（机械工程专业论文）金属陶瓷刀具在车削精加工中的应用.pdf

摘要 金属陶瓷是新兴的刀具材料，性能优异而价格低廉，具有很大的推广和使用潜 力。目前我省大多数机械制造企业还没有认识这种新兴刀具的应用价值，多数停留 在对钨钴硬质合金应用的阶段，因此本课题着重于研讨金属陶瓷刀具在企业的工程 应用问题并提出解决方案，为企业实现低成本、高效率和高质量地运行，以提高其 机械制造水平和竞争力起积极的推动作用。 如今，精加工和半精加工在机加工工序中所占的比重在增加。车削精加工的一 个显著的趋势是为工件预留的加工余量将越来越少，而工件所要求的形位公差则更 为精确。被定义为精加工的车削约占整个车削工序的2 5 ，所以其刀具的选择合适 与否是至关重要的。本文对影响车削精加工的各种因素进行讨论，并分析车削精加 工时主要的刀具磨损方式。在此基础上讨论用金属陶瓷车削精加工的性能质量优 化问题。 本文专门讨论金属陶瓷刀具在零件车削精加工时所起的作用，尤其是着重于把 精密尺寸公差、表面质量、加工安全性以及生产效率作为最重要指标的车削精加 工，并讨论这类车削所需的金属陶瓷刀具及加工工艺。从加工质量和加工经济性的 角度来阐述适用于大批量和大规模车削精加工的金属陶瓷刀具的选择。 本文介绍了金属陶瓷刀具材料和排屑槽型，围绕金属陶瓷刀具在车削精加工上 的应用对其提高生产质量的可行性和局限性进行分析。以典型工件的加工为例，阐 明车削精加工中金属陶瓷刀具选用原则，研究金属陶瓷刀具在不同的材料和不同加 工条件下金属陶瓷刀具的最佳应用区域及使用限制。同时也对涂层的钨钴硬质合金 刀具与金属陶瓷刀具之间的选用进行了阐述。 关键词：金属陶瓷；刀具材料；车削；精加工；刀具磨损 a b s t r a c t c e r m e ti san e wd e v e l o p i n gt o o lm a t e r i a l ，w i t hg o o dp e r f o r m a n c eb u tl e s sc o s t i th a sac o m p r e h e n s i v ea p p l i c a t i o nf i e l da n dm a r k e t i n gp o t e n t i a l f o rt h em o m e n ti n g u a n g d o n gp r o v i n c e ，t h e r ea r el e s sm a n u f a c t u r i n ge n t e r p r i s e sw h o r e a l i z et h ev a l u e o ft h i sn e wt o o l i n gm a t e r i a l ，m o s to ft h e ma r es t i l ls t a y i n go nu s i n gt u n g s t e n c o b a l t c e m e n t e dc a r b i d et o o l s t h e r e f o r e ，t h i sp a p e rf o c u s e so nt h ec e r m e tt o o l sa p p l i c a t i o n i nt h e s ee n t e r p r i s e s ，o f f e r i n gt h e mas o l u t i o ns ot h a tt h e yc a nf i n daw a yt or u nw i t h l o wc o s t ，h i g he f f i c i e n c y ，a n db e s tq u a l i t y ，t or a i s et h e i rc a p a b i l i t yo fm a n u f a c t u r i n g a n dc o m p e t i t i o n f i n i s h i n ga n ds e m i f i n i s h i n go p e r a t i o n sa r ei n c r e a s i n gt h e i rp r o p o r t i o no fa u t u r n i n go p e r a t i o n sa tp r e s e n t t h e r ei sac l e a rt r e n dt o w a r dl i g h t e r ，m o r ea c c u r a t e t u r n i n g ，a sw o r k p i e c e sh a v el e s sm a c h i n i n ga l l o w a n c ea n dc l o s e r ，m o r ec o n s i s t e n t t o l e r a n c e sa r ed e m a n d e d t o d a y ，a r o u n d2 5 o ft u r n i n gi sc l a s s i f i e da sf i n i s h i n gs o t h a td e t e r m i n i n gc u t t i n gt o o l sa c c u r a t e l ya sac r i t i c a lp o i n t t h i sp a p e rd i s c u s s e st h e f a c t o r sa f f e c t i n go nt h ef i n i s h - t u r n i n g ，a n da n a l y z e st h em a j o rw e a rm e c h a n i s m si n f i n i s h t u r n i n g ，a n dt h e nd i s c u s s i n gt h eo p t i m i z i n go ft h ep e r f o r m a n c ea n dq u a l i t yi n f i n i s h t u r n i n gb yc e r m e tt o o l s t h i sp a p e rd i s c u s s e st h ef u n c t i o no fc e r m e tt o o l si nt h ef i n i s h - t u r n i n go fs t e e l i t s p e c i a l i z e si nm a c h i n i n go p e r a t i o n sw h e r ec l o s et o l e r a n c e ，s u r f a c eq u a l i t y ，s e c u r i t y a n dp r o d u c t i v i t ya r et h em o s ti m p o r t a n tc r i t e r i a i ta l s od i s c u s s e st h ec e r m e tt o o l s a n dm a c h i n i n gp r o c e s s e sc o n c e r n e dw i t ht h ef i n i s h t u r n i n g t h ep a p e rh i g h l i g h t st h e c h o i c eo fi n d e x a b l ei n s e r tf o rh i g h v o l u m ea n dm a s s p r o d u c t i o nf i n i s h i n gf r o m q u a l i t ya n dm a c h i n i n ge c o n o m i cp o i n t so fv i e w t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ec e r m e ti n s e r tm a t e r i a l sa n dg e o m e t r i e s ，a n dd e s c r i b e s t h ep o s s i b i l i t i e sa n dt h el i m i t a t i o n so fc e r m e ti n s e r t st oi m p r o v em a c h i n i n gq u a l i t yi n p r o d u c t i o n i ts e t su pt y p i c a lm a c h i n i n gt e s t st og i v et h et o o l c h o i c er u l e s a tt h e s a m et i m e ，i ta l s oe x p a t i a t e so l lt h ec h o i c eb e t w e e nc e r m e ta n dc o a t e dt u n g s t e n c o b a l tc e m e n t e dc a r b i d e k e yw o r d s ：c e r m e tt o o l s ；t o o lm a t e r i a l ；t u r n i n g ；f i n i s h m a c h i n i n g ；t o o lw e a r 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：舞孝黟日期：删年肛月乡日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属华南理工大学。学校 有权保存并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许学位 论文被查阅( 除在保密期内的保密论文外) ；学校可以公布学位论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位 论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 本学位论文属于： 口保密，在年解密后适用本授权书。 圈不保密。 学位论文全文电子版提交后： 回同意在校园网上发布，供校内师生和与学校有共享协议的单位浏 览。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：j 每蝣 指导教师潞储易 日期：鲫石，2 6 日期枷6 。m7 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究意义及目的 由于我国机床工具行业对现代金属切削刀具与传统刀具的差别缺乏足够的认 识，长期以来重主机、轻工具，使我国工具技术的发展和行业水平与现代制造业的 要求相去甚远。激烈的市场化竞争对机械制造厂提出了低成本、高效率、高质量的 要求，如何提高自身的制造水平和竞争力无疑是摆在每一个制造企业面前的一个难 题。 在一般要求的车削加工中，硬质合金是各机械制造厂首选的刀具材料，但在某 些精加工场合，传统硬合金刀具材料的耐磨性和刃口的锋利程度很难同时满足工件 的小尺寸公差、高表面质量和高生产效率的要求。选用金属陶瓷刀具是解决这一难 题最直接和有效的方法。与传统的硬质合金刀具相比较，金属陶瓷刀具在用于精加 工时有两方面的优点特别突出：其一是切削刃均匀磨损晡，切削刃有再磨锐效应； 其二是化学性能稳定性。在国外，金属陶瓷发展迅猛，应用的比例在扩大，如日本 金属陶瓷刀具已占可转位刀具的三分之一1 1 1 。 随着我省机床装备水平的不断发展和对工件加工的尺寸精度，表面粗糙度要求 的不断提高，金属陶瓷在精细车削加工领域会越来越受到机械制造厂家的重视。尽 管欧美、日韩、甚至台湾的刀具制造厂都推出了各自系列的金属陶瓷刀具产品，但 我省相当一部分制造厂的车削精细细加工还是停留在传统硬质合金加工的水平。从 目前以我省的情况来看，金属陶瓷刀具的应用主要有以下方面问题需要解决：一是 能否胜任工件尺寸精度要求高且大批量生产的要求，二是是否适用工件表面质量要 求高但材料粘软的工件的精加工，如低碳钢，低合金钢，不锈钢的精加工；三是对 于有断续车削的精加工是否合适。 本论文围绕以上问题，以典型工件的加工为例，阐明车削精加工中金属陶瓷刀 具选用原则和使用限制，着重研究金属陶瓷刀具在典型的材料和不同加工条件下与 钨钴硬质合金刀具在磨损性能、加工表面粗糙度及抗冲击性能上的差异。同时希望 通过本课题研究能够促进金属陶瓷刀具在我国机械加工领域的应用。 1 2 金属陶瓷刀具发展现状 自1 9 5 0 年烧结t i c 基金属陶瓷硬质合金闯世以来，于1 9 5 6 年开发出作为切 削工具材料的添加钼( 或m 0 2 c ) 的t i c n i 金属陶瓷，这一发现是制造ti c 基金 l 华南理t 大学丁程硕十学位论文 属陶瓷的重大技术突破1 2 1 。进入6 0 年代，日本东芝、三菱和住友等公司也开始从事 ti c 基切削金属陶瓷的研制工作。1 9 6 5 年以后，更多的硬质合金厂投入到ti c 基 金属陶瓷的研制当中。1 9 7 1 年奥地利维也纳工业大学教授k i e f e e r e 等人率先报道 了添加t i n 对t i c 基金属陶瓷的物理力学性能的影响，并且指出t i ( c ，n ) 基金 属陶将成为一种大有发展前途的工具材料【卦。此后不久，美国的r u d y 教授也报道 了细晶粒的( t i ，m o ) ( c ，n ) n i m o 金属陶瓷材料在钢材切削中具有优异耐磨 性、高韧性和良好的抗塑性变形能力的试验结果，从而促进了金属陶瓷的发展。目 前，在欧美日市售的金属陶瓷绝大部分均是以t i ( c ，n ) 基为基础的金属陶瓷【4 1 。 瑞典山特维克公司最新还开发了的无镍金属陶瓷，它具有环保、耐冲击、耐磨和抗 塑变特性，主要应用于软钢材、不锈钢和铸铁的精加工、超精车、高速小切深，实 现高光洁度表面和严格尺寸公差【”。 目前国外各大刀具品牌金属陶瓷对照表见附表1 ，本文中讨论的金属陶瓷刀具 以山特维克公司的为主。 目前，作为功能材料的金属陶瓷发展主要集中以下几个方面：( 1 ) 超细晶粒和 纳米级金属陶瓷。由于超细晶粒和纳米级金属陶瓷比常规金属陶瓷具有更高的强韧 性、硬度、耐磨性等综合性能，因此受到了世界各工业大国( 美、瑞、日、德、英、 俄等1 的广泛关注。金属陶瓷材料在作为刀具材料的发展方面还包括了金属陶瓷与 表面涂层相结合的开发和应用。( 2 ) 梯度金属陶瓷的应用开发。由于一些金属陶瓷 制品在使用时，不同工作部位往往有若不同的性能要求，若采用现有的耐热金属、 陶瓷或金属陶瓷等单一材料都难以满足这种工作条件，而采用陶瓷金属层状结构又 会引起界面处的热应力集中，这就需要开发热应力缓释型金属陶瓷，即梯度金属陶 瓷，它是一种由于组织连续变化引起性能缓变得功能复合材料。这种材料可用作航 天飞机的热防护材料、核反应堆的内壁材料、汽车发动机的燃烧室材料和梯度刀片 材料等【6 l 。 1 3 论文的组织结构 本文共分为五章，各章节的安排及内容如下； 第一章绪论部分主要阐述了课题的研究意义及目的并介绍了当前金属陶瓷刀具 发展状况。 2 第一章绪论 式。 槽。 异。 第二章讨论影响车削精加工的各种因素以及车削精加工时主要的刀具磨损方 第三章分析金属陶瓷刀具的特性，适用范围以及其局限性。 第四章介绍金属陶瓷刀具的选用方法，金属陶瓷牌及钨钴硬质合金牌号及排屑 第五章通过典型的金属陶瓷与钨钴硬质合金车削试验，分析对比两者之间的差 3 华南理工大学1 = 程硕十学付论文 第二章车削精加工的影响因素及刀具磨损 2 1 车削精加工经济性的影响因素 车削精加工是一个相对广泛的加工领域，其涵盖了钢( i s op 类) ，不锈钢 ( i s om 类) 和铸铁( i s ok 类) 的加工。参考目前国内机加工行业的应用，车削 精加工可以按背吃刀量( a 。，又称切削深度) 和进给量( f ) 分成三个区域( 如图 2 - 1 所示) ： a 区：超精车削( a p ：0 0 5 0 5 f ：0 0 1 0 1 ) b 区：精车削( a 。：o 1 1 0 f ：0 1 0 2 ) c 区：半精车削( a 。；0 5 1 5 f ：0 2 0 3 5 ) f ，u r 注：图中的斜边界线为有效断屑控制区边界 图2 1 车削加工的分类区域 f i 9 2 1t h et h r e em a i nl i g h t t u r n i n ga r e a s 精加工是决定机加工零件质量的最终工序，有时甚至是唯一的工序。在进行精 加工的时候，可转位刀片的切削刃实际上只用到了一小部分，通常只是刀尖圆角， 相对对精加工的背吃刀量( 通常小于1 r a m ) 来说，刀尖圆角对精加工的影响更 大。精加工时对刀片切削刃的要求和粗加工对刀片切削刃的要求不一样，粗加工考 虑的首要因素是刀具的韧性和金属去除率，而对精加工来说，刀具的加工精度和耐 磨性才是重要的。因此，粗加工，甚至半精加工在某种程度上可以说是把金属去除 率和机床怠工时间作为主要影响加工经济性的因素，然而，精加工更关注加工质量 的稳定性，用传统的、基于刀具使用寿命和金属去除率方法来计算加工经济性的 话，并不能完全反映其真实状况。 4 c 一 一。nl 第二章车削精加工的影响因素 加工过程中的检测，换刀和刀具的尺寸调整都是精加工工序中影响经济性的重 要因素。对于一些大型的工件，要求能在一次切削中完成加工，这就要求刀具能够 至少在一次完整的切削过程中保持刃口的形状和位置。频繁地停机测量、换刀、对 刀将导致机床怠工时间过长，既影响了生产的自动化程度，又降低了工件实际加工 时间在整个可利用的生产时间中的比例。因此，能够保持刃口尺寸的稳定性，更长 的使用寿命以及加工出更高质量的表面会对精加工工序的经济性产生可观的影响， 从而影响到整个工件的加工成本。切削刃的可靠性和刀具寿命的可预见性是精加工 需要考虑的关健因素，尤其是在大规模和大批量的生产中，工件的最终尺寸和表面 质量在数控机床高速切削的状态下实现，切削过程中无法再人为控制。其它要考虑 的因素包括加工系统的稳定性，机床刀夹具的状态，工件的加工状态及数控程序的 编程方式。是否使用快换的模块式刀具也是缩短机床怠机时间的重要因素。 切削速度也是影响精加工经济性的重要因素之一，提高粗加工工序的经济性意 味着有更高的金属去除率和用更高的切削速度。对于精加工工序来说，其对工件精 确度的要求限制了加工的进给量。对于表面精度和切削速度通常存在一定的特性关 系【7 】( 如图2 2 所示) ，可以据此对加工的表面质量和刀具寿命进行优化。 01 0 02 0 0 3 0 04 0 0 ， v e ，| m i n 图2 - 2 表面粗造度与切削速度的趋势关系示意图 f i 9 2 2g e n e r a lt r e n do fr e l a t i o n s h i pb e t w e e ns u r f a c ea n dc u t t i n gs p e e d 表面粗糙度通常靠提高切削速度来降低，因此可以制定出一个可以优化的速度 范围。精加工的加工余量相对较少，因而金属去除率并非需要考虑的决定性因素， 背吃刀量对表面粗糙度的影响并不明显。一个工序的切削时间等于工件的切削长度 除以进给和转速，切削速度又与主轴转速成比例，如果车床的主轴转速可调的话， 可以通过提高切削速度来减少加工切削时间( 如图2 3 所示) 。因而提高精加工工 序生产率的主要方式就是通过调整切削速度，即，优化车削精加工的方法就是选用 5 华南理t 大学下程硕士学位论文 有更长寿命的刀具，其刃口磨损在切削过程中能相对保持稳定，用满足生产要求的 进给率加工出可以接受的表面质量。 粤f 一而 o 1 0 0 0 。i 酉 1 0 02 0 03 0 04 0 0 v c i n 0 s 1 2 1 8 图2 3 精加工时的切削时间t 与加工成本c 关系示意图 f i 9 2 - 3c u t t i n gt i m e ( t ) a n dm a c h i n i n gc o s t ( c ) i nf i n i s ht u r n i n g 2 2 材料的加工性能 影响车削精加工刀具性能的最主要因素为工件材料、工件表面状况和工件的形 状。随着锻造技术，铸造技术和粉末冶金技术的发展，相应地，对应用于精加工工 序的刃口的要求也不断地提高。 “毛坯最小尺寸技术( n e a r - n e t s h a p et e c h n o l o g y ) ”对于精加工刀具来说， 尽管背吃刀量变小，但材料中的各种差异还是要考虑的。例如，工件表面上也许是 一层硬皮，但低下的实际材料却是软粘的低碳钢，如果其公差范围大约0 5 m m ，这 时就要考虑使用锋利，带切屑控制槽型，又安全可靠的切削刃。 这里举一个实例来说明：工件为齿轮冷锻毛坯，合金钢材料，从工件表面到内 部的硬度变化如图2 - 4 所示。尽管工件的背吃刀量很小，但冷锻的工艺使得工件本 身的硬度差异较大，尤其在圆导角部分( 5 ) 材料的变形最严重，在加工时要考虑 工件的切削性能上的差异。如果选金属陶瓷刀具的话就要考虑其刃口是否具有足够 的韧性。 6 第二章车削精加r 的影响因素 至 催 盏 在图中 用五种曲线表示。变形量最大的部分为点5 ，其硬度变化最大。 f i 9 2 - 4h a r d n e s sa sm e a s u r e df r o mf i v ep o s i t i o n so naf o r g e da l l o ys t e e l2 0 m o c r 4 ，g e a rw h e e l d e p t h so f0 2 2 9m m w e r er e c o r d e d ，g i v i n gf i v ec u r v e si nt h ed i a g r a m t h em o s td e f o r m e dp a r t ( 5 ) s h o w sl a r g e s th a r d n e s sv a r i a t i o n 低碳钢尽管硬度低，延展性好，但却有粘刀的趋势，断屑困难，所以低碳钢的 切削性能并不好。积屑瘤会影响到刀具的使用寿命和工件的表面质量。含碳量增加 可以改善材料的切削性能，但同时又加剧了磨粒磨损的程度。 合金钢通常比碳钢的强度要好，尽管容易加工，但对切削刃的韧性有更高的要 求。各种合金元素和不同的热处理工艺使得合金材料的结构和硬度都不一样。 不同的灰铸铁的拉伸强度不一样，但通常被认为是容易加工的材料，加工时切 削刃会有一定程度的磨粒磨损发生，但没有断屑的要求。球墨铸铁强度更高，韧性 也比灰铸铁好，属长铁屑类，其对加工的要求也更高。对于铸铁的加工来说，要求 切削刃有很好的红硬性和化学稳定性。切削刃主要的磨损形式为磨粒磨损、粘结磨 损和扩散磨损。需要注意的是，于金属陶瓷刀具的抗弯强度和抗疲劳强度较低，在 切削冷硬铸铁时切削力和切削力波动较大，因此刀具寿命较低且多以崩刃、微崩的 形式失效【引。 不同的不锈钢其加工性能也不一样，铁素体不锈钢比奥氏体不锈钢容易加工。 通常不锈钢加工产生的切削力比碳钢和合金钢都要大，但这并不意味着其加工难度 7 华南理下大学t 稃硕+ 学静论文 就大，只是在加工的时候需要调整好切削参数，选用合适的刀片断屑槽型和材质。 不锈钢加工的一个实用的法则是选用刃口锋利，带正前角，有足够强度的大刀尖圆 弧角刀片。 2 3 可转位刀具的工作角度 现代车削刀具系统由刀杆及可转位刀片组成，用于加工工件的切削刃口由刀杆 和刀片各自的几何形状组合而成【9 1 。刀具主要的角度和切削平面决定了刀片的工作 切削刃，刀片通常带正前角断屑槽，安装在具有一定负角的刀杆刀片座上。相关工 作角度如图2 5 所示。 k 。工作主偏角 a 。工作主后角 y ”工作切深前角 p 。工作切削平面 。工作刃倾角 y 工作进给前角 ap 工作切深后角 p f e 工作进给剖面 y 。工作主前角 ob 工作进给后角 p ，。工作基面 图2 - 5 工作状态下可转位车削刀具的几何角度图解 f i 9 2 5w o r k i n gg e o m e t r i c a lo r i e n t a t i o no fc u t t i n ge d g ed u r i n gt u r n i n g 外圆车刀杆的刀片基座通常有8 。0 。的刃倾角。以山特维克可乐满刀具为 例：t m a xp ( 指使用不带后角刀片的系统) 系列的外圆车刀杆刀片基座的角度为 6 。，t m a xu ( 指使用带后角的刀片的系统) 系统的外圆车刀杆为0 。；内孔镗杆 刀片座的倾角可达1 8 。，一般为8 。可转位刀片的前角一般在6 。0 。之间，取 8 第二章车削精加下的影响囡素 决于刀片上断屑槽的形式【1 0 】。这样，当刀片安装到刀杆上之后，仍然可以形成一个 正角的切削刃口用于加工。刀片在切削过程中实际的几何角度会因不同的应用而变 化，因为切屑的宽度和厚度主要由背吃刀量和进给量决定，因而很大程度上影响到 切屑在前刀面上的形成方式和断裂方式。 对于精加工来说，刀片的刀尖半径和刃边倒圆( e r ) 的方式会影响切削，因 此，刀片切削刃的设计也影响切削刃在车削精加工中的实际性能。主偏角决定了刀 具刃口在切削时对应于工件的位置，它影响到作用到切削刃上的单位压力和工件所 受的切削力的大小，同时也决定了实际参与切削的刃口长度以及所产生的切屑的宽 度。主偏角通常由刀具的形式决定，目的是使刀片可以用最强壮的刃口部分进行切 削。 车削精加工的主偏角在某种程度上是变化的，因为它受刀尖半径的影响。进给 ( 影响到工件表面质量) 和切削刃的强度( 影响到生产过程的可靠性) 也取决于刀 尖的半径。 减小实际参与切削的刃边长度并采用大主偏角对精加工有益，可以保证有良好 的切削。大主偏角产生的螺旋状切屑会远离切削区，而小主偏角产生的卷曲状切屑 会作用到工件上刮伤已加工表面( 如图2 - 6 所示) 。大主偏角刀具对于尖刀来说比 较理想，它在仿型加工进出刀的时候具有很好的接近能力。小主偏角刀具通常应用 于方形刀片，它可以提供强壮的切削刃，可以进行外圆及端面车削。 蓼譬如 图2 - 69 3 。和4 5 。的主偏角刀具在切削时铁屑的成形、流向及切削受力有较大筹异 f i 9 2 - 6t h e9 3a n d4 5d e g r e ee n t e r i n ga n g l e sw i l lg i v er i s et oq u i t ed i f f e r e n tc h i p f o r m a t i o n sa n dc u t t i n gf o r c e s 9 华南理1 = 大学t 稃硕十学位论文 2 4 影响车削精加工的其它因素 2 4 1 表面质量 工件加工的表面质量极大程度上取决于进给量和刀尖半径，同时也受刀具的磨 损情况和切削速度的影响。最大表面轮廓高度r m a x 与进给量及刀尖半径的关系 f2 为：r 。= l 1 0 0 0 ( u r n ) t 1 1 】。( 如图2 - 7 所示) 图2 - 7 切削刃尖与进给，表面粗糙度 f i 9 2 7g e o m e t r i c a la s p e c t so fc u t t i n ge d g e ，f e e da n ds u r f a c ef i n i s h 用刀尖半径较大的刀具车削时，如果背吃刀量小于或等于刀尖半径，实际主偏 角小，其益处在于切削过程中产生的压力会沿着一个较长的切削刃分布，可达到较 好的表面质量。不利之处在于可能导致卷屑、断屑困难，并且径向的切削力较大， 在加工刚性差或稳定性不好的工件时会产生振动，这种情况下要求整个系统有良好 的稳定性。 2 4 2 振动 切削过程中产生振动( 如图2 8 所示) 的基本条件为： 加工系统中有产生运动的可能性 切削力对加工系统作用，并使之失衡 一般来说会有几个因素相互作用并使以上的状况恶化，但通常会有一个是主要 的因素，当这个主因素在很大程度上被消除、减少时，振动可以完全被消除。机床 工具和设备要从加工的状态，力及稳定性的角度来考虑，检查加工系统的稳定性， 刀具破损情况，磨损及装夹部位是否清洁等等。 从刀具及其工作原理的角度，可以采用以下几种方法来减小产生振动的切削 力，尤其是当工件不稳定或细而长时： 采用较小的刀尖圆弧半径 采用锋利的切削刃 采用大的主偏角 第二章车削精加下的影响冈素 采用大前角槽型 避免出现过度的刀具磨损( 如图2 9 所示) 保证有良好的断屑 采用尽可能粗的刀杆 确保刀具安装正确，装夹良好 图2 - 8 振动会造成加工出来的表面粗糙度( r ) 与理论值产生偏移 f i g2 - 8v i b r a t i o n sw i l lg e n e r a t eas u r f a c e ( r ) d e v i a t i n gf r o mt h et h e o r e t i c a l0 3 图2 - 9 刀具磨损产生的尺寸偏移同时也是受到刀尖圆弧半径rp 大小的影响 f i g2 - 9t o o l w e a lc a u s e sad i m e n s i o n a lw h i c hi sa l s oi n f l u e n c e db yt h es i z eo ft h en o s er a d i u s 2 4 3 刀尖圆弧半径 刀尖圆弧半径同样会影响到工件的尺寸精度。刀尖圆弧半径小，其参与切削的 部分少，此时刀具磨损对切削刃位置的影响相对要大一些。刀尖圆弧半径大，径向 切削力也相应增大，工位超差的可能性增加，应用刀尖圆弧半径大刀具受到参与切 削的刃口长度的限制，并产生振动的趋势，使用时需要有大功率的机床。 切削刃的锋利与否也很关健，精加工刀具的要求应该具有在刀具磨损的情况下 也应能保持刃口的锋利能力。各种刀片槽型不同的刃边倒圆( e r ) 处理方式使得 其有不同的应用范围。刃边倒圆越大，刃口越强壮，但相应地在刃口产生的温度也 越高，切削力也越大，后刀面磨损越严重。大的刃边倒圆比小的刃边倒圆方式更容 易产生最初的后刀面磨损，所以在精加工时的刀具寿命更短【7 1 。通常，刃边倒圆的 1 1 华南理工大学1 = 稃硕士学衍论文 程度不应大于避免切削刃崩刃所需的刃口棱边宽度。在应用于断续车削时，刃边倒 圆的幅度较大。 图2 1 0 相同的条件下，刃边倒圆小的刀片比刃边倒圆大的刀具使用寿命更长 f i 9 2 - 1 0t h ee d g er o u n d i n g ( e r ) o na ni n s e r ti sd e t e r m i n e db yt h eg e o m e t r yi nq u e s t i o n g e n e r a l l y ，as m a l l e rw i l lp r o v i d el o n g e rt o o l - l i f e 车削时应避免背吃刀量小于刀尖半径的三分之一，通常最小的刀尖圆弧半径为 0 2 r a m ，其最小推荐的进给量为o 0 5 m m r e v 1 0 l 。最大的刀尖圆弧半径为3 2 m m ( 尽管圆刀片也可以用于是精加工，它的刀尖弧角为刀片的直径) ，最常用的精加 工刀尖圆弧半径为0 4 0 8 r a m ，其迸给量在0 1 0 3 5 m m r e v 之间【l o l 。 图2 1 1 刀尖圆弧半径从0 2 3 2 m m ，其中0 4 0 8 m m 的刀尖弧半径最常用 f i 9 2 1 1n o s er a d i iv a r yf r o m0 2 3 2m mw i t h0 4 0 8m mb e i n gt h em o s tc o m m o n l yu s e d 2 。4 4 断屑 切屑的成形主要受工件材料，刀片槽型及主偏角( 刀尖圆弧半径) 的影响。成 形的切屑由几段组成，在材料的延展性和前角及断屑槽的挤压作用下形成。不同材 料的切屑变形各异，低、中碳钢切屑比一般合金钢的切屑变形大而且会有一个比较 大的卷曲形状。 切屑在断屑槽的作用下有几种断屑的方式( 如图2 1 2 所示) ：碰到刀具断 裂，碰到工件断裂或自己断裂。如果切屑成形正常的话，碰到刀具后断裂的情况是 有利的，但要避免切屑对刀具发生破坏性的锤击作用；切屑碰到工件断裂可能会破 第二章车削精加t 的影响因素 坏工件已加工表面的质量；通常在加工某些特定的材料时会发生切屑自行断裂的情 况。 萍牵 幽2 一1 2 断屑形式( 从左到右) ：自行断裂、碰剑刀具断裂、碰剑工件断裂 f i 醇一1 2c h i p b r e a k i n g ( f r o ml e f tt or i g h t ) ：s e l f - b r e a k , b r e a l d n ga g a i n s tt o o la n db r e a k i n ga g a i l l s tw o r k p i e c e 切屑的变形由切屑的形成和断裂一起综合控制，从而得到合适的切屑卷曲形状 ( 如图2 1 3 所示) 。应当避免在加工中出现缠绕的切屑，这对于现代c n c 车削加 工中刀具的性能和经常要接触切屑的操作工来说是一种风险。 1 鳘l2 - 1 3 精车当中止确形成的螺旋状切屑 f i 9 2 - 1 3c o r r e c t l yf o r m e ds p i r a lc h i p si nf i n i s ht u r n i n go f s t e e l 每一种槽型的刀片都有其推荐的背吃刀量和进给量的应用范围【1 0 】( 如图2 1 4 所示) 。 图2 1 4 每种刀片断屑槽都有相对的廊_ h j 区间，如，精加工槽犁p f 的适用区间。 保证加工时产生合适的切屑 f i 9 2 - 1 4t h ea p p l i c a t i o na r e ao fe a c hi n s e r tg e o m e t r y ，s u c ha sf i n i s h i n gg e o m e t r yp f ，e n s u r e s c h i p so fs u i t a b l ef o r mf o rt u r n i n go p e r a t i o n s 1 3 华南理t 大学t 稃硕十学位论文 在各自应用区间内，断屑槽可以产生合适的切屑形状；在应用区间外则会出现 缠绕的切屑，切屑太厚，或挤压过度的情况。 在仿型加工时，刀片背吃刀量和进给量一直在变( 如图2 1 5 所示) ，此时要 注意背吃刀量和进给量在对应应用区间的匹配，尤其是在加工台阶，内仿型和凹型 时切屑变化更利害，这种加工要求刀片的槽型的具有较高的多功能适应性。 图2 1 5 仿犁加工时在刀片的应用区间内选择合适的切削用量 f i 9 2 - 1 5p r o f i l i n gm e a n sc o n s i d e r a b l em o v e m e n tw i t h i ni n s e r ta p p l i c a t i o na r e a s 切屑形成通常与刀片的断屑槽是否太窄或太宽有关。如果太窄，会导致以下的 后果：细长缠绕的切屑，产生过度的切削热，切削刃暴口，产生积屑瘤从而增加崩 刃的机会；如果太宽，则无法有效控制切屑，切屑对刀具产生锤击作用，工件表面 质量差或产生震动的趋势。 除了由背吃刀量和进给量组合成的成屑应用区间之外，还有多种因素及其之间 的关系影响到刀片的断屑性能，如图2 1 6 所示。影响断屑的因素包括： 进给量 背吃刀量 切削速度 前角 主偏角 刀尖圆弧半径 刃倾角 断屑槽的设计 工件材料的硬度 材料拉伸力 其它材料属性 1 4 第二章车削精加r 的影响因素 图2 1 6 背吃刀量a p 和刀尖圆弧半径影响切屑的形成 f i 9 2 1 6t h ec u t t i n gd e p t h ( a p ) a n dn o s er a d i u si n f l u e n c e sc h i pf o r m a t i o n 2 5 车削精加工刀具主要磨损方式 刀具的磨损影响到最终加工出来工件尺寸精度和所要求的表面质量，通过对刀 具的磨损状况进行测量和分析，可以确保刀具在车削精加工时的质量和性能。精加 工时，多数情况下是后刀面磨损( 如图2 1 7 所示) 。客户通常要求刀具的磨损是 在一段较长时间内的均匀地发展并且是可以预测的，这将决定工件的加工尺寸在公 差范围内波动的程度，也影响到刀刃位置的调整频率。 图2 1 7 后刀面磨损改变切削刃的位置，产生加工尺寸偏差，并导致表面质量恶化 f i 9 2 - 1 7f l a n kw e a rm e a n sc h a n g e dc u t t i n ge d g ep o s i t i o n ，r e s u l t i n gi nd i m e n t s i o n a ld e v i a t i o n ， a n do f t e nd e t e r i o r a t e ds u r f a c ef i n i s h ，o nt h ew o r k p i e c ed i a m e t e r 金属切削时刀具的五种磨损基理为【1 2 】( 如图2 1 8 所示) ： 磨粒磨损( 图2 1 7 1 ) 扩散磨损( 图2 - 1 7 - 2 ) 氧化磨损( 图2 一1 7 3 ) 疲劳磨损( 图2 一1 7 4 ) 粘结磨损( 图2 1 7 5 ) 华南理1 = 大学工稃硕士学位论文 图2 1 8 刀具磨损的基本原理 f i 9 2 1 8t o o lw e a l m e c h a n i s m s 这几种磨损在刀具材料、断屑槽、工件材料及切削参数的作用下以各种形式结 合在一起共同对切削刃产生作用。对刀具进行磨损的基本分析是优化车削精加工性 能和质量的重要手段。 车削精加工中刀具的主要磨损形式： 1 侧后刀面磨损( f l a n k ) 发生在刀片的侧后刀面，主要由磨粒磨损引起。侧刀面，如前缘、后缘刀尖和 修光刃部分，在切屑形成过程中后期同工件接触会产生这种最基本的磨损类型，可 控的、渐进的侧后刀面磨损常常是最理想的。过度的侧后刀面磨损会改变刀具形 状，从而导致粗糙度高、低精度差和磨擦力大。 2 月牙洼磨损( c r a t e r ) 第二章车削精加工的影响冈素 月牙洼磨损发生在前刀面上，是在前刀面温度最高处因磨粒磨损和扩散磨损造 成刀体剥落，而后就形成了月牙洼。刀具材料的硬度、红硬性以及和工件材料间的 低亲和力可以减少月牙洼磨损的倾向。过度的月牙洼磨损会改变切削刃的形状，使 切削刃形式恶化，改变切削力方向，削弱刀刃强度。 3 塑性变形( p l a s t i c ) 塑性变形是高温高压共同作用在刀片上的结果。高速和大进给量，坚硬的工件 材料将挤压工件产生热量。在没有塑性变形情况下，刀具需要具有较高的红硬性才 能承受，此时的刀片会膨胀，这又将导致产生高温、几何变形、切屑流改变等现 象，直到临界阶段【1 2 】。刀尖圆弧半径的尺寸和刀片几何槽型对抵抗这种类型的破损 起一定作用。 4 沟槽磨损( n o t c h ) 后缘后刀面的沟槽磨损很大程度上是由氧化磨损引起，这种磨损发生在切削末 端处空气能够到达的切削区，在切削刃及其前后端缘部分形成沟槽。前缘后刀面的 沟槽磨损，是由较硬的材料形成的机械载荷引起。过度的沟槽磨损最终削弱刀具的 强度，并影响精加工时的表面质量。 5 热裂( t h e r m a l ) 1 7 华南理工大学工稃硕士学位论文 热裂基本上是由热循环向引起的疲劳铍琐，在铣削加工中温度的变化尤其会导 致这种形式的破损，加工时的切屑厚度不同也会影响刀片的发热程度。裂纹垂直于 切削刃，裂纹之间的材料会剥落，刀具微粒会从刃口上脱落而导致打刀和失效。 6 切削刃崩碎( c h i p p i n g ) 当非磨损性的刀刃边破坏产生时，导致切削刃崩碎，这种情况通常由复合载荷 作用下使得刀具材料微粒脱离刀具表面。断续切削是产生这种破损类型的常见原 因。 7 剥落( f l a k i n g ) 剥落会造成刀片大块的破损，带来严重的损害，应该尽可能地避免。刃边剥落 也常是刀片磨损的一神。几何槽型的改变，刀片强度的削弱，切削温度、切削力的 升高都将最终导致刀片严重失效。重载切削时，各种应力作用于刀具的结果容易使 刀具脆裂，剥落。 8 ，积屑瘤( b u e ) 第二章车削精加工的影响因素 积屑瘤的形成大体上与温度有关，因而与速度也相关，但它也可能是刀片疲劳 和其它形式磨损的结果。由于它会造成几何槽型的改变，导致刀具材料同积屑瘤一 起剥落，所以对刀片是有负作用的。积屑瘤的形成取决于刀具材料和工件材料的亲 和力。低温下，在前刀面上来自于切屑的材料会被冷焊起来。积屑瘤形成的温度和 切削速度范围是相对可以确定的，因而也是能避免的。一般现代加工的速度都高于 形成积屑瘤的速度，因此如果使用正确，就不易产生积屑瘤。首当其冲遭受积屑瘤 影响的是切削刃口，加工出粗糙的工件表面质量，如果这种类型的磨损继续下去， 刀具将会迅速破损甚至断裂。 2 6 本章小结 本章对材料的加工性能，可转位刀具的角度，表面质量，刀尖圆弧半径以及刀 片的断屑性能等影响车削精加工的主要因素进行了讨论，同时又分析了在车削精加 工过程中刀具的主要磨损形式。 1 9 华南理工大学工稃硕十学位论文 第三章金属陶瓷 3 1 金属陶瓷刀具的特性 金属陶瓷是一种粉末冶金产品( 本文中指刀具材料的一种) ，这种材料的硬点 为钛( t i ) 化合物而不是钨