（机械设计及理论专业论文）225cr1mo025v筒节材料断续车削及刀具失效机理研究.pdf

摘要 摘要 2 2 5 c r - l m o 0 2 5 v 钢是一种低合金贝氏体耐热钢，具有强度高、耐高温、抗 氢腐蚀性好、塑性高等特点，是石油化工行业中加氢反应器等关键零部件的常用 制造材料。随着石油化工行业的不断发展，加氢反应器的尺寸要求越来越大，筒 节材料的性能要求越来越高，这对其高效j n - r 带来一定的困难。 本课题针对加氢反应器大型筒节零件生产中加工效率低、刀具寿命短等问 题，通过断续车削实验和有限元仿真相结合的方法，优化刀具材料、刀具几何参 数和切削用量；分析对比不同刀具在不同切削条件下的失效机理和刀具在断续车 削中的切削机理，为难加工筒节材料的高效加工提供实验数据和理论指导。 通过正交实验优化了未涂层的普通硬质合金刀具y t 5 在断续车削 2 2 5 c r - 1 m o 0 2 5 v 钢时的切削用量，分析了切削用量对金属切除量和切削力的影 响及刀具在不同切削用量下的失效机理。优化出采用y t 5 硬质合金刀具断续车 削2 2 5 c r - l m o 0 2 5 v 钢时的切削用量为v = 5 0 m m i n ，f = 0 5 m m r ， a p = 1 2 m m ， 分别建立了y t 5 刀具在断续车削2 2 5 c r - l m o 0 2 5 v 钢时的金属切除量、切削力 与切削用量之间的经验关系式。 对比了普通硬质合金刀具y t 5 和细晶硬质合金涂层刀具g c 4 2 3 5 在相同切 削用量下的刀具寿命和切削力，并分析了两种刀具的失效机理。结果表明g c 4 2 3 5 硬质合金刀具的切削性能要明显高于y t 5 硬质合金刀具。分别选用方形、菱形、 圆形三种形状的g c 4 2 3 5 刀片，对比研究了切削性能更优的细晶硬质合金涂层刀 具在不同刀具几何参数下的刀具寿命、切削力和刀具失效机理。优化实验结果表 明方形g c 4 2 3 5 硬质合金涂层刀具在断续车削2 2 5 c r - l m o 0 2 5 v 钢时具有更好 的切削性能。 通过正交实验优化了方形g c 4 2 3 5 硬质合金涂层刀具断续车削 2 2 5 c r - l m o 0 2 5 v 钢时的切削用量，分析了不同切削用量下的刀具失效机理。以 最大金属切除量为目标得到最优切削用量为v = 5 0 m m i n ，产0 4 m m r ，a p = 3 m m ； 实验研究表明切削用量v = 1 0 0 m m i n ，f = o 3 m m r ，a p = 3 m m 时刀具也表现出良好 的切削性能，而且在刀具寿命较长的情况下可获得更高的金属切除率。这表明 v 1 i j 东人宁：硕卜学伊论文 g c 4 2 3 5 硬质合金涂层刀具适合在切削速度v = 5 0 m m i n - 1 0 0 m m i n 时高效、长寿 命断续车削2 2 5 c r - l m o 0 2 5 v 钢。采用回归分析法，分别建立了方形g c 4 2 3 5 硬质合金涂层刀具断续车削2 2 5 c r - l m o 0 2 5 v 钢的金属切除量、切削力与切削 用量之间的经验关系式。 使用a d v a n t e d g ef e m 有限元分析软件对断续切削中刀具切出工件时的剪 切角偏转和负剪切现象进行了仿真，分析了工件切出角以及不同前角的刀具对断 续切削刀具应力状态的影响。仿真结果表明，在不同的工件切出角下，正前角和 负前角刀具断续切削切出时都会出现剪切角偏转现象，但在定切出角范围内才 会出现负剪切。当剪切角偏转和负剪切出现时，刀尖附近的应力大小和方向均变 化，导致断续切削中刀具切出工件时发生破损失效。 本课题得到了国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) ( 2 0 0 9 a a 0 4 4 3 0 2 ) 和山东 省自然科学基金( 2 0 0 9 z r b 0 1 3 8 5 ) 的资助。 机理 关键词：2 2 5 c r - 1 m o 0 2 5 v 钢；断续车削；高效加工；刀具寿命；刀具失效 v i i i a b s t r a c t a b s t r a c t 2 2 5 c r - lm o 一0 2 5 vl o wa l l o yb a i n i t es t e e lw i t hc h a r a c t e r i s t i co fh i g hs t r e n g t h h e a tr e s i s t a n c e ，h i g hp l a s t i c i t ya n dr e s i s t a n c eo fh y d r o g e nc o r r o s i o ni st h ek e y m a n u f a c t u r e dm a t e r i a l so fh y d r o g e n a t i o nr e a c t o ri np e t r o c h e m i c a li n d u s t r y w i t ht h e d e v e l o p m e n to fp e t r o c h e m i c a li n d u s t r y , t h es i z eo fh y d r o g e n a t i o n r e a c t o ri sb e c o m i n g b i g g e ra n dt h ep r o p e r t i e so fm a t e r i a li sb e c o m i n gi n c r e a s i n g l yd e m a n d i n g ，w h i c h m a k e sh i g he f f i c i e n tm a c h i n i n go f2 2 5 c r - 1m o 0 2 5 vs t e e lb e c o m i n gm o r ed i f f i c u l t i no r d e rt oi m p r o v ep r o d u c t i o ne f f i c i e n c ya n dt op r o l o n gt h et o o ll i f ei nt h e p r o c e s s i n g o fh y d r o g e n a t i o nr e a c t o r c y l i n d r i c a ls h e l l ，m a t e r i a l a n d g e o m e t r i c p a r a m e t e r so ft o o l sa n dc u t t i n gp a r a m e t e r sw e r eo p t i m i z e db yi n t e r m i t t e n tt u r n i n g e x p e r i m e n ta n df i n i t e 。e l e m e n t s i m u l a t i o n t h e c u t t i n gp r i n c i p l e a n df a i l u r e m e c h a n i s mo fd i f f e r e n tt o o l si nd i f f e r e n tm a c h i n i n gc o n d i t i o n sw e r es t u d i e d e x p e r i m e n t a ld a t aa n dt h e o r e t i c a lg u i d a n c ew e r ep r o v i d e df o re f f i c i e n tm a c h i n i n go f 2 2 5 c 卜lm o 0 2 5 vs t e e l t h ec u t t i n gp a r a m e t e rw a so p t i m i z e db yo r t h o g o n a le x p e r i m e n t so fi n t e r m i t t e n t c u t t i n g o f2 2 5 c r - lm o - 0 2 5 vs t e e l 埘t i lu n c o a t e dc e m e n t e dc a r b i d ey t 5 ，t h e i n f l u e n c eo fc u t t i n gp a r a m e t e ro nm a t e r i a lr e m o v a la m o u n ta n dc u t t i n gf o r c ea n dt h e f a i l u r em e c h a n i s mo ft o o l sw i t hd i f f e r e n tc u t t i n gp a r a m e t e rw e r ea n a l y z e d t h e o p t i m i z e dc u t t i n gp a r a m e t e rw a sv = 5 0 m m i n ，f = 0 5 m m r , 旷1 2 m m t h ee m p i r i c a l e q u a t i o n so f m a t e r i a lr e m o v a la m o u n ta n dc u t t i n gf o r c ew e r es e tu p t h et o o l sl i f ea n dc u t t i n gf o r c eo fc e m e n t e dc a r b i d ey t 5t o o la n dc o a t e df i n e g r a i nc e m e n t e dc a r b i d eg c 4 2 3 5t o o li ns a m ec u t t i n gp a r a m e t e rw e r ec o m p a r e d ，t h e f a i l u r em e c h a n i s mo ft o o l sw e r ea n a l y z e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ec u t t i n g p e r f o r m a n c eo fg c 4 2 3 5c o a t e dt o o lw a sm u c hb e t t e rt h a nt h a to fy t 5t 0 0 1 a c c o r d i n g t ot h i sr e s u l t ，t h et o o l sl i f e ，c u t t i n gf o r c ea n df a i l u r em e c h a n i s mo fc o a t e dc e m e n t e d c a r b i d eg c 4 2 35 诵t hd i f f e r e n tg e o m e t r i c a ls h a p e ( q u a d r a t eo n e ，r h o m b i co n e ，c i r c u l a r o n e ) w e r em a i n l yc o m p a r e d t h er e s u l t ss h o w e dt h ec u t t i n gp e r f o r m a n c eo fq u a d r a t e i x 东人学硕+ 学何论文 g c 4 2 3 5t o o lw a sb e t t e rt h a nt h a to fr h o m b i ca n dc i r c u l a rt o o l si ni n t e r m i t t e n tc u t t i n g o f2 2 5 c r 1m o 0 2 5 vs t e e l i tw a sf i n a l l yf o c u s e do nt h ec u t t i n gp a r a m e t e r o p t i m i z a t i o no fq u a d r a t eg c 4 2 3 5 t h r o u g ht h eo r t h o g o n a le x p e r i m e n t si ni n t e r m i t t e n tc u t t i n go f2 2 5 c r - lm o 0 2 5 vs t e e l ， t h ef a i l u r em e c h a n i s mi nd i f f e r e n tc u r i n gc o n d i t i o nw a sa l s oi n v e s t i g a t e d t h er e s u l t s h o w e dt h a tw i t ht h eo p t i m a lc u t t i n gp a r a m e t e ro fv = 5 0 r n m i n ，f = 0 4 m m r ，a p = 3 m m ， t h ea m o u n to fm a t e r i a lr e m o v a lr e a c h e dt ot h em a x i m u mi n t h i ss t u d y t h ec u t t i n g p e r f o r m a n c eo fq u a d r a t eg c 4 2 3 5t o o lw a sa l s og o o dw i t ht h ec u t t i n gp a r a m e t e ro f 俨1o o m m i n ，产0 3 m m r ，a p 2 3 m m ，w h i c hc a ng e th i g hc u t t i n ge f f i c i e n c ya n da l o n g t o o ll i f e t h u si tc a nb ec o n c l u d e dt h a tt h eq u a d r a t ec o a t e dc e m e n t e dc a r b i d eg c 4 2 3 5 t o o lw a sf i tf o re f f i c i e n ti n t e r m i t t e n tc u r i n go f2 2 5 c r - 1m o 0 2 5 vs t e e lw i t ht h e c u t t i n gs p e e dr a n g e df r o m5 0 r n m i nt o10 0 m m i n t h ee m p i r i c a le q u a t i o n so fm a t e r i a l r e m o v a la m o u n ta n dc u r i n gf o r c ew e r es e tu p t h em e c h a n i s mo f n e g a t i v es h e a ra n dd e f l e c t i o no fs h e a ra n g l ew a ss i m u l a t e db y a d v a n t e d g ef e ms o f t w a r e ，t h ei n f l u e n c eo fc u t o u ta n g l ea n dr a k ea n g l eo nt h es t r e s s c o n d i t i o no ft o o l si ni n t e r m i t t e n tc u t t i n gw a ss t u d i e d t h er e s u l ts h o w e dt h a t d e f l e c t i o no fs h e a ra n g l ea l w a y sa p p e a r e dw i t hd i f f e r e n tc u t - o u ta n g l ea n dr a k ea n g l e ； h o w e v e rn e g a t i v es h e a ra p p e a r e dw h i l ec u t o u ta n g l ew a si nac e r t a i nr a n g e w h i l e n e g a t i v es h e a ra n dd e f l e c t i o no fs h e a ra n g l ea p p e a r e d ，t h es t r e s sc o n d i t i o no fn o s eo f t o o lc h a n g e ds e v e r e l yw h i c hr e s u l ti nt h eb r e a k a g ef a i l u r eo ft o o li ni n t e r m i t t e n t c u t t i n g 幸t h i st h e s i si s s u p p o r t e db yn a t i o n a lh i g ht e c h n o l o g yr e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n tp r o g r a mo fc h i n a ( 8 6 3p r o g r a m ) ( 2 0 0 9 a a 0 4 4 3 0 2 ) a n dn a t u r a ls c i e n c e f 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 9 z r b 0 13 8 5 ) k e y w o r d s ：2 2 5 c r - lm o 一0 2 5 vs t e e l ；i n t e r m i t t e n tc u r i n g ；e f f i c i e n tm a c h i n i n g ； t o o l l i f e ；f a i l u r em e c h a n i s mo ft o o l s x 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 高温压力容器材料研究现状 加氢反应器是石油化工行业的重大关键设备，是典型的高温压力容器，主要 应用于石油炼制或重质油的加氢裂化、加氢精制及脱硫等工艺过程。设备的工作 温度一般在4 0 0 以上，工作压力在2 0 m p a 左右，接触介质为硫化氢、氢气、油 等腐蚀介质，属于有爆炸危险的临氢承压设备，因此对加氢反应器的技术水平和 安全性要求极高【l 】。 传统的加氢反应器材料使用2 2 5 c r - 1 m o 钢制造。1 9 6 3 年日本制钢所正式生产 第一台加氢反应器，由c r - m o 钢板内壁加不锈钢的复合板焊接完成。随着石油化 业行业的不断续发展，生产设备也向着自动化、大型化的方向发展，作为石油化 工行业关键设备的加氢反应器其尺寸也越来越大，对制造材料的性能要求也进一 步提高。之前广泛应用的2 2 5 c r - l m o 钢由于强度相对较低，生产的设备壁厚，重 量大，给制造、运输、安装带来了很大的困难，其性能不能满足行业的发展需要【2 1 。 2 2 5 c r - l m o 钢的最高温度极限为4 5 4 ，其抗氢脆性能和抗蠕变性满足不了某些 油品深加工和加氢液化的要求，因而迫切需要开发具有更高强度的新型高温高压 加氢反应器材料。国外在2 0 世纪8 0 年代就开始研发新的改进型c r - m o 系列钢。 纵观国外3 0 年加氢反应器材料的发展历程，可以分为下面四个阶段【3 - 5 】： 第一阶段：初期( 1 9 6 5 1 9 7 2 年) ，研制成功2 2 5 c r - l m o 钢，并广泛应用在加 氢反应器制造中。在生产应用中发现2 2 5 c r - 1 m o 钢有回火脆化的特点。 第二阶段：改进期( 1 9 7 3 1 9 8 0 年) ，采用低硅真空脱碳脱氧冶炼工艺，改进 冶炼技术，提高了钢的纯度，基本解决了2 2 5 c r 1 m o 钢的回火脆性问题，但又发 现了不锈钢堆焊层剥离的问题。 第三阶段：成熟期( 1 9 8 1 1 9 8 7 年) ，在第二阶段的改良技术基础上，进一步完 善和提高了2 2 5c r 1 m o 钢的生产工艺，建立了可靠、高效、低成本的生产制造体 系。但随着石油化工行业的迅速发展，发现2 2 5 c r - l m o 钢仍不能满足大型或工作 l 山东人学硕十学何论文 条件恶劣的加氢反应器的要求。 第四阶段：更新期( 1 9 8 8 年到今) ，研发生产改进型2 2 5c r 1 m o 钢，应用在 制造千吨级以上加氢反应器生产中。改进后的2 2 5 c r - 1 m o 系列钢( 2 2 5 c r - l m o 钢、 2 2 5 c r - l m o 一0 2 5 v - t i b 钢、2 2 5 c r - 1 m o 一0 2 5 v 钢、2 2 5 c r - 1 m o 4 v - c a - c b 钢) ，在 工作温度超过4 5 0 。c 的情况下，仍然具有较高的强度，抗氢脆性能和抗腐蚀性能优 良，寿命得到了提高，满足了石油化工行业设备大型化的需求，表现出良好的可 靠性。2 2 5 c r - 1 m o 钢和2 2 5 c r - l m o 一0 2 5 v 钢调质状态下的力学性能见表1 1 【6 】。 表1 12 2 5 c r - 1 m o - 0 2 5 v 系列钢的力学性能 我国在建国之后，随着合成氨工业的发展，开始生产和使用抗氢蚀钢，当时 主要参照的是苏联和德国的标准。6 0 年代，我国开始根据国内资源结构特点研制 新的抗氢蚀钢。7 0 年代后期我国开始从国外引进加氢裂化装置。1 9 8 3 年由中国二 重、洛阳院、北钢院、抚顺石油三厂、合肥通用所五家企业联合攻关研制了 2 2 5 c r - l m o 加氢反应器材料用钢，并于1 9 8 9 年由抚顺石油三厂生产出我国第一台 锻焊结构的加氢反应器。我国于1 9 9 4 年开始开发2 2 5 c r - l m o 一0 2 5 v 材料，于1 9 9 8 年取得成功，并很快应用。2 2 5 c r - l m o 0 2 5 v 钢属于改进型c r - m o 钢，由于材料 中添加了钒，它不仅具有传统c r - m o 钢的特点，还具有更多优秀的性能，如强度 高、抗氢腐蚀性好、抗氢脆性能优良等。在石油化工行业中应用最广的是 2 2 5 c r - l m o 钢，锻件已实现国产化，并达到国际水准，但板材却几乎依赖于进口。 直到1 9 9 3 年，中国舞阳钢铁公司生产出第一批国产2 2 5 c r - l m o 钢板，结束了中 国板焊结构加氢反应器全部依赖进口钢材料的历史。 2 第1 章绪论 1 22 2 5 c r - l m o 0 2 5 v 筒节材料特性及其加工研究现状 1 2 12 2 5 c r - l m o 0 2 5 v 钢材料特性 本课题的加工对象2 2 5 c r - l m o 0 2 5 v 钢是化工行业用大型设备加氢反应器的 筒节壳体材料，由中国第一重型机械集团公司( 以下简称中国一重) 提供，化学 成分见表1 2 【7 1 。2 2 5 c r - 1 m o 一0 2 5 v 钢是一种低合金贝氏体耐热钢，显微组织细小 均匀，强度高、塑性好、耐高温，在温度超过4 5 0 时，仍能保持良好的高温力学 性能。2 2 5 c r - l m o 0 2 5 v 钢中含有许多高熔点的元素，如c r 、t i 、n i 、m o 、v 等， c r 和m o 元素可以固溶在铁素体中，起到固溶强化的作用，这样铁素体即保持了 良好的塑性，强度也得到了提高，因此在高温下仍能保持较高的强度【8 】。同时这些 合金元素会与材料中其它的非金属元素b 、c 等结合成具有高熔点、高硬度的化合 物还可以形成具有很高韧性的金属问化合物，增大材料在切削变形时的阻力1 9 。 表1 22 2 5 c r - 1 m o 0 2 5 v 钢的化学成分( w t ) 2 2 5 c r - l m o 0 2 5 v 钢在室温条件下与4 5 # 钢的强度相近，但在高温条件下，4 5 # 钢的强度会明显降低，而2 2 5 c r - l m o 一0 2 5 v 钢仍能保持较高的强度。由于 2 2 5 c r - 1 m o 0 2 5 v 钢具有塑性高，高温强度高等特点，因而切削时，切削力大， 材料在切削过程中会产生很大的塑性变形，刀具与工件之间存在很大的摩擦，而 2 2 5 c r - 1 m o 0 2 5 v 钢的导热系数较4 5 # 钢低，因此切削温度也比切削4 5 # t d 习时高出 很多。 1 2 2 筒节材料加工研究现状 在实际生产中，加氢反应器筒节壳体厚度超过4 0 0 m m ，毛坯经锻造、粗加工、 调质、精加工等工艺过程而成形。目前针对筒节材料的加工研究较少，文献对 3 i j j 力：大学硕十学伊论文 比了y t 5 涂层刀具( t i n 涂层) 与y t 5 非涂层刀具在切削2 2 5 c r - l m o 钢时的切 削力与刀具寿命，发现t i n 涂层y t 5 刀具切削时切削力更小，刀具寿命更长。文 献】采用平面铣削研究了不同材料的硬质合金刀具在重载切削3 c r - l m o 0 2 5 v 钢 时的刀具寿命及刀具失效机理，发现重载切削时粘结磨损是导致刀具失效的主要 原因。目前筒节材料加工中主要存在以下问题【1 2 】：( 1 ) 锻造后，毛坯表面状态极 其恶劣，有大量氧化皮、夹砂、大裂纹、锻造铲沟及余量不均匀等缺陷。在毛坯 被加工成规则圆柱体前，刀具与材料基本处于断续加工状态，切削条件非常恶劣， 导致切削速度较低，生产效率很低。( 2 ) 2 2 5 c r - 1 m o 0 2 5 v 筒节材料经调质后具 有很高的强度、塑性和粘结性，属于难加工材料，加上毛坯在锻造后的各种缺陷， 在粗加工时，刀具在切入和切出工件时承受的冲击力非常大，因此刀具的破损非 常严重。( 3 ) 2 2 5 c r - 1 m o 0 2 5 v 钢材料的f e 元素与硬质合金刀具的中c o 元素在 高温下的亲和性很强，高效重载切削时刀具与材料的粘结非常严重，切削力非常 大，切削功率大，对刀具、刀杆及车床主轴刚度是很大的考验。( 4 ) 由于 2 2 5 c r - 1 m o 0 2 5 v 钢强度高，塑性好，在重载切削时会产生大量的切削热，加上 刀具的导热性较差，切削温度很高( 可达1 0 0 0 以上) ，会加剧刀具的粘结磨损， 甚至引起刀具与材料的之间的熔融【1 羽，为此要综合考虑选择高性能的刀具材料。 1 2 3 切削刀具的选择 金属切削中，刀具是完成切削任务的直接参与者，刀具性能的好坏是切削加 工任务能否顺利完成的关键。不同刀具材料具有不同的物理性能和切削性能，被 加工材料种类繁多，性能也各异，合理的根据被加工材料的性能和切削条件选择 刀具材料是生产中很重要的环节。切削加工的效率、加工成本和工件的加工质量 很大程度上取决于选择的刀具材料是否合理，尤其是在加工不锈钢、高强度钢、 高温合金等难加工材料时，刀具的选择合理与否往往是切削能不能顺利进行的关 键所在。 近些年来，随着刀具设计理论的不断创新和刀具制备工艺的不断改进，许多 新型的具有优良性能的刀具越来越多的应用到切削加工中。超硬高速钢、表面涂 4 第1 章绪论 层超细晶粒硬质合金、新型纳米复合陶瓷和立方氮化硼等刀具材料的出现，使刀 具的寿命和切削性能得到显著的提升。 根据2 2 5 c r - l m o 0 2 5 v 钢的加工特性，以及材料在实际生产的断续加工情况， 首先确定刀具材料。在断续切削过程中，由于刀具和工件会间歇性接触，刀具不 仅会承受周期性的机械冲击，还会承受因周期性加热及冷却带来的热冲击。因此 刀具寿命比连续切削时会严重下降，刀具往往会在未达到磨损标准前就发生严重 的破损，因此要求刀具材料具有良好的断裂韧性，抗弯强度和抗热冲击性。为提 高加工效率，切削时采用大切削用量，因此切削力会很大，切削温度也会很高， 刀具材料容易在切削产生的高温中被氧化，在高温和大切削压力的作用下刀具材 料与工件形成的新鲜表面很容易粘结在一起造成刀具粘结磨损，所以要求刀具材 料具有良好高温力学性能和化学稳定性。在高温和大切削力作用下，刀具的前刀 面极容易形成月牙洼磨损，后刀面产生磨损带，所以要求选择刀具应该具有较高 的硬度和耐磨性。根据断续高效加工的实际情况，选用的刀具应该具有较高的断 裂韧性、抗拉强度、抗热冲击性能、抗塑性变形能力、抗磨损性能、抗氧化粘结 性能以及优良的导热性等。 现在应用较多的刀具材料主要有：硬质合金刀具、陶瓷刀具、c b n 刀具、金 刚石刀具。硬质合金刀具是目前发展较为迅速，应用较为广泛的刀具材料。硬质 合金刀具的硬度、耐磨性、抗热震性均优于高速钢，断裂韧性和抗弯强度则优于 陶瓷和c b n 等硬脆刀具材料，因此硬质合金刀具因其优良的综合力学性能和较低 的价格而成为目前国内外使用非常广泛的刀具材料，也是筒节材料加工的首选刀 具。陶瓷刀具相比于硬质合金刀具，其硬度更高、耐高温和抗磨损性能更为优异， 但陶瓷刀具的最大缺点是断裂韧性低、抗弯强度低，陶瓷刀具的导热系数比硬质 合金刀具低但热膨胀系数却高于硬质合金刀具，因此陶瓷刀具不适合在高效断续 切削中使用。立方氮化硼刀具和金刚石刀具硬度更高，但脆性大、强度低，而且 价格昂贵，也不适合用于高效断续切削加工。 山东大学硕十学何论文 1 2 4 硬质合金刀具的性能 硬质合金是由难熔金属的硬质化合物和粘结金属通过粉末冶金工艺制成的一 种合金材料。硬质相主是各种碳化物：碳化钨( w c ) 、碳化钛( t i c ) 、碳化钽( t a c ) 、 碳化铌( n b c ) 等，粘结相主要有钴( c o ) 、镍( n i ) 、钼( m o ) 等。硬质合金刀具材料的 主要成分及性能见表1 3 【1 1 1 。 根据i s o 标准，硬质合金可以分为三大类，即k 类又称y g 类，主要成份是 碳化钨和粘结剂钴，主要用于加工短切屑的黑色金属、有色金属和非金属材料；p 类又称y t 类，主要成份是碳化钨、碳化钛( t i c ) 及钴，主要用于加工黑色金属： m 类又称y w 类，主要成分是碳化钨、碳化钛、碳化钽( 或碳化铌) 及钴，可覆 盖p 类、k 类合金的应用范围。 表1 3 硬质合金刀具材料的主要成分及性能 目前，钨钴类硬质合金有两个发展趋势，一是细晶粒( 1 o 5 1 t m ) 和超细晶粒 ( 薹 。k a j 2 m - ( 喜儿) 2 夕 ( 2 - 2 ) 式中b ，表示因素a 水平号为f 的实验指标之和，r e ( m = 3 ) 为因素的水平个数。 同理可求s s b ，s s c 。 误差的平方和为：s s e = s s t s s a s s b s s c 因素a 的方差比为：只= s s a s s e 同理可求，r 。 ( 2 - 3 ) ( 2 - 4 ) 总的自由度为：办= 刀一1 = 8 ；因素a 的自由度为无= 肌一1 = 2 ；i n n 厶= 2 ； l c = 2 、聪 e = t 一 a 一 b l c = 2 o 通常选显著性水平a = 0 0 5 ，通过查表可以得到e - a ( 兀，以) ，当 e e 一。( 六，厶) 时，则因素a 在实验中的作用显著，否则为不显著，因素b 与 因素c 同理。 当因素在实验中的作用显著时，对各因素进行贡献率计算，反之不计算。因 素a 的贡献率为： 几= s s l a - s s e 同理可求p 口，p c 。 误差的贡献率为： 几= 丢面s s e ( 2 - 5 ) ( 2 6 ) 在回归分析中，采用指数回归分析法对实验数据进行处理。以刀具寿命为例， 1 3 山东大学硕 ：学何论文 根据广义的泰勒公式，刀具寿命与切削用量之间有；n t 关系【2 4 】： t = d v 如口，吗 ( 2 7 ) 式中丁为刀具寿命，v 为切削速度，厂为进给量，吻为切削深度，d 、6 ，、幻、 b 3 为待定值。上式两边同时取对数可以得： y = b o + b l x l + 6 2 恐+ 玩屯( 2 8 ) 式中y = l n t ，b o = l n d ，x = l n v ，x 2 = l n f , x 3 = l n a v 。 自变量x 1 ，x 2 ，x 3 与变量y 之间存在线性关系。进行次试验，n 4 ，采 用最小二乘法，求得回归系数口。、口。、啦、0 3 则可以得到回归经验方程为： 夕= 0 0 + q 为+ 吃+ 吩屯 ( 2 - 9 ) 式中a o ，a ，眈，a 3 为幻，6 ，幻，6 3 的最小二乘估计。 即：t = c v q f 啦a j 口吩 ( 2 - 1 0 ) 式中于：p 萝，c ：p 。 本文中针对实验数据采用回归分析方法，用m a t l a b 语言进行编程，由分 析结果得到回归模型，并计算拟合误差，验证拟合公式的精度。 2 1 2 实验条件 机床：普通车床c a 6 1 4 0 。 工件材料：2 2 5 c r - 1 m o 0 2 5 v 低合金钢( 中国一重提供) ，其性能分别为： 屈服强度( 以) 4 5 5 5 1 0 m p a ，抗拉强度( 锄) 6 0 5 6 3 0 m p a ，硬度( h ) h b w 2 1 0 ， 断后伸长率( 6 ) 2 4 0 旷3 0 ，断面收缩率( 1 5 f ，) 7 5 7 8 。 刀具：硬质合金刀片y t 5 ( 株洲钻石刀具公司) 。刀具几何参数见表2 1 。 切削力测量工具：k i s t l e r 压电式测力仪( 见图2 1 ) 。 使用k e y e n c e 大景深显微镜初步观察刀具前、后刀面磨损、破损形态， 并测量刀具后刀面磨损量。 1 4 第2 章硬质合会刀具y t 5 的切削l f j i - l 优化 使用自行设计的断续车削专用夹具在车床上进行断续车削试验，其几何尺寸 见图2 2 。 表2 1y t 5 刀具几何参数 图2 1 断续车削实验装置 夹厂州亏 ) l j 图2 - 2 断续车削夹具尺寸 1 5 1 l l 东人学硕十学何论文 2 1 3 实验方案设计 本次实验是对y t 5 硬质合金刀具断续车削2 2 5 c r - l m o 0 2 5 v 低合金钢的切 削用量进行优化，实验设计为三因素三水平正交实验，采用l 9 ( 3 4 ) 正交实验表， 选择切削三要素即切削速度，进给量，切削深度劬为正交实验的三因素，第 四因素为空白记为系统误差，正交实验因素水平表见表2 2 。 表2 2 断续下削实验冈素水平表 2 2 实验结果及分析 2 2 1 金属切除量分析 实验取后刀面磨损量v b = o 3 m m 为磨钝标准，当v b 大于0 3 m m 或刀具发 生破损失效则停止本次实验，计算本次实验的单片刀具的金属切除量。刀具的金 属切削量q ( 1 0 3 m n l 3 ) 是通过测量每个刀具失效前的轴向切削距离三，算得 q = 4 w l x a ，。其是形为单个工件的厚度，知为切削深度。每组实验重复4 次， 最后取金属切削量的平均值。以每组实验的平均金属切除量为实验指标得正交极 差分析表2 3 。 对实验结果进行极差分析，由表2 3 可见，三个因素的极差关系为： r ( v ) r r ( ) ，因此可知三因素对断续车削2 2 5 c r - l m o 一0 2 5 v 钢的金属切除量 的影响程度为切削速度 进给量 切削深度。其中系统误差因素的极差值为5 6 5 大于切削深度的极差值，这表明在本次断续车削实验中，系统误差对实验结果影 响较为显著。系统误差的来源有以下几个方面：( 1 ) 切削过程中工件直径的变化 对实验结果的影响；( 2 ) 由于实验周期较长，切削实验分多次完成，每次实验的 切削设备的变动对实验结果的影响；( 3 ) 硬质合金刀具内部的随机缺陷对实验结 1 6 第2 章硬质合金刀具y t 5 的切削用帚优化 果的影响。 由于切削速度因素所对应的局 局 局，因此认为切削速度对金属切除量的 影响规律为：刀具的金属切除量随切削速度的提高而减小；进给量和切削深度两 个因素所对应的k 2 k 3 局，因此进给量和切削深度对金属切除量的影响规律为： 随着进给量或切削深度的增大，金属切除量先增大后减小。 表2 - 3 正交极差分析表 各水平与金属切除量之间的关系如图2 3 所示。图2 3 中横坐标为各因素的 水平编号，纵坐标为表2 3 中水平所对应的均值。从图中可以看出，断续车削 2 2 5 c r - l m o 0 2 5 v 钢的最优切削用量为v ，、办、锄，即切削速度为5 0 m m i n ，进 给量为o 5 m m r ，切削深度为1 2 m m 。金属切除量随着切削速度的提高急剧下降， 随着切削深度和进给量的提高先增大后有小幅下降。这表明切削速度是制约y t 5 硬质合金刀具断续车削2 2 5 c r - l m o 0 2 5 v 钢时刀具寿命提高的主要因素，较低 的刀具寿命也同时限制了加工效率的提高。 1 7 i ij 东人学硕十学伊论文 2 5 2 0 姜 1 5 o 1 0 篮 尽 噗 5 剞 0 圆k 1目k 2 国k 3髓r 凰凰 因素 a p 图2 - 3 切削用量与金属切除量关系的直观分析图 需要指出的是，如果单从提高加工效率的角度来看，尽管切削用量为 v = 5 0 m m i n ，户0 8 m m r ，口产1 8 m m 时，最终的总金属切除量比采用上述最优切 削用量时减少了2 8 ，但此时的金属切除率却提高了1 4 倍。 对实验结果进行了方差分析( 0 【= 0 0 5 ) ，如表2 4 所示。结果表明，各因素对 实验结果的波动影响大小依次为：切削速度 进给量 切削深度。这与极差分析 的结果是一致的。在显著水平o 0 5 上，所有因素对金属切除量均无显著影响， 不进行贡献率分析。 表2 4 正交实验方筹分析表 利用最小二乘法对实验结果进行拟合，得到金属切除量的回归经验公式： q = 3 0 8 5 9 v 一棚n 2 舛3 妒2 9 4 3 误差百分比a x 可由下式计算【2 5 】： 1 8 a x = 1 0 0 ( 2 1 1 ) ( 2 - 1 2 ) 第2 章硬质合金刀具y t 5 的切削用母优化 式中，工拟合值，而- 实测值。 拟合误差的平均值和均方差： 孑= 去喜, _ - - 7 缸 式中，i 平均误差，t - 单次实验的误差百分比。 均方差为： ( 2 - 1 3 ) ( 2 - 1 4 ) 用式( 2 1 1 ) 对本实验条件下的金属切除量进行计算，得到拟合结果及误差 分析见表2 5 。对表2 5 的数据进行计算可得，平均误差为2 0 2 8 ，均方差为 1 2 2 。从表2 5 中可以看到拟合值与实验测值之间的误差大部分在1 0 - - 4 0 ，误 差值较大。这是因为断续切削过程中，刀具的破损具有随机性，导致金属切除量 也带有较大的随机性。 表2 5 拟合结果及拟合误差 2 2 2 切削力分析 使用k i s t l e r 压电式测力仪测量了y t 5 硬质合金刀具断续车削 1 9 【j j 东火学硕十学伊论文 2 2 5 c r - 1 m o 0 2 5 v 钢时的三向切削力，根据式( 2 1 5 ) 计算了切削合力，三向力 与切削合力测试结果见表2 - 6 。以切削合力为实验指标，利用正交实验极差分析 法，分析了切削用量对刀具断续车削时切削力的影响。 e = 正巧两了 ( 2 - 1 5 ) 表2 - 6 切削实验切削力 从正交实验极差分析表2 7 看到，三因素的极值r 尺( 吻) r ( 功，因此y t 5 硬质合金刀具断续车削2 2 5 c r - 1 m o 一0 2 5 v 钢时，进给量对切削力影响最大，切 削深度次之，切削速度对切削力影响最小。系统误差的极差值为2 0 6 7 3 比切削 速度的极差值9 0 3 1 7 要大，这表明系统误差对切削力的影响比切削速度对切削 力的影响要大。系统误差的来源主要有以下几个方面：( 1 ) 切削过程中工件直径 的变化对切削力的影响；( 2 ) 断续车削时机床震动对测力结果的影响。通过图2 4 中各因素均值与极差值的比较可以看到，切削速度的提高对切削力的影响非常 小，这主要是因为在中低切削速度切削时，材料塑性变形较小，切屑与前刀面的 摩擦也很小，所以切削速度对切削力没有显著影响【2 6 1 。切削合力随着进给量和 切削深度的增大而增大，这是因为进给量和切削深度的增大，会增大切削面积， 切削合力随之增大。 2 0 第2 章硬质合金刀具y t 5 的切削f 】爷优化 表2 7 正交实验极差分析表 一、 z v r n 裹 尽 囵k 1由k 2 目k 3日r f a p 因素 图2 4 切削用量与切削合力的关系直观分析图 对实验结果进行了方差分析( 萨o 0 5 ) ，如表2 8 所示。结果表明，各因素对 实验结果的波动影响大小依次为：进给量 切削深度 切削速度。这与极差分析 2 l o 坫 m n 加