（机械工程专业论文）超高强度钢切削加工参数研究.pdf

沈阳航空航天大学工程硕士学位论文 摘要 目p 淬火状态下的3 0 c r m n s i n i 2 a 钢是合金结构钢，通常用来制造轴类零件和飞机 起落架等结构件，某厂有一项梁类零件是这种材料，加工性能非常差，本课题正是 针对该项零件加工工艺性进行论述。淬火钢的切削加工性较差，属于难加工的材料。 目前加工这种材料尚没有形成一套确切的理论，工厂在遇到这类材料时，只是凭借 以往类似材料的切削参数来对其进行加工，但效果都不是很好。所以，系统地研究 3 0 c m 恤s i n i 2 a 的切削性能，确定此材料在淬火状态下的各项切削经验公式显得尤 为重要。所以3 0 c 心血s i n i 2 a 的切削加工性特别是铣削加工就成了研究的实验课题。 本文从3 0 c 龇l s i n i 2 a 的化学成分、力学性能等来分析切削加工性。选择切削 淬火钢的刀具材料，确定刀具几何参数。确定3 0 c r m n s i n i 2 a 切削的切削用量，利 用正交设计选定参数，优化切削参数。研究刀具磨损原因，确定刀具耐用度。利用 泰勒公式：t = a v ：，综合分析切削经验公式：t = c t v ：x a y f 2 。通过实验，得 出合理的车削加工数据。 关键词：加工性：车削；刀具几何参数；刀具耐用度 沈阳航空航天大学工程硕士学位论文 a b s t r a c t t h em a t e r i a lo ft h i s e x p e r i m e n t i s3 0 c r m n s i n i 2 as t e e l o n q u e n c h i n g 3 0 c r m n s i n i 2 as t e e li ss t r u c t u r ea l l o yw h i c ho f t e nu s e di np r o d u c i n gs p i n d l ea c c e s s o r y a n du n d e r c a r r i a g e q u e n c h e ds t e e lh a sh a r dc u t t i n gc h a r a c t e r t h e r ei sn o ta n yr e l i a b l e t h e o r ya b o r t3 0 c r m n s i n i 2 a w h e ns o m ef a c t o r y c u t t i n g3 0 c r m n s i n i 2 as t e e lt h e y a l w a y su s ee x p e r i e n t i a lp a r a m e t e rb u t r e c e i v eb a dr e s u l t t h e r e f o r e ，t h e s t u d yo f 3 0 c r m n s i n i 2 ab e c o m ev e r yi m p o r t a n t s ot h a tt h es t u d yo ft u r n i n go f3 0 c r m n s i n i 2 a i so u rt a s k 。t h i st h e s i sa n a l y s e st h ep e r f o r m a n c eo fm a c h i n i n gb yc u t t i n gf r o mt h e a s p e c t so ft h e c h e m i c a lc o n s t i t u e n t sa n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f3 0 c r m n s i n i 2 a r e s e a r c hc u t t i n gt o o la t t r i t i o nr e a s o n ，d e f i n i t ec u t t i n gt o o la b r a s i v er e s i s t a n c e u s i n g t a y l o rf o r m u l a ：t = a v ：，g e n e r a l i z e da n a l y s i sc u r i n ge m p i r i c a l f o r m u l a ： t = c t v ：a ；f 2 w o r ko u tr e a s o n a b l e d a t ai n t h em a c h i n i n gb ym i l l i n ga n db y e x p e r i m e n t i na d d i t i o n ，a c c o r d i n g t ot h em a t e r i a l so f m a c h i n i n gb ym i l l i n gf r o mh o m e a n da b r o a dt oa c c o u n tf o rt h ef e a s i b i l i t yo fh i g hs p e e dm a c h i n i n gb ym i l l i n ga n dc o m et o r e a s o n a b l ee x p l a n a t i o n s k e y w o r d s ：t h em a c h i n a b i l i t y , t h et u r n i n g ；g e o m e t r i cp a r a m e t e ro fc u t t i n gt o o l sa n d s e l e c t i o no f m a t e r i a l s ；t h ed u r a b i h t yo fc u t t i n gt o o l s i i 沈阳航空航天大学工程硕士学位论文 第1 章3 0 c r m n s i n i 2 a 钢概述 1 13 0 c r m n s i n i 2 a 钢的综合性能 3 0 c r m n s i n i 2 a 钢是在3 0 c r m n s i a 钢基础上提高锰和铬含量并添加1 4 0 1 8 0 镍发展来的超高强度钢。成分的改变使钢的冲击韧性得到改善，淬透性显著提 高但强度提高不明显。该钢油淬时可淬透约8 0 m m ，水淬约c i ) 1 0 0 m m ，有脱碳现 象。 为保证较高的屈服强度，最大限度提高钢的塑性和韧性，在等温淬火后应该在 高于残余奥氏体分解的温度，并尽可能接近回火脆性下限的回火温度，并能保证钢 有较高的断裂韧性和低的疲劳裂纹扩展速率。 1 1 1 化学成分 钢中的成分和杂质有碳、硫、磷、锰、硅、铝、氧、镍、铬、钨、钼、钒、钛、 硼、铜和氮等，它们对钢的切削性影响： 碳 3 0 c r m n s i n i 2 a 钢中含碳量为0 3 0 左右，材料的硬度较高，具有较好的综 合性能。切屑容易折断，切削性能良好。 锰 钢中锰的含量增加，钢的强度、硬度提高，韧性下降，它对切削性的影响与 碳硫的影响有关。当钢的含碳量小于o 2 时，锰的含量在1 5 以下范围内增加，对切 削性有改善。锰的含量大于1 5 或含碳量增加，切削性变差。锰又能使硫化物形成 一种危害性小的形状而改善可切削性一般而言，钢中含锰量在0 7 - - 1 时切削性较 好。含锰量高的钢使刀具在切削过程中磨损剧烈。 硅在3 0 c r m n c r n i 2 a 中加入硅提高了钢的硬度。但对切削性略有不利。如果 硅形成了硬质的、有磨料作用的非金属夹杂物s i 0 2 时，钢的切削加工更加困难，因为 刀具刃口遇上这些尺寸粗大的、硬质的磨料性质点很快就被磨损变钝，故切削性变 劣。此外，硅含量的增加，使导热系数下降，也使可切削性下降。 镍 它对切削性的影响很大，当镍的含量大于8 时，就形成了奥氏体钢，加工 硬化倾向大，切削性就更差 沈阳航空航天大学工程硕士学位论文 第1 章3 0 c r m n s i n i 2 a 钢概述 1 13 0 c r m n s i n i 2 a 钢的综合性能 3 0 c r m n s i n i 2 a 钢是在3 0 c r m n s i a 钢基础上提高锰和铬含量并添加1 4 0 1 8 0 镍发展来的超高强度钢。成分的改变使钢的冲击韧性得到改善，淬透性显著提 高但强度提高不明显。该钢油淬时可淬透约8 0 m m ，水淬约c i ) 1 0 0 m m ，有脱碳现 象。 为保证较高的屈服强度，最大限度提高钢的塑性和韧性，在等温淬火后应该在 高于残余奥氏体分解的温度，并尽可能接近回火脆性下限的回火温度，并能保证钢 有较高的断裂韧性和低的疲劳裂纹扩展速率。 1 1 1 化学成分 钢中的成分和杂质有碳、硫、磷、锰、硅、铝、氧、镍、铬、钨、钼、钒、钛、 硼、铜和氮等，它们对钢的切削性影响： 碳 3 0 c r m n s i n i 2 a 钢中含碳量为0 3 0 左右，材料的硬度较高，具有较好的综 合性能。切屑容易折断，切削性能良好。 锰 钢中锰的含量增加，钢的强度、硬度提高，韧性下降，它对切削性的影响与 碳硫的影响有关。当钢的含碳量小于o 2 时，锰的含量在1 5 以下范围内增加，对切 削性有改善。锰的含量大于1 5 或含碳量增加，切削性变差。锰又能使硫化物形成 一种危害性小的形状而改善可切削性一般而言，钢中含锰量在0 7 - - 1 时切削性较 好。含锰量高的钢使刀具在切削过程中磨损剧烈。 硅在3 0 c r m n c r n i 2 a 中加入硅提高了钢的硬度。但对切削性略有不利。如果 硅形成了硬质的、有磨料作用的非金属夹杂物s i 0 2 时，钢的切削加工更加困难，因为 刀具刃口遇上这些尺寸粗大的、硬质的磨料性质点很快就被磨损变钝，故切削性变 劣。此外，硅含量的增加，使导热系数下降，也使可切削性下降。 镍 它对切削性的影响很大，当镍的含量大于8 时，就形成了奥氏体钢，加工 硬化倾向大，切削性就更差 沈阳航空航天大学工程硕士学位论文 铬它对切削性的影响从刀具耐用度指标来看是变差的，但不及镍大。从粗糙 度指标来看，铬能降低韧性，容易得到好的表面质量。 表1 13 0 c r m n s i n i 2 a 钢的化学成分t o cs im nc rn ic ups 0 2 6 0 9 0 1 0 0 0 9 0 1 4 0 o 3 3 1 2 0 1 3 01 2 01 8 0 o 2 0 o 0 0 03 53 0 1 1 2 物理性能 3 0 c r m n s i n i 2 a 淬火钢的金相组织为奥氏体和马氏体，奥氏体是碳在y f e 中的 固溶体，其硬度在h v l 5 0 2 2 0 左右。马氏体是奥氏体非扩散转变的产物，碳在q f e 中的超结构固溶体，硬度在h v 6 0 0 9 0 0 。 一、3 0 c 小m s i n i 2 a 钢的临界温度 表1 23 0 c r m n s l n i 2 a 钢的临界温度 临界点a c la c 3m s 备注 温度( 近似值) 7 0 58 0 03 2 1l 7 0 58 1 53 1 42 注：1 用钢成分( ) ：0 2 7 c ，1 0 5 s i ，1 0 6 m n ，1 0 5 c r ，1 6 6 n i ，0 0 1 3 p ，0 0 0 5 s ； 2 用钢成分( ) ：0 3 0 c ，1 1 0 s i ，1 0 7 m n ，1 0 6 c r ，1 5 0 n i ，0 0 1 4 p ，0 0 0 5 s 。 二、3 0 c r m n s i n i 2 a 钢的弹性模量 表1 33 0 c r m n s i n i 2 a 钢的弹性模量 温度 2 01 0 02 0 02 5 0 弹性模量 2 l 1 0 0 02 0 8 0 0 02 0 4 0 0 02 0 2 0 0 0 e n 伊a 注：用钢成分( ) ：0 3 1 c ，1 0 8 s i ，1 1 6 m n ，1 0 7 e r ，1 6 7 n i ，0 1 0 c u ，0 o l l p ，0 0 0 5 s ：热处 2 沈阳航空航天大学工程硕士学位论文 理：8 9 0 c 5 0 m i n 油淬，2 5 0 。c 3 h 回火空冷。 三、3 0 c m m s i n i 2 a 钢的线( 膨) 胀系数 表1 43 0 c r m n s i n i 2 a 钢的线( 膨) 胀系数 1 7 1 7 1 7 1 7 1 7 1 7 1 7 1 7 1 7 温度2 0 i 0 02 0 03 0 04 0 05 0 06 0 07 0 08 0 09 0 0 线( 膨) 胀系数 1 0 5 51 1 3 71 1 6 71 2 6 81 2 91 3 5 51 3 81 3 9 1 1 1 5 1 2 1 c 一1 四、3 0 c r m n s i n i 2 a 钢的热导率 表1 53 0 c r m n s i n i 2 a 钢的热导率 温度 2 01 0 0 2 0 03 0 04 0 05 0 06 0 07 0 08 0 09 0 0 热导率入 w ( m - k ) 2 5 72 8 02 9 32 9 92 9 32 8 22 7 02 5 72 4 02 2 3 一l 五、3 0 c r m n s i n i 2 a 钢的质量定压热容 表1 63 0 c r m n s i n i 2 a 钢的质量定压热容 温度 2 01 0 02 0 03 0 04 0 05 0 06 0 0 质量定压热容 4 7 2 3 5 2 6 65 1 8 o 6 3 9 56 9 8 07 5 2 48 3 1 8 c p j ( k g k ) 一i 1 23 0 c r m n s i n i 2 a 钢热加工 表1 73 0 c r m n s i n i 2 a 钢的热加工工艺 加热温度开始温度终止温度冷却方法 1 1 4 0 1 1 8 01 1 2 0 1 1 6 08 5 0缓冷 3 沈阳航空航天大学工程硕士学位论文 1 2 i3 0 c r m n s i n i 2 a 钢热处理 3 0 c r m n s i n i 2 a 钢的热处理示于表1 8 ，与热处理有关的性能示于表1 9 。 表1 83 0 c r m n s i n i 2 a 钢的热处理 项目退火正火高温回火 淬火回火等温淬火回火 温度6 5 0 6 8 06 5 0 6 8 08 8 0 9 0 02 4 0 3 3 0 9 0 0 9 2 09 0 0 2 5 0 3 0 0 冷却炉内 空气油油或空气 空气1 8 0 2 2 0 空气 硬度( r i b )2 5 52 5 5h r c 5 0h r c 4 5 表1 93 0 c r m n s i n i 2 a 钢的奥氏体晶粒长大倾向 加热温度 8 5 09 0 09 5 01 0 0 01 0 5 01 i 0 01 1 5 01 2 0 0 晶粒度级别 1 0l o 9l o 88 8 78 67 66 注：用直接腐蚀法测定。 1 2 2 热处理后3 0 c r m n s i n i 2 a 钢的力学性能 表1 1 03 0 c r m n s i n i 2 a 钢的疲劳极限 热处理 obo0 2 毛坯直热处理制度硬度( h r c ) o 一1 m p a 各注 n m a 径m m 4 8 1 6 6 01 5 6 0 6 9 0 碳下限1 9 0 0 油淬，2 3 0 回火空冷9 0 0 油淬，2 3 0 【2 回火空冷 4 91 7 8 01 6 4 07 4 0 碳上限2 2 58 9 0 油淬，2 0 0 回火空冷8 9 0 7 3 0 油淬，3 0 0 回火空冷 7 i 0 8 9 0 c 加热，于3 0 0 等温淬火 7 4 0 注：i 用钢成分( ) ：0 2 7c ，1 0 5 s i ，1 0 6 m n ，1 0 5 c r ，1 6 6 n i ，0 0 1 3 p ， 4 沈阳航空航天大学工程硕士学位论文 1 2 i3 0 c r m n s i n i 2 a 钢热处理 3 0 c r m n s i n i 2 a 钢的热处理示于表1 8 ，与热处理有关的性能示于表1 9 。 表1 83 0 c r m n s i n i 2 a 钢的热处理 项目退火正火高温回火 淬火回火等温淬火回火 温度6 5 0 6 8 06 5 0 6 8 08 8 0 9 0 02 4 0 3 3 0 9 0 0 9 2 09 0 0 2 5 0 3 0 0 冷却炉内 空气油油或空气 空气1 8 0 2 2 0 空气 硬度( r i b )2 5 52 5 5h r c 5 0h r c 4 5 表1 93 0 c r m n s i n i 2 a 钢的奥氏体晶粒长大倾向 加热温度 8 5 09 0 09 5 01 0 0 01 0 5 01 i 0 01 1 5 01 2 0 0 晶粒度级别 1 0l o 9l o 88 8 78 67 66 注：用直接腐蚀法测定。 1 2 2 热处理后3 0 c r m n s i n i 2 a 钢的力学性能 表1 1 03 0 c r m n s i n i 2 a 钢的疲劳极限 热处理 obo0 2 毛坯直热处理制度硬度( h r c ) o 一1 m p a 各注 n m a 径m m 4 8 1 6 6 01 5 6 0 6 9 0 碳下限1 9 0 0 油淬，2 3 0 回火空冷9 0 0 油淬，2 3 0 【2 回火空冷 4 91 7 8 01 6 4 07 4 0 碳上限2 2 58 9 0 油淬，2 0 0 回火空冷8 9 0 7 3 0 油淬，3 0 0 回火空冷 7 i 0 8 9 0 c 加热，于3 0 0 等温淬火 7 4 0 注：i 用钢成分( ) ：0 2 7c ，1 0 5 s i ，1 0 6 m n ，1 0 5 c r ，1 6 6 n i ，0 0 1 3 p ， 4 沈阳航空航天大学工程硕士学位论文 0 0 0 5 s ； 2 用钢成分( ) ：o 3 0c ，1 1 0 s i ，1 0 7 m n ，1 0 6 c r ，1 5 0 n i ，0 0 1 4 p ，o 0 0 5 s 。 表1 1 13 0 c r l v i n s i n i 2 a 钢的横向力学性能 钢坯尺 ob65 1 i a k j c m - 寸m m 取样方向热处理制度硬度( 耶) j 埘a 2 1 3 5 方 纵向 9 0 0 6 0 r a i n 油淬， 1 7 6 01 3 54 76 94 4 4 3 0 0 1 21 8 0 r a i n 回火空冷1 7 4 01 2 04 8 7 2 横向 9 0 0 6 0 r a i n 油淬1 7 3 0l o o3 85 24 4 4 3 0 0 1 8 0 m i n 回火空冷 1 7 1 09 04 05 5 注：用钢成分( ) ：0 3 2c ，0 9 2 s i ，1 1 5 m n ，1 0 9 c r ，1 5 3 n i ，0 1 3 m o ，0 0 7 c u ，0 0 1 7 p ，0 0 0 6 s 。 表1 1 23 0 c d h s i n i 2 a 钢不同温度回火后的断裂韧性 回火温度x 2 2 0 02 6 02 8 03 0 03 2 03 4 03 6 04 0 0 o0 2 m p a 1 6 4 01 6 7 01 6 8 01 6 2 01 6 4 01 6 1 01 5 7 01 4 1 0 k k m p a m l 2 6 8 77 0 06 6 46 6 76 0 95 5 55 6 75 6 4 注：9 0 0 油淬，不同温度回火后空冷。 1 33 0 c 小h s i n i 2 a 钢的切削加工性 1 3 1 切削加工性 关于切削加工性，目前还没有一个精确的定义，所谓切削加工性是指材料能接 受切削加工的难易程度。要想合理地选择切削条件，首先应了解工件的切削加工性 5 沈阳航空航天大学工程硕士学位论文 0 0 0 5 s ； 2 用钢成分( ) ：o 3 0c ，1 1 0 s i ，1 0 7 m n ，1 0 6 c r ，1 5 0 n i ，0 0 1 4 p ，o 0 0 5 s 。 表1 1 13 0 c r l v i n s i n i 2 a 钢的横向力学性能 钢坯尺 ob65 1 i a k j c m - 寸m m 取样方向热处理制度硬度( 耶) j 埘a 2 1 3 5 方 纵向 9 0 0 6 0 r a i n 油淬， 1 7 6 01 3 54 76 94 4 4 3 0 0 1 21 8 0 r a i n 回火空冷1 7 4 01 2 04 8 7 2 横向 9 0 0 6 0 r a i n 油淬1 7 3 0l o o3 85 24 4 4 3 0 0 1 8 0 m i n 回火空冷 1 7 1 09 04 05 5 注：用钢成分( ) ：0 3 2c ，0 9 2 s i ，1 1 5 m n ，1 0 9 c r ，1 5 3 n i ，0 1 3 m o ，0 0 7 c u ，0 0 1 7 p ，0 0 0 6 s 。 表1 1 23 0 c d h s i n i 2 a 钢不同温度回火后的断裂韧性 回火温度x 2 2 0 02 6 02 8 03 0 03 2 03 4 03 6 04 0 0 o0 2 m p a 1 6 4 01 6 7 01 6 8 01 6 2 01 6 4 01 6 1 01 5 7 01 4 1 0 k k m p a m l 2 6 8 77 0 06 6 46 6 76 0 95 5 55 6 75 6 4 注：9 0 0 油淬，不同温度回火后空冷。 1 33 0 c 小h s i n i 2 a 钢的切削加工性 1 3 1 切削加工性 关于切削加工性，目前还没有一个精确的定义，所谓切削加工性是指材料能接 受切削加工的难易程度。要想合理地选择切削条件，首先应了解工件的切削加工性 5 沈阳航空航天大学工程硕士学位论文 如何。在一组给定的条件下，切削加工性是随工件( 材料) 的硬度、拉伸性质、导热 系数、导温系数、化学成分、显微组织、加工硬化性、工件刚度等性质而变化。衡 量切削加工性的标准是随切削加工的目的或要求不同而有所不同。 ( 1 ) 在相同的条件下切削不同的材料时，显然在切削速度一定时刀具使用寿命 ( t ) 较长，或在刀具使用寿命一定时切削速度较大的材料，其加工性较好。 ( 2 ) 在相同切削条件下，凡切削力大、切削温度高的材料难加工，即加工性差。 ( 3 ) 精加工时，常以加工表面质量作为加工性指标。容易获得好的已加工表面质 量( 包括表面粗糙度、冷作硬化程度及残余应力等) 的材料，切削加工性较好。 ( 4 ) 在自动机床或自动生产线上，常以切屑控制或断屑难易程度作为加工指标。 切屑容易控制或容易断屑的材料，切削加工性较好。 1 3 2 淬火钢的主要性能和切削特点 切削中所遇到的淬火钢主要是平均含碳量在0 4 5 左右的优质碳素钢和含碳量 在0 2 - 0 4 的合金钢淬火后经低温回火，其组织为回火马氏体，硬度高，脆性大；其硬 度可达h r c 4 0 , - 6 0 ，甚至高达h r c 6 5 ；抗拉强度o b = 1 1 7 7 - , 2 0 6 0 兆帕( 1 2 0 - 2 1 0 公斤 力毫米2 ) ；导热系数较低淬火钢的上述特性，特别是高的硬度，给切削加工造成很大 困难，并使切削过程具有以下特点。 ( 1 ) 单位切削力大。 当4 5 钢硬度为h r c 4 4 时，其单位切削力达2 6 4 8 兆帕( 2 7 0 公斤力毫米2 ) ，较正火 状态下( h b = 1 8 7 ) 的单位切削力高3 5 。 ( 2 ) 切削温度高、刀具易磨损。 由于工件的强度、硬度高，切削抗力大，以及导热系数低，因此产生较高的切削温 度，如硬度为h r c 4 4 的4 5 钢的切削温度，可比正火状态下高出4 5 左右，这样使刀具 磨损加剧，耐用度降低。 ( 3 ) 容易获得较高的表面光洁度。 钢经淬火后，在强度、硬度提高的同时，塑性大大降低因此，切削过程中塑性变形 v 小，不易产生积屑瘤，可使工件得到高光洁度表面。 淬火钢的车削： 6 沈阳航空航天大学工程硕士学位论文 淬火钢的切削特点：1 ) 硬度高：h r c 4 5 - 7 0 。2 ) 脆性大。3 ) 强度高：6 b = 2 1 0 0 - - - 2 6 0 0m p a ，是4 5 钢的4 倍左右。4 ) 切削力大：单位切削力k e 为4 5 0 0 m p a ，是切 4 5 钢的2 5 倍。5 ) 切削温度高：其导热系数为4 5 钢的l 7 。 刀具与切削用量： 1 ) 刀具材料：p c b n 、陶瓷、硬质合金( 6 0 0 、6 1 0 、y s 8 、y t 0 5 、7 5 8 、8 1 3 ) 等。 2 ) 刀具几何参数：7 0 - - 0 。- 1 0 。，工件硬度和连续切削时丫o ，1 0 。- 3 0 。，i ：1 0 = 8 10 0 ，k r = - 3 0 0 6 0 0 ，k s = o o 3 0 。 3 ) 切削用量：硬质合金v c = 3 0 - - - 5 0 m m i n ；陶瓷刀具v c = 6 0 - - - 1 2 0 m m i n ；p c b n 刀具v c = 1 0 0 , 、- , 2 0 0m m i n ，断续切削时v c 为上述的1 2 ，仅”f 为切一般钢的1 2 。 注意：一股淬火钢的耐热性为2 0 0 - - - , 4 0 0 c ，它的硬度随温度增高而降低。 而刀具材料( 硬质合金、陶瓷、p c b n ) 的耐热性分别为8 0 0 - - 1 0 0 0 c 、1 2 0 0 。c 、1 4 0 0 - - 1 5 0 0 ，利用这一特性，在连续切削时，v e 不能选择太低；钻孔时，v c 要合理， 勤退刀；断续切削时f 要小，h 适当减小，丫增大，地为负值。 1 3 3 车削淬火钢切削刀具的选择 一、切削用量的选择 主偏角不同时2 l c 及a w 的变化在切削过程中，刀具或工件沿进给方向移动一个 f 或时刀具的刀刃从工件待加工表面切下的金属层称为切削层。切削层参数是指 切削层的截面尺寸，它决定刀具所承受的负荷和切屑的尺寸大小。现以外圆车削为 例来说明切削层参数。车削外圆时，工件每转一转，车刀沿工件轴线移动一个进给 量f 的距离，主切削刃及其对应的工件切削表面也连续由位置i i 移至i ，因而i 、 i i 之间的一层金属被切下；这一切削层的参数，通常都在过刀刃选定点并与该点主 运动速度方向垂直的平面内，即不考虑进给运动影响的基面内观察和度量的。 1 切削厚度a l c 垂直过渡表面度量的切削层尺寸称为切削厚度。外圆纵车l s = 0 。 时有： a e = f s i n k r 由此可见，f 或i ( r 增大，则a c 变厚。 7 沈阳航空航天大学工程硕士学位论文 2 切削宽度a w 沿过渡表面度量的切削尺寸称为切削宽度。刀具为直线刃时 有：矾产a p s i n k r 当刀刃为曲线刃时，各点h 不相同，故切削厚度不相同。 3 切削面积a c 即切削层在基面内的截面面积称为切削层面积。 二、切削方式 1 直角切削和斜角切削 直角切削是指刀刃垂直于合成切削运动方向的切削方式，直角切削时，其刀 刃刃倾角沁= o o 。斜角切削时刀刃不垂直于合成切削运动方向，即地0 0 。直角 切削方式，其切屑流出方向在刀刃法平面内；而斜角切削方式，切屑流出方向不在 法平面内。 2 自由切削与非自由切削 自由切削是指只有一条直线刀刃参与切削。其特点是刀刃上各点切屑流出方向 一致，且金属变形在二维平面内。对于既是直角切削方式，又是自由切削方式，故 称为直角自由切削方式。曲线刀刃或两条以上刀刃参与切削的切削方式称为非自由 切削方式。 生产中，切削方式通常多属于非自由切削方式。为了简化条件常采用直角自由 切削方式研究金属变形。 8 沈阳航空航天大学工程硕士学位论文 2 1 刀具材料 第2 章3 0 c r m n s i n i 2 a 钢的加工理论 刀具材料选用得是否适当，对能否很好地进行切削加工几乎具有决定性的意 义。 加工淬火钢的刀具材料，应具有较高的耐热性、耐磨性和一定的抗冲击性目前 主要使用硬质合金来加工淬火钢，在各种牌号的硬质合金中，i 类的切削性能要比 y g 刀面磨损值0 9 、o 8 毫米，而热压氮化硅刀片的后刀面磨损值仅为o 1 5 毫米，相 差5 倍多。例如，在相同的切削条件下，用y t l 5 车削淬火钢比用y g 8 时的切削速度 可提高一倍。但y g 类硬质合金具有抗冲击性好，崩刃倾向小的优点。粗车时选用耐 热性好，抗冲击能力强的y w 2 y t 5 等牌号。半精车时宜选用y a 6 、y g 6 x 等牌号。 精车时可选用y t 3 0 、y t l 5 、y g 3 及y n l 0 等牌号。 此外，利用涂层硬质合金刀片，以及立方氮化硼和氮化硅、陶瓷等新型刀具材料 车削淬火钢时，具有较好的效果。例如在相同的切削条件下，车削路程为2 6 0 米 时，y t l 5 与y t 3 0 的后倍左右。 ( 1 ) 高速钢 高速钢是加入了w 、m o 、c r 、v 等合金元素的高合金工具钢，按重量计，w 和m o 占1 0 - - 2 0 ，c r 约占4 ，v 占1 以上，它们都是强烈的碳化物形成元素， 在熔炼与热处理过程中与碳形成了高强度的碳化物，从而提高了钢的耐磨性。在高 速钢中，钼和钨的作用基本相同，1 的钼可替代2 的钨。钼可以减少碳化物中的 不均匀性，细化碳化物晶粒，提高韧性。 另外，在某些高速钢中，为了提高高温硬度，添加钴、铝、硅、铌等元素，为 了提高耐磨性，可适当增加含钒量。但是含钒量过高，可磨削性差，因此，钒的含 量不宜超过3 。 ( 2 ) 硬质合金 硬质合金是高硬度难熔的金属化合物( 主要是t i c 、w c 等，又称高温碳化物) 微米级的粉末，用钴或镍等金属作粘节剂烧结而成的粉末冶金制品。其中，高温碳 9 沈阳航空航天大学工程硕士学位论文 化物的含量超过高速钢；允许切削温度8 0 0 。c 一, 1 0 0 0 。c 。 硬质合金是当今最主要的刀具材料之一。绝大多数车刀、端铣刀、和部分铣刀、 深空钻、浅空钻、绞刀等均已采用硬质合金制造。由于硬质合金工艺性差，它用于 复杂刀具尚受到很大的限制。另外。也由于硬质合金刀具价格昂贵，硬质合金占刀 具材料总用量的3 0 - 、, 4 0 。 高温碳化物 硬质合金的性能主要取决于金属碳化物的种类、性能、数量、粒度和粘结剂的 分量。碳化物所占比例大，则硬度高，反之则硬度低，但抗弯强度提高。碳化物粒 度越高，则有利于提高硬质合金的硬度与耐磨性。 硬质合金的种类和牌号 目前，绝大多数硬质合金是以w c 为基本，并分为w c c o 、w c t i c c o 、 w c t a c ( n b c ) c o 及c o w c t i c t a c ( n b c ) c o 等四类，下表列出了部分硬质合金的 类别、代号( i s o ) 成分及性能。 y r 类，i s o 称为p 类，主要用于加工长切屑的黑色金属、有色金属和非金属 类；y w 类，i s o 称为m 类，可覆盖p 类、k 类的应用。 硬质合金的选用 正确选用适当牌号的硬质合金对于发挥其效能具有重要意义。正确地选用刀具 材料，对于提高刀具寿命，提高劳动生产率，改善切削加工性有着重要意义。w c c o 硬质合金一般适用于加工铸铁、有色金属及其合金，w c - t i c c o 硬质合金用于高速 切削钢材。 ( 3 ) 新型刀具材料 新牌号硬质合金 近年来，为了满足工业生产迅速发展的要求，出很多新牌号的硬质合金。这些 硬质合金大体可以分为以下几类： 添加碳化钽、碳化钒、碳化铬等碳化物的硬质合金。 所有的p 类和m 类的新牌号几乎均加入了较多碳化钽或其它碳化物，从而使 硬质合金能得到显著提高，如y t 0 5 的抗弯强度大于1 2 g p a 。硬度大于h r a 9 2 5 。 l o 沈阳航空航天大学工程硕士学位论文 超细晶粒硬质合金 ! 这类硬质合金晶粒尺寸为o 2 lum ，而大部分小于o 5um 。晶粒细化可提 高硬质合金的硬度，但强度有所下降。如果同时增加粘结剂的含量，就可以在提高 硬度( 通常在h r a 9 2 以上) 的同时提高其抗弯强度。超细晶粒硬质合金使用于加工不 锈钢、高锰钢、耐热合金等难工材料。 碳化钛基硬质合金 以上所说的硬质合金的主要成分都是w c ，可统称碳化钨基硬质合金。碳化钛 基硬质合金则是以t i c 为主要成分，适当加入其他碳化物或氧化物，以n i 或m o 为粘结剂形成的。由于t i c 在所有的碳化物中硬度最高，因此t i c 基硬质合金的硬 度很高，不易氧化，对金属的摩擦系数小，与钢之间不易粘结及扩散，抗月牙洼磨 损能力强。但抗弯强度和韧性低于w c 基硬质合金，因此主要用于精加工和半精加 工钢，也可以加工球墨铸铁等。其耐用度可比w c 基硬质合金提高几倍。这类硬质 合金用得比较多的是y n i o 、y n 0 1 、y n 0 5 。 除此之外，各硬质合金厂还在不断改变组成成分以及改进制造方法，己研制出 了一些高韧性的t i c 和t i c n 基硬质合金，如自贡硬质合金厂生产的5 1 0 、5 1 0 n 等， 刀具耐用度可比w c 基y t 类和y w 类合金提高1 4 倍，可在相当范围内代替 w c 基硬质合金。 涂层刀具材料 涂层刀具材料是在刀具材料的基体上，涂上一层几微米厚的高硬度、高耐磨性 的金属化合物构成。这种刀具材料既有基体的韧性，又有很高的硬度，性能优异， 自6 0 年代出现以来，发展迅速，特别是机夹可转位刀片的广泛应用，使涂层硬质 合金应用越来越广，不少国家涂层刀片已占可转位硬质合金刀片的5 0 以上。 涂层刀具虽然具有很多优点，但其切削刃锋利性、韧性和抗崩刃性能均不及未 涂层的刀具，故对于小进给量的精加工、有氧化皮及夹砂材料的粗加工、强力切削 等，尚不适宜使用涂层硬质合金。涂层硬质合金也不适于加工高温合金及某些非金 属及与钛起反应的铝、钛等有色金属。涂层高速钢则仍可用于有冲击的切削，也适 于钻、绞、拉与齿轮刀具。 其他刀具材料 沈阳航空航天大学工程硕士学位论文 i 陶瓷 常用的陶瓷刀具材料主要是由纯氧化铝或在氧化铝中添加一定量的金属元素 或金属碳化物构成的。 陶瓷材料有很高的硬度可达h r a 9 1 - - 9 5 ，有很高的耐热性，在1 2 0 0 c 的切削 温度下仍能切削( 此时仍保持h r a 8 0 左右的硬度) ，化学稳定性很好，摩擦系数也较 低，抗粘结磨损与抗扩散磨损的能力很强。这种材料的主要特点是冲击韧性差，抗 弯强度小，因此目前主要用于高速精车和半精车。按组成成分不同，氧化铝陶瓷材 料可分为两类：氧化铝陶瓷和氧化铝复合陶瓷。除此之外，近年来还发展了氧化铝 基陶瓷。 金刚石 金刚石分为天然金刚石与人造金刚石两种。 a 天然单晶金刚石： 天然金刚石刀具材料是一种各向异性的单晶体是目前最硬的物质，显微硬度可 达h v l 0 0 0 0 ，耐磨性极好，可切削极硬的材料而保持长时间的尺寸稳定性；同时， 刀具刃口极锋利，摩擦系数很小，所以加工的表面可达r a 0 0 0 8 - 0 0 2 51 tm ，很适 于超精加工。但是此种材料韧性很差，抗弯强度也很低，为0 2 - 0 5 g p a ，只有硬 质合金的1 4 左右，因而不能承受较大的切削力和振动。并且，热稳定性很差，当切削 温度达到7 0 0 8 0 0 时，就会失去硬度，此外，此种材料的亲和性很强，一般不 适于加工钢铁。 b 人造聚晶金刚石： 人造聚晶金刚石是在高温高压下将金刚石微粉聚合成的多晶体材料。它清除了 单晶金刚石的各向异性。这种材料的硬度比天然金刚石低( 但仍在h v 5 0 0 0 以上) ， 而抗弯强度比天然金刚石高很多。 这种材料与天然金刚石一样不适于加工钢铁，而主要用于加工有色金属及非金 属。这种刀具刃口不如天然金刚石锋利，因此，加工质量不如天然金刚石。 c 立方氮化硼 立方氮化硼( 一般称为c b n ) 是7 0 年代出现的新型超硬刀具材料。c b n 有单晶 体和聚晶体，单晶体主要用于制造砂轮，而用于刀具则主要采用多晶体。 1 2 沈阳航空航天大学工程硕士学位论文 单晶立方氮化硼的硬度仅次于金刚石，聚晶立方氮化硼的硬度也达h v 7 0 0 0 8 0 0 0 ，因此耐磨性很高，与金刚石相比，c b n 突出的优点是耐热性比金刚石高得 多，可达1 4 0 0 ，可承受很高的切削温度。另一个优点是化学活性很差，与铁族 金属在1 2 0 0 ( 2 1 3 0 0 c 也不起作用，刀具耐用度常可达到硬质合金或陶瓷耐用度的 几十倍。 刀具材料的新发展 历史事实表明在切削加工发展过程中，刀具材料始终是最积极的因素。1 9 世纪 末出现了高速钢，进入2 0 世纪，特别是二战以后，各种新的工程结构材料相继出 现。当前各种刀具材料的应用，以高速钢和硬质合金居多，陶瓷的为1 3 ，超 硬材料占小范围的使用。c v d 和p v d 涂层刀具在近2 0 年内有了很大的发展。预 计到2 1 世纪，硬质合金的使用范围将进一步扩大，成为用量最大的刀具材料。在新 刀具材料的发展中，硬度、耐磨性与强度、韧性难以兼顾仍是矛盾。在未来，刀具 材料的新品种、新牌号的出现，各自比重的变化以及它们相互补充和相互竞争，将 成为未来刀具材料发展的特点。 2 1 1 车削3 0 c r m n s i n i 2 a 淬火钢刀具角度的选择 图2 1 车刀角度示意图 沈阳航空航天大学工程硕士学位论文 单晶立方氮化硼的硬度仅次于金刚石，聚晶立方氮化硼的硬度也达h v 7 0 0 0 8 0 0 0 ，因此耐磨性很高，与金刚石相比，c b n 突出的优点是耐热性比金刚石高得 多，可达1 4 0 0 ，可承受很高的切削温度。另一个优点是化学活性很差，与铁族 金属在1 2 0 0 ( 2 1 3 0 0 c 也不起作用，刀具耐用度常可达到硬质合金或陶瓷耐用度的 几十倍。 刀具材料的新发展 历史事实表明在切削加工发展过程中，刀具材料始终是最积极的因素。1 9 世纪 末出现了高速钢，进入2 0 世纪，特别是二战以后，各种新的工程结构材料相继出 现。当前各种刀具材料的应用，以高速钢和硬质合金居多，陶瓷的为1 3 ，超 硬材料占小范围的使用。c v d 和p v d 涂层刀具在近2 0 年内有了很大的发展。预 计到2 1 世纪，硬质合金的使用范围将进一步扩大，成为用量最大的刀具材料。在新 刀具材料的发展中，硬度、耐磨性与强度、韧性难以兼顾仍是矛盾。在未来，刀具 材料的新品种、新牌号的出现，各自比重的变化以及它们相互补充和相互竞争，将 成为未来刀具材料发展的特点。 2 1 1 车削3 0 c r m n s i n i 2 a 淬火钢刀具角度的选择 图2 1 车刀角度示意图 沈阳航空航天大学工程硕士学位论文 1 ) 前角车削淬火钢时，前角对切削过程影响最大，为了保证刀具有较高的耐 用度，前角不能太大，否则刃i z l 强度太低，容易崩刃。但前角太小，切削变形、切削温度 都会增加。尤其是径向力的增大，容易引起工艺系统的振动，使工件的表面粗糙度和 尺寸精度降低。故一般选用丫产o o 1 0 。淬火钢的硬度越高，则负前角的数值应越 大。精车时可采用较小数值的负前角。当选用丫o - o o 时刀具车削淬火钢时，需磨出2 3 毫米宽的负倒棱。 2 ) 后角采用较大的后角能减小车刀后刀面的磨损，有利于刀具耐用度的提 高。但加大后角会使楔角减小，切削过程中容易出现崩刃现象，因此后角不宜太大。 实践证明，( 1 0 = 8 0 1 2 0 较好。 3 ) 主偏角选较小的主偏角，可使刀具的强度和散热能力得到改善。但减小主偏 角使径向力加大，容易引起振动。考虑以上两方面的影响，在切削淬火钢时，车刀的主 偏角一般取k r = 3 0 0 - 一6 0 。如工艺系统刚性较好时，可以选用较小的主偏角。 4 ) 负偏角负偏角的大小主要决定于工件表面光洁度要求的高低。一般取 l c r o - - 1 5 0 , 半精车取大值，精车取小值。 5 ) 刃倾角刃倾角取负值刀尖部分强度提高，但地值太大会使径向力增加，引 起振动。一般g s = 0 。5 。，半精车时，取较大负值，精车时取0 。在冲击条件下切削淬 火钢时，应取刃倾角k s = 1 0 0 2 0 0 。 6 ) 刀尖圆弧半径加大刀尖圆弧半径可以提高工件表面光洁度，并使刀尖部 分强度增加。但太大会引起振动，降低工件表面质量，一般去1 2 毫米。 为了提高刀具耐用度和工件表面光洁度，切削淬火钢的硬质合金车刀，必须仔细 研磨个刀面和切削刃。 2 1 2 切削用量的选择 车削淬火钢时的切削用量，主要根据工件硬度选择。通常切削用量要比在相同