（机械电子工程专业论文）涂层刀具切削奥氏体不锈钢的磨损机理研究.pdf

涂层刀具切削奥氏体不锈钢的磨损机理研究 摘要 奥氏体不锈钢属于难加工材料。它具有以下加工特性：加工硬化严重、切 削力大、切削温度高等。一般的刀具加工奥氏体不锈钢磨损严重，刀具使用寿 命较短。通常用于加工奥氏体不锈钢的刀具材料有硬质合金刀具、金属陶瓷刀 具和涂层刀具。为了深入探讨涂层硬质合金刀具切削奥氏体不锈钢的磨损机理， 本文研究了y b g 2 0 2 涂层硬质合金刀具干切削奥氏体不锈钢0 c r l 8 n i 9 的过程。 首先，根据试验数据记录，作出不同切削速度下涂层刀具车削不锈钢的刀 具磨损曲线。结果表明，随着切削速度提高，刀具初期磨损曲线斜率变大，磨 损剧烈。 其次，探讨了涂层刀具的磨损( 破损) 形态和机理。试验认为y b g 2 0 2 涂 层刀具的磨损和破损形态为后刀面磨损、边界磨损和刀尖破损。涂层刀具车削 不锈钢时，刀具的磨损机理为粘结磨损，扩散磨损和氧化磨损，其中，切削速 度较低时，刀具的失效标准是刀尖破损，当速度较高时，刀具的失效标准是后 刀面磨损。 最后，利用有限元软件a b a q u s 模拟涂层刀具切削奥氏体不锈钢过程， 发现剪切角随着切削速度的提高而增大，切屑变性系数减小。这一现象验证了 切屑形态变化的原因就是切削速度的提高。同时仿真结果显示在切削过程中刀 尖应力集中，这点也证明了刀具破损形态主要是刀尖破损。 关键字：y b g 2 0 2 涂层硬质合金刀具；奥氏体不锈钢0 c r l8 n i 9 ；磨损；破损； a b a q u s s t u d y o nw e a rm e c h a n i s mo fc o a t e dt o o l sw h e n c u t t i n ga u s t e n i t i cs t a i n l e s ss t e e l a b s t r a c t a u s t e n i t i cs t a i n l e s ss t e e li sd i f f i c u l t - t o m a c h i n em a t e r i a l i th a st h ef o l l o w i n g p r o c e s s i n gc h a r a c t e r i s t i c s ：t h es e r i o u sw o r k h a r d e n ，t h eb i gc u t t i n gf o r c e ，t h eh i g h t e m p e r a t u r e ，e t c w h e nc u t t i n ga u s t e n i t i cs t a i n l e s s ，t h eg e n e r a lt o o l sw e a rs e r i o u s l y ， t h et o o ll i f e i ss h o r t u s u a l l yt o o lm a t e r i a l su s e df o rm a c h i n i n ga u s t e n i t i cs t a i n l e s s s t e e la r ec e m e n t e dc a r b i d ec u t t i n gt o o l s ，m e t a lc e r a m i cc u t t i n gt o o l sa n dc o a t e d t o o l s i no r d e rt od i s c u s s ef u r t h e rt h ew e a rm e c h a n i s mo fc o a t e dc a r b i d ec u t t i n g t o o l sw h e nc u t t i n ga u s t e n i t i cs t a i n l e s ss t e e l ，t h i sp a p e rs t u d i e st h ep r o c e s so ft h e y b g 2 0 2c o a t e dc a r b i d ed r yc u t t i n ga u s t e n i t i cs t a i n l e s ss t e e l0 c r l8 n i 9 f i r s to fa l l ，a c c o r d i n gt ot h et e s td a t ar e c o r d s ，t h ec o a t e dt o o l sw e a rc u r v ea ta d i f f e r e n tc u t t i n gs p e e dw h e nc u t t i n gs t a i n l e s ss t e e li sm a d e t h er e s u l t ss h o wt h a t ， w i t hc u t t i n gs p e e d si n c r e a s e ，t h es l o p eo fc u r v eo fe a r l yt o o lw e a ri sb i g g e r ，w e a ri s m o r ei n t e n s e s e c o n d l y ，t h i sp a p e rd i s c u s s e st h et o o lw e a r ( b r e a k a g e ) f o r ma n dm e c h a n i s m o fc o a t e dt 0 0 1 i ti st h o u g h ti nt h et e s tt h a tt h ef o r mo fw e a ra n db r e a k a g ea r ef l a n k w e a r ，b o u n d a r yw e a ra n dt h et i po fd a m a g e d t h ew e a rm e c h a n i s mo fc o a t e dt o o l s a r ea d h e s i o nw e a r ，d i f f u s i o nw e a ra n do x i d a t i v ew e a rw h e nc u t t i n gs t a i n l e s ss t e e l a m o n gt h e m ，w h e nt h ec u t t i n gs p e e di sl o w , t h et o o lf a i l u r es t a n d a r di st h et i po f d a m a g e d ，w h e nt h e t h es p e e di sh i g h ，i ti sf l a n kw e a r a tl a s t ，t h ep r o c e s so fc u t t i n ga u s t e n i t i cs t a i n l e s ss t e e lw i t hc o a t e dc u t t i n gt o o 1i ss i m u l a t e dw i t ht h eh e l po f a b a q u s i ti sf o u n dt h a ts h e a r i n ga n g l ei n c r e a s ew i t h t h e c u t t i n gs p e e di n c r e a s i n g ，s c r a p sd e g e n e r a t i o nc o e f f i c i e n t d e c r e a s e s t h i s p h e n o m e n o nv e r i f i e dt h a tt h er e a s o no fc h i pm o r p h o l o g yc h a n g ei st h ei n c r e a s eo f t h ec u t t i n gs p e e d a n dt h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h et i ps t r e s sc o n c e n t r a t i o n ， i ti sp r o o ft h a tt h em a i nb r e a k a g ef o r mi st h et i po fd a m a g e d k e y w o r d s ：y b g 2 0 2c o a t i n gc a r b i d ec u t t i n gt o o l s ；a u s t e n i t i cs t a i n l e s ss t e e l 0 c r l8 n i 9 ；w e a rd o w n ；b r e a k a g e ；a b a q u s 致谢 时光荏苒，弹指间三年的研究生生活即将结束。借本文成文之际，怀着感 激和惶惶不安的心情，向帮助过我的老师和亲友表达诚挚的感谢。 首先，谨向我的导师李旗号教授表达深深的敬意和衷心的感谢。在我硕士 学习期间，自始至终都得到李老师的莫大关怀、鼓励和指导。李老师缜密的科 学态度、渊博的学术水平、踏实的工作作风和诲人不倦、为人师表的道德品质 都深深地感染着我，让学生终生铭记。这是我完成学业的最有利保障，并将一 直鞭策我在人生的事业上前进。 在我的研究生期间，我还得到了我校张崇高教授和杨海东副教授的悉心指 导和帮助，并为我提供了良好的研究条件和课题来源保证，两位老师在科研方 面具有很高的造诣，热情关怀年轻人的成长。他们认真务实的科学精神、细致 入微的工作作风和坚忍不拔的研究毅力是我学习上的又一珍贵收获，在此表示 衷心感谢。 在硕士学习与课题的研究过程中，我校机汽学院的邢庭元老师给予我热心 的指导和富有启发性的建议。这些指导性的建议是我完成硕士论文的又一重要 保障。求学的道路上，我始终得到解放军炮兵学院邵立康教授，陈荣刚教授， 沙琳老师，汝艳老师，赵峰队长，张琦指导员等老师的悉心指导和帮助。 在这两年半的学习生活中，南京航空航天大学博士生庆振华师兄；同门朱 财龙师兄、赵锦师兄、周前进、张虎和胡居利等；材料学院刘宁教授门下的硕 士生唐慧兰；室友胡健、臧俊和吴家强；东南大学硕士生张磊香和陈其彪等， 他们在生活和学习上伴随我渡过了快乐的硕士学习生涯，让我的生活丰富多彩。 最后要感谢我的父亲和母亲：没有他们就没有我的一切。感谢我的姐姐和 弟弟：亲情是我不断进取、勇于攀登的动力。 朱振国于斛兵塘 2 0 1 2 0 3 图卜1 图1 - 2 图1 - 3 图2 1 图2 - 2 图2 - 3 图2 4 图2 - 5 图2 6 图2 - 7 图2 8 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 - 5 图3 6 图3 7 图3 - 8 图3 9 图3 - 1 0 图3 - 11 图3 - 1 2 图3 一 图3 一 图3 一 图3 一 图3 1 7 图3 - 1 8 图4 1 图4 2 图4 - 3 图4 4 查图清单 不锈钢的表面粗糙度值和切削速度之间的关系8 试验指标随因素变化趋势图9 干切削和低温切削时刀具磨损对比图9 典型刀具磨损曲线典1 5 试验刀片照片( a ) 和n c - t i a i n 纳米涂层显微结构( b ) 1 7 工件尺寸示意图1 8 现场切削试验照片2 0 v c l = 8 0 m m i n 时后刀面磨损v b 和时间的关系2 l v c 2 = 1 2 0 m m i n 时后刀面磨损v b 和时间关系2 3 v c 3 = 1 4 0 m m i n 时后刀面磨损v b 和时间关系2 4 不同切削速度下刀具磨损曲线2 5 后刀面磨损v b 和刀尖后退量n b 2 7 刀具磨损示意图2 9 试验刀具的主后刀面磨损3 2 试验刀具的边界磨损3 2 试验刀具的月牙洼磨损3 3 切削试验前刀具的电镜扫描照片3 3 试验前刀具表面的能谱分析3 3 试验刀具的粘接磨损和涂层剥落3 4 a 点能谱分析3 5 b 点能谱分析3 5 切削中期a 点能谱分析3 6 切削后期a 点能谱分析3 6 试验刀具表面能谱分析中的氧元素3 7 试验刀具的刀尖破损3 7 试验刀具的涂层剥落3 8 试验刀具的刃口破损3 8 试验刀具断面的电镜扫描( s e m ) 照片3 9 试验刀具的基体能谱分析4 0 几何分离标准示意图4 6 几何模型4 7 定义表面和接触性质4 8 工件的固定约束4 8 图4 - 5 图4 - 6 图4 - 7 图4 8 图4 - 9 图4 1 0 图4 - i1 刀具运动的定义 v cl ：8 0 m m i n 时剪切角仿真模拟 v c 2 = 1 2 0 m m i n 时剪切角仿真模拟 v c 3 = 1 4 0 m m i n 时剪切角仿真模拟 v c l = 8 0 m m i n 刀尖m i s e 应力分布 v c 2 = 1 2 0 m m i n 刀尖m i s e 应力分布 v c 3 = 1 4 0 m m i n 刀尖m i s e 应力分布 4 9 5 0 5 0 5 0 5 1 5 1 5 1 查表清单 表卜1常见涂层的物理性能4 表卜2 用于干切削加工刀具涂层性能4 表卜3 常见奥氏体不锈钢牌号和物理性能6 表卜4 常用有限元分析软件特点1 l 表2 1 硬质合金车刀的磨钝标准1 5 表2 2 常见涂层的散热特性1 6 表2 3 试验刀片几何参数1 7 表2 4 工件材料的化学成分1 8 表2 5v c l = 8 0 m m i n 时后刀面磨损v b 2 1 表2 6v c 2 ：1 2 0 m m i n 时后刀面磨损v b 2 2 表2 7v c 3 = 1 4 0 m m i n 时后刀面磨损v b 2 4 表4 1 不锈钢o c r l 8 n i 9 的物理属性4 6 第一章绪论 随着机械制造业的发展，数控机床和加工中心的加工能力使制造业的水平 获得极大提高，并不断向高速度、高效率加工发展，从而对刀具提出了更高的 要求1 1 。适应这种要求需要耐磨、耐高温的刀具，涂层刀具应运而生。涂层刀 具和普通刀具相比具有很多优点，有较高的硬度和耐磨性，且耐高温，被加工 表面质量好等，尤其适合加工不锈钢、耐热合金、钛合金等难加工材料。 1 1 涂层硬质合金刀具 涂层硬质合金刀具是指基体为硬质合金的涂层刀具。涂层刀具是近几十年 来出现的一种新型切削刀具，它的出现打破了传统切削刀具在切削难加工材料 时刀具寿命短，耐磨性差的局面，极大的提高了生产率。为制造业的发展做出 了重要贡献。 1 1 1 涂层硬质合金刀具的涂层技术的发展 涂层硬质合金刀具的分类方法有很多，按涂层技术主要分为化学气相沉淀 ( c v d ) 技术和物理气相沉淀( p v d ) 技术两大类。 ( 1 ) 化学气相沉淀( c v d ) 技术 化学气相沉淀( c h e m i c a lv a p o rd e p o s i t i o n ，c v d ) 是在气态条件下，反应 物质之间通过一系列的化学反应，将生成的固态物质在加热的固态基体表面进 行沉积，进而制得涂层材料的工艺技术。化学气相沉淀过程包括3 个阶段：物 料的汽化、运输到基体附近和在基体上形成覆盖层，其本质上属于原子范畴的 气态传质过程【2 j 。采用c v d 法制备薄膜具有很多优点，例如，生长温度低于组 成物质的熔点、薄膜组分任意控制、膜层均匀性好、针孔少、薄膜纯度高、结 构致密等。c v d 技术的分类方法很多，按淀积温度来分：低温( 2 0 0 5 0 0 ) 、中温( 5 0 0 10 0 0 ) 和高温( 1 0 0 0 13 0 0 ) ：按反应器内的压力可 分为：常压和低压；按反应器壁的温度可分为：热壁和冷壁；按反应激活方式 可分为：热激活和冷激活。 国外c v d 技术发展相对较早，技术也相对较为成熟。19 6 9 年德国克虏伯 ( k r u p p ) 公司和瑞典山特维克( s a n d v i k ) 公司研发成功了化学气相沉积( c v d ) 涂层技术，并向市场推出了c v d t i c 涂层硬质合金刀片产品。当时c v d 涂层 工艺温度约1 0 0 0o c ，涂层刀具基体主要为硬质合金。由于c v d 刀具的优良性 能，其发展速度较快，8 0 年代中后期，美国已有8 5 的硬质合金刀具采用了表 面涂层处理，其中c v d 涂层占到9 9 ；到9 0 年代中期，由于p v d 涂层的发 展，c v d 涂层硬质合金刀片在涂层硬质合金刀具中比例略降，但仍占8 0 以上。 我国的c v d 涂层技术起步较晚，从2 0 世纪7 0 年代初开始进行相关研究， 由于该项技术专用性较强，以及经费投入不足等原因，起初国内从事研究的单 位并不多。到8 0 年代中期，我国c v d 刀具涂层技术的开发进入快速发展阶段， 达到实用化水平，工艺技术也基本达到当时的国际水平，但在随后的十多年里 发展较为缓慢( 与国外研究状况类似) ；9 0 年代末期，我国开始m t - c v d ( 中 温化学气相沉淀) 技术的研发工作，m t - c v d 工艺及装备的研究开发预计可在 2 1 世纪初期内基本达到成熟阶段，根据研究目标，工艺技术及设备将达到当前 国际先进水平。总体而言，国内c v d 技术的总体发展水平与国际水平差距不 大，待m t - c v d 技术开发成功，我国在刀具c v d 涂层领域的整体水平将可与 国际先进水平基本保持同步。 ( 2 ) 物理气相沉淀( p v d ) 技术 物理气相沉积( p h y s i c a lv a p o rd e p o s i t i o n ，p v d ) 技术是指在真空条件下，采 用物理方法，将固体或液体的材料源表面气化成气态原予、分子或部分电离成 离子，并通过低压气体，或等离子体气化过程，在基体表面沉积具有某种特殊 功能的薄膜的技术。物理气相沉积的主要方法有：溅射镀膜、真空蒸镀、离子 镀膜、电弧等离子体镀，以及分子束外延等。发展至今，物理气相沉积技术应 用面已经十分广泛，可沉积包括金属膜、陶瓷、半导体、合金膜、化合物、聚 合物膜等多种材料。 2 0 世纪7 0 年代初，美国本夏( b r u n s h a n ) 和拉格胡南( a r a g h u r a n ) 研 发了物理气相沉积( p v d ) 工艺，并于1 9 8 1 年将p v d t i n 高速钢刀具产品推向 市场，很受欢迎，得到迅速推广。9 0 年代初期，硬质合金刀具p v d 涂层技术 的研究加速了这一技术在生产制造中的应用，p v d 涂层在硬质合金涂层刀具中 所占比例逐渐提高，出现了硬质涂层合金铣刀、硬质涂层合金铰刀、硬质涂层 合金钻头和可转位铣刀片等。 我国p v d 涂层技术的研发工作开始于2 0 世纪8 0 年代初期，8 0 年代中期 开发了高速钢刀具t i n 涂层工艺技术的同时，也成功研制出中小型空心阴极离 子镀膜机。到了9 0 年代末，成功研制了以硬质合金为基体，以t i n t i c n t i n 为多元复合涂层的新型刀具，这些使得涂层技术有一定提升。即便如此，国内 的硬质合金刀具p v d 涂层技术还是比较落后，和当时国际水平相比，国内仍存 在十年左右的落后时间。目前国内尚属第二代水平，且仍以单层t i n 涂层为主， 但国外刀具p v d 涂层技术已发展到第四代1 3 】。 1 1 2 硬质合金涂层刀具的种类和特点 涂层硬质合金刀具有多种分类方法，按照涂层材料的“软硬”性质，可分 为“硬”涂层刀具和“软”涂层刀具两大类【4 】；根据涂层结构的不同，又可将 2 涂层刀具分为单涂层，多层涂层，复合结构涂层和超硬涂层等。常用的硬质合 金涂层刀具的涂层材料有碳化物、碳氮化物、硼化物、氮化物、氧化物、硅化 物、金刚石及复合涂层八大类数十个品种。根据化学键的特征，可将这些涂层 材料分成金属键型、共价键型和离子键型】，下面将详细介绍这几种涂层【5 】。 ( 1 ) t i c 涂层 t i c 颜色为灰色，表面硬度为h v 3 0 0 0 ，它表面硬度虽然高，但是附着力和耐 热性比较低。初始氧化温度为4 0 0 ，密着强度一般。用t i c 涂层的硬质合金刀 具是最早出现的涂层刀具。它涂层的厚度约为5 7l am ，硬度达h v 2 3 0 0 3 2 5 0 。 t i c 涂层硬质合金的主要特点是：涂层硬度高，并且容易扩散到基体内，所以涂 层与基体结合强度高，抗粘、刀具使用寿命较高和抗氧化性能好。由于和钢的摩 擦系数小，这种涂层的硬质合金刀具比较适用于加工钢材，切削时刀具磨损小。 但是，在涂层与基体之问会产生脱碳层，即脆性相，此脱碳层会随着涂层厚度的 增大而增厚，导致刀片抗弯强度降低，脆性增加，切削时易崩刀 1 0 l 。 ( 2 ) t i n 涂层 t i n 涂层硬质合金的t i n 表面硬度为h v 2 0 0 0 ，颜色为金黄色，开始氧化温度 为6 0 0 。c ，而且密着强度较好。它的热膨胀系数和高速钢比较接近，与高速钢的附 着力好。用t i n 涂层的硬质合金涂层厚度约为8 1 2um ，其主要特点是：涂层 的硬度比t i c 低，而且与基体的结合强度较t i c 差。但是t i n 涂层和t i c 相比较 的优点也是显而易见的，导热性好，与铁基体材料的摩擦系数l 匕t i c 涂层小， 所以，t i n 涂层抗月牙磨损性能较好。另外，t i n 涂层与基体之间不易产生脆 性相，因此，涂层允许厚度比t i c 涂层要大【6 1 0 】。 ( 3 ) t i c n 涂层 t i c n 表面硬度为h v 2 7 0 0 ，颜色为紫红色，开始氧化温度为4 5 0 。c ，密着强度 较好。它集合t i n 好的密着强度和t i c 好的耐磨性等优点，硬度也比t i n 高，且 摩擦系数小，对物质问的粘结性有一定的抑制作用。而且t i c n 涂层硬质合金 也可以降低涂层的内应力，增加涂层的厚度，提高涂层的韧性，阻止裂纹的扩 散，进而减少刀具崩刃。将t i c n 作为涂层刀具的主涂层，具有t i c 的良好韧性 和t i n 的良好硬度，所以，可以显著地提高刀具的使用寿命。 ( 4 ) 4 ，2 0 3 涂层 在抗氧化磨损和抗扩散磨损性能上，没有任何材料可以和氧化铝( 彳，a ) 相 比。氧化铝( 4 z ，d ，) 的特点是高温下仍具有良好的化学性质和热稳定性，机械强 度较高。鉴于氧化铝( 彳z ，d ，) 与硬质合金基体的性能相差非常大，单一的氧化铝 ( 么，仗) 涂层就不可能制成理想的涂层硬质合金刀具。随着多层涂层技术的研制 成功，一方面提高了涂层和硬质合金基体的结合强度，另一方面也可以使得涂层 具有多种材料的综合性能，进一步扩宽了涂层的应用范围。 ( 5 ) t i a l n 涂层 t i a l n 涂层的表面硬度、开始氧化温度和附着力都要超过t i n 涂层，颜色为紫 黑色，密着强度和耐热性能比较好，所以适合于高速切削加工以及高硬度钢的切 削加工。 表1 1 是以上涂层材料的相关属性26 1 。 表1 1常见涂层的物理性能 涂层种硬度密度弹性模热导率热膨胀摩擦系氧化温 类 h v ( g c m 3 ) i 系数数度( )里 x 1 0 5 t i c2 9 0 0 38 0 04 93 2 4 60 0 4 ，0 0 67 4 7 80 2 51 10 0 t i n18 0 0 2 8 0 0 5 4 2 6 0 0 5 o 0 78 3 9 50 4 91 2 0 0 t i c n2 8 0 0 3 0 0 05 15 10 0 7 0 0 88 1 9 40 3 4 t i a l n 2 3 0 0 3 5 0 0 4 o4 0 6 5 7 o0 5 0 a 1 2 0 32 3 0 0 2 7 0 04 04 00 0 76 90 15 稳定 表1 2 是用于干切削加工的几种刀具涂层，从耐热性能方面来看，与t i n 相 比，t i a l n 最好，t i c n 次之。因此干切削加工刀具大部分采用t i a l n 作为涂层材 料。 表1 - 2 用于干切削加： 刀具涂层性能 涂层名称涂层厚度显微硬度耐热性摩擦系数 ( “，竹) ( h v ) t i nl 一52 1 0 0 2 6 0 04 5 0 6 0 0o 4 硬涂层t i c n1 52 8 0 0 3 2 0 03 5 0 4 0 00 2 5 0 4 t i a l n1 5 2 6 0 0 3 0 0 07 0 0 8 0 00 3 0 4 软涂层m o s 2 0 2 0 5 4 5 0 ) 下具有较高 的强度，所以又称不锈耐酸钢。实际应用中，常将耐弱腐蚀介质腐蚀的钢称为 不锈钢，而将耐化学介质腐蚀的钢称为耐酸钢。由于两者在化学成分上的差异， 前者不一定耐化学介质腐蚀，而后者则一般均具有不锈性。不锈钢的耐蚀性取 决于钢中所含的合金元素。为了满足各种用途对不锈钢组织和性能的要求，不 锈钢基本合金元素还有镍、钼、钛、铌、铜、氮等。具体划分为：含铬量达1 6 18 的钢称为耐酸钢或耐酸不锈钢，一般统称为不锈钢；钢中含铬量达12 以 上时，容易和空气中的氧气发生电一系列反应，在表面上生成的钝化膜可以保 护金属内部不受腐蚀。基于这种现象，通常需要改变合金钢中元素的比例，通 常会增加不锈钢中铬元素的含量以及添加某些特殊元素加快钝的钝化，如n i 、 m o 、t i 、w 、m n 、c u 、n b 、c o 等。这些合金元素在钢中的含量不同，对不锈 钢的磁性以及热处理性能性能都有不同的影响 1 7 l 。 不锈钢材料按金相组织分为三种：铁素体、马氏体和奥氏体。铁素体和马 氏体性质相似，一般在淬火回火( 或退火) 状态下使用，切削加工性能优良。奥 氏体不锈钢的成分以铬和镍等元素为主，淬火后呈奥氏体组织，切削加工性较 芷【1 8 】 z o 奥氏体不锈钢具有前述的许多优点，虽然机械性能也比较低，和铁素体不锈 钢一样不能经过热处理强化，但可以通过冷加工变形的方法，利用加工硬化作 用提高它们的强度。这类钢的缺点是切削加工比较困难，切削时刀具磨损量大， 影响生产效率。 表1 3 为常用奥氏体不锈钢的牌号和物理性能【2 o j 表l 一3常见奥氏体不锈钢牌号和物理性能 线胀系数口 热导率兄 密度 比热容 1 0 - 6 k 一1 1 0 2 w ( c m k ) pc 牌号 1 0 3 堙1 0 3 j l ( k g k 1 2 0 2 0 ，2 0 2 0 1 0 0 3 0 0 1 0 0 3 0 0 5 0 0 2 c r l8 n i 97 8 50 5 01 6 01 8 00 180 1 90 2 1 1 c r l 8 n i 97 9 00 5 0l6 o1 7 5 0 c r l 8 n i 97 8 50 5 01 6 01 7 018 00 15 1 2 2 不锈钢的可切削性能 不锈钢具有很高的耐腐蚀性，在很多部门均有应用。不锈钢切削性能较差， 与4 5 钢相比，其相对切削加工性能在0 3 0 5 之间，属于典型的难加工材料。 奥氏体不锈钢的切削性能是不锈钢里面最差的一类，铁素体不锈钢和马氏体不 锈钢的综合力学性能比较适中，切削加工难度较小【l9 1 。不锈钢在切削加工中有 如下难点： ( 1 ) 切削力大 不锈钢本身韧性大，切屑卷曲折断比较困难，切削过程中，其塑性变形和 切屑变形较大，容易粘刀，加工表面硬化严重，最终造成切削力大的因素。 ( 2 ) 加工硬化严重 在切削过程中，被加工材料容易产生塑性变形，于是在被加工表面就形成 了硬化层。硬化层的出现能加剧刀具的磨损，特别是刀具的边界磨损。在各种 不锈钢中，加工硬化现象最为严重的要数奥氏体不锈钢和奥氏体铁素体不锈 钢。由于塑性很大，在切削过程中，晶格会产生强烈扭曲；同时，奥氏体组织 稳定性差，在切削高温作用下，部分奥氏体会转变为马氏体；再加上化合物杂 质在切削热的作用下易于分解，呈弥散性分布，使切削加工时产生硬化层，也 加剧了加工硬化现象【2 1 1 。奥式体不锈钢很大程度与铬、镍、碳比例有关，碳由 o 0 4 增加到o 1 ，强化随含碳量增加而增大，但在更高含碳量下影响不大1 2 引。 ( 3 ) 切削温度高 刀具的磨损和切削温度有很大关系，切削温度高，刀具更容易磨损。这是 因为：不锈钢切削力大，消耗功率多；不锈钢的导热性差，切削热不易传出。 产生的切削热多，从而使切削区局部温度很高，大量切削热集中于切削区和刀一 屑界面上【2 1 、2 3 1 。 ( 4 ) 刀具易产生粘附磨损 6 在切削过程中，由于被加工材料的亲和性比较大，容易使刀尖和后刀面产 生产生积屑瘤等附着物，从而降低了被加工材料表面精度。不锈钢在高温条件 下与刀具材料产生的这种亲合力，促使刀具与切屑之间产生粘结和扩散，形成 积屑瘤，从而造成刀具的粘附磨损，降低刀具使用寿命【2 4 1 。 ( 5 ) 切屑不易折断 不锈钢的塑性和韧性都比较好，车削时切屑不容易折断，造成表面质量下 降。 1 3 不锈钢干切削加工实例 1 3 1 干切削加工特点 干切削加工技术是一种切削加工过程不用或少许使用切削液的加工技术， 也是一种对环境污染源头进行控制清洁、环保的制造工艺。它作为一种新型绿 色制造技术，不仅环境污染小，而且可以省去与切削液有关装置，简化生产系 统，能大幅度降低产品生产成本，得到的切屑比较清洁干净，便于回收处理。 干切削技术目前己成为绿色制造工艺研究的一个热点内容，并已经在实际加工 中得到了成功应用。 由于不用切削液，切削过程中，一些因为使用切削液而产生的不好影响也可 以消除。具体来说，干切削有下列优点【26 】： ( 1 ) 得到的切屑相对干净无污染而且便于回收利用； ( 2 ) 不光节约回收处理切削液的成本，而且还简化了切削加工的系统； ( 3 ) 不产生环境污染及与切削液有关的安全隐患。 ( 4 ) 提高刀具使用寿命。通常认为，加入切削液可以提高刀具使用寿命， 然而根据美国m i c h i g a n 技术大学的研究表明，加入切削液的切削过程中，并不 是切削速度越大越好，当切削速度增加一定程度之后，由于切削液加注的不连 续性，致使冷却程度产生不均匀性，使刀具产生不规则的冷热交替，容易产生 裂纹，降低刀具使用寿命。 1 3 2 不锈钢切削加工试验实例 不锈钢属于难加工材料，研究不锈钢切削加工的生产实例很多。在国内， 一些高校在研究涂层刀具切削不锈钢的工作上取得了一定的进展。大多数专家 学者主要围绕涂层刀具切削不锈钢时工件的表面粗糙度和切削力的大小进行研 究，例如，湖南工业大学的相关学者对奥氏体不锈钢的切削力、切削工件的表 面完整性进行了实验分析，并应用两种涂层刀具针对奥氏体不锈钢典型的车削 加工工况进行了深入的试验研究。 山东大学的刘战强教授和王继梅利用涂层硬质合金刀具、陶瓷刀具和金属 陶瓷刀具分别对奥氏体不锈钢1c r l8 n i 9 t i 进行切削加工，切削速度 v c = 7 0 1 8 0 m m i n ，切削深度a 。= 0 2 5 0 5 m m ，进给量f _ o 0 5 0 2 0 m m r ，测出不同 种类的刀具对已加工表面质量的影响，并分析了进给量和切削速度对已加工表 面质量的影响，找出临界点。图1 1 为试验中硬质合金涂层刀具切削奥氏体不 锈钢的表面粗糙度值和切削速度之间的关系。该试验还说明在切削奥氏体不锈 钢1 c r1 8 n i 9 t i 时，刀具材料、刀尖圆弧半径和切削速度是刀具磨损形态的主要 影响因素。刀具磨损形态主要包括沟槽磨损、刀尖破损和崩刃【27 1 。 l ；9 前遗度，单经重抽l 盛 图1 - 1不锈钢的表面粗糙度值和切削速度之间的关系 大连理工大学的刘强和张弘驶通过比较国产和进口涂层刀具在切削奥氏体 不锈钢时的刀具使用寿命，切削力的大小和加工表面的表面质量等因素，找出 国产涂层刀具与进口涂层刀具的差别。试验中切削工件材料为奥氏体不锈钢 1 c r l 8 n i 9 t i ，刀片为四种，分别为瑞典山特维克可乐满公司生产的g c 2 0 2 5 、 g c l 0 2 5 刀片和国内株洲钻石切削刀具股份有限公司生产的b c 2 51 、y b m 2 5 2 刀片，切削用量为切削速度v c = 6 0 2 0 0 m m i n ，切削深度a 。= 0 1 0 8 m m ，进给量 f = 0 1 一o 4 0 m m r ，利用正交试验法，分析了在切削过程中，对表面粗糙度影响的 因素有进给量，刀片类型，切削速度，切削深度，切削条件( 干切削) 等，并 且影响程度依次减弱；随着切削速度的增加，g c l 0 2 5 和y b m 2 5 2 刀具的切削 力是一直减小的，而g c 2 0 2 5 和y b c 2 51 刀具的切削力先减小后增大，这是由 于刀具切削刃钝圆半径的不同造成后刀面磨损程度不同而最终导致的【3 】。图2 2 为试验指标随因素变化趋势图。 的的 ” 抽 弛 l l l 钆 屯t l 瓢敷 l 表舔辍甏度h信 摹位p 茁 蝈 赵 摆 寡 随 黎 8 01 2 01 6 02 0 00 z0 10 6g c t 0 2 5 y i 强2 5 2 y 1 3 c 2 5 1 f , c 2 0 2 50 0 80 1 6o 2 4 切削速度v ( r e f r a i n ) 切酗深度叠p ( m m ) 刀片类型进给量f c m u 0 图1 - 2 试验指标随因素变化趋势图 太原科技大学的李淑娟教授和杨卫亮研究了在低温条件下切削奥氏体不锈 钢31 6 l 的切削试验，刀具为新型硬质合金刀具y g 8 n ，y g 8 n ，切削速度 v c = 4 0 1 2 0 m m i n ，切削深度日。= 0 5 2 m m ，进给量f = 0 0 8 0 2 4 m m r ，实验结果显 示，切削速度在切削用量的三个参数中，对切削力的影响最大，切削力在 v c = 1 0 0 m m i n 附近时产生拐点；干切削和低温切削对比试验中，低温条件下刀 具的磨损量明显小于干切削时的磨损量，说明采用低温切削的方式能显著提高 刀具的抗磨损性，从而可提高刀具的耐用度【2 8 1 。图1 3 为干切削和低温切削时 刀具磨损对比。 言 e t 3 3 司刚 骣 藿 烘 图1 - 3干切削和低温切削时刀具磨损对比图 a m u n o z s a n c h e z 等人利用有限元软件a b a q u s 仿真技术，模拟了涂层 刀具切削不锈钢3 1 6 l 的刀具磨损形态和切削不锈钢3 1 6 l 时应力分布情况，并 通过电子扫描显微镜照片和能谱分析验证了刀具磨损的形态，误差存在 0 1 5 之间，对于研究涂层刀具切削不锈钢具有重要的意义【2 9 1 。 1 4 有限元分析在金属切削加工中的应用 金属切削是一个很复杂的弹塑性变形的过程，整个过程涉及到热力学、金 属学、物理学等学科。切削过程涉及材料性能的众多方面，每个方面都属于工 程分析的难点，切削过程也是一个及其非线性的过程，例如几何非线性和状态 非线性等。所以不可能仅仅在理论上对切削过程有一个准确的研究 30 1 。随着生 产制造业的快速发展，传统的理论研究已经不能满足人们对于金属切削的探究 了。计算机仿真分析作为一种新兴的技术，其技术应用于金属切削过程是研究 金属切削过程的一个重大突破。 1 4 1 有限元分析介绍 在工程技术领域中常用到的数值模拟方法主要包含以下几种：有限元法、 离散单元法、有限差分法和边界元法，其中有限元法是人们应用最为普遍的数 值模拟方法。在工程生产的发展过程中，有限元分析方法所起到的作用已经越 来越被人们所重视。 有限元分析( f e a ，f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ) 是一种方便、高效的计算方法。 早在4 0 年代就有人提出有限元方法的理论，但是那个时期计算机发展尚未成 熟，有限元技术不被重视。真正开始发展时期是在6 0 年代，这个时期依托高速 发展的计算机技术，有限元方法开始逐渐被一些行业接受并加以应用。从7 0 年后期到现在，有限元技术开始在各行各业崭露头角，并在一些重要行业，例 如航空、航天、国防及其他大规模复杂系统的研制开发过程中，有限元方法更 是必不可少。 有限元分析方法主要是利用数学近似的方法对真实物理系统，包括几何和 载荷工况进行模拟。和其他的数值方法相比，有限元法的不同之处是整体和部 分的相对分离，也即将求解区域看成由许多个力学单元互相有机连接而组成的 集合体。并给出力学单元的假设近似函数，这样表征单位力学特征的刚度矩阵 可以比作建筑物中的砖瓦，组配在一起就能提供整个求解区域的力学特性。有 限元法具有灵活性和适用性的优点，它可以把形状不同、性质不同的单元组集 起来进行求解，十分方便。所以特别适用于求解由不同部件组合的结构，应用 范围极其广泛。它不仅能成功地处理如应力分析中的各向异性材料、非均匀材 料、非线性应力、应变以及复杂的边界条件等问题，且随着其理论基础和方法 的逐步完善，还能够成功地用来求解热传导、流体力学及电磁场领域的许多问 题【54 1 。 随着计算机技术的发展和普及，有限元分析技术也在不断提高，越来越多 1 0 的有限元分析软件开始进入市场。国际上比较普遍的有限元分析软件有： a n s y s 、a d i n a 、a b a q u s 和m s c ，其中a d i n a 、a b a q u s 在非线性分析 方面有较强的能力，目前成为业内最认可的两种有限元分析软件。a n s y s 、 m s c 进入中国比较早，所以在国内知名度高，并且应用广泛。目前在多物理场 耦合方面，几大有限元分析软件都可以做到结构、流体、热的藕合分析。在金 属切削方面比较成熟的有限元软件包括a b a q u s 、m a r c 、a n s y s 、d y n a 和 d e f o r m 等。在国内，a n s y s 和a b a q u s 是最受欢迎的两款有限元软件，从侧 重点来看，a n s y s 主要解决线性及耦合问题，而且性价比相对较高，a b a q u s 主要应用于非线性的深层次问题，价格相对较贵。就国内用户数量而言，a n s y s 最多，但是随着a b a q u s 在北京建立办事处，在国内影响力逐渐增大，有望 在最近几年超过a n s y s 。d e f o r m 是一款专门用于金属成型和相关行业热处理 的软件，在国内也有相当一部分用户，但是由于d e f o r m 应用面窄，因此用户 数量相对稳定。下表1 4 为几种有限元软件的特点比照【25 1 。 表l - 4 常用有限元分析软件特点 软件靶称主要算法特点c a e 模块通朋领域 以1 a g r a n g e 鹣于艇杂问题的求解翻非线性觉 主爱钳： 广泛成用于 藓法为 k 。w 分析复杂l j | j 阎体力学耘结 s t m d 酉d 机械化1 ：、 a b a q u s 主，夔狂 构力学系统；w 模拟任意j 乙何形 e x p i c i t 潦金、土术 a l e 秘 状零件的力学和多物理场分析。 c a e e u l 叮算法 d e s i 即 材科加1 ：。 功能齐垒的高级饕线性钶限元软 核f 也、嘲 更藉的 件，乳钉掇强的分析能力，研以 m e n t a t 防、航天航 m a r c l a g r 孤g e 箨 处壤箨种线性、枨线性结构分 p 利l e t 空、汽车、 析、模态分析、曲力目晦成分析、 h e x m e s h 法造船、机械 静劝接触分析、是小破坏分析 制造等。 等。 以疆式为主移主稳式为辅盼遂刑 以l a g f a n g e 露线性动力学钌限元程半，麓够 髓本分析模块 汽车安全 5 ； 锌法为模掇舆实世羿中鲫符种复杂问 霸力分析模块 计、武器系 d y n a 主，蘸程题。透赍求解非线性结构的商遽 椎线性分析模 统没计t 、金 a l e 翻碰撞、璨搏褥金糍成型等接触非 块 褪成型、跤 e u l 盯算法 线性、冲游蔽衍嚣线性和材料馨 热传导模块 落仿爽。 线性问题： n e o n 集成了环境凌综合建模、成型、 数槲分析输入 锻造、机加 r a p h s o n 热传导穰成型殴箍转毹进行模拟 模块 j ：。轧制、 d e f b m 分析仿囊，适盼1 ：热冷潞成趔， 网格笼0 分韵l 守 挤涨、拎 j e x p i a t划分模块 镦、拉仲援 锌法 进谣提供存价值的1 2 分析数 数据传递计箨 据。骧爸卜艺。 模块 1 4 2 有限