（机械工程专业论文）不锈钢1cr18ni9ti的高速车削技术试验研究.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 不锈钢材料具有良好的综合性能，因此在各行各业中的应用越来越广泛，目 前不锈钢产品的切削加工表面质量较差、效率较低，其难切削加工性一直是制造 行业迫切需要解决的问题。高速切削加工技术在切削不锈钢中的应用可以大幅度 提高生产效率、加工质量。 本课题针对1 c r l 8 n i 9 t i 不锈钢高速车削加工中的刀具材料及切削用量选择、 工件表面粗糙度、切屑形态、刀具磨损等问题进行了试验研究和理论分析，主要 研究内容如下： 制定不锈钢切削试验方案： 选择陶瓷刀具、金属陶瓷刀具、硬质合金涂层刀具进行不锈钢的高速车削 加工试验，找到不同刀具适合切削的范围。陶瓷刀具l 1 5 5 适合在v 。= 1 2 0 m r a i n 以 上切削加工不锈钢，耐磨性好： 通过试验研究了不同刀具材料高速车削加工l c r l 8 n i 9 t i 不锈钢时的表面 粗糙度其中进给量对表面粗糙度的影响最为显著，其次为切削速度： 分析了不同刀具材料在不同切削速度下加工t c r l 8 n i g t i 不锈钢的切屑形 态，随着车削速度的提商，切屑变短且易断屑，其中l t 5 5 陶瓷刀具切削加工时产 生了锯齿状切屑； 分析了奥氏体不锈钢的加工硬化机理及其对刀具磨损的影响； 根据试验结果分析在不同切削条件下切削不锈钢的刀具磨损形式及其磨 损机理。由试验结果可知。高速车削1 c r l 8 n i 9 t i 不锈钢时，产生大量的切削热， 刀具磨损形式主要是沟槽磨损、刀尖破损。 应用高速切削加工技术进行不锈钢的切削加工，可大大提高生产效率和产品 质量。本试验研究将为1 c r l s n i 9 t i 不锈钢的高速车削加工在刀具材料选择、采用 合理的切削用量、避免刀具的非正常磨损等方面具有理论指导意义和实用价值 关键词：高速切削，不锈钢，表面粗糙度，切屑形态，刀具磨损 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t s t a i n l e s ss t e e lm a t e r i a li sw i d e l yu s e di nv a r i o u si n d u s t r i a lf i e l d sf o ri t se x c e l l e n t s y n t h e t i cp r o p e r t y h o w e v e r , i t sd i f f i c u l tm a c h i n a b i l i t yr e s u l t si nl o wm a c h i n i n g e f f i c i e n c ya n dt h e s u r f a c er o u g h n e s s t h e a p p l i c a t i o no fh i g h s p e e dm a c h i n i n g t e c h n o l o g yi nt h em a c h i n i n go fs t a i n l e s ss t e e lc a ng r e a t l yi m p r o v ec u t t i n ge f f i c i e n c ya n d m a c h i n i n gq u a l i t y i nt h i sp a p e r , e x p e r i m e n t si n v e s t i g a t i o na n dt h e o r e t i c a la n a l y s i sw e r ec a r r i e do u ti n t h eh i g h s p e e dt u r n i n gs t a i n l e s ss t e e l ( 1 c r l 8 n i 9 t i ) s u c ha sp r o p e rt o o lm a t e r i a l sa n d c u t t i n gp a r a m e t e r ss e l e c t i o n ，s u r f a c er o u g h n e s s ，c h i pp a t t e r n ，t o o lw e a ra n d s oo n t h e m a i nr e s e a r c h e sw e r ef o c u s e do nf o l l o w i n gi t e m s ： t ow o r ko u te x p e r i m e n t a lp l a n n i n go f h i g h - s p e e dt u r n i n g1c r l8 n i 9 t i t h r e ek i n d so fc u r i n gm a t e r i a lw e r es e l e c t e dt om a c h i n es t a i n l e s ss t e e l m a c h i n i n ge x p e r i m e n ts u c ha sc e r a m i cc u r i n gt o o l s ，c e r m e t sc u r i n gt o o l sa n dc o a t e d c a r b i d ec u r i n gt o o l s ，i nw h i c ht h eb e s tr a n g eo f e a c hk i n do f t o o lm a t e r i a lw a sf o u n d e d f o re x a m p l e ，l t 5 5w a ss u i t a b l et ob em a c h i n e1 c r l 8 n i 9 t ia st h ec u t t i n gs p e e d s u r p a s s e s1 2 0 m m i na n dh a v eag o o dw e a r a b l ep r o p e r t y s u r f a c er o u g h n e s sw a sm e a s u r e du n d e rd i f f e r e n tc u t t i n gc o n d i t i o n s f e e dr a t e p l a y e dt h em o s ti m p o r t a n tr o l ei ni m p a c t i n gs u r f a c er o u g h n e s s ，a n dt h e nc u r i n gs p e e d c h i pp a r e m si nd i f f e r e n tc u r i n gs p e e dw i t hv a r i o u sc u r i n gm a t e r i a l sw e r e a n a l y z e d w i t l lt h ei n c r e a s eo ft u r n i n gs p e e d ，c h i pb e c a m es h o r t e ra n dw a se a s yt ob e b r o k e n f o ri n s t a n c e ，s e r r a t i o nc h i pa p p e a r e di nh i g hs p e dt u r n i n gs t a i n l e s ss t e e lw i t h l t 5 5 ； w o r kh a r d e n i n go fa u s t e n i t i cs t a i n l e s ss t e e lw a sa n a l y z e d i tw a sp r o v e dt h a t w o r kh a r d e n i n gh a do u t s t a n d i n ge f f e c t so nt o o lw e a r , t o o lw e a l - p a r e m sa n dm e c h a n i s mw e r ea n a l y z e da c c o r d i n gt ot h ee x p e r i m e n t r e s u l t s g r e a th e a tw a sg e n e r a t e dw h e n1 c r l s n i 9 t iw a s m a c h i n e di nh i g hs p e e da n dt h e m a i np a t t e r no f t o o lw e a rw a sg r o o v i n gw e a ra n dt i pc h i p p i n g i tc a l lb ec o n c l u d e dt h a tt h ea p p l i c a t i o no fh i 曲- s p e e dt e c h n o l o g yi nt u r n i n g 山东大学硕士学位论文 s t a i n l e s ss t e e lc a l lg r e a t l yi m p r o v ep r o d u c tr a t ea n dp a r tq u a l i t y t h i sr e s e a r c hc a r l p r o v i d es o l u t i o n si nc u t t i n gt o o lm a t e r i a la n dc u t t i n gp a r a m e t e r ss e l e c t i o na sw e l la s a v o i d i n gp r e m a t u r et o o lw e a r , k e y w o r d s ：h i g h - s p e e dm a c h i n i n g ，s t a i n l e s ss t e e l ，s u r f a c er o u g h n e s s ，c h i p m o r p h o l o g y , t o o lw e a r 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：至! 量整日期： 2 。4i o 巧 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：至缴导师签名：董培基亟卜日 期：迦垒：堡型 山东大学硕士学位论文 绪论 不锈钢具有良好的综合性能：强度高、刚度好、耐蚀性强、耐磨性好、适应 温度范围宽、价格相对低廉等，因此不锈钢的应用范围越来越广泛。然而，不锈 钢的切削加工性较差，使用传统的加工方法，其加工质量差、生产效率低。使用 高速切削技术，可大大提高不锈钢的加工质量和生产效率。 1 1 不锈钢的应用 不锈钢具有良好的机械性能，耐腐蚀、耐高温，几乎在所有的工业领域中均 被用来制造在腐蚀条件下或8 0 0 c 高温下工作的零件i ”，其具体应用如下【2 】。 在建筑业中，由于不锈钢具有耐用和几乎不需要维护表面这两种特性，人 们较以往任何时候更加重视其应用。日本住宅建筑的寿命较短，一般为2 0 3 0 年， 废材处理成为一大问题。最近以寿命达到1 0 0 年为目标的建筑物开始出现，这样 具有优异耐久性的不锈钢材料需求将增长。从环保的观点看，在减少土木、建筑 废材的同时，使用不锈钢也可降低维修成本。 在海洋装置上，奥氏体和马氏体不锈钢很久以来就用于航海动力装置上的 高温管道以及透平机叶片。还有推进器、泵、散装容器、热交换器、密封匿等都 大量使用奥氏体不锈钢材料。 在化工行业中，大量的奥氏体不锈钢用于中弱腐蚀的场合，降低产品受污 染的概率，从而有利于产品的质量控制。 在交通运输机械上，不锈钢大量用于汽车装潢材料，奥氏体不锈钢是当今 汽车发动机上使用的最广泛的一种材料。 在食品工业中，从食品的加工、储藏、运输、烹调和食用及食物废料和残 渣的处理，都大量使用不锈钢材料。 在航空和航天工业中，不锈钢原材料的价格和可加工性介于铝合金和钛合 金之问。不锈钢耍比铝合金或钛合金耐腐蚀性强，其工作温度范围也比铝台金或 钛合金两者都高。不锈钢广泛用于航空和航天领域中的高温结构、压力容器、流 体管道和管接头、紧固件和机械系统。 在给水、排水处理装鬣中，对具有优异耐蚀性的不锈钢的需求也大大增加。 在桥梁、高速公路、隧道等设施中，不锈钢的应用也根广泛。 山东大学硕士学位论文 随着i t 行业的发展和普及，对不锈钢的需求也越来越大。如：利用不锈钢 的高强度、弹性和非磁性等特性生产手机和电脑零部件。利用不锈钢良好的清洁 性能和耐久性，制造半导体和各种基板。 不锈钢在酿酒工业、医疗器械、造纸工业、石油工业、核工业、紧固件上 的应用也很广泛。 不锈钢具有其它材料没有的优异性能，是一种具有优异耐久性和再循环性的 材料。随时代发展，不锈钢将广泛应用于各种领域。其中奥氏体不锈钢是应用广 泛且具有代表性的一种，这种钢具有强度高、耐热、耐腐蚀等优点。 1 2 不锈钢的切削加工特点 与4 5 # 钢相比，不锈钢如1 c r t 8 n i 9 t i 的相对可切削性约在o 3 0 5 之间，是一 种难切削材料。以1 c r l s n i 9 t i 不锈钢为例，其难加工性主要表现在 3 - 17 】： 加工硬化严重。不锈钢的加工硬化现象严重，如1 c r l 8 n i 9 t i 不锈钢硬化后 的强度可达1 4 7 0 1 9 6 0 m p a ，加工硬化层深度可达切削深度的1 ，3 或更大；硬化层 的硬度比原来的提高1 4 - 2 2 倍。其主要原因是：不锈钢的塑性大、塑性变形时晶 格扭曲，强度系数很大；且奥氏体不够稳定，在切削力的作用下，部分奥氏体会 转变成马氏体：还有一些化合物杂质在切削热的作用下，易于分解呈弥散分布， 使切削时产生硬化层。这样就大大增加了切削时的摩擦、磨损和切削力。易使刀 具磨损，并影响工件的表面粗糙度。 切削力大。不锈钢的抗拉强度和硬度一般与中碳钢接近( 见表卜i ) ，但其 高温强度和高温硬度比中碳钢要高，一般钢材切削时，随着切削温度的升高其强 度会明显降低( 如4 5 # 钢在5 0 0 。c 时，其盯b = 6 8 m p a ) ，切屑易被切离，而1 c r l 8 n i 9 t i 在7 0 0 4 时仍不能降低其机械性能( 5 0 0 1 2 时的盯6 = 5 0 0 m p a ) ，故切屑不易被切离， 切削过程中切削力大，刀具易磨损：不锈钢的延伸率大，超过4 5 # 钢的1 5 倍以上， 切削时塑性变形大，晶格严重扭曲，加工硬化亦严重。所有这些因素都会使切削 力增大。 切削温度高。虽然1 c r l 8 n i 9 t i 的抗拉强度和硬度都不商，但其塑性和韧性 好，综合性能很好，它的延伸率、断面收缩率和冲击值都较高i c r l 8 n i 9 t i 的延 伸率是4 0 ，是4 5 # 镡j 的2 5 0 2 8 0 ，是2 0 c r 、4 0 c r 钢的4 0 0 5 0 0 ，所以切屑不 山东大学硕士学位论文 易被切离、卷曲和折断。切屑变形所消耗的功增多，如切除一定体积的i c r l 8 n i 9 t i 所消耗的能量比切除相同体积的低碳铜约高5 0 ，并且不锈钢的导热系数较低( 见 表l 一1 ，大约是4 5 f l 钢的1 3 ) ，大部分能量转化为热能，使切削温度升高。大量的 切削热大都集中在切削区和刀- 屑接触面上，散热条件差，致使刀具的温度升高， 加剧刀具磨损。在相同的条件下。1 c r l 8 n i 9 t i 的切削温度比4 5 # 钢高2 0 0 ( 3 左右。 表1 - il c r l 8 n i 9 t i 和4 5 # 钢的强度和导热系数 切屑不易折断、易粘结。不锈钢的塑性、韧性都很好，车削时切屑不易断 屑，使操作不顺利，切屑还可能会擦伤已加工表面。 刀具易磨损。切削不锈钢时切屑与前刀面的接触长度约为碳钢的6 5 7 0 ， 造成应力集中在切削刃附近，易使刀具甭刃，且切削热也集中在切削刃附近，使 切削温度高，刀具磨损加快；切削时的高温使刀屑产生粘结、扩散，使刀具产生 粘结磨损和扩散磨损；严重的加工硬化及不锈钢中的许多微细的碳化物( 如t i c ) 颗粒，会加剧刃具的磨损。 表面质量和精度不易保证。低速切削不锈钢时易产生积屑瘤，且当前角，d 较小时，切屑呈挤裂状，切削速度的方向也有变形，这样都会使工件表面粗糙度 值增大。由于切削温度很高，材料的导热性又很差，工件极易产生热变形，精度 不易保证。 综上所述，1 c r l 8 n i 9 t i 不锈钢的切削加工性很差，特别是在断续切削时，刀 具极易产生磨损，刀具使用寿命很低，影响加工效率、加工成本、加工精度和表 面质量。 1 3 不锈钢切削的国内外研究概况 1 3 1 目前常用的切削条件 目前，车削不锈钢一般使用y g 8 1 3 、y g 5 3 2 等牌号超细( 亚细) 晶粒钨钴类 硬质合金，y g g n 、y w l 、y w 2 、y w 3 等牌号钨钛钽( 铌) 钴类硬质合金，y n l 0 等牌号碳( 氮) 化钛基硬质合金，涂层硬质台金等；铣削、钻削一。般使_ 1 1 ；| 高速钢、 坐变奎兰鎏圭兰磐鎏兰 涂层高速钢、涂层硬质台金。精车刀具一般采用前角，d 大致为2 0 。，后角a 。为 l o 。左右。高速钢铣刀一般取r n = 1 0 。2 0 。，硬质合金铣刀一般取r 庐5 。1 0 。， 高速钢端铣刀一般取c q = 1 0 。一2 0 4 ，立铣刀一般取甄= 1 5 。2 0 。，硬质合金端铣 刀一般取= 5 。1 0 。，立铣刀一般取= 1 2 。1 6 。精车刀般取 ，= 3 。刀 尖倒棱取b r l 。r o ，i o 1 o 2 r a m x 5 。 精车的切削用量一般取切削深度a p 0 5 - 2 m m ，进给量产0 1 0 3 m t r d r ，切削速 度v c = 6 0 1 0 0 n f f m i n1 4 1 。 1 3 。2 国内外不锈钢切削新刀具的发展趋势 涂层硬质合金刀具t t s - 2 0 l ：涂层硬质合金一般采用化学气相沉积法( c v d ) ，沉 积温度在1 0 0 0 左右。涂层高速钢刀具一般采用物理气相沉积法( p v d ) ，沉积温 度在5 0 0 左右。目前应用最多的涂层物质有t i c 、t i n 、t i c n 、a 1 。0 3 等单层及多 元多层复合涂层，其涂层与基体结合强度高，薄膜厚度可达7 9un l ，c v d 涂层具 有更好的耐磨性。二十世纪八十年代中后期，美国8 5 的硬质合金工具采用了涂层 处理。其中c v d 涂层占到了9 9 ：二十世纪九十年代中期，c v d 涂层硬质合金刀片 在涂层硬质合金刀具中仍占到了8 0 以上。但c v d 工艺也有其先天性的缺陷，一是 工艺处理温度高，易造成刀具材料抗弯强度的下降；= 是薄膜内部为拉应力状态， 使用中易导致微裂纹的产生；三是c v d 工艺所排放的废气、废液会造成工业污染， 对环境影响较大，与目前所提倡的绿色工业相抵触，因此二十世纪九十年代中期 后高温c v d 技术的发展受到了一定的制约。二十世纪八十年代末k r u p pw i d i a 开 发的p c v d ( 低温化学气相沉积) 技术达到了实用水平，其工艺处理温度已降至 4 5 0 。c 6 5 0 c ，有效地抑制了相的产生，可进行t i n 、t i c n 、t i c 等涂层，用 于螺纹刀具、铣刀、模具等，但到目前为止p c v d 工艺在刀具涂层领域内的应用并 不十分广泛。 真正引起c v d 技术发生突变的是二十世纪九十年代中期新型m t c v d ( 中温化 学气相沉积) 技术的出现。新型m t c v d 是以含c n 的有机物乙腈( c h 3 c n ) 为主 要反应气体和t i c l 4 、h 2 、n 2 在7 0 0 9 0 0 c 下产生分解、化学反应，生成t i c n 的 一种新方法，可获得致密纤维状结晶形态的涂层，涂层厚度可达8 l oum 。这种 山东大学硕士学位论文 涂层结构具有极高的耐磨损性、抗热震性及韧性，并可通过h t c v d ( 高温化学气 相沉积) 工艺技术在表层沉积上a 1 ：0 ，、t i n 等抗高温氧化性能好、与被加工材料 亲和力小、自润滑性能好的材料。m t c v d 涂层刀片适合于高速、高温、大负荷、 干式切削条件下使用，其寿命可比普通涂层刀片提高1 倍左右。从目前的发展来 看，c v d 工艺( 包括肿一c v d ) 主要用于硬质台金车削类刀具的表面涂层其涂层 刀具适合于中型、重型切削的高速粗加工及半精加工，尤其是口一a 1 ，0 ，涂层是目 前p v d 技术所难以实现的，因此在干式切削加工中，c v d 涂层技术仍占有极其重要 的地位。 当前涂层刀具的发展趋势是：涂层成分趋于多元化、复合化：为满足不同的 切削加工要求，涂层成分更为复杂、更具针对性；每单层成分也会越来越薄，并 逐步趋于纳米化纳米涂层可使晶粒细化，使涂层致密性好，性能一致，涂层间 粘结强度高，从而提高刀具的硬度，增加其耐磨性；涂层温度会愈来愈低；刀具 涂层工艺则会向更合理方向发展，p v d 、m t - c v d 工艺将成为主要加工工艺方法。p v d 涂层t i a i n t 。8 1 。在切削过程中铝氧化而形成氧化铝，起抗氧化和抗扩散磨损的作用， 在高速切削时，切削效果优于t i n 和t i c n 涂层刀具。a i t i n s a t u r n 涂层在干切削 时具有比t i a i n 更优异的抗磨损能力l ，适合予重切削、硬切削及奥氏体钢的切 削加工。目前最新的a i c r n 涂层、t i n - s i ，n 。纳米结构涂层的硬度分别达到3 2 0 0 h v 和4 0 0 0 h v ，抗氧化温度达到i 1 0 0 c ，显著提高刀具切削性能阱1 。 国内c v d 技术与国际水平相差不大，目前国外刀具p v d 技术已发展到了第四 代，而国内尚处于第二代的水平，且仍以单层t i n 涂层为主。 陶瓷刀具”3 】：主要有a 1 2 0 3 基、s i ，n4 基、s i a l o n 复合陶瓷三类。陶瓷刀具的 脆性使其应用受到限制，近年来添加了碳化物、氮化物、硼化物、氧化物和晶须 等，采用颗粒弥散增韧、相变增韧、晶须增韧、各种增韧机理的协同作用等多种 增韧机理进行增韧补强，从而提高陶瓷刀具材料的抗弯强度、断裂韧性和抗冲击 性能，充分发挥陶瓷刀具硬度高、耐磨性能和高温力学性能好、与金属的亲和力 小、不易与金属产生粘结、化学稳定性好的特点，实现以车代磨及难加工材料的 山东大学硕士学位论文 切削加工。 金属陶瓷刀具：近年来t i ( c ，n ) 基金属陶瓷材料发展较快，其刀片数量占可 转位刀片的3 0 【2 3 】，其高温下的硬度和横向断裂强度更高，抗氧化性能和高温抗 蠕变能力更好，已成为主要的切削刀具之，并逐渐取代t i c 基金属陶瓷刀具。 1 3 3 不锈钢的切削加工实例 y g 8 和y g 8 n 硬质合金刀车削不锈钢1 c r l 8 n i 9 t i t4 】：s e 件尺寸为由9 0 0 7 2 0 。y g 8 刀具，几何参数为，o = 1 5 。一1 8 。，= 6 。- 86 ，k r = 7 5 。，a s - - 一5 。- 86 ； 切削用量为彤= o 3 0 5 m m ，户0 1 6 m m r ，v 。= 2 8 n d m i n ，精车一刀需刃磨2 8 次车刀， 且工件表面接刀痕很明显。后改用y g g n 刀具，将比提高到4 2 4m m i n ，其他切 削条件不变，精车一刀外园，仅需磨刀5 次，工件表面粗糙度忍= 3 2u m ，接刀痕 也不明显。 y g 6 和y g l 0 h 硬质合金刀具镗孔不锈钢1 c r l 8 n i 9 t i t 4 1 ； 刀具几何参数为，o = 2 0 。，= 8 。，k , = 7 59 ， ，= - 36 ：切削用量为a p = 3 m m ， f = o 3 2 m m r ，v c = 2 0 m m i n 。此切削条件下，y g 6 的刀具耐用度为1 5 m i n ，不断屑， 粘刀；y g l 0 h 的刀具耐用度为6 0 m i n ，切削质量良好。 金属陶瓷刀具和y g 8 硬质合金刀具切削不锈钢1 c r l s n i 9 t i 刀具安装角度均为= - 8 。，= 9 。，蜀= 9 0 。，厨7 = 3 0 。后刀面磨损情 况见图1 1 所示。 由图1 1 可见：由于金属陶瓷刀具具有优良的综合力学性能和物理性能，因 此在切削1 c r l 8 n i 9 t i 时其刀具寿命远高于y g 8 硬质合金刀具大约高于3 倍的寿 命，并且加工质量也好。 山东大学硬学也论文 切削加工。 金属陶瓷刀具：近年来t i ( c ，n ) 基金属陶瓷材料发展较快，其刀片数量占可 转位刀片的3 0 ”1 ，其高温下的硬度和横向断裂强度更高。抗氧化性能和高温抗 蠕变能力更好，已成为主要的切削刀具之，并逐渐取代t i c 基金属陶瓷刀具。 1 3 3 不锈钢的切削加工实例 y g 8 和y g 8 n 硬质台金刀车削不锈钢i c r l 8 n i 9 t iq ：工件尺寸为也9 0 0 7 2 0 。y g 8 刀具，几何参数为凡= 1 5 。一1 8 。，= 6 。- 8 。，k r = 7 5 。， 产一5 。- 86 ； 切削用量为旷0 3 0 5 r a m ，户0 1 6 m m r ，v 。= 2 9 m m i n ，精车一刀需刃磨2 8 次车刀， 且工件表面接刀痕很明显。后改用y g $ n 刀具，将k 提高到4 24m r a i n 。其他切 削条件不变，精车一刀外园，仅需磨刀5 次，工件表面粗糙度忍= 3 2u m ，接刀痕 也不明显。 y g 6 和y g l 0 h 硬质台金刀具镗孔不锈钢i c r l s n i 9 t i ； 刀具几何参数为h = 2 0 。，口o = 8 。，k ，= 7 5 。， ，= - 3 。；切削用量为a p = 3 m m ， 产0 3 2 m m r ，v 。= 2 0 m m i n 。此切削条件下，y g 6 的刀具耐用度为l s m i n ，不断屑， 粘刀；y g i o h 的刀具耐用度为6 0 m i n ，切削质量良好。 金属陶瓷刀具和y g 8 硬质舍金刀具切削不锈钢1 c r l 8 n i g t i 刀具安装角度均为凡= - 8 。，口。= 9 。，丘= 9 0 。，肝7 = 3 0 。后刀面磨损情 况见图1 1 所示。 由图i 1 可见：由于金属陶瓷刀具具有优良的练台力学性能和物理性能，匾 此在切削i c r l 8 n i 9 t i 时其刀具寿命远高于y g 8 硬质合金刀具大约高于3 倍的寿 命，并且加工质量也好。 命，并且加工质量也好。 山东大学硕士学位论文 t i _ _ j l _ _ _ _ _ _ i _ _ _ - _ l _ - _ - l 目_ - - _ _ _ _ - i i i i - _ _ 日目i - 自日目i _ 自_ _ 日_ _ _ _ _ _ _ - 一 ( i - 0 i m m r 口。_ 0 4 m m ，2 6 0 m i e n ) 图1 1金属陶瓷刀具和y g 8 刀具切削不锈钢时的磨损曲线 碳化硅晶须( s i c w ) 增韧和碳化硅颗粒( s i c p t ) 弥散补强氧化铝( a 1 2 0 3 ) 新型系列陶瓷刀具a p w ( a 1 2 0 ；s i c w s i c p ) 刀具切削1 c r l 8 n i g t i t 2 ”。 刀具材料和刀具几何参数：a p w l 、a p w 2 、a p w 3 和j x - 1 ：，。= - 5 。， = 5 。a | _ - 5 。，k r = 4 5 。，b f i xy o i = o 2 m m x 2 07 ，= 0 2 m m + 切削方式：干 切削。 在切削条件为v c = 5 5 m m i n ，f = 0 ! m m r ，a p = o 2 r a m 情况下，刀具a p w l 、a p w 3 和j x 1 后刀面磨损情况如图1 - 2 所示。可见，在干切不锈钢l c r l 8 n i 9 t i 时，上述 刀具的抗磨损能力大小为a p w 3 a p w l j x 1 ，但是a p w i 和i x 1 的差别不大， a p w 3 的切削性能最好。 、1 t - - i f - 衄 图卜2刀具后刀面磨损量随切削时问的变化情况 山东大学硕士学位论文 涂层刀具切削不锈钢2 1 ：p v d 涂层分别采用t i n ，t i ( c ，n ) ，和( t i ，a i ) n ，涂 层厚度2 - 4pm 。c v d 涂层分别采用t i c ，t i ( c , n ) ，a 1 2 0 3 和t i n 多层复合涂层，涂 层厚度为5 7um 和1 2 1 4um 两种。机夹刀片的基体材料分别为m 2 0 ，k 2 0 ，z 2 0 ( 超微粒) 。 车削参数：p t g n l n 3 2 2 5 p 1 6 刀杆和无后角t n m g l 6 0 4 0 8 s f 机夹可转位刀 片，切削速度y 。= 1 0 0 m m m i n 进给量户0 2 5 m m r ，切削深度a p = l m m ，湿式切削。 切削效果是：p v d 涂层都显示出对耐边界磨损特性有较大改善，对于同种涂 层的不同基体，由于z 2 0 的w c 颗粒更细。涂层结合面积大且均匀，其抗划瘦能 力比其它材料高出2 0 以上，其p v d 涂层效果比m 2 0 和k 2 0 更好。对同一种硬 质合金基体材料，( t i ，a i ) n 涂层比t i n 和t i ( c ，n ) 涂层显示出更好的耐磨损性 能。 由以上不锈钢的切削实例可看出： 目前切削不锈钢的切削速度较低，必然导致生产率较低。 切削研究一般以刀具的磨损为主要工作。较少涉及零件的表面质量及合理 切削用量选用。 1 4 不锈钢的切削发展趋势 随着全球市场竞争的目益激烈，产品的更新日益频繁，对产品的高性能和低 成本要求越来越高，特别是像不锈钢等难加工材料的切削加工技术难题影响着企 业的生产效率和产品质量，也是多年来一直在研究的问题。 德国学者c a r l j s a l o m o n 博士在二十世纪二、三十年代的研究中，提出了商速 切削( h i g hs p e e dm a c h i n i n g 。h s m 或h i g hs p e e dc u t t i n g h s c ) 的概念，在以后的 几十年，经过高速切削加工应用基础研究探索、应用研究、高速切削技术发展和 应用阶段，高速切削理论日益完善。随着切削刀具性能不断提高，机床设备和数 控技术的发展，对不锈钢等难加工材料进行高速切削加工来实现高质量、高效率 切削加工已成为可能。 高速切削加工的主要特点如下： 可提高生产效率：由于主轴转速和进给的高速化，加工时间可减少了5 0 左右。 山东大学硕士学位论文 可获得较高的加工精度：高速切削可使切削力可减少3 0 以上，工件的加 工变形减小，切削热大部分被切屑带走，工件热变形减小，有利于加工精度的提 高。 能获得较好的表面完整性 在保证生产效率的同时，可采用较小的进给量，从而减小了加工表面的粗糙 度值；又由于切削力小且变化幅度小。机床的激振频率远大于工艺系统的固有频 率，故振动时表面质量的影响很小。 加工能耗低，节省制造资源高速切削时，单位功率的金属切除率显著增大。 由于单位功率的金属切除率高、能耗低、工件的在制时间短，从而提高了能源和 设备的利用率，降低了切削加工在制造系统资源总蟹中的比例。 高速切削技术现已广泛用于航空航天、汽车和摩托车、模具、机床等工业中 的钢、铸铁、有色金属及其合金、高温耐热合金以及碳纤维增强塑料等合材料的 加工。 高速切削是一个相对的概念，如何定义，目前尚无共识【2 7 】。对于不同的加工 方法、加工材料与刀具材料，高速切削加工的切削速度是不同的。对于铝合金等 易加工材料的高速切削速度已接近每分钟一万米，高速切削的主要矛盾已不在刀 具和切削工艺，主要受到机床的运动速度，数控处理的速度，机床刚性和功率等 因素的制约。但对不锈钢、高锰钢等难加工材料，切削速度则相对较低。本试验 所用的奥氏体不锈钢是难切削加工材料，由以上实例看出，使用普通切削刀具。 如硬质合金刀具其切削速度为3 0 - 4 0 m m i n 左右，并且刀具的耐用度较低。一些 新型刀具，如各种增韧陶瓷刀具、涂层刀具等的发展【2 8 1 ，是实现高速切削的关键 条件，本试验最高速度为2 1 0 r r d m i n ，应属于难加工材料的高速切削。 1 5 本课题研究的目的意义及主要内容 随着科学技术的发展及不锈钢等难加工材料在各行各业的广泛使用，常规的 加工方法及切削工具的应用受到很大限制，传统的金属切削机理，已不能满足当 今的切削加工使用要求。作为先进制造技术之一的高速切削技术近年来得到快速 发展，并在航天、汽车制造、模具加工、难加工材料的加工方面应瑁越来越广。 同时，高速切削技术也需要最佳的切削用量，合理的切削刀具等与之配套才能 山东大学硕士学位论文 最大限度地发挥机器设备的功效。最大限度的提高产品质量和生产效率，以满足 不断发展的社会需求。 针对目前加工不锈钢产品切削加工的低质量、低效率这种状况，本课题的主 要内容如下： i c r l 8 n i 9 t i 不锈钢高速切削加工试验设计： 对高速切削i c r l 8 n i 9 t i 不锈钢加工表面质量进行分析； 分析高速切削加工不锈钢的切屑形态； 分析高速切削不锈钢刀具磨损机理： 高速切削不锈钢切削用量的优化研究：在保证加工质量的前提下，以提高 生产率为目的，提供高速车削i c r l 8 n i 9 t i 不锈钢材料时的合理刀具材料及最优切 削用量。 山东大学硕士学位论文 2 高速车削不锈钢的试验设计 金属切削过程是一个很复杂的过程，在i c r l s n i 9 t i 不锈钢的切削试验中要考 虑各因素的影响，才能使试验数据比较真实，具有分析价值。 2 1 试验目的 针对目前加工不锈钢产品的低质量、低效率这种状况，本试验的主要目的是： 研究高速切削不锈钢加工表面质量影响因素。 研究不同切削条件下加工不锈钢的切屑形态。 研究不同切削条件下加工不锈钢时不同刀具的磨损情况。 2 2 机床参数 本试验使用的切削机床是济南机床一厂生产的c k 6 1 3 6 i 双轴控制、经济型精 密数控车床，其质量可靠、性能先进、适应性广泛，可对回转体上具有车削工艺 内容的工序进行高效精密加工。主轴电机是5 5 k w 变频电机，变速方式是手动二 档变频调速，变速范围分别为3 5 4 8 0 、2 1 5 - 3 0 0 0 r m i n ，床身上最大工件回转直径 3 6 0 m m 。四方电动刀架，顶尖距5 7 0 r a m ，主轴锥孔轴线靠近主轴端面的径向跳 动0 0 0 8 m m ，距主轴端面3 0 0 r a m 处的径向跳动0 0 1 6 r a m ，溜板移动在水平面内 的直线度0 0 1 2 m m 。x 轴的最小移动单位是o 0 0 0 5 m m ，z 轴的最小移动单位是 o ，0 0 1 m m 。控制系统为f a n u cp o w e rm a t eo f 2 8 】，具有快速数据处理能力，系 统主控使用了c p u 8 0 4 8 6 d x 2 ，进给伺服控制系统使用数字式交流伺服控制，进给 轴的驱动使用芦交流伺服电动机。 高速切削状态下，一方面产生的切削力一般作用在床体上：另一方面因速度 很高，还会产生较大的附加惯性力作用在床体上，因而机床床身受力较大。j 系列 整体式床座可使机床具有足够的强度、刚度和高的阻尼特性，能满足高速加工时 保证加工质量和提高刀具寿命的需要。 2 3 工件材料 2 3 1 不锈钢的种类及性能 含铬量大于1 2 、含镍量大于8 的台金钢称为不锈钢。由于在含金钢中加入 山东大学硕士学位论文 较多的金属元素铬和镍，l 羽f f i i 改变了合金的物理性质和化学性质，增强了抗腐蚀 能力，无论在空气中还是在酸、盐的溶液中，均不易氧化生锈。 不锈钢按其化学成分可分为两类，即铬不锈钢和镍不锈钢。 不锈钢按其金相组织的不同还可以分为奥氏体、铁素体、马氏体基本钢种和 v a 这- - 种发展得到的奥氏体铁素体( 两相型) 以及析出硬化型的钢种。 铁素体、马氏体不锈钢的成分以铬为主，常用到的铬不锈钢，含铬量有1 2 、 1 7 、和2 8 等，其抗腐蚀性能随着含铬量的增加丽增加，经常在淬火回火或退 火状态下使用，综合力学性能适中，切削加工一般不太难。 表2 1 常用不锈钢的牌号、成分、热处理、力学性能 类 化学成分( )力学性能( 不小于) 牌号 盯n 2盯66 。硬度 别c c r其他 g p a ，0 p a 偿i b s 马 2 c r l 3o 1 6 0 2 41 2 1 4 0 4 4 0 6 42 01 9 2 氏1 2 1 4 3 c r l 3o 2 5 o 3 4 h r c 4 8 体 铁1 6 1 8 l c r l 70 1 2 0 2 0 0 4 52 2 1 8 3 素 体l c r 2 8o 1 52 7 3 0o 2 00 4 52 0 o c r l 9n i o 0 8 1 8 2 00 2 00 5 24 0 奥n i 9 8 1 0 5 氏n i 8 一1 2 l c r l 8 体0 1 21 7 1 9t i 0 8 5 0 2 0 0 5 4 4 01 8 3 n i 9 t i c 0 0 2 奥氏体不锈钢的成分以铬镍等元素为主，淬火后呈奥氏体组织，切削加工性 能较差，常用的铬镍不锈钢，含铬量在1 7 2 0 、含镍量在8 一1 2 范围内，这 种铬镍不锈钢的抗腐蚀性能及机械性能都比铬不锈钢高。但其物理一机械性能对其 切削过程的特性有很大的影响。如i c r l s n i 9 t i 不锈钢就属于奥氏体不锈钢，该不 锈钢巾c r 和n i 含量较高，c r 虽能提高不锈钢的强度和韧性，但增加了不锈钢与 一 当塞盔兰堡主兰堡趁兰 刀具的粘结倾向；n i 可起到稳定奥氏体组织的作用，但奥氏体组织塑性大，容易 引起加工硬化。 1 c r l s n i 9 t i 不锈钢属于奥氏体组织，它的加工性很差，特别是当刀具材料、 切削刃形状、加工条件不恰当，或者机床刚性较差时，1 c r l 8 n i 9 t i 不锈钢的难加 工性更显著f 2 9 1 ，所以选择1 c r l 8 n i 9 t i 不锈钢作为本试验的材料。 表2 l 所示为常用不锈钢的牌号、成分、热处理、力学性能。 2 3 2 试验中不锈钢的几何尺寸 表面粗糙度试验中不锈钢的几何尺寸为西4 0 x 2 0 0 m m 。 刀具磨损切削试验中不锈钢的几何尺寸为8 0 x 2 5 5m i l l 。 2 4 刀具 1 c r l 8 n i 9 t i 不锈钢的切削加工性较差，加工时加工硬化严重，切削力大，切 削温度高，加工表面质最差，刀具易磨损等，所以1 c r l 8 n i 9 t i 不锈钢高效加工， 应选择热硬性和耐磨性好的刀具材料并采用合理的刀具角度和加工参数。 自十六世纪中叶现代意义的金属切削产生以来，出现了碳素工具钢，合金工具钢， 高速钢，硬质合金，陶瓷刀具，涂层硬质合金与涂层高速钢，立方氮化硼，人造 金刚石等刀具材料，伴随新刀具材料的诞生，刀具的硬度不断提高，耐热性能也 从工具钢的5 0 0 6 0 0 ( 7 提高到8 0 0 1 0 0 0 ( 2 ，甚至1 0 0 0 1 2 0 0 c 以上 3 0 1 ，导致切削速 度成数倍或数十倍的提高，大大提高切削效率。由于先进刀具材料的发展。大大 提高了刀具的性能，使商效切削成为现实。针对1 c r l 8 n i 9 t i 不锈钢的难切削性， 高速钢、普通硬质合金刀具材料很难胜任高速切削i c r l 8 n i 9 t i 不锈钢的任务，本 试验选用硬度较高、耐磨性较好的硬质台金涂层刀具、陶瓷刀具、金属陶瓷刀具 来进行切削试验。刀具几何参数对加工质量、刀具耐用度有很大的影响，一般高 速切削刀具的前角平均比传统加工刀具小1 0 。，后角约大5 。8 4 。为防r l - y j 尖处的热磨损，主、副切削刃连接处应采用修圆刀尖或倒角刀尖，以增大刀尖角，加大 刀尖附近刃区切削刃的长度，提高刀具刚性和减少刀刃破损的概率。本试验是高速 切削难加工材料不锈钢1 c r l 8 n i 9 t i ，要求刀具的刚性要好，刀具的几何参数有所 山东大学硕士学位论文 不同，这些刀具的性能和有关参数如下所述