工的效率、精度、表面质量有着决定性的影 响1 2 , 3 l 。硬质合金刀具材料以其优异的物理力学性能和切削性能，在高速切削领域 以及加工某些难加工材料方面，有其特殊的优点。硬质合金刀具材料具有很高的 硬度、高耐磨性、耐热性等优良性能，因而它广泛应用于切削加工领域【4 】。 随着高性能硬质合金在切削加工领域的日益广泛应用，如何解决硬质合金刀 具在复杂切削条件下的摩擦磨损、提高硬质合金刀具的综合性能，解决高速铣削 航空铝合金过程中刀具磨损破损问题，降低刀具成本，改善工件加工质量，是目 i j 硬质合金作为刀具材料研究的首要问题。为了降低刀具使用成本，提高刀具的 使用寿命，打破刀具依赖进口的局面，消化吸收进口刀具生产技术，实现刀具国 产化就显得尤为重要了。 1 1 高速切削加工技术的发展现状 高速切削加工是提高生产率的众多途径之一。为了提高数控加工的效率，目 前国外许多飞机厂和发动机厂已采用高速切削加工来制造航空零部件，如长的铝 合金零件、薄层腹板件、模具、钛合金零件等【5 州。 近三十年来国际上有关高速切削方面的研究主要有：( 1 ) k o m a n d u r i 博士领 导执行的美国先进加工研究计划( 剐协冲) ；俄亥俄州立大学a l t a n 教授领导的研 究小组在高速切削模拟方面做了大量的工作；( 2 ) h s c h u l z 教授领导执行的德国 研究与技术部资助项目，对高速铣削机床及其主轴、刀具、工艺、效率与应用的 研究；( 3 ) 意大利l e v i 等人对高速切削加工经济性的研究：( 4 ) 日本森肋俊道、 呜泷则彦分别在微孔钻削和端面铣削方面进行了高速切削的应用研究。 与世界先进水平相比，我国高速切削加工技术相对落后，尤其是在高速切削 加工工艺和高速刀具技术方面，9 0 以上的高速刀具系统，包括刀具、刀柄和刀 具材料是国外进口或外资企业、合资企业生产。加上国内对高速加工技术中一些 基础共性技术的自主性研究不足，因此影响了高速加工技术的推广应用。 县静对高速切削基础理论的研究却严重滞后于应用研究，远未形成相对完整的 理论体系1 7 8 l 。因此未来高速切削理论的研究应向高速加工基本规律、高速切削过 程和切削成形机理以及高速切削虚拟技术等方面进行深入发展 9 3 0 。 山东大学硕十学位论文 1 2 高速切削铝合金研究现状 目前，航宇制造业对铝合金零件进行高速加工时，主轴转速可达1 0 0 0 0 3 5 0 0 0 r m i n ，进给速度已达l o 2 0 m m i n ，切削速度可达1 5 0 0 6 0 0 0 m m i n ，刀具寿命 3 0 0 0 3 5 0 0 m i n ：刀具直径多数不超过3 0 m m ，少数用至t j 4 0 m m 以上【1 1 i 。 铝合余的切削加工在切削机理、工艺、刀具磨损等方面的研究主要有：王立 江【l2 】等研究- j p c d 刀具断续车削铝合金时的切削力、切入冲击力和刀具磨损等问 题；g l i s t t l 3 , 1 4 研究了未涂层硬质合金刀片正交干车削铝合金2 0 2 4 时积屑瘤的形 成、粘结磨损和扩散磨损，以及切削参数和涂层对干式钻削铝合金的影响i m n o u a r i i ”】研究了干切削条件下高速钻削航空铝合金2 0 2 4 时刀具磨损形态和机 理，并对钻削刀具形状进行了优化；熊建武【1 6 l 研究了硬质合金刀具和超细晶粒硬 质合金刀具低速切削铝合金时的扩散磨损，发现扩散磨损是由于硬质合金中的粘 结相原子向铝合金工件扩散，以及铝合金工件中铝原子向硬质合金刀具扩散造成 的。 1 3 硬质合金刀具材料的发展概况 由于硬质合金具有良好的综合性能，因此在刀具行业得到了广泛应用，目前 国外9 0 以上的车刀、5 5 以上的铣刀均采用硬质合金材料制造。我国在超细硬 质合金的研制与生产方面与国外还有较大差距【1 7 - 2 1 】，超细硬质合金的硬度已达到 要求，但强度偏低。 由于硬质合金刀具材料的耐磨性和强韧性不易兼顾，因此使用者只能根据具 体加工对象和加工条件在众多硬质合金牌号中选择适用的刀具材料，这给硬质合 会刀具的选用和管理带来诸多不便。为进一步改善硬质合金刀具材料的综合切削 性能，目前的研究热点主要围绕以下几个方面展开： 1 细化晶粒 通过细化硬质相晶粒度、增大硬质相的晶间表面积、增强晶粒间结合力，可 使硬质合会刀具材料的硬度、强度和耐磨性均得到提高。超细晶粒硬质合金与成 分相同的普通硬质合金相比，硬度可提高2 h r a 以上，抗弯强度可提高6 0 0 8 0 0 m p a 。 常用的晶粒细化工艺方法有机械合金化法、等径侧向挤压法( e c a e ) 【2 2 l 等。 2 涂层硬质合金 在韧性较好的硬质合金基体上，通过c v d ( 化学气相沉积) 、p v d ( 物理气相沉 积) 、h v o f ( h i e , h v e l o c i t yo x y f u e l t h e r m a ls p r a y i n g ) 1 2 3 , 2 4 】等方法涂覆一层很薄的耐 磨会属化合物，可使基体的强韧性与涂层的耐磨性相结合而提高硬质合金刀具的 第1 章绪论 综合性能。涂层硬质合金刀具具有良好的耐磨性和耐热性，特别适合高速切削。 3 表面、整体热处理和循环热处理 对强韧性较好的硬质合金表面进行渗氮、渗硼等处理【2 4 1 ，可有效提高其表面 耐磨性。利用循环热处理工艺缓解或消除晶界间的应力，可全面提高硬质合金材料 的综合性能。 4 添加稀有金属碳化物 在硬质合金材料中添加t a c 、n b c 等稀有金属碳化物川，可使添加物与原有 硬质相w c 、t i c 结合形成复杂固溶体结构，从而进一步强化硬质相结构，同时可 起到抑制硬质相晶粒长大、增强组织均匀性等作用，对提高硬质合金的综合性能 大有益处。 5 添加稀土元素 在硬质合金材料中添加少量钇等稀土元素【2 4 】，可有效提高材料的韧性和抗弯 强度，耐磨性亦有所改善。我国稀土资源丰富，在硬质合金中添加稀土元素的研 究也具有较高水平。 1 4 硬质合金刀具制造技术的研究现状 1 4 1 硬质合金刀具技术的研究概述 在刀具制造业中，刀具螺旋槽通过磨削成形是主要的制造方法，尤其是整体 硬质合金刀具螺旋槽成形的研究。但是大多数嫖旋槽的研究都是对一些经典螺旋 面理论的研究，比如对螺杆螺旋槽的研究就是基于螺杆螺旋面与滚刀螺旋面空间 相切接触由此形成的接触线在整个切削过程中的空间位置保持不变来求解的【2 5 1 。 然而当今对刀具螺旋槽成形理论的研究也只是局限在由己知的螺旋槽截形求解砂 轮( 或刀具) 的廓形f 2 6 3 2 1 ，或者由作图法求解砂轮或刀具的刃形曲线 3 3 1 ，然后由求解 的砂轮廓形磨削螺旋槽。 近年来，随着硬质合金韧性的提高，以及数控机床性能的提高，使整体硬质 合金刀具的应用面越来越广，是发展最快的品种，正在迅速改变切削加工的面貌。 整体硬质合金刀具的迅速发展刺激了数控工具磨床市场，其中德国w a l t e r 公司的 h e l i t r o n i cp o w e rc n c 五轴联动数控工具磨床新增模拟磨削软件，可以低成本地快 速开发非标刀具，在模拟过程中获得刀具磨削数据，并直接传输到机床控制系统。 整体硬质含金刀具在我国已有几年的发展历史，早期有原四平工具厂、湖南 钻石硬质合金工具有限公司从德国g a h r i n g 公司引进技术生产此类刀具。近年来， 随着我国轿车工业和模具工业的发展，需求量迅速增加，各工具厂相继引进关键 设备和技术，也开始推出此类刀具。 山东大学硕十学位论文 1 4 2 刀具刃磨技术的现状 随着科学技术的发展，机械加工所需要的工具也迅速发展。磨具发展的典型 代表是金刚石砂轮和c b n 砂轮。金刚石砂轮主要用于硬质合金刀具的加工，而c b n 砂轮主要用于高速钢等工具钢的加工，其加工效果好。砂轮形状也只有四种类型， 平砂轮( 1 a i 系列) 、碟型砂轮( 1 2 v 9 系列) 、碗型砂轮( 11 v 9 系列) 、开槽角度砂轮( 1 v l 系y u ) 。其中用于磨削螺旋沟槽的砂轮只有两种，一种是平砂轮( 1 a i 系列) ，另一种 是碟型砂轮( 1 2 v 9 系列) 或开槽角度砂轮( 1 v 1 系列) 。碗型砂轮( 1 1 v 9 系列) 是用于磨 圆周后角、端齿后角以及转接r ( 或倒角) 处的后角。砂轮材料的进步也推动了加工 设备及技术的发展。 如今，在c n c 工具磨床上磨削立铣刀沟槽已成为立铣刀生产的主要工艺。磨 削恰好弥补了沟槽铣削过程中的缺陷。随着生产的发展，国外大部分工厂要求采 用磨削沟槽代替铣削沟槽。用砂轮磨铣刀沟槽又分为二种：一种是用成形砂轮磨 沟槽：另一种是用形状简单的标准砂轮磨沟槽。其中前一种方法中，成形砂轮的 价格高，同时成形砂轮的修形也很麻烦；而第二种方法中，截形是直线的标准砂 轮，其成本大大降低了，同时砂轮的修形也很简单，若选用金刚石砂轮或c b n 砂 轮则基本上可以不用修形。所以，在国外用标准砂轮磨沟槽己经很普及了。 1 5 硬质合金刀具摩擦磨损的研究概状 在高速切削条件下，涂层硬质合金刀具的表面涂层在切削早期就被磨穿，刀具 的正常工作是处于涂层已局部被磨穿的情况下进行的；此时，刀具涂层磨穿区的磨 损以扩散磨损为主，未磨穿区以塑性变形磨损为主。由于表面涂层对基体材料的渗 透作用，在相同的切削条件下，与未涂层刀片相比，涂层刀片的后刀面磨损耐用度可 提高2 4 倍，抗月牙洼磨损能力可提高5 1 0 倍【m 1 。 目前所研究的硬质合金刀具的主要磨损机理为磨粒磨损、粘着磨损、扩散磨 损和氧化磨损，其中以扩散磨损和氧化磨损居主导地位，而硬质合金刀具在难加工 材料的高速铣削加工中的主要失效形式为前刀面月牙洼磨损和前刀面剥落【”3 。硬 质合金刀具在切削奥氏体不锈钢时，刀具与工件之问发生了原子间相互扩散是发 生粘刀现象的主要原因1 3 ”。 目前，人们对硬质合金切削钢材等其他材料的摩擦、磨损及其机理进行了大 量研究，由于被加工对象铝合金本身所具有的结构及性能特点与其他钢材有很大 的不同，因此有必要对硬质合金切削铝合金时的摩擦磨损理论进行研究和探索。 4 第l 章绪论 ! 自自! ! ! ! ! ! ! e 目自e e s ! ! ! ! ! 目目j ! ! ! ! 自= e ! ! ! e e ! 目e e ! ! ! ! | | e ! ! ! ! ! s ! ! ! ! ! ! ! _ 1 l 1 6 存在的问题 1 国产刀具在航空铝合金高速加工方面，使用寿命低，刀具性能满足不了航 空制造业的需求，而且刀具依赖进口使用成本高： 2 目前国内螺旋齿类的立铣刀刃磨效率和精度低。刀具重磨时，刀具的刃形 受到磨损或严重的破坏，刃磨工艺不够完善，很难保证刀具的重磨质量。 3 目前硬质合金切削铝合金时的摩擦性质缺乏研究；硬质合刀具高速铣削铝 合会时的磨损和破损机理不够完善。 1 7 本课题研究的目的、意义及主要内容 1 7 1 课题研究背景 国内高速切削刀具材料与国外差距较大，目前在进口的和国内生产的高速机 床上使用的刀具主要依靠进口，所以国内高速切削刀具材料面临严峻的挑战。 硬质合金与高速钢相比，具有较高的硬度、耐磨性和红硬性；与超硬材料相 比，具有较高的韧性。由于硬质合金具有良好的综合性能，因此在刀具行业得到 了广泛应用。国内硬质合金刀具在切削铝合金方面，刀具寿命较低，容易发生崩 刃、粘刀等现象，影响了加工效率，增加了刀具的使用成本。 为降低用于航空铝合金加工的成本，改变刀具依赖进口的被动局面，提高硬质 合金刀具性能及寿命，我们对整体硬质合金立铣刀的制造及其摩擦磨损机理进行 了研究。 1 7 2 课题研究的目的及意义 基于本课题的研究，综合国内外研究状况，以及高速铣削对硬质合金刀具材 科高的耐热性、抗热冲击性能和良好的高温力学性能的要求，基于超细硬质合金 刀具有高韧性、高强度、高耐磨性及良好的抗热震性等特点，研制适用于切削铝 合会用的超细硬质合金刀具材料。 在刀具的刃磨加工过程中，磨削加工工艺直接影响刀具螺旋槽的槽形、几何形 状及其精度，从而影响刀具的排屑、容屑性能和刀具的几何参数、强度以及刚度 等。因此确定刀具合理的加工轨迹以及制定相应的磨削加工工艺，可以提高刀具的 切削性能和使用寿命。 刀具窗损是切削加工中极为重要的问题之一，刀具的磨损关系到刀具寿命、 加工质量、生产效率和经济效益，尤其是在高速铣削加工航空用大型铝合金件方 面，显得尤为重要。因此需要对硬质合金刀具的磨损进行深入的研究，搞清硬质 合金刀具的磨损机理，更好地指导生产实践，针对不同的加工需求及条件选择不 山东大学硕+ 学位论文 同的刀具材料和切削参数，更大地提高铣削加工质量和效率。 1 7 3 课题来源与主要研究内容 本课题来源于型号工程用于加工航空铝合金整体硬质合金刀具的研制， 本课题主要开展以下研究内容： 1 研究适用于高速切削航空铝合金用的超细硬质合金刀具材料的成分组成 及硬质合金棒料制备工艺： 2 对整体硬质合金立铣刀具的磨削工艺进行理论分析，建立简单可靠的工件 ( 刀具) 和砂轮( 磨具) 数学模型，根据两个连续可微曲面，作连续啮合运动， 两曲面接触轨迹连续的特点，最终由砂轮( 磨具) 和工件( 刀具) 上接触点的位 置得到砂轮运动轨迹模型，实现砂轮在任意位置的磨削点在刀具的理论廓形上。 最后，结合实例制定刀具的磨削加工工艺； 3 研究不同成分的w c c o 硬质合金与航空用铝合金的( 块盘) 摩擦副在干摩 擦条件下的摩擦磨损行为与机制，研究其摩擦特性与滑动速度、载荷的关系，为 今后分析刀具材料成分及性能的提高提供理论依据： 4 深入探讨硬质合金刀具高速铣削加工航空铝合金的磨损规律，揭示硬质合 金刀具的磨损机理。 6 第2 苹硬质合金刀具材料设计与制备 第2 章硬质合金刀具材料设计与制备 刀具的发展对提高生产率和加工质量具有直接影响，刀具的材料、结构和几 何形状是决定刀具切削性能的三要素，其中刀具材料的性能起着关键性作用，因 此合理的选择刀具材料具有重要的意义【3 7 1 。 本章以实验为出发点，结合现有的刀具产品进行刀具材料的性能和成分分析， 研究影响硬质合金刀具材料性能的各项因素，提出了合理的硬质合金烧结制备工 艺，为刀具的生产和材料的制各奠定了理论基础。 2 1 刀具材料成分分析与实验 2 1 1 刀具材料实验方案 为实现刀具国产化，制备与国外刀具性能相近的刀具材料，需要对企业现用 的进口刀具进行试验检测，具体内容如下： 1 性能检测试验 ( 1 ) 抗弯强度：标准b 试样6 5 ( o 2 5 ) x 5 2 5 ( 0 2 5 ) x 2 0 ( o m m , 标准a 试 样5 f o 2 5 ) x 5 ( 0 2 5 ) 3 5 ( 1 ) m m 。将试样磨光后采用三点法测抗弯强度；依据硬 质合金横向断裂强度测定方法( h a r dm e t a l s d e t e r m i n a t i o no ff f a n s v e l s er u p t u r e s t r e n g t h ) g b t3 8 5 1 1 9 8 3 。抗弯强度计算公式为： 矿：二氅( 2 ，1 ) 2 b h 式中盯为抗弯强度( m p a ) ； p 为断裂载荷( n ) ； ，为试样两支点间的跨距( n u n ) ； b 、h 分别为试样的宽度( r a m ) 和高度( n u n ) 。 在实验过程中我们不仅采用了标准b 试样，还采用了标准的c 试样( i s 0 3 3 2 7 ) 进行对比测定，其尺寸要求为：3 2 5 m m x 3 8 5 m m ，跨距3 0 m m ，如图2 1 所示： 图2 1t r s 试验 ( 2 ) 维氏硬度h v 3 0 k g f m m 2 ：推荐用试验力2 9 4 2 n ，施加试验力时问为2 山东大学硕十学位论文 8 s ，力的保持时间为1 0 1 5 s ，任一压痕中心到试样边缘距离应- 2 5 d ，两相邻压痕中 心距离应- 3 d ，试样上硬度测定 - 3 次，取平均值。计算公式如下： h v = 9 8 1 8 5 4 4 导 (22)d 式中h v 维氏硬度( k g f m m 2 ) ； p 为断裂载荷( k g f ) ； d 为压痕对角线长度( m m ) 。 实验仪器为：h s v - 3 0 型维氏硬度计：依据硬质合金维氏硬度试验方法( h a r d m e t a l s v i c k e r sh a r d n e s st e s t ) g b t1 9 9 7 - 1 9 8 7 。 ( 3 ) 断裂韧性：直接压痕法，采用测抗弯强度断裂后的试样测显微硬度，由 公式h v ：9 8 。】8 5 4 4 p 。，可直接求得硬质合金的断裂韧性值： d k j c = 0 0 0 2 8 h v ( 2 - 3 ) ( 4 ) 导热系数k ( w m k 4 ) ：d r m l 型导热系数测定仪传导热流法：执 行g b t5 5 9 8 8 5 。仪器：d r x 2 导热系数测试仪。 ( 5 ) 材料显微结构观察：采用s e m ( 扫描电子显微镜) 、t e m ( 透射电子显微镜) 、 h r e m ( 高分辨率透射电子显微镜) 等仪器观察材料的显微结构；对性能较好的试样 进行x 射线衍射试验，定性定量测定化合物成分，测定材料的相组成。 2 摩擦磨损实验 根据现有的设备，在车床上自行设计摩擦磨损实验方案，研究硬质合金刀具 材料与铝合金工件材料的摩擦性能与磨损机理。 3 铣削试验 根据材料的硬度、强度和铣削条件( 工件材料、铣削方式) 的不同，选择不 同的铣削参数，对刀具进行铣削试验，最终研究刀具的磨损破损机理。 2 1 2 刀具材料与工件材料的物化分析 物理和化学相容性问题 3 8 , 3 9 1 是刀具材料设计中的重要内容之一，作为刀具材料 设计原则的两个方面，物理相容性和化学相容性问题也是后续材料设计工作的基础 和前提，它将对材料的物理力学性能和使用性能产生重大影响。刀具材料与工件材 料性能参数见表2 1 。 第2 章硬质合金刀具材料设计与制备 表2 - 1 材料性能参数 熔点 密度p 硬度弹性模量 热膨胀系数 泊松比 材料 ( ) ( r o o m 3 ) ( h v 3 e ( g p a )a ( x 1 0 。、p c r 3 c z 1 8 9 56 6 8 1 3 5 03 8 01 0 3o 1 7 6 t a c3 8 8 01 4 31 8 0 02 9 16 6 l0 1 9 n b c3 4 8 07 5 62 4 0 02 4 56 8 40 1 8 v c 2 8 1 05 3 62 8 0 0 4 3 06 50 1 7 w c2 7 2 01 5 52 4 0 07 l o4 6 2o 2 8 w c 一1 0 w t c o1 4 5 51 6 5 05 5 0 6 0 05 2o 3 7 0 5 05 2 42 5 4 2 8 27 1 oo 3 3 铝合金固相线( 2 0 3 0 0 ) 2 0 2 45 0 22 4 7 2 7 77 2 40 - 3 3 铝合金固相线( 2 0 3 0 0 ) 1 化学相容性分析原理 在刀具材料组分设计时，首先要考虑的是材料成分体系在热力学上的相容性。 通过热力学计算，可以预测各组成相之间在直到烧结温度范围内发生化学反应的可 能性，把工件材料作为“独立相”，研究它与各材料组分在切削温度条件下的化学相容 性，对于硬质合金刀具材料组分系统的确定也有十分重要的意义。 根据最小自由焓原理【舡4 3 i ，当a g 0 时，等温等压条件下封面体系中的反应 过程自发进行。 对于化学反应，利用物质吉布斯自由能函数法，有 g ，= h 呈一7 m ， ( 2 - 4 ) 当r o = 2 9 8 k 时 ， g 岁= 昙。一7 - 中； ( 2 5 ) 其中，g 尹为化学反应的标准摩尔自由能，m - 。为标准反应热效应，m ，为反应 吉布斯自由能函数。 出化学反应自发性的判断： 1 ) a g 0非自发过程，过程能向逆方向进行； 可知，根据上面的表达式可判断，刀具材料成分之间以及刀具材料与工件之 问是否发生反应，以此作为刀具材料设计的相容性断据。 2 化学楣容性分析 在本文所涉及的刀具材料设计中，工件与刀具材料之间以及各材料本身在刀 具一工件共存的状态下，材料成分之间存在发生化学反应的可能性，为了合理的 设计刀具材料与工件材料的匹配关系，对刀具材料与工件材料间进行了化学相容 性分析计算，见附表1 。本附表中只列出了部分可能发生化学反应过程的计算，具 体计算结果见表2 2 、2 3 、2 - 4 所示。 表2 2 主相与添加剂之间反应的热力学计算结果( 1 7 0 0 k ) 添加剂 主爪 c 1 3 c 2 v ct a cn b c w c c o 表2 3 主相之间反应的热力学计算结果( 1 7 0 0 k ) 主相 w cc o 主相 w c c o 添加剂 c r 3 c 2 v cn c n b c 添加帮卜 c r 3 c 2 v c t a c n b c 元化合物的化学反应不完全，可能会造成热力学计算结果与某些体系的实际情况不 相符，导致某些体系出现“漏判”的情况。但这并不意味着计算上的错误，它需要相关 学科的共同努力来解决。此外，在实际反应过程中，由于不平衡体系的存在以及化学 动力学过程的影响不容忽视，故应设计试验加以验证。或者可以利用相图作为辅助 工具选出相应复合系统的共存相区作为组分设计的依据。 o 第2 章硬质合金刀具材料设计与制各 3 刀具材料物理相容性定性分析 对于硬质合金刀具材料，不同相之间的物理匹配将对界面应力、载荷传递以及 整个材料的性能产生影响，尤以热膨胀系数的匹配程度和弹性模量的差异对材料性 能的影响最大。 从材料设计的角度考虑，在满足性能要求的基础上，唯有调整所选材料的组成 和结晶结构是条可行的途径。事实上。由于热胀失配的程度和弹性模量的不同，在 材料内部将形成大小不同的残余应力。从降低残余拉应力、提高材料强度的角度 讲，应使基体与添加相的热膨胀系数接近，添加剂的弹性模量较小：但从残余应力增 韧和微裂纹增韧、提高硬质合金材料断裂韧性的角度看，存在适当的残余应力是必 要的，而且高的弹性模量将使添加相分担更大的载荷，也有助于材料强度的改善。 从表2 1 中的数据显示，添加剂的弹性模量基本符合上述分析的内容，热胀系 数也基本与基体一致，因此，所加添加剂符合物理匹配性能原则。 本文在所建立的化学相容性计算模型基础上，分析了各种可能的硬质合金刀具 材料组分系统的化学相容性问题，并定性分析了硬质合金刀具材料的物理相容性， 认为各组分材料的热膨胀系数和弹性模量的最优匹配，是同时获得具有较高的抗弯 强度和断裂韧性以及抗热热震性的硬质合金刀具材料的必要条件之一。 2 2 硬质合金性能与组织结构分析 硬质合金材料的性能取决于硬质合金的成分和显微结构，有关硬质合金的成 分、显微结构参数和性能间关系的研究已有较多成果发表 4 4 捌】。 通过对国外材料成分的分析发现，刀具材料里面添加了部分稀土元素，如图 2 2 所示。 茁 uw 曲_ 由* 缸o ：k - _ 啊钾竹 p p 卅p _ 图2 - 2 x 衍射成分分析 本次实验采用了生产现场提供的几种硬质合金刀具材料以及合作研制的 1 2 w t c o 超细硬质合金，试验内容包括物理性能测试、s e m 及成分分析。 通过分析实验数据，得到了硬质合金的硬度、抗弯强度和断裂韧性随w c 粒 山东大学硕十学位论文 度、c o 含量的变化趋势如图2 3 、2 4 、2 - 5 所示。 681 01 2 c o 含量w t _ 681 01 2 c o 含量孵t 亚微米 蚓舞 2 0 惦 0 。nh嶙器 第2 章硬质合金刀具材料设计与制备 2 3 硬质合金烧结制备工艺的研究 2 3 1 硬质合金的烧结机理 硬质合会的烧结是液相烧结，由于( 1 ) c o 对w c 完全润湿，润湿角o 一0 ；( 2 ) w c 在c o 中部分溶解；( 3 ) 烧结温度超过w c 和c o 的共晶温度，而液相在w c 中不溶 解，故保温阶段总存在液相。因此w c c o 硬质合金的烧结属于w - c o 。c 三元液相 烧结。 w c c o 硬质合金的烧结过程可分为四个阶段【5 2 捌： 烧结的第一阶段，即脱除成形剂及预烧阶段( 冷却阶段( 烧结温度室温) ； 5 棒料检验：物理力学性能分析、显微结构分析；气孔、裂纹等外观缺陷。 2 4 本章小结 通过对比国内外硬质合金刀具材料的研究，分析了适合加工铝合金的刀具材 料成分并对刀具i 件材料成分进行了物化相容性分析，提出了合理的刀具材料成 分。 1 分析了各种可能的硬质合金刀具材料组分系统的化学相容性问题，得出刀 具材料组分合理，符合刀具设计原则，从而为进一步的组分设计奠定了基础； 2 ，定性分析了硬质合金刀具材料的物理相容性问题，认为各组分材科的热膨 胀系数和弹性模量存在一个最优匹配点，只有这样才能获得具有良好的综合力学性 能的硬质合金刀具材料。 同时对刀具材料性能进行检测，提出了合理的刀具材料组分：在分析硬质合 会烧结原理的基础上，结合国内外先进的硬质合金烧结工艺，提出了合理的硬质 合金烧结工艺。 6 第3 章整体硬质合金立铣刀刃磨加1 = t 艺研究 第3 章整体硬质合金立铣刀刃磨加工工艺研究 本文依据各种回转面刀具的共性【5 引，通过刀具螺旋面的几何建模、求解砂轮运 动轨迹、砂轮运动参数的后处理等步骤来实现圆柱形螺旋刃铣刀的制造过程。本 文中讨论的铣刀由前刀面，容屑槽、刃带后刀面和第二后刀面组成。 3 1 立铣刀制造工艺规程 一般铣刀的制造过程，包括刀具几何设计、磨削轨迹分析【5 9 1 ，结合砂轮及磨 床的选用等几大部分。刀具的制造过程可用框图3 1 来表示： 图3 - 1 刀具的制造过程 在综合分析了一般立铣刀的制造过程的基础上，详细设计了对于刀具零件图 3 2 所示的刀具制造工艺技术路线，如图3 3 所示。 b b 放大 图3 - 2 刀具零件图 山东大学硕士学何论文 铣刀几何 建模 分析图纸和计划任务 刀具设计 选择t 艺基准、评价基准精度h 金剐磊砂轮磨削基准表面 设计工艺路线 设计工艺工序 确定工序的组成、内容及顺序 选择各道工序所需的设备 确定每道工序中工步的组成、顺序 选择砂轮、辅具、量具，计算各切削用屠 制定每道工序 在程宇控制系统指令中确定砂轮和被加工 刀具的各个元素构成的轨迹以及控制指令 刀具制造加工卜_ l 依据刀具刃磨路线和工艺进行磨削加工 型 刀具涂层 尺寸精度、籀糙度、几何角度、刃口表 面质量( 烧伤、毛刺、网状裂纹等) 圈3 - 3 刀具制造技术路线 3 2 立铣刀前刀面的磨削加工工艺分析 现行的磨削盼刀面的方法不能保证所要求的前角i 而且，目前磨削方法仅对 前刀面为平面、螺旋角为零的直槽铣刀可以精确地按前角进行计算 6 1 , 6 2 ) ；对螺旋 刃铣刀则只能近似计算，在试磨、测量之后再进行修正。由于法向前角的检测十分 困难，因此实际上无法保证要求的前角，这对充分发挥刀具的使用性能是极为不利 的。基于上述问题，本文分析了磨削前刀面的加工理论，提出了可以保证精确地 磨出所要求的法向前角的磨削加工方法。