（材料加工工程专业论文）难加工材料3cr1mo14v钢的切削及刀具破损机理的研究.pdf

难加工材料3 c r - l m o 1 4 v 钢的切削及 刀具破损机理的研究 摘要 本论文选题是针对大型化工设备高压热壁加氢反应器的主体件一筒节材料 ( 3 c r - l m o 1 4 v 钢) 难于切削加工的问题，是黑龙江省重大科技攻关项目的 一个子课题，由于该材料具有超高韧性、热强性好等特点，在切削加工中断屑 困难，刀具粘结破损严重，刀具损耗大，加工效率低。 为攻克刀具粘结破损难题，在实验室试验与现场试验相结合的基础上，对 切削该材料刀具的粘结破损机理及刀具材料的选择进行了研究。 对不同牌号的硬质合金刀具进行断续切削难加工材料3 c r - l m o 1 4 v 钢的 对比试验，通过对所选的刀具产生的粘结破损形貌和破损区域大小进行比较分 析，优选出适合加工3 c r - 1 m o 1 4 v 钢的刀具材料。在初选出的1 2 种硬质合金 刀片基础上，进行了刀片材质的多次优选，最终确定y g 5 4 6 和m 2 为加工该 材料的最佳材质。 借助普通金相显微镜及扫描电镜，对硬质合金刀具进行铣削试验后的破损 表面进行低倍、高倍破损形貌观察及组织分析，研究刀具在断续切削过程中粘 结破损的机理。指出硬质合金刀具在切削3 c r - l m o 一1 4 v 钢时，由于切削力 大，切削温度高，加之其所含元素f e 、c r 、m o 与硬质合金粘结相c o 之间的 亲和力较大，因此刀一屑间发生严重粘结，造成粘结破损。这种粘结实质是切 削过程中刀具与工件元素之间的相互扩散及形成再结晶所致。另外元素阔的扩 散和亚表层的损伤对粘结破损也有一定的影响。 为防止硬质合金刀具在切削过程中刀具的粘结破损，可通过选用合适的切 削用量，避开产生粘结的切削温度；选用涂层刀具、带槽型的刀具以及组织致 密、晶粒细小均匀的超细晶粒材料作为刀具。提高刀具性能，减少刀具的粘结 破损，增长刀具寿命，提高生产效率。 关键词耐热钢；硬质合金；破损机理；刀具材质优选 m e c h a n i s m0 ft h ed i f f i c u u r - t 0 一m a c h i n e m a t e r l a l3 c r 1 m o 1 4 vs t e e l a b s t r a c t t h i sp a p e rs t u d i e st h ed i f f i c u l t t o - m a c h i n ep r o b l e mo ft h ec u t t i n gt o o l sw h i c h c u t st h em a i np a r to ft h el a r g ec h e m i c a le n g i n e e r i n ge q u i p m e n th i 曲一p r e s s u r eh o t w a l lh y d r o p r o c e s s i n gr e a c t o r - - c y l i n d e rm a t e r i a l s ( 3 c r - l m o - 1 4 vs t e e l ) i ti sa s u b t a s ko ft h er e s e a r c h ，w h i c hi sf i n a n c i a ls u p p o r t e db yk e yr e s e a r c hf u n do f h e i l o n g j i a n gp r o v i n c eo fc h i n a b e c a u s et h i sm a t e r i a lh a ss u p e rt o u g h n e s s ，h i g hh e a t i n t e n s i t ya n dt h eh e a tr e s i s t a n c e ，d u r i n gt h es p o tm a c h i n i n g ，t h ec h i pb r e a k i n gi s d i f f i c u l t ，c u t t i n gt o o l sa d h e r ef r a c t u r ed o w nb a d l ya n dt h em a c h i n i n ge f f i c i e n c yi s l o w i no r d e rt od e a lw i t ht h ea d h e r i n ga n df r a c t u r eo fc u t t i n gt o o l s ，b a s e do n c o m b i n i n gl a ba n ds p o te x p e r i m e n t ，w es t u d yo nt h es e l e c t i o no ft h ec u t t i n gt o o l s m a t e r i a la n dt h ea d h e r i n ga n df r a c t u r em e c h a n i s mo ft h ec u t t i n gt o o l sw h i c hw e r e u s e dt oc u t3 c r - 1 m o 一4 vs t e e l a g r o u po fc o n t r a s tc u t t i n ge x p e r i m e n tf o rd i f f e r e n tt y p e so fh a r da l l o yc u t t i n g t o o l so fw h i c hd i s c o n t i n u o u sc u t t i n gt h e3 c r - l m o - 1 4 vs t e e lw a sd o n e b y c o m p a r i n gt h ea d h e r i n gf r a c t u r eo u t l i n ea n dt h es i z eo f f r a c t u r er a n g e ，t o o l sm a t e r i a l s a d a p t e dt oc u ts u c hw o r k p i e c em a t e r i a l sw a so p t i m i z e d b a s e do nt h ef i r s ts e l e c t e d 1 2k i n d so fh a r da l l o yc u t t i n gt o o l s ，m a n yo p t i m i z a t i o ne x p e r i m e n t so ft h ei n s e r t m a t e r i a l sw e r ed o n e a tl a s tt h ey g 5 4 6a n dm 2w e r ed e e m e dt ot h eb e s tm a t e r i a l st o c u ts u c hw o r k p i e c em a t e r i a l s u s i n gs e m ，w eh a v eo b s e r v e dt h el o wa n dh i g hm u l t i p l ea d h e r i n g f r a c t u r e o u t l i n eo nt h es u r f a c eo ft h eh a r da l l o yc u t t i n gt o o l sa n da n a l y z e di t sm i c r o s t r u c t u r e a n dc o m p o s i t i o na f t e rt h ec u t t i n ge x p e r i m e n t t h ea d h e r ef r a c t u r em e c h a n i s mo f c u t t i n gt o o l si nt h ep r o c e s so fd i s c o n t i n u o u sc u t t i n gw a ss t u d i e d w ef o u n d t h a tb i g 儿一 c u t t i n gf o r c e ，h i g hc u t t i n gt e m p e r a t u r ea n dt h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nt h ef e ，c r , m oo f t h ew o r k p i e c em a t e r i a l se l e m e n t sa n dh a r da l l o ya d h e r i n ge l e m e n tc oa r et h em o s t k e yf a c t o rw h e nt h eh a r da l l o yc u t t i n gt o o l sc u t s3 c r - l m o 一1 4 vs t e e l ，s ot h es e r i o u s a d h e r i n gp h e n o m e n ao c c u r i nf a c tt h ec a u s eo fa d h e r em e c h a n i s mi st h ed i f f u s i o n b e t w e e nt h ee l e m e n t so ft h ec u t t e ra n d w o r k p i e c e a sw e l la st h e r e c r y s t a l l i z a t i o n o t h e r w i s e ，t h ed i f f u s i o no fa t o m sa n ds u b s u r f a c ef r a c t u r ec a n i n f l u e n c et h ea d h e r i n gf r a c t u r ei nac e r t a i nc o n d i t i o n i no r d e rt o p r e v e n tt h ea d h e r i n gf r a c t u r eo fh a r da l l o yt o o l si nt h ec u t t i n g p r o c e s s ，w ec a ni m p r o v et h ec u t t i n gb e h a v i o ra n da v o i dt h ea d h e r i n gt e m p e r a t u r e ， s e l e c tt h ec u t t e r sw i t hc o a ta n dg r o o v e s ，a n ds e l e c tc u t t e r sw i t hs u p e r - f i n eg r a i n s m a t e r i a l s s ot oi m p r o v et h ec a p a b i h t yo ft h ec u t t e r , r e d u c et h ea d h e r i n gf r a c t u r e ， p r o l o n gt h ec u t t e rl i f e ，a n di m p r o v et h ep r o d u c ee f f i c i e n c y k e y w o r d sh e a tr e s i s t a n c es t e e l ；h a r da l l o yc u t t i n gt o o l s ；f r a c t u r em e c h a n i s m m a t e r i a lo p t i m i z a t i o no f c u t t e r 1 1 1 一 第1 章绪论 1 1 课题研究的目的和意义 1 1 1 难加工材料切削加工的发展状况 随着现代科学技术日新月异的发展，各种先进的材料不断涌现，并且在整 个材料的使用过程中所占的比重越来越大。 汽车工业是许多工业国家的支柱产业，也是用材大户。以美国为例，1 9 8 4 年底汽车材料消耗包括会属、塑料、橡胶、陶瓷与玻璃在内共约6 0 0 0 万吨材 料，占了美国材料消耗的很大份额。表1 1 为美国汽车新材料的应用，由表中 可以看出，应用先进材料的增长速度十分迅速。 航空工业对材料的要求十分严格。图1 1 是航空工业用材比例及发展预 测。由图1 1 看出，先进复合材料所占比例急刷增加，钛合金比例也相应增 加。 丑 求 船 1 钢2 高温合金3 钛合金4 树脂基复合材料5 陶瓷基 6 金属基复合材料7 铝合金 图1 - 1 各种材料在航空发动机中所占比例及预测 f i g 1 1t h ep r o p o r t i o na n df o r e c a s ti nt h ea e r o e n g i n eo f e v e r yt y p eo f m a t e r i a l 先进材料的出现是科学技术发展的需要，其性能能够满足使用要求，但在 加工制造方面却提出了更高的要求。上面涉及的材料中，高强度钢、不锈钢、 复合材料、高温合金、钛合金等在切削加工制造方面都是难加工材料。 表1 - 1 美国汽车新材料的应用 t a b l e1 - 1t h en e wm a t e r i a la p p l i c a t i o no f a m e r i c a na u t o m o b i l e 汽车平均用量( k g )年增长率( ) 材料 1 9 7 01 9 8 51 9 9 01 9 9 5 1 9 7 01 9 8 51 9 8 5 1 9 9 5 钢 1 5 8 51 3 7 51 3 1 21 2 7 0 o 8 o 9 高强度钢 5 4 18 9 11 3 2 31 6 6 45 91 13 不锈钢 5 71 3 21 3 91 4 31 o7 3 铝 5 3 05 8 55 9 36 0 o0 75 - 3 复合材料 4 11 6 62 7 62 1 84 8 0 先进复合材料 2 _ ：程材料 1 8】2 4 2 1 82 8 9 9 4 1 5 0 一般塑料 5 4 97 7 o9 3 4 1 1 0 8 4 2 5 1 陶 瓷0 1 2 4 先进材料增长率( ) 7 2 0 2 83 5 因此，随着科学技术的发展，难加工材料的加工在国内外都引起了人们的 3 泛关注。 从六十年代起，美国、德国、瑞典以及英国等国家都先后建立了切削数据 的研究和服务中心，针对难加工材料的切削用量、刀具几何参数等进行了大量 的试验研究。经过二十多年的努力，现在已经提供较成熟的切削数据。原苏联 也曾出版了几部有关难加工材料切削加工方面的专著。 进入八十年代以来，难加工材料的应用日益广泛，对其切削加工性的研究 也闩益深入。日本学者伊藤琢也介绍了一种适于高速粗加工高硬度材料的立方 氮化硼刀具，该刀具加工冷硬铸铁轧辊时，可提高效率6 倍。联邦德国学者 g c ) r k e 介绍了一种有效用于加工硬铸铁轧辊和淬硬高速钢以及其它高硬度材料 的立方氮化硼刀具，可以代替磨削加工，刀具使用寿命提高1 0 倍以上，生产 哈尔滨理工人学工学硕士学位论文 效率可以提高1 2 。在铝合金加工方面，日本学者有田知央介绍了一种金刚石 烧结体多刃刀其，比硬质合金刀具提高寿命3 0 倍左右。( ( r e v a l u m ) ) 杂志干0 载 的文章“铝及其合金的切削加工”，介绍了加工铝及其合金的各种刀具及其特 点，并提出了最佳切削用量和冷却液选择方面的建议。美国麻省理工学院 ( m i t ) 通过试验，研究陶瓷、涂层硬质合金、立方氮化硼、金刚石等1 9 种 刀具牌号车削钛合金t i 6 a 】4 v 时刀具的磨损情况，得出了多晶金刚石刀具和 无涂层碳化钨类硬质合金磨损最小的结论。原苏联学者j io 1 7 f lt f , obi o a 删 研究了车削钛合金时的最佳切削用量选择，并建立了刀具耐用度数学模型。日 本学者松木千惠仁则对奥氏体高锰钢的加工进行了钻削方面的研究，得出了加 工硬化严重的结论。为解决高强度材料的钻削加工问题，原苏联的古比雪夫工 学院和航空学院研制出一种高刚性钻头，可提高钻削效率0 5 倍，提高刀具使 用寿命l 倍。为解决不锈钢的加工问题，日本学者木村笃良认为，车削时用 p 2 0 和m 1 0 刀具效果较好，钻削时则应选择耐磨性优异的s k h 5 l 刀具。德国 人则采用具有相当大的前角、宽而深的断屑槽的硬质合金刀片，从而可减小切 削力、切削温度、和冷焊程度，并可防止积屑瘤的出现。n ) k 十年代后期，对 难加工材料的研究已取得了很大成绩。日本学者吉川悌二研究了在切削难加工 材料时使用保护气体的问题，研究表明，使用特定的保护气体，可使某些难加 工材料变得容易切削。俄罗斯学者j iy y lkhh1 3 b 则研究了对难加工材料钻 孔和攻丝时，各种冷却润滑液的影响”。 1 1 2 难加工材料的切削加工技术 难加工材料的界定及具体品种，随时代及专业领域而各有不同，例如，宇 航产业常用的超耐热合金、钛合金及含有碳纤维的复合材料等，都是该领域的 难加工材料。宇航业的工程技术人员开展了加工技术的研究与开发工作，已经 研究出适合该领域使用的切削工具和加工方法。近年来，机械制品多功能、高 功能化的发展势头十分强劲，要求零件必须实现小型化、微细化。为了满足这 些要求，所用材料必须具有高硬度、高韧性和高耐磨性，而具有这些特性的材 料其加工难度也特别大，因此又出现了新的难加工材料。难加工材料就是这样 随着时代的发展及专业领域的不同而出现，其特有的加工技术也随着时代及各 专业领域的研究开发而不断向前发展”1 。 然而，随着信息化社会的到来，难加工材料的切削技术信息也可通过因特 网互相交流，因此，今后有关难加工材料切削加工的数据等信息将会更加充 实，加工效率也必后有关难加工材料切削加工的数据等信息将会更加充实，加 哈尔滨理工大学工学硕上学位论文 工效率也必然会进一步提高，本文以难加工材料的切削加工为核一t l , ，论述该技 术近年来的发展动向。 1 1 2 1 切削领域中的难加工材料在切削加工中，通常出现的刀具磨损包括如 下两种形态：( 1 ) 由于机械作用而出现的磨损，如崩刃或磨粒磨损等；( 2 ) 由于 热及化学作用而出现的磨损，如粘结、扩散、腐蚀等，以及由切削刃软化、溶 融而产生的破断、热疲劳、热龟裂等。 切削难加工材料时，在很短时间内即出现上述刀具磨损，这是由于被加 ： 材料中存在较多促使刀具磨损的因素。例如，多数难加工材料均具有热传导率 较低的特点，切削时产生的热量很难扩散，致使刀具刃尖附近的温度很高，切 削刃受热影响极为明显。这种影响的结果会使刀具材料中的粘结剂在高温下粘 结强度下降，w c ( 碳化钨) 等粒子易于分离出去，从而加速了刀具磨损。另 外，难加工材料中的某些成分和刀具材料中的某些成分在切削区内产生高温的 条件下产生反应，出现成分析出、脱落，或生成其它化合物等，将加速刀具形 成崩刃等的磨损现象“。 在切削高硬度、高韧性的被加工材料时，切削刃附近的温度很高，也会出 现与切削难加工材料时类似的刀具磨损。如切削高硬度钢时，与切削一般钢材 相比，切削力更大，刀具刚性不足将会引起崩刃等现象，使刀具寿命不稳定， 而且会缩短刀具寿命，尤其是加工生成短切屑的工件材料时，会在切削刃附近 产生月牙洼磨损，往往在短时问内即出现刀具破损。1 。 在切削超耐热合金时，由于材料的高温硬度很高，切削时的应力大量集中 在刃尖处，这将导致切削刃产生塑性变形；同时，由于加工硬化而引起的边界 磨损也比较严重。 由于这些特点，所以要求企业在切削难加工材料时，必须慎重选择刀具品 种和切削条件，以获得理想的加工效果“。 1 1 2 2 难加工材料在切削加工中应注意的问题切削加工大致分为车削、铣削 及以中心齿为主的切削( 钻头、立铣刀的端面切削等) ，这些切削加工的切削热 对刃尖的影响也各不相同。车削是一种连续切削，刃尖承受的切削力无明显变 化，切削热连续作用于切削刃上。“；铣削则是一种间断切削，切削力是断续 作用于刃尖，切削时将发生振动，刃尖所受的热影响，是切削时的加热和非切 削时的冷却交替进行，总的受热量比车削时少“。 铣削时的切削热是一种断续加热现象，刀齿在非切削时即被冷却，这将有 利于刀具寿命的延长。日本理化研究所对车削和铣削的刀具寿命作了对比试 验，铣削所用刀具为球头立铣刀，车削为一般车刀，两者在相同的被加工材料 和切削条件( 由于切削方式不同，切削深度、进给量、切削速度等只能做到大 体一致) 及同一环境条件下进行切削对比试验，结果表明，铣削加工对延长j 具寿命更为有利。 在切削难加工材料时，切削刃受热影响较大，常常会降低刀具寿命，切削 方式如为铣削，则刀具寿命会相对长一些。但难加工材料不能自始至终全部采 用铣削加工，中间总会有需要进行车削或钻削加工的时候，因此，应针对不同 切削方式，采取相应的技术措施，提高加工效率“”1 。 1 1 2 3 切削难加工材料用的刀具材料立方氮化硼( c b n ) 的高温硬度是现有 刀具材料中最高的，最适合用于难加工材料的切削加工。新型涂层硬质合金是 以超细晶粒合金作基体，选用高温硬度良好的涂层材料加以涂层处理，这种材 料具有优异的耐磨性，也是可用于难加工材料切削的优良刀具材料之一。 难加工材料中的钛、钛合金由于化学活性高，热传导率低，可选用金刚石 刀具进行切削加工。c b n 烧结体刀具适用于高硬度钢及铸铁等材料的切削加 工，c b n 成分含量越高，刀具寿命也越长，切削用量也可相应提高。据报 道，目前已开发出不使用粘结剂的c b n 烧结体。 金刚石烧结体刀具适用于铝合金、纯铜等材料的切削加工。金刚石刀具刃 口锋利，热传导率高，刃尖滞留的热量较少，可将积属瘤等粘附物的发生控制 在最低限度之内。在切削纯钛和钛合金时，选用单晶金刚石刀具切削比较稳 定，可延长刀具寿命。 涂层硬质合金刀具几乎适用于各种难加工材料的切削加工，但涂层的性能 ( 单一涂层和复合涂层) 差异很大，因此，应根据不同的加工对象，选用适宜的 涂层刀具材料。据报道，最近已开发出金刚石涂层硬质合金和d l c ( d i a m o n d l i k cc a r b o n ) 涂层硬质合金，使涂层刀具的应用范围进一步扩大，并已可用于 高速切削加工领域。 1 1 2 4 切削难，j n - r 材料的刀具形状在切削难加工材料时，刀具形状的最佳化 可充分发挥刀具材料的性能。选择与难加工材料特点相适应的前角、后角、切 入角等刀具几何形状和对刃尖进行适当处理，对提高切削精度和延长刀具寿命 有很大的影响，因此，在刀具形状方面决不能掉以轻心。但是，随着高速铣削 技术的推广应用，近来己逐渐采用小切深以减轻刀齿负荷，采用逆铣并提高进 给速度，因此，对切削刃形状的设计思路也有所改变。 这种由原来连续切削向间断切削的转换，是随着对计算机数字控制 ( c n c ) 切削理解的加深而进行的，这是一个渐进的过程。采用此种切削方式 切削难加工材料时，可保持切削的平稳性，且有利于延长刀具寿命“。 1 1 2 5 难加工材料的切削条件难加工材料的切削条件历来都设定得比较低， 随着刀具性能的提高，高速高精度c n c 机床的出现，以及高速铣削方式的引 进等，目前，难加工材料的切削已进入高速加工、刀具长寿命化的时期。 现在，采用小切深以减轻刀具切削刃负荷，从而可提高切削速度和进给速度的 加工方式，已成为切削难加工材料的最佳方式。当然，选择适应难加工材料特 有性能的刀具材料和刀具几何形状也极为重要，而且应力求刀具切削轨迹的最 佳化。例如，钻削不锈钢等材料时，由于材料热传导率很低，因此，必须防止 切削热大量滞留在切削刃上，为此应尽可能采用间断切削，以避免切削刃和切 削面摩擦生热，这将有助于延长刀具寿命和保证切削的稳定。 1 i 2 6 难加工材料切削加工的发展如自订所述，难加工材料的最佳切削方法是 不断发展的，新的难加工材料不断出现，对新材料的加工总是不断困扰着工程 技术人员。最近，新型加工中心、切削工具、夹具及c n c 切削等技术发展非 常迅速，而且在切削加工之外，c n c 磨削、c n c 电加工等技术也得到空前的 发展，难加工材料的加工技术选择范围已大为扩展“。 当然，有关难加工材料加工信息的收集与对该技术的深入理解，还不能尽 如人意，正因为如此，而对难加工材料的不断涌现，人们总是感到加工技术有 些力不从心。例如，前述车削加工由连续切削向间断切自4 转换，便有利于延长 刀具寿命，新型涂层硬质合金刀具的使用，使难加工材料切削技术水平得到进 一步提高。在难加工材料的切削加工中应特别重视工具寿命的稳定，不仅工件 材料要和刀具性能妥善配伍，而且对加工尺寸、加工表面粗糙度、形状精度等 的要求也极严格，因此，不仅应特别注意刀具选用，对工件的夹持方式等相关 技术也不能掉以轻心。 今后，难加工材料零件的加工将采取c a d c a m 、c n c 切削加工等计算机 控制的生产方式，因此，数据库的建构、工具设计与制作等工具管理系统的完 善，都极为重要。难加工材料切削加工中，适用的刀具、夹具、工序安排、刀 具轨迹的确定等有关切削条件的数据，均应作为基础数据加以积累，使零件生 产方式沿着以i t 化为基础的方向发展，这样，难加工材料的切削加工技术才 能较快地步入一个新的阶段n 。 1 1 3 难n t 材料的切削加工特点及对刀具的要求 八十年代末和九十年代初，出现了许多新型难加工材料，因此，人们开始 对新型难加工材料的切削加工性进行研究。 新型难加工材料性能优异，但不利于加工，有以下加工特点： ( 1 ) 刀具使用寿命短： ( 2 ) 切削区域温度高； ( 3 ) 切削阻力大； ( 4 ) 加工表面粗糙度差； ( 5 ) 切屑处理性能不好。 因此，所使用的刀具一般应具有以下性能： ( 1 ) 硬度必须高： ( 2 ) 高耐磨性； ( 3 ) 最好经过途层处理： ( 4 ) 切削刃应保持较高强度； ( 5 ) 刃倾角要大； ( 6 ) 高的耐热性与化学稳定性。 复合材料是由纤维与基体材料构成的新型材料，加工时其特点是刀具磨损 严重“。英国学者k o m a n r u d i r a n g a 建议使用金刚石刀具加工复合材料： c o e l h o r t 也通过研究指出，人造金刚石是唯一能保证有实际意义的切削用量 水平和保持刀具足够寿命的刀具材料：w e i n e r tk 也认为，用t i a l n 涂层的硬 质合金刀片在2 5 0 m m i n 的切削速度下加工复合材料更为经济有效，但只有 氮化物陶瓷刀具及金刚石刀片才具有最长的寿命。；c u p i n in l 则指出，加工 碳纤维和玻璃纤维复合材料时，精加工只能用金剐石刀具，但粗加工可用k i o 硬质合金刀具，切削速度在3 2 0 4 5 0 m m i n 之间，其余材料均不能满足刀具 寿命和加工成本要求；s a n t h a n a k r i s h n a ng 认为，加工复合材料时，刀具的磨 损分热力学磨损和沟槽型磨损两种情况，k o n g w 则在加工复合材料时采用激 光加热方法，他指出，激光加热时，提高切削速度可大幅度降低切削力，同时 可明显降低刀具的磨损和已加工表面粗糙度，但增大进给量则适得其反。由于 立铣刀形状复杂，因此只能采用硬质合金，为解决立铣复合材料的问题，德国 学者h e l lb e r g ha h 提出了在立铣刀上镶硬质合金刀片的方法，并因此获 得专利。 日本学者高津户光雄研究指出：新材料不断增多，切削加工时必须充分了 解材料的成分和性能以及刀具材料的性能，如此，才能取得良好效果。 我们国内的难加工材料切削加工性方面的研究工作起步较晚，近年来，陕 西机械学院、上海交通大学、东北大学和哈尔滨理工大学现代制造技术与刀具 开发研究所已开展了对不锈钢的切削加工研究工作，并取得了一定的进展。但 这些研究工作缺乏系统性，离实际生产的要求还相差甚远，因此，进一步更深 入地研究难加工材料的切削加工性有很大的理论意义和实际意义。 1 2 问题的提出 上面提到了难加工材料，那么什么样的材料是难加工材料昵? 所谓的难加 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 工材料，即是硬度、强度高，塑性、韧性大，导热率低的材料。高合金耐磨铸 铁，冷硬铸铁，奥氏体不锈钢，以及3 c r - l m o 一1 4 v 钢等等材料均属难加工材 料。 作者于2 0 0 3 年5 月1 2 月为了切削难加工材料的课题到自贡硬质合金有 限责任公司、中国第一重型机械集团等进行了调研，广泛接触了切削加工方面 的各类专家。在与他们的接触中了解到：高合金耐磨铸铁和冷硬铸铁用陶瓷或 y d s l 5 刀具可以加工；不锈钢用四川自贡硬质合金有限责任公司的y g 5 3 2 或 株洲的y s 2 t 加工效果好；但对3 c r - i m o 1 4 v 钢的切削加工所使用的刀具， 则无人研究过。目前中国第一重型机械集团切削加工3 c r - 1 m o 一1 4 v 钢现场所 使用的刀具是y t 5 ，该刀具在使用过程中损耗严重，加工效率低。其主要原因 是刀具抗粘结性、耐冲击性较差，刀具使用寿命低。 本论文进行的正是特殊难加工材料3 c r - l m o 1 4 v 钢切削加工用刀具的研 究。该材料是国外新发展起来的钢种，是构成大型化工设备高压热壁加氢反应 器主体件一筒节的材料。高压热壁加氢反应器是炼油设备，属三类压力容器， 安全性要求高。目前，国外仅有意大利、美国、日本等少数工业发达国家能够 制造。1 9 8 8 年以前其制造在我国尚属空白，8 0 年代初，使用要靠进口，但这 满足不了我国石油工业飞速发展的需要。1 9 8 2 年，由抚顺石油三厂，北京钢铁 研究总院，洛阳设计院，合肥通用机械研究所和中国第一重型机械集团组成了 联合课题组，揭开了国内研制热壁加氢反应器的序幕。自从1 9 8 8 年起，首台 反应器研制成功，至1 9 8 9 年底已有三台出厂。到1 9 9 4 年，订货已达1 0 台。 在加氢反应器的制造过程中，中国第一重型机械集团在其锻焊性质方面进行了 大量研究，并取得了一定的成果，但对其切削加工性的研究，尚未进行。随着 热壁加氢反应器制造数量的增加，这种材料的切削加工所产生的矛盾越来越突 出。对现有的大型设备利用率低，刀具破损率高，费用大，严重地影响经济效 益及与国外竞争的能力。因此，研究车削加工余量大的主体零件一筒节切削加 工所用的刀具，将带来巨大的经济效益和社会效益，并且，该切削加工不仅适 合于3 c r - l m o 1 4 v 钢，而且也适合其它难加工材料如奥氏体不锈钢，耐热 钢，耐腐蚀钢等。随着我国高科技的发展，对特殊的耐高温、耐高压、耐腐蚀 的材料的需求量将日益激增，对其切削加工技术的研究也越来越占重要地位， 应用也越来越广泛，经济效益非常广泛“。综上所述，对材料3 c r - l m o 一1 4 v 钢切削) j h i 性技术的研究有着巨大的理论意义和现实意义。 1 3 课题研究的主要内容 本课题主要对难加工材料3 c r - l m o l 4 v 钢切削加工用刀具进行试验研 究，该课题是省重大攻关项目中的一个子课题。通过对刀具的优选来解决刀具 的破损及粘结破损情况，从而提高生产效率、降低成本。为了达到这个目的， 需要做以下几方面的试验研究：一是研究被加工材料的性能，确定刀具类型； 二是模拟现场切削条件，采用平面铣削的方法进行刀具材质优选，并分析刀具 在断续、重型切削过程中粘结破损的机理；三是通过扫描电镜照片测量刀具破 损区域的大小，分析晶粒大小的分布、结构不均匀性等，以此优选出适合切削 3 c r - l m o 一1 4 v 钢的刀具，使该刀具的抗崩刃、抗粘结破损性能良好；四是提 出改善刀具粘结破损的措施，以利于提高加工效率，改善切削条件，提高刀具 的性能和使用寿命。 难加工材料3 c r - l m o 一1 4 v 钢切削加工性很差，根据目前我国的实际情 况，还没有最适合加工这种材料的刀具，所以本文做了以下的工作。 ( 1 ) 对各大企业所使用的刀具性能进行了全面的了解，分析了所使用刀 具的现状、存在的问题及发展方向。 ( 2 ) 分析研究了大型化工设备高压热壁加氢反应器的切削性能以及切削 该材料时刀具出现的粘结破损机理。 ( 3 ) 对多种不同牌号的刀具做切削3 c r - l m o 1 4 v 钢的大量试验，并对刀 具材料做对比分析，优选出适合加工的刀具牌号。与现场使用的刀具y t 5 相 比加工的效率高，使用寿命长。 ( 4 ) 提出了改善在切削难加工材料3 c r - l m o 一1 4 v 钢时刀具出现粘结破损 的措施，以确保实际生产能够顺利安全的进行。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 第2 章难 j n - r 材料切削刀具的选择 2 1 国内外刀具技术的发展 机械工业是为国民经济各工业部门提供机电一体化技术装备的基础工业， 其重要性是众所周知的。金属切削加工是机械工业中的基本工艺方法。目前， 凡是精度和表面加工质量要求较高的机械零件，一般都需要经过切削加工。刀 具是金属切削加工中的主要工具，刀具在很大程度上影响着机械产品的质量与 可靠性。国内外历来都十分重视切削刀具的研究和改进。 目前，我国已成为世界的第三大刀具市场。但由于技术和装备落后等原 因，致使我国刀具在品种、质量和材质等各方面与国外相比均存在较大的差 距。日本、德国、美国等先进国家的刀具制造商正在大举抢占中国市场，使国 内的刀具企业面临新的挑战。刀具市场的另一个变化是：各种各样的硬质合金 牌号，代替了原来的高速钢刀具。更多的刀具制造商开始不断推出设计新颖、 科学的刀具，刀具的性能不断得到改善。在改善产品性能的同时，各生产厂家 为满足当前机械加工的需要，致力于降低生产成本，开发使用方便和多功能化 的刀具。 2 0 世纪8 0 年代，我国刀具生产增长很快，迅速实现了刀具国产化，首先 在国内市场上把日本量、刃具顶了出去，继而大量出口，出口量达到总产量的 3 0 。9 0 年代开始，由于产品结构和产业结构调整缓慢、品种单调、质量平平 的低档产品年复一年地大批量生产，虽然也引进了一些当代刀具先进制造设 备，但绝大多数设备被用来生产千篇一律的标准刀具，使用好设备制造低档产 品，这种局面使我国工具企业陷进了困境。1 9 9 6 年对数控刀具在品种、规格、 数量上的满足度只有2 0 ，工具行业在中高档产品上难以满足需求，供给能力 不足。 2 1 世纪，中国将成为世界制造业的中心，经济的全球化，带给中国机械行 业将是更多的机遇和更大的挑战。先进制造技术的发展、机械工业结构的调 整、高效率数控机床的使用，都要求现代刀具具有高效率、高精度、高可靠性 和专用化，即所谓“三高一化”的特点发展，但国内刀具企业目前的现状与 这一要求还存在一定差距。改革开放后，国外刀具企业大量进入国内市场，这 给国内刀具企业带来竞争的同时，也带来了全新的技术和理念，促进了先进刀 具的发展。 2 0 世纪8 0 年代后，发达国家进入了所谓知识经济年代。传统的制造业， 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 也由于数控技术的普及推广而跃上一个新的发展台阶。在这种生产力发展的浪 潮中，刀具产品和技术作为制造过程的一个重要环节，也面临着巨大的挑战， 传统的干篇一律的标准化刀具，已无法满足现代制造业对提高效率和降低成本 的强烈追求。这种市场需求变化迫使工具行业放弃传统的生产模式，转向迎合 现代制造业要求的“高精度、高效率、高可靠性和专用化”的发展道路。 当前机械加工总的发展趋势是提高效率、提高精度、提高自动化程度、降 低非切削所占用的辅助时间，降低材料的消耗量，其目的就是提高生产率、缩 短生产周期，提高质量、降低成本。这个总的发展趋势反映在刀具方面，就是 开发新型刀具材料，改进、开发新结构刀具，针对各种被加工材质，优选最佳 刀具材料，设计最佳刀具结构，优选最佳几何参数，以此来提高切削用量，提 高刀具寿命、加工精度，并进行刀具的模块化、系统化和成套化工作，以适应 机械加工无人化、自动化的发展趋势。 刀具材料的发展从高速钢一硬质合金一陶瓷一超硬材料，高性能材料不断 取代低性能材料，切削速度和加工效率不断提高。表2 1 是1 9 9 8 年和2 0 0 5 年 刀具材料构成情况。 表2 11 9 9 8 年和2 0 0 5 年刀具材料组成情况比较( ) t a l b l e2 - 1t h ec o m p a r i s o nw i t hc o m p o n e n to f c u t t e rm a t e r i a lb e t w e e n1 9 9 8a n d2 0 0 5 未涂层c v d 涂p v d 滁氮化硅金属金刚石 年份 硬质合层硬质层硬质 c b n 金刚石 合金合金 陶瓷陶瓷涂层 1 9 9 82 54 31 04l o23o 2 2 0 0 51 73 81 54 1 l 55 1 硬质合金是目前使用最多的刀具材料。为实现加工过程的优化，国内外都 针对不同加工方法和被加工材料开发了硬质合金新牌号。各种涂层硬质合金刀 具的应用范围覆盖了切削加工的大多数领域，可满足钢、铸铁、有色金属、不 锈钢等各种材料的高速切削、干式切削和硬切削加工的要求”“。 细晶粒和超细晶粒硬质合金( 统称细晶粒硬质合金) 的出现是近年来硬质 合金的技术发展上的一个重大突破。由于细颗粒硬质合金的性能比普通硬质合 金有显著的改善，使刀具的切削速度又有大的提高。此外用细晶粒硬质合金制 造的中小规格钻头、丝锥和立铣刀带动了量大面广的通用刀具进入高速切削的 领域。上海大众先后引进的两条发动机生产线上的孔加工刀具从高速钢进步到 硬质合金，从而大大提高了加工效率就是一个很好的例子。 哈尔滨理工大学工学硕十学位论文 陶瓷刀具主要应用于耐磨材料、淬硬材料和难加工材料等的车、铣粗精加 ：。陶瓷材料的耐磨性高于硬质合金但比较脆。从氧化铝( a 1 2 0 3 ) 陶瓷到混 合陶瓷和氮化硅基陶瓷，一直在致力于改善陶瓷材料自身的韧性，也采取如渗 入粘结材料或t i c 晶须之类的措施增强韧性。现在有的陶瓷材料的性能已进入 硬质合金强度和韧性的范围，应用领域也有所扩大o “。 超硬刀具中p c d 已成为高效加工铝合金、非金属材料、合成材料的主要 刀具材料，而c b n 则在硬切削、干切削、铸铁的精加工等领域得到更广泛的 应用。过去因脆性大性能不稳定而限制超硬刀具应用的瓶颈现已突破：汽车生 产线上c b n 刀具加工生铁缸孔的速度已达到2 0 0 0 米分，p c d 刀具铣削铝合 金缸体的速度为到4 0 0 0 米分；而航空航天部门铣削铝合金的速度已达到7 0 0 0 米分。 高性能高速钢在刀具材料中仍占有一席之地。当前普通高速钢用量不断萎 缩，而高性能的含钴高速钢和粉末冶金高速钢的用量在增加。m 4 2 和a s p 3 0 为代表的钴高速钢最高淬火硬度达h r c 7 0 ，而且高速钢具有强度高、刃口锋 利、抗冲击耐热性好的独特优势。切削中消耗能少，切削温度低，无加工硬 化，工件表面质量好，在通用刀具、复杂刀具、难加工材料刀其上使用提高了 切削速度和加工效率。 2 2 刀具材料的选择原则 金属切削过程中，直接完成切削工作的是刀具的切削部分，刀具切削性能 的好坏，首先决定于构成刀具切削部分的材料，再者取决于被加工材料的切目4 性能。其中切削加工生产率和刀具耐用度的高低，刀具消耗和加工成本的多 少，加工精度质量的优差等等在很大程度上都取决于刀具材料的选择是否合 理。而被加工材料的种类很多，各种不同物理机械性能和切削性能的刀具材料 其适应的切削条件各不相同。正确选用刀具材料、研究新型的刀具材质、设计 新的粘结硬质合金刀片材质都有重要意义。在加工像不锈钢、耐热钢、高温合 金及宇航工业中用的特殊难加工材料时，研究新型的刀具材料、材质的设计常 常成为能不能对这种材料进行切削加工的关键问题。 近几年来，随着工件材料，特别是各种难加工材料的迅速发展，对被加工 材料的要求日益提高，出现了许多新型的高性能的刀具材料、超硬高速钢、碳 化钛基硬质合金，表面涂层硬质合金、立方氮化硼刀具材料的出现，使刀具使 用寿命成倍、十几倍甚至几十倍的提高。由于近几年出现了一些难加工材料， 如超硬钢、耐热钢、硬质合金钢，使得切削加工更加困难，加工耐热钢时用抗 粘结硬质合金刀片材质的设计，已成为各科研所的科研项目，也是我省的重大 科研攻关课题，难加工材料如耐热钢、硬质合金钢、超硬钢的重型切削加工特 点是研究的重点。通过对这些难加工材料的分析选择抗粘结的硬质合金刀片材 质”。 对于高温合金、不锈钢、耐热钢等难加工材料来说工件材料韧性大，导热 系数低，粘附性强，切削时消耗的能量多，切削力大，切削温度高，因而对 刀具材料抗弯强度和韧性的要求比耐磨性更为突出。同时要求刀具有较好的导 热性，以便降低切削温度。所以对于上述材料选用w c c o 合金比较合适。但 是，w c c o 合金与钢发生粘附的温度较低，故只能采用较低的切削速度”“。 随着被切削材料种类的增加，现代刀具也不断演化，种类繁多，但常用刀 具材料的种类可分为工具钢、高速钢、硬质合金、陶瓷、超硬刀具材料。在对 不同的工作条件和不同的被加工材料进行加工时，刀具材料的要求也不同。在 切削不均匀的加工余量或断续加工时刀具受到很大的冲击，硬质合金刀具极易 发生脆性破坏。切削金属时金属层在发生剧烈的变形后变成切削，产生很大的 热，所以要求刀具材料有很高的耐热性。再者，在高温和巨大的切削压力下， 在前刀面上形成月牙洼，后刀面上产生磨损带，所以刀具材料具有较高的硬度 和耐磨性，其中还有一些刀具材料会在切削时产生的高温中被氧化，更为重要 的是在巨大的切削压力下，工件上刚形成的表面( 特别是在刀具材料与工件的 亲和力强时) 容易和刀具粘结