（机械电子工程专业论文）淬火钢高速车削过程动态特性及加工参数研究.pdf

北方工业大学硕士学位论文 摘要 淬火钢是典型的耐磨和难加工材料，采用陶瓷刀具实施高速硬车削工艺可改变传统 切削一淬硬一磨削制造工序，能有效地提高工件的疲劳强度及生产率、降低能量消 耗。陶瓷刀具高速切削淬火钢的切削力、切削温度及切屑等切削过程特征信息的变化规 律是衡量陶瓷刀具高速切削稳定性、提高加工效率及加工表面质量的重要依据。探明陶 瓷刀具切削过程变化规律有助于选择机床、刀具、切削参数，消除切削过程的振动、优 化陶瓷刀具结构及监控高速硬车削过程等。本文在实验的基础上对高速硬车削过程进行 了研究，针对高速车削淬火钢c r l 2 的特点，建立了动态切削力数学模型及表面微观形貌 数学模型。 采用北京清华紫光方大高技术陶瓷有限公司生产的新型复合a 1 2 0 3 雎j 瓷刀片f d 2 2 及 北京科技大学研制的a 1 2 0 3 基陶瓷刀片s t 在c j k l 6 4 0 数控车床上对淬火钢c r l 2 进行了 一系列高速切削实验。 实验结果表明径向切削力最大，其次是主切削力和轴向切削力；切削力随切削深 度、进给量的增大几乎呈线性增大；采用三组稳态切削试验法，建立了动态切削力数学 模型；刀具主、副偏角对各切削分力的分配影响很大，因此其对切削过程稳定性的影响 很大。高速硬车削的切削力随切削速度的变化和工件硬度的变化规律有别于普通的切削 理论，研究其影响因素及其变化规律可为陶瓷刀具结构和刃口的制备、切削参数的选 择、切削过程控制提供理论依据，对于指导生产实践有着重要的参考价值。 通过切屑信息研究了切削参数、刀具几何参数及工件材料对切削温度、切屑形态的 影响，发现对切屑形态及切削温度影响最大的是工件硬度，其次是刀尖圆弧半径，最后 是切削速度、进给量；通过对切削力信号的小波分解，初步证实了切屑形态及形成与动 态切削力有内在联系。 通过对已加工表面粗糙度及表面二维微观形貌的测量，结合对切削过程各影响因素 的分析得出刀具与工件之间的相对振动对表面粗糙度影响最大，其次是进给量，刀尖圆 弧半径，工件材料特性；依据金属切削理论及机床运动学，建立了表面微观形貌数学模 型，并结合试验验证了模型的有效性。 关键词：陶瓷刀具，高速硬车削，切削力，表面微观形貌，仿真 北方工业大学硕士学位论文 s t u d y o nd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i co fc u t t i n gp r o c e s sa n d c u t t i n gp a r a m e t e r so fh i g hs p e e dd r yt u r n i n gh a r d e n e ds t e e l a b s t r a c t a st h eh a r d e n e ds t e e li sat y p i c a lw e a r i n gr e s i s t a n ta n dd i f f i c u l t - t o - m a c h i n em a t e r i a l ，t h e t r a d i t i o n a lm a n u f a c t u r eo r d e rs u c ha sc u t l m g - h a r d e n - g r i n d i n gm a yb ec h a n g e db yu s i n gc e r a m i c c u r e rt oc a r r yo u th i 出s p e e dd r yt u m i n g ，a n dt h ew e a r i n e s ss t r e n g t ho fw o r k p i e c ea n d p r o d u c t i v i t ya r ei m p r o v e d a n dt h ec o n s u m e dp o w e ri sr e d u c e d n l cc h a n g er u l eo f t h ec u t t i n g p r o c e s si n f o r m a t i o ns u c ha sc u t t i n gf o r c e ，c u t t i n gt e m p e r a t u r ea n dc h i pi st h eb a s i so f e s t i m a t i n g h i 曲s p e e dm a c h i n i n gs t a b i l i t ya n di m p r o v i n gp r o d u c t i v i t ya n dt h eq u a l 时o f m a c h i n e ds u r f a c e s t u d y o nd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i co f c u t t i n gp r o c e s sw h e nh i g hs p e e dd r yt u r n i n gh a r d e n e ds t e e l w i t hc e r a m i cc u t t e rc a nh e l pt os e l e c tt h em a c h i n et o o l ，t h et o o l i n gg e o m e t r ya n dc u t t i n g p a r a m e t e r s ，t oa v o i dt h ev i b r a t i o n s ，t oo p t i m i z et h e 蛐t u r eo f c e r a m i cc u t t e ra n dt om o n i t o r t h eh i g hs p e e dc u t t i n gp r o c e s s s ob a s e do nt h ee x p e r i m e n t so f h i g hs p e e dd r yt u m i n gh a r d e n e d s t e e l ( c r l 2 ) w i t hc e r a m i cc u t t e rm a d ei nc h i n a t h ea u t h o rs t u d i e st h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i co f c u t 【i n gp r o c e s s ，t h e np r o p o s e sad y n a m i cc u t t i n gf o r c em o d e l i n ga n das u r f a c em i c r o - t o p o g r a p h i cm o d e l i n g as e r i e so fe x p e r i m e n t so ft u m i n gh a r d e n e ds t e e l ( c r l 2 ) a r em a d ew i t hn cl a t h ea n d c e r a m i cb l a d em a d e 血u n i s c e r aa n du n i v e r s i t yo fs c i e n c e t e c h n o l o g yb e i j i n g t h er e s u l t so fe x p e r i m e n t si n d i c a t et h a tt h er a d i a lf o r c ei st h eh i g h e s t , f o l l o w e db yt h e t a n g e n t i a la n da x i a lf o r c e s c u t t i n g sf o r c e si n c r e a s ea l m o s tl i n e a r l yw i t hd e p t ho f c u ta n df e e d r a t e a c c o r d i n gt ot h et h e o r yo ft h r e e g r o u ps t e a d yc u t t i n ge x p e r i m e n t s ，t h ed y n a m i cf o r c e m o d e l i n gi sp r o p o s e d t h et o o l i n gg e o m e t r ys u c ha ss i d ec u t t i n ge d g ea n g l ea n da p p r o a c ha n g l e m a k ea ni m p o r t a n te f f e c to nt h ef o r c ed i s t r i b u t i o ni nt h r e ed i r e c t i o n s ，s ot h et o o l i n gg e o m e t r yi s t h em o s ti m p o r t a n tf a c t o rt ot h es t a b i l i t yo f t h eh i 曲s p e e dc u t t i n gp r o c e s s f o rt h ei n f l u e n c eo f c u t t i n gs p e e da n d h a r d n e s so f w o r k p i e c eo nc u t t i n gf o r c ei nh i g hs p e e dt u r n i n gh a r d e n e ds t e e li s d i f f e r e n tf r o mt h a ti nc o m m o nc u t t i n g ，t h es t u d yo nt h ec h a n g er u l eo f c u t t i n gf o r c ei sb e n e f i tt o t h ec e r a m i cb l a d em a n u f a c t u r e , t h ec u t t i n gp a r a m e t e r ss e l e c t i o na n dt h em o n i t o r i n go fc u t t i n g p r o c e s s c h i pi n f o r m a t i o ns h o w s t h a tt h eh a r d n e s so f w o r k p i e c ei st h em o s ti m p o r t a n tf a c t o rf o rt h e c h i pf o r ma n dc u t t i n gt e m p e r a t u r e ，t h es e c o n di sn o s er a d i u sa n dt h el a s ti sc u t t i n gp a r a m e t e r s s u c ha sc u t t i n gs p e e da n df e e dr a t e t h ew a v e l e tr e s u l t so f c u t t i n gf o r c e ss i g n a l ss h o wt h a tt h e r e a r ei n h e r e n c er e l a t i o n sb e t w e e nc h i ps h a p ea n dt h ec u t t i n gf o r c e s b ym e a s u r i n gt h em a c h i n e ds u r f a c er o u g h n e s sa n dt h et w o - d i m e n s i o n a ls u r f a c em i c r o 一 3 一 北方工业大学硕士学位论文 t o p o g r a p h ya n da n a l y z i n gt h ef a c t o r ss u c ha sc u t t i n gp a r a m e t e r s ，t o o l i n gg e o m e t r ya n dt h e r e l a t i v ev i b r a t i o n sb e t w e e nt o o l i n ga n dw o r k p i e e et h ec o n c l u s i o ni sd r a w nt h a tt h em o s t i m p o r t a n tf a c t o r st ot h eq u a l i t yo f m a c h i n e ds u r f a c ei st h er e l a t i v ev i b r a t i o nb e t w e e nt o o l i n ga n d w o r k p i e c e ，f o l l o w e db yf e e d a t e , n o s er a d i u sa n dt h em a t e r i a lp r o p e r t i e so fw o r k p i e c e b a s e d o nt h em e t a lc u t t i n gt h e o r ya n dt h em a c h i n et o o lk i n e m a t i c s , an e ws u r f a c em i c r o - t o p o g r a p h y m o d e l i n gi sp r o p o s e d m a c h i n i n gc a s es t u d i e sa n dt h e i rs i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h em o d e l i n g w i l lb eu s e dt op r e d i c tm a c h i n e ds u r f a c em i c r o - t o p o g r a p h y k e yw o r d s ：c e r a m i cc u t t e r ，h i g hs p e e dh a r dt u r n i n g ，c u t t i n gf o r c e ，m i c r o - t o p g r a p h y ， s i m u l a t i o n 4 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。据我所知，除了文中特另t 加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得j e 直王些太堂或其他教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：张癣焘；签字日期：加年上月弦日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解j e 友王些盍堂有关保留、使明学位论文的规定，有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借 阅。本人授权j b 直至些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据厍进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：求，趄匆复 签字日期：矿莎年 月弦日 导师签名 彳孚毛f 白 签字日期：莎蒯年，月讲司 学位论文作者毕业后去向： 工作单位：本趟工起鲕隈刍司没r 卜矸免陇电话：b 跏档斗；g 通讯地址：太连韦西南区八溶向专邮编；f 廊侈 北方工业大学硕士学位论文 1 1 课题的背景 机械制造业是国民经济和社会发展及国防建设的物质基础，它是国民生产总值的主 要组成部分，是国家综合实力的重要标志。进入2 0 世纪8 0 年代后，机械制造业面临市 场需求动态多变、产品更新周期缩短、品种规格增多、批量减少和可持续发展等新特 点。为适应这一新形势，高效率、高质量、高柔性、绿色化和信息化己成为机械制造业 发展必然的趋势。切削加工技术是机械制造业中应用最广泛的基础技术之一。各国从事 切削加工的人数众多，耗资十分惊人。因此，大力提高切削加工的生产效率和质量，降 低生产成本，对适应机械制造业新的发展特点，促进国民经济和社会发展及国防建设有 着极其重要的意义“1 。 在制造技术中，伴随着信息技术的发展，一方面是发展了以数控机床为基础的加工 自动化技术；另一方面，在加工工艺和加工方法上也发展了许多新工艺、新技术，比较 典型的有高速加工技术、精密和超精密加工技术、高能束加工技术( 激光、水射流、离 子和电子等) 以及虚拟制造技术等等。制造技术的发展，大幅度地提高了劳动生产率， 改善了产品质量，降低了生产成本，为社会创造了巨大的物质财富。近年来随着刀具 材料的发展、机床性能的提高、测量技术、计算机技术和网络信息技术的迅猛发展，金 属切削加工已进入了一个崭新的发展阶段，智能制造、数字化加工、纳米切削和虚拟加 工已成为现实，切削加工效率及其精度也得到了显著提高。随着产品竞争的日益激烈， 加工条件对零部件的机械和其它性能的要求越来越高，零部件构成材料也发生了一些变 化，难加工材料和新型材料的高效切削加工以及伴随产生的许多传统切削加工技术难题 影响着机械制造的效率和产品质量，有的甚至引起了环境污染，这些已成为工业企业界 普遍关心的问题，多年来一直没有彻底解决。3 。 高速硬切削是指对高硬度材料进行的高速切削加工。随着超硬刀具材料的出现及发 展，各种超硬刀具材料性能逐渐提高，加工工艺不断完善，并且高速切削加工机床设备 也不断进步，高速硬切削技术得以向实用化发展，并在一定程度上可取代磨削加工。硬 切削领域主要涉及工模具、轴承、齿轮、机床、工程机械、汽车制造业及航空航天工业 等。模具制造业的大量生产实际表明，高速硬切削技术可显著提高生产率及加工表面质 量( 如已加工表面形成残余压应力而且硬度略有提高) ，减少后续工序，降低生产成 本。深入揭示高速硬切削过程中发生的各种热、机械、物理现象的本质，及其同切削条 件、材料切除率、加工表面质量、刀具寿命等之间的关系，可更充分地发挥高速硬切削 北方工业大学硕士学位论文 技术的优势，提高切削加工的效益。2 0 世纪7 0 年代后期，工程技术人员和工业界对高 硬材料的切削加工都产生了很大的兴趣。在这一领域，国内外对硬切削的切削机理、加 工表面质量和刀具材料等进行了大量的研究，有的成果已在生产中应用多年。例如我们 多年来在生产实际中用陶瓷刀具精加工2 0 c r m n t i 渗碳淬硬的直齿锥齿轮( h r c 6 0 6 2 ) 等方面获得重大经济效益。 淬火钢是指金属经过淬火后，组织为马氏体，硬度大于h r c 5 0 的钢，是典型的耐磨 和难加工材料。它在难切削材料中占有相当大的比重，广泛应用于制造各种对硬度和耐 磨性要求较高的基础零部件或工模具，如轴承、齿轮或者轧辊，冲头等。淬火钢传统的 加工方法是磨削，但磨削效率低，砂轮及磨削液消耗量大、成本高、粉尘和废液污染程 度严重，很难适应产品竞争激烈和经济飞速发展的要求。而采用高速硬切削加工最后成 型表面，不仅提高表面质量、形状精度( 不仅表面粗糙度低，而且表面光亮度高) ，而且用 于复杂曲面的模具加工更具优势。随着超硬刀具材料性能的提高和价格的调整，经济的 精密切削加工淬火钢已成为现实。采用陶瓷和p c b n 刀具直接切削硬度大于h r c 5 0 的淬火 钢，可获得小于1 3um 的尺寸精度，肛0 3 儿啼冗z ：6 1 6 | lm 的表面粗糙度，从而有效 的减少淬火钢的精磨工序。上世纪8 0 年代中期以来，国内外相继开始研究加工效率较 高、成本较低的“以车代磨”工艺，但淬火钢的切削加工性很差，要获得合理的刀具寿 命及达到磨削工艺的同等精度仍非易事“。 提高切削加工效率和加工精度是切削加工永恒的主题，制造业的经济性要兼顾到环 境。淬火钢的以车代磨工艺是一种不采用切削液的干式切削，避免了采用切削液带来的 负面影响，可有效降低能量消耗、节省机床的附加费用。因此，深入研究面向环保的高 速硬切削工艺陶瓷刀具切削淬火钢的加工机理及其相关技术符合我国政府在中国 2 1 世纪议程明确提出的要开发和生产“绿色产品”嘲，严格控制生产过程对环境的污 染的要求，有益于推动陶瓷刀具的应用和发展，有助于提高切削效率和产品竞争能力， 对推动先进制造技术和我国经济的发展起着积极的作用。 1 2 淬火钢高速切削的特点和现状 硬切削是把淬火钢的切削加工作为半精加工和精加工的工艺方法。由于超硬刀具材 料的出现及数控机床等加工设备精度的提高，它已经取代磨削成为一种新的精加工方法 t 8 ，田 2 北方工业大学硕士学位论文 1 2 1 淬火钢的性能 淬火钢的主要性能是硬度、强度高，脆性大，导热性差，切削加工性差。这主要因 为钢经淬火后得到马氏体金相组织，过饱和碳原子来不及以渗碳体形式析出而强制分布 在晶体的某一晶轴的间隙处，使u - f e 的体心立方晶体被歪曲成体心正立方晶体造成畸 变，产生固溶强化，同时，在马氏体中还存在着大量的微细晶体和位错，提高了塑性变 形抗力，从而产生相变强化。与钢的金相组织相比，马氏体的强度和硬度有较大幅度的 提高。钢中的马氏体组织形态主要有两种，一种是高碳马氏体( 奥氏体含碳量大于1 的钢淬火后) ，组织形态是片状，又称片状马氏体，这种马氏体的性能特点是强度大、 硬度高、胞f 生大( 其抗拉强度达2 3 5 g p a ，硬度达舰c 6 6 ，伸长率6 只有1 ，冲击韧 度只有0 1 m j m 2 ) ，是典型的脆性材料。另一种是低碳马氏体( 奥氏体含碳量在0 1 o 2 5 的钢淬火后) ，组织形态是板条状，又称板条马氏体。这种马氏体不仅有较 高的硬度和强度，而且还有良好的塑性和韧性( 其抗拉强度为1 0 2 1 5 3 g p a ，硬度 乒璃c 3 0 5 3 ，伸长率6 为9 1 7 ，冲击韧度为0 6 1 8m j m 2 ) 。由于这种组织的 良好力学性能，生产中已日益广泛地采用低碳钢和低碳合金钢进行淬火，这对节约优质 钢材，提高机器寿命有着重要意义。当奥氏体含量介于高、低碳钢之间时，则得到板条 马氏体和片状马氏体混合组织。马氏体的强度和硬度主要取决于马氏体的含碳量变化情 况，如图1 1 。 0 5 0 埋度4 0 ( 加i c ) 3 0 2 0 1 0 j， 厂 ， ，r ， 于 j _ - 装 d b = 啊h ，m 2 马氏体的硪浓度( ) 图1 1 马氏体的强度和硬度与含碳量的关系曲线“” 淬火材料的化学成分影响材料的淬硬程度，而淬火材料的组织结构对淬火钢的性能 起决定作用。因此，对淬火钢的加工研究，可选用一、两种材料进行试验，得出加工规 律并推广应用于其他淬火材料。由于评价金属材料的切削加工性，我国多以4 5 4 钢作为 基准材料，而在冷作模具钢中，以c r l 2 应用最普遍，因此，本试验选用了淬火4 5 “钢和 3 一 北方工业大学硕士学位论文 淬火c r l 2 钢这两种具代表性的材料为研究对象，具有较为普遍的意义及较高的应用价 值。 1 2 2 淬火钢的加工特点 淬火钢主要包括普通淬火钢、淬火态模具钢、轴承钢、轧辊钢及高速钢等，其硬度 和组织如图1 2 所示。 淬火钢的切削加工在难加工材料及其工序中占有相当大的比重。加工淬火钢的传统 方法是磨削。但是为了提高加工效率，解决工件形状复杂而不能磨削和淬火后产生形状 图1 2 淬火钢的分类和组织 和位置误差的问题，往往就需要采用车削、铣削、镗削、钻削和铰削等切削加工方法。 生产中淬火钢的加工多为半精加工或精加工，其切削过程主要有以下几个特点“。”1 ： ( 1 ) 硬度高、强度高，几乎没有可塑l 生。这是淬火钢的主要切削特点。当淬火钢 的硬度达到h r c 5 0 6 0 时，其强度可达盯；= 2 1 0 0 2 6 0 0 m p a ，按照被加工材料加工性 分级规定，淬火钢的硬度和强度均为9 a 级，属于最难切削的材料。 ( 2 ) 切削力大。切削淬火钢时单位切削力可达4 5 0 0 m p a ，刀具所承受的冲击力是 非硬切削的3 倍之多，且径向切削力大于主切削力，极易引起切削振动和颤振。 ( 3 ) 导热系数低。一般淬火钢的导热系数为7 1 2 w ( m k ) ，约为4 5 号钢的1 7 ， 由于淬火铜的导热系数低，切削热很难通过切屑带走，切削温度很高且集中在切削刃附 近，刀具耐用度低。为了改善切削条件，增大散热面积，刀具选择较小的主偏角和副偏 角。而这会引起振动，要求要有较好的工艺系统剐度。 ( 4 ) 切屑形状不同。淬火钢的切屑呈带状，性脆易断，一般不产生积屑瘤，能获 得较小的表面粗糙度。 4 北方工业大学硕士学位论文 1 2 3 硬切削与磨削 硬切削可达到小于1 3 p m 的尺寸精度和小于0 3 岬的表面粗糙度。磨削可保证1 岬的 尺寸精度，表面粗糙度r a 小于0 2 5 p r o ，但它却是一种成本高、耗时多的加工方式。如果 将硬切削与精磨工艺结合起来，则加工一个般零件所花的成本将比在磨床完成半精加 工和精加工所花成本降低4 0 6 0 o ”。例如在淬硬齿轮的精加工中，由于采用了精密硬 车削工艺，使得其加工成本降低到磨削成本的4 5 ，并大大提高了生产效率。因此后继 工序有超精加工或精密磨削要求时，硬切削是精加工和半精加工最好的选择。 1 2 4 硬切削刀具材料的选择 硬切削的刀具材料主要有p c b n 刀具、陶瓷刀具、金属陶瓷刀具和超细硬质合金刀 具等，其中前两种最为常用。通常需要根据加工要求、机床性能和经济性等多方面进行 比较，才能确定选择哪一种刀具最为经济。s a n d v i kc o r o m a n t 刀具专家j o h ni s r a d s s o n 认为p c b n 由于耐磨损，其保持加工精度的能力比陶瓷刀具强，p c b n 刀具可获得的表 面粗糙度均值小于0 3 3 p r o ，而陶瓷刀具的则约为1 6 岫“”。g r e gm o o m l a n d 认为，对 于硬度低于h r c 5 0 的淬火钢切削仍以陶瓷刀具为主，而对硬度为e 矾c 5 5 h r c 6 5 的材料 加工，几乎都只有使用p c b n 刀具“”。这是因为加工硬度低于h r c 5 0 的工件多会产生 带状切屑，摩擦前刀面产生大量热量，使p c b n 刀具表面产生月牙洼磨损，从而缩短刀 具寿命，这将导致p c b n 刀具不再具有比常规刀具成本低的优点。在高速硬切削淬火钢 时，p c b n 刀具材料切削性能优于陶瓷刀具，其韧性和硬度高于陶瓷刀具，但其成本 也远远高于陶瓷刀具。研究表明，在切削硬度低于h r c 6 0 以下和采用小进给量时，陶 瓷刀具是较好的选择。”。 1 2 5 陶瓷刀具材料种类和性能 陶瓷刀具材料大多数为复合陶瓷，其种类及可能的组合如图1 3 所示“1 。目前国内外 广泛使用的，以及正在开发的陶瓷刀具材料基本上都是根据图1 3 的组合，采取不同的 增韧补强机制来进行显微结构设计的。陶瓷刀具材料可分为三大类：氧化铝基陶瓷。通 常是在a 1 2 0 3 基体材料中加人t i c 、w c 、s i c 、t a c 、z r 0 2 等成分，经热压制成复合陶瓷 刀具，其硬度可达9 3 9 5 删，为提高韧性，常添加少量c o 、n i 等金属；氮化硅基陶 瓷。常用的氮化硅基陶瓷为s i n + t i c + c o 复合陶瓷，其韧性高于氧化铝基陶瓷，硬度则 与之相当；氮化硅一氧化铝复合陶瓷。又称为赛阿龙( s i a l o n ) 陶瓷，其化学成分为7 7 5 北方工业大学硕士学位论文 s i 3 n 4 + 1 3 a 1 2 0 3 + 1 0 y 2 0 3 ，硬度可达1 8 0 0 h v ，抗弯强度可达1 2 0 g p a ，最适合切 肖0 高温合金和铸铁。其中以氧化铝系和氮化硅系陶瓷刀具材料应用最为广泛。 陶瓷刀具材料的性能主要集中体现在以下几个方面： ( 1 ) 具有较高的硬度和耐磨性。加工钢材时，陶瓷刀具的耐用度为硬质合金刀具的 1 0 2 0 倍。 ( 2 ) 具有较高的耐热性。7 6 0 0 c 时的硬度为8 7 h r a ，1 2 0 0 0 c 时还能维持在8 0 h r a ， 切削速度可比硬质合金提高2 5 倍。 ( 3 ) 具有优良的化学稳定性。陶瓷与金属的亲和力小，抗粘结和扩散的能力较好。 ( 4 ) 具有较低的摩擦系数，切屑与刀具不宜产生粘结，加工表面粗糙度较小。 ( 5 ) 陶瓷材料的缺点是胞l 生大、横向断裂强度低、承受冲击载荷能力差，这也是近 几十年来人们不断对其进行改进的重点。 图1 3 陶瓷刀具材料种类及司能的组合 1 2 6 陶瓷刀具的应用前景 陶瓷刀具可以加工传统刀具难以加工或根本不能加工的超硬材料，实现以车代磨， 从而可以免除退火、简化工艺，大幅度地节省工时和电力；陶瓷刀具的最佳切削速度可 以比硬质合金刀具高( 3 l o ) 倍，而且刀具寿命长，可减少换刀次数，从而大大提高 切削加工效率：陶瓷刀具材料使用的主要原料氧化铝、氧化硅等是地壳中最丰富的，是 取之不尽，用之不竭的，开发和使用陶瓷刀具，对节省战略性贵重金属也具有十分重要 的意义。近年来，由于控制了原料的纯度和晶粒尺寸，添加了各种碳化物、氮化物、硼 化物、氧化物和晶须等，采用多种增韧机制进行增韧补强，使得陶瓷刀具材料的抗弯强 6 北方工业大学硕士学位论文 度、断裂韧性和抗冲击性能都有大幅度提高，应用范围日益广泛。可以用于高速切削、 干切削、硬切削，使得切削加工效率大大提高。 陶瓷刀具在整个高技术陶瓷产业中占有十分重要的地位。近2 0 来，世界各发达国家 都很重视陶瓷刀具的发展与应用。目前，各国陶瓷刀片生产数量占可转位的比例约为： 美国( 3 5 ) ，俄罗斯( 5 7 ) ，日本( 7 9 ) ，德国( 6 8 ) ，英国、法 国、瑞典等也大力推广使用。近3 0 年来，国际上陶瓷刀具的研制非常活跃，陶瓷刀具专 利大约以每年2 0 个的速度递增，其发展趋势是2 0 世纪5 0 年代后期以纯a 1 2 如陶瓷为主； 6 0 年代至7 0 年代以a 1 2 0 3 t i c 陶瓷为主：7 0 年代后期至8 0 年代初期发展t s i 3 n 4 基陶瓷刀 具及相变增韧陶瓷刀具材料；8 0 年代后期n 9 0 年代，晶须增韧陶瓷刀具材料成为刀具开 发的核心。现代陶瓷刀具的销售额的年增长率达到2 0 ，每过5 年其销售量要翻一番。 目前国际上陶瓷刀具已发展有4 0 多个品种，2 0 0 多个牌号。 1 2 7 硬切削机理的国内外研究进展 硬切削概念的提出及其相关机理的研究可追溯到八十年代初期。至1 1 9 9 3 年，德国和 美国相继明确硬切削的概念及其特征，日本学者鸿野雄一郎“o 、德国h a n n o v e r 大学生产 工程和机床研究所h i k t t i n s h o 丘教授“”1 和a c h e n i 、 k 大学w 。k o n i g 教授o “”1 ，英国d e b e e r s 工业金刚石公司技术经理m a f l e m i n g 、英国伯明翰大学机械工程与制造学院 a b r a om e n d e r 博士和d a v i dk a s p i n w a l l 教授叫1 ，m c s h a w 教授。4 、美国普渡大学工 业工程学院m m b a r a s h 教授和c r l i u 教授o “嘲、美国o k l a h o m a 大学工程学院 y m a t s u m o t o 教授”1 唧、美国国家工艺和标准研究院m a d a v i s 教授呻、加拿大 m c m a s t e r 大学机械工程系的m a e l b e s t a w i 教授“1 和法 g e r a r dp o u l a c h o n 博士0 4 等都相 继对硬切削机理做了深入研究。德国工程师协会还于1 9 9 6 年l o 月在汉诺威举行了一次 v d t 专家讨论会，专门讨论了硬切削加工在汽车工业及其配套产业的潜力和合理化。而 令，硬切削已发展为一种与干式切削、高速切削和精密、超精密加工紧密联系在一起的 高效经济加工工艺。 我国学者也开展了超硬刀具切削性能和硬切削机理的研究，主要有郑州新亚超硬材 料有限公司江晓乐、广西大学吴湘宁咖、哈尔滨工业大学袁哲俊教授和韩荣第教授 、大连理工大学张弘强教授。7 一、哈尔滨理工大学刘献礼教授嘈“和太原重型机械 学院钟国晋教授“4 ，北京理工大学的王西彬博士1 等。研究内容主要为刀具磨损、冷 却、刀具制备和切削力特征方面，对切削力的形成和变化规律、金属软化效应、冷却润 滑技术、切屑形成机理、己加工表面质量和切削过程优化等方面的研究才刚刚起步。 - 7 北方工业大学硕士学位论文 诸多学者研究表明在不同精度等级的机床上实施硬切削时，切削力并不发生变化。 w k f n i g 教授在对比陶瓷刀具和p c b n 刀具切削1 0 0 嘶淬硬轴承钢时的切削力对比实验 中研究了切削速度、切削深度和进给量对切削力的影响趋势，得出主切削力和轴向力的 变化与切深呈线性增长趋势，而径向力的增长缓慢。不同的进给量对切削力的变化影响 趋势是一致的，轴向力的增长速率稍低于主切削力和径向力，当进给量很小时，会出现 径向力大于主切削力的现象“8 。 a b r a om e n d e s 博士选用陶瓷刀具、低c b n 含量和高c b n 含量的p c b n 刀具切削 a i s l 5 2 1 0 0 轴承钢( h r c 6 2 ) 时发现径向力最大，其次是主切削力和轴向力，而且在粗加 工中切削力大致为精加工的6 9 倍，切削力近似与进给量、背吃刀量和后刀面磨损量成 线性关系，当切削速度增大时，切削力稍有下降。“。 日本的内田隆史等使用b n 2 0 0 进行了系统的切削性能试验，切削了5 种h r c 6 0 以上 硬度的淬硬钢，在不同切削用量下与硬质合金刀具进行了对比；在加工表面质量方面与 磨削加工进行了比较，证实了具有加工表面的残余应力为压应力( 磨削为拉应力) ，已加 工表面硬度略有提高( 磨削加工表面硬度略有降低) 等优点“”。 刘献礼教授的正交硬切削试验结果表明切削速度，进给量和切削深度对表面硬度的 影响都是单一变化规律，即己加工表面硬度随切削速度的提高而增加，随进给量和切削 深度的增大而降低，而且己加工表面硬度越高硬化层深度越大。通过对试件的基体组织 和表层组织的扫描电镜照片对比，他认为硬车削过程中已加工表面硬度虽有所提高，产 生一定的硬化深度，但对表层的金相组织无破坏“。 硬车削过程中残余应力的产生被认为与切削热的形成及热源的移动速度、切削刃的 几何形状、工件材料及其刀具磨损关系密切。y m a t s u m o t o $ 1 3 d w w u 认为工件硬度对 工件表面完整性影响极大，工件硬度值越大越有利于残余压应力的形成。y m a t s u m o t o 还认为刀具几何形状对残余应力形成的影响：双倒棱和大钝圆刀具所形成的残余压应力 都远远优于单一倒棱和尖刃刀具，但切削用量对残余应力没有显著作用”8 。 1 3 切削过程动态特性研究现状 由于数控加工切削速度高、可以变用量切削和工序集中等原因，因此切削过程中工 艺系统的稳定性及切削参数的优化是影响数控加工生产质量与效率的两介关键因素。零 件的加工过程是在一个由机床一刀具一工件组成的、涉及到多种影响因素的工艺系统内 完成的，工件材质的不均、刀具的磨损、主轴的回转精度、切削参数的变化及切削振动 8 北方工业大学硕士学位论文 等因素的综合作用，使原来处于静态的系统转变为动态系统，加工参数的合理选择将极 大的决定着加工质量。 目前，关于切削过程动态特性的研究主要有三种方法： 一是理论分析法。应用剪切滑移理论确定以剪切角为主的力学模型，研究重点在于 确定切削过程中的切削力及切削振动涉及到的相关问题，由于无法获取工艺系统动态特 性方面的参数，理论分析结果与实际情况偏差较大； 二是实验方法，人为制造动态切削过程，应用间歇激振器产生动态切削过程，利用 动态力测力仪记录动态切削力，这种研究方法虽然可以获得工艺系统的一些动态特性参 数，但由于其物理模型与实际切削过程有较大的差别，其研究结果仍然不是十分理想： 三是时序分析方法，其特点是将切削过程视为一个黑匣子，由实验测量出切削过程 的大量数据并对之进行数学分析，总结出系统的传递函数，识别系统的各项动态参数， 这种方法的优点是数据与实际情况符合程度较高，但无法揭示切削过程的实质与分析各 因素的相关影响特征，为分析切削过程造成困难。 随着计算机软硬件技术的发展及其在制造技术中的应用，国内外对加工过程的研 究，主要有两个方向：一、在离线分析机械加工过程各种状态信号与加工产品质量关系 的基础上，开展大量的在线( 过程) 实时监控研究；二、随着计算机软件与硬件的发 展，通过有效的利用基础的、经验的知识和科学知识来增加加工模型的精度和可靠性， 进行仿真预测。前者己经取得了丰硕的成果，a n o v a k 。”等人在1 9 9 6 年成功实现了鲁棒 性刀具寿命的在线预报系统，y s t a m g “7 3 等人在1 9 9 5 年研制开发了端铣加工过程的实 时计算机仿真系统。在线分析技术与控制技术的实现仍有许多障碍，它紧密依赖于传感 器和控制技术的发展，需要昂贵的硬件费用，且无法对加工过程做出准确且具有前瞻性 的预测。后者通过建立加工过程模型进行计算机仿真，即所谓的虚拟制造技术，也取 得了大量的研究成果。目前，国外已有部分成果应用于实际，国内仍然处于研究阶段。 不论是为改进加工精度与效率还是为实现虚拟制造，对切削过程建立精确而可靠的模型 已经成为许多研究者的研究重点。但是，切削加工过程是复杂的多输入和多输出系统， 涉及到的参数众多，随时会受到各种干扰因素的影响，并且某一参数的变化有时会对系 统的输出有较大的影响，在建模时，如何处理这些参数和干扰因素，使加工过程模型一 方面正确反映切削实际，另一方面又能反映参数变化及干扰因素对切削过程的影响，已 经成为目前切削建模的关键。为了降低模型的复杂性，仿真时采用了大量的假设条件， 这大大削弱了仿真系统与实际的拟合程度。e u s u i 踟等提出将金属切削过程的研究分 为分析型和预测型，指出对切削过程的研究不仅要侧重于分析切削机理，还要根据生产 9 一 北方工业大学硕士学位论文 实际需要，在总结各种切削理论的基础上发展与开发预测型模型，减少繁重的切削实 验。 1 4 表面加工质量研究现状 在现代工业生产中，许多制件的表面被要求具有特定的技术性能特征，诸如：制件 表面的耐磨性、密封性、配合性质、传热性、导电性以及对光线和声波的反射性，液体 和气体在壁面的流动性、腐蚀性，薄膜、集成电路元件以及人造器官的表面性能，测量 仪器和机床的精度、可靠性、振动和噪声等等功能，而这些技术性能的评价常常依赖于 制件表面特征的状况，也就是与表面的几何结构特征表面微观形貌密切联系。另 外，随着现代工业的发展，特别是新型表面j j n x ：方法不断出现和新的测量器具及测量方 法的应用，表面粗糙度标准中的许多参数已经无法适应现代生产的需求，尤其是在一些 特殊场合，如精加工时，用不同方法加工得到的肋值相同( 或者很相近) 的表面就不一 定会具有相同的使用功能。此时r 殖对这类表面的评定显得无能为力了，而且传统方法 过于注重对高度信息做平均化处理，未能反映表面形貌的全面信息。 表面测量技术的发展为加工表面特征研究提供了技术基础。随着仿真技术的发展， 通过几何仿真及物理仿真对已加工表面形成的三维分析已经有过一些尝试性的研究。国 内外对加工表面形成机理仿真研究的主要方法有有限元法、分子动力学法以及基于运动 学和切削机理的分析法等5 “。 有限元法主要用来建立计算模型以预测变形、工件中的压应力以及在特定切削参数 下切削刀具的切削力等，从七十年代初便开始了这方面的研究。现在随着计算机及软件 技术的发展，己能对加工过程进行精确和有效的建模：材料和几何的非线性分析，网格 的再划分技术、切屑形成的单元分离建模、单元分离评价，刀具磨损的建模以及残留应 力的预测等“。 分子动力学可以直观地模拟超精密加工过程。美国劳伦斯实验室和日本几乎同时采 用分子动力学法来研究超精密加工机理，b e l a kh es t o w e r s 以单晶铜为研究对象进行了压 痕和切削过程的分子动力学模拟，用传统的m o r s e 势函数计算分子间的作用力，建立了 铜的纳米切削过程的模型，1 9 9 0 年s t o w e r s 在柏林召开的c i r p 会议上宣读了这一篇论文， 推动了超精密a n t 领域分子动力学模拟的研究，这个模型即成为第一代纳米切削过程的 分子动力学模型。日本大阪大学的i k a w a 教授、s h i m a d a 教授s d n a g o y a n i 大学的 h l a r n u r a 教授都发表了应用分子动力学模拟超精密加工机理的论文，他们的模型基本上 与b e l a k 等人提出的相同，属于第一代分子动力学模型。而后他们对模型边界条件进行 1 0 北方工业大学硕士学位论文 深入研究，s h i m a d a 教授和i k a w a 教授于1 9 9 2 年推出了第二代分子动力学模型。在国内， 温诗铸院士从1 9 9 3 年开始应用分子动力学来模拟纳米摩擦过程，取得了较好的成效，天 津大学的于思远教授曾指导林滨博士应用分子动力学对单晶硅的超精密磨削过程进行了 模拟，哈工大的罗熙淳博士在董申教授的指导下结合分子动力学理论和非线性动力学方 法对单晶体和多晶体的微纳米加工进行了模拟，也取得了一定效果。1 。 分子动力学主要是从微观角